法国拉克努瓦尔抽水蓄能电站的改造
2010-05-01拉库尔
[法]A.拉库尔
马元珽 译自英刊《水电与大坝》2009年第5期
拉克努瓦尔电站位于法国东部孚日山脉,是法国第1座抽水蓄能电站。下库为努瓦尔湖,上库为勃朗湖。从1939年投入运行以来,直到1991年需对其机电设备进行修复时,该电站一直处于运行状态。1991～2002年,对电站实施了修复工程。2002年7月,发电厂房因遭遇洪水而受损,下游尾水管衬砌也受到破坏,此后电站一直停用。
1 电站概况
原抽水蓄能电站具有如下特性:
(1)4台20MVA的三位一体的抽水蓄能机组;
(2)额定流量为100m3/s;
(3)最大毛水头为125.4 m。
上库进水口(图1)设计有2个平行的开口(长7m,高8.5m),流量为2×50m3/s,配备2个拦污栅,向2条廊道引水。
拦污栅由7块相同的板组成,采用螺栓连接。1998年,采用相同型号的拦污栅进行了更换。
2条廊道(右岸和左岸)从进口的正方形断面过渡到主闸门室处直径为 3.2 m的圆形断面。原先,2条廊道都配备有2个直径为 3.2m、串联布置的蝶阀。
图1 原进水口横断面
上游阀门用作安全闸门,闸板装配在水平轴上。下游阀门用作主闸门,闸板装配在垂直轴上。由于运行中出现了严重的振动问题,因此,在20世纪 90年代,不得不拆除安全闸门的闸板,只保留闸门本体。
在主闸门室下游,2条廊道会合成通向衬砌压力井的主压力隧洞。
沿勃朗湖湖边道路,经一座桥即可到达进水口。交通廊道通向上部室和控制室,上部室内安装移动起重机,控制室内安装主闸门油压控制系统和进水口控制盘。从上部室经笼梯向下,通过交通坑可至主闸门室。
2 更新方案
由于老电站已经停用,某些重要部件将完全更换,事实上,将修建一座全新的抽水蓄能电站。但是,新电站将修复和重新使用老电站的水力系统。可利用的原有设施包括:
(1)上库与下库;
(2)进水口土建工程(将更换主闸门);
(3)整条水道(压力隧洞、调压井和衬砌压力井)。
新电站计划只安装1台机组,以代替原有的 4台机组,新机组具有以下特性:
(1)机型为可逆混流式水泵水轮机;
(2)额定功率为 62MVA;
(3)流量为 60m3/s;
(4)最大毛水头为125.4m。
拉克努瓦尔抽水蓄能电站的更新工程也包括修复勃朗湖的进水口及其附属主闸门。
2.1 业主的要求和限制
业主的主要要求可归结如下:
(1)拦污栅必须符合法国电力公司(EDF)的最新标准;
(2)主闸门的一般性维护必须能在任何水位下进行,而不需要使用叠梁;
(3)对于需要使用叠梁的特殊维护,运行人员必须能安装叠梁而不需取走拦污栅的栅栏。
工程还包括许多挑战性的限制。首先将保留进水口的叠梁,因为叠梁上部不是水密的,重要的是,在使用叠梁时水位必须保持在叠梁顶部以下。冬季极其严寒的气候条件是另一个挑战。还有某些空间方面的限制,比如主闸门室、交通坑和有关通道非常狭窄。此外,进水口的单梁吊车必须能够承载拦污栅(最大载荷2 t),桥梁的工作载荷限制为14 t。
2.2 建议的解决办法
电站流量从原来的100m3/s下降到 60m3/s,将封闭右岸廊道及其开口。可在上游和下游用混凝土堵头来封闭,下游混凝土堵头也将用作左岸廊道和主进水廊道之间的水力联结。
将修复左岸拦污栅,使其设计符合新的流量 60m3/s的要求,并遵守 EDF关于可能导致严重损坏的水动力影响的要求。
针对各种目的和限制,提出了下列解决办法:
(1)拆卸主闸门室(左岸和右岸)的蝶阀和廊道部分。
(2)在交通坑底部,将安装一扇矩形断面和上游止水的定轮闸门。该闸门将由一个布置在上部室中的液压缸和一套 6个升降杆驱动。
(3)在正常运行期间,主闸门室和交通坑将被淹没。当主闸门关闭时,交通坑将用作空气阀。
(4)在对交通坑、闸门下游侧和下游水道进行检查与维修期间,简单地封闭闸门,排干廊道。
(5)对于一般性维修和全面检查,将闸门提起,摆放在上部室内的检查区域。这将通过拆卸液压缸和升降杆逐步进行,采用新的上部室单梁吊车运输。
在不过度降低勃朗湖水位的情况下,这些设计特性也将使执行一般性维修成为可能,由于天然供水很少,从需要对库容进行精心管理的角度来说,这是一大优点。
该设计也意味着维修工作无需进入到交通坑和闸门室去进行。
3 拦污栅和叠梁
3.1 主要特性
新拦污栅由7个结构相同但又各自独立的栅栏构成,每个栅栏宽1 m,重1.1 t,有19个栅隔,间距为 40mm,横断面为15mm×50mm,由一套紧固螺栓连接。这种布置可以避免遭受水动力破坏的风险,并将水头损失限制在可接受的水平。
所有栅栏用螺栓紧固到支持构架上,支持构架设计为能承受所有的载荷(拦污栅重量、水头损失和冰推力)。支持构架将包括 4根水力断面梁,以提高断面惯性。这 4根梁长7m,两端用灌浆填塞到边墙中,可以承受全部的水推力。
隔板在拦污栅与叠梁之间形成15 mm的间隙,通过隔板叠梁将水推力直接传递到支持构架上(图2)。因为拦污栅本身并不设计用于承受全部的水推力,所以叠梁的变形偏差必须保持在低于隔板的厚度,从而不会推撞拦污栅。
图2 拦污栅断面
3.2 实施挑战
进水口位于一个不太稳定的悬崖下面。因此,必须用安全网加固悬崖。
另一个复杂因素是户外工作将在受保护的山区进行。气候与自然环境的限制对施工工期有明显的影响。例如,在雪完全融化之前,不能开始加固悬崖的工作。该悬崖是保护动物鹰的栖息地,因此,重要的是不能影响或干扰其繁殖。这意味着在 6月底之前不能开始加固悬崖的工作。勃朗湖的水也需泄放到最低运行水位,才允许安装新拦污栅。最大的问题是在第1场雪到来时,户外工作必须立即中断。
4 主闸门
4.1 主要特性
如上所述,原先的两扇闸门将用一扇定轮闸门替代。当压力井发生故障时,主闸门能靠自重关闭,以保护水力系统和电站。交通坑用作空气阀,将防止钢板衬砌的压力井和压力隧洞的混凝土衬砌坍塌。主闸门具有如下设计特点:
(1)矩形断面。包括从圆形到矩形的过渡段的衬砌。
(2)上游水密性。可从闸门下游侧调整密封垫及其预应力机构。
(3)抗腐蚀保护采用120μm厚的锌铝合金层,再涂 3层500μm厚的油漆。
(4)主闸门将由一个配有6个升降杆的双向作用的液压缸驱动。但是,如上所述,在管道爆裂情况下,主闸门将靠自重关闭,而不需任何外部能源。该设计导致驱动装置总重约20t,包括12 t的配重。
(5)油压控制系统采用可生物降解的 HEES油。
(6)主闸门设计包括一个旁路,用以在开启闸门之前平衡闸门两侧的压力。
在正常情况下(即闸门打开时),将淹没交通坑,坑中水位与湖水位相同。将用新梯子替换原先的笼梯,这样可到达闸门室和廊道。
为了保证在下游廊道中有干燥的工作区域,将用管子收集任何可能的漏水,并排入集水坑。
设计研究提供了暂态模拟,以证实在水泵方式运行期间闸门关闭的情况下,决不会淹没上部室,在这种情况下,交通坑的作用相当于调压井。
4.2 一般性维修
为了对主闸门体进行一般性维修和检查,运行人员必须将闸门主体提升到上部室。将采用交通坑上方新上部室的单梁吊车和锁锭,逐个拆下液压缸和升降杆。当拆卸和取下上部升降杆时,采用锁锭使闸门和其余升降杆保持到位。
在检查区域,采用支持构架将闸门保持在需要的位置,以执行技术检查和维修。
固定部件(导向槽、前止水和底槛)用不锈钢制成。闸门密封垫和固定部件之间的接触面也将磨光,以避免摩擦损坏。这种设计的目的是尽量减少固定部件的维修次数。实际上,只有在主闸门打开以及当叠梁放在进水口上时,才能到达这些部位。
4.3 安 装
在安装新拦污栅(勃朗湖水位处于最低运行水位)时,采用一个临时的钢堵头堵塞左岸廊道。在保持下游侧工作区域干燥方便施工的同时,该堵头将允许勃朗湖充水。
在安装新闸门和有关辅助设备之前,必须拆卸掉原先的设备。首先应拆卸 4个蝶阀及其润滑油系统和控制盘。将拆除左岸廊道原先的衬砌,以便安装从圆形到矩形的过渡段的衬砌。
通往闸门室的通道(桥、交通廊道和坑)非常狭窄,坑的直径为 4.2 m、深 30m,桥宽仅 3.6 m。
工程研究包括进行运输模拟,以确定运输衬砌和闸门的适当方式。考虑了桥的工作载荷限制问题。
衬砌和闸门的各部件将在闸门室现场进行焊接。重新组装之后,将进行精密的计量检查。
5 辅助设备
5.1 仪 表
(1)勃朗湖水位测量和阈值检测。2个坑通过混凝土堵头与勃朗湖相通。因此,即使是在排干廊道和坑的情况下,仍能进行连续的水位测量。水位测量设备由直径为 400mm的钢管组成,包括 4个水位开关和2个水位传感器。
流量开关记录低水位和2个高水位。水位传感器可进行连续的水位测量,在低水位以及第1级高水位时发出信号。
(2)过速检测。过速检测装置(由2个超声波变送器组成)发出信号,能关闭主闸门,以防水力系统和电站持续受到破坏。
5.2 起吊设备
(1)进水口单梁吊车。将用一台新的单梁吊车替代拦污栅上面的单梁吊车。为了吊运拦污栅的栅栏,单梁吊车临时配备了一个葫芦。
(2)上部室起吊设备。上部室配备了一台单梁吊车,能起吊带配重和 6个升降杆的闸门,以便进行安装与维修。其工作载荷不得小于 30t。
上部室还配备有第2台单梁吊车,以便起吊从交通廊道到控制室的辅助设备,如油压控制系统、备用部件、控制盘等。
(3)闸门室单梁吊车。闸门室也配备有一台单梁吊车,将运输一台临时排水泵到集水坑。
5.3 排水系统
在闸门室中工作时,或在廊道或衬砌压力井处进行测量时,集水坑将收集和排放任何通过闸门渗漏的水。为此,集水坑将临时配备排水泵,并连接到带有软管的排水管。通过右岸混凝土堵头,排水泵将水排到湖中。
5.4 工期和费用
修复工程的进度和预算分别见表1和表2。
表1 进水口修复工程进度
表2 进水口修复工程预算
