西班牙拉穆埃拉Ⅱ号抽水蓄能电站设计

［西班牙］J.C.布拉沃

胡云鹤 译自英刊《水电与大坝》2012年第5期

拉穆埃拉(La Muela)Ⅱ号工程由一座装有4台水泵水轮机的地下发电站、一条地下压力管道(具有一个将管道分成4部分的岔管)，以及一条尾水隧洞组成。电站从下游水库和上游人工湖取水。组成水力回路的水库和进出水口，以及进场公路、开关站和高压线路均在20世纪80年代建成。

因为可以直接利用这些现有设施，拉穆埃拉Ⅱ号电站的装机容量比率远低于同类型电站的通常比率，从经济的角度来看其需要的投资非常有吸引力。

电站设计时，考虑了尽量地减小对拉穆埃拉自然公园区域周围风景环境的影响，所有新建建筑物都位于地下，并且不需要新修任何输电线路。2006年秋季开工，次年完工，因为在此期间既没有中断工程施工作业，也没有妨碍现有电站的运行。2012年8月，现场安装了机电设备和压力管道。这座早在1982年就已完成设计的雄伟工程，最终将会成为欧洲最大的水力发电综合体之一。

1 电力需求发展

自科尔特斯(Cortes)Ⅱ号电站以及拉穆埃拉Ⅰ号电站投入运行以来，在过去的20a间，西班牙峰值电力需求稳定增长。实际上在2006年，峰荷需求量值比1989年翻了一番。近些年新的发展趋势表现在夏季峰荷的增加，因为在夏季的一段时间中，由于长期维护的结果，水电稀缺，而且火电也往往供应不足，此外，最近大量的风力发电相继投产，其运行情况很难事先预料，这已导致了电网系统发生不希望出现的的失衡。抽水蓄能电站是一种稳定间歇性可再生能源技术，并可将获得的风能从基荷转换到峰荷的有效途径。

2 科尔特斯－拉穆埃拉工程

科尔特斯Ⅱ号电站是一座装机246 MW的常规电站，位于一座116 m高的重力拱坝脚下，一座84 m高的下游重力拱坝调节排入瓦伦西亚灌区的水量。拉穆埃拉Ⅰ号电站是一座地下抽水蓄能电站，将科尔特斯水库和拉穆埃拉高原上的一座人工湖相连。这两座水库相隔800m，水头500m。人工湖总库容2300万m3，该湖是在石灰石和泥灰岩中开挖而成的，防渗部件的沥青混凝土衬砌新近又增加了一层玛王帝脂剂保护层对其进行整修。

有利的地质特征对现场十分有利的地形条件起到了增强作用，这使得在一个非常短的水力回路中水头损失极小。白垩纪岩石层是亚水平的，除了有一条与水库平行的断层以外，没有构造干扰，这就形成了一道不透水的屏障，使得电站能与下游水库非常接近。从原项目最初的几个阶段，就对拉穆埃拉Ⅱ号电站的升级进行了设想，所以，1982年年初就决定两座水库都修建进水口。拉穆埃拉Ⅰ号电站装有3台混流式水泵水轮机组，在发电运行方式下的功率和流量分别为216 MW和46 m3/s，在抽水运行方式下的功率和流量分别为180MW和35 m3/s。拉穆埃拉Ⅱ号电站装有与之类似的另外4台机组。完全建成后的科尔特斯－拉穆埃拉工程的抽水和发电额定功率将分别为1280MW和1720MW。

3 电站设计标准

拉穆埃拉Ⅱ号电站的设计受到了已建上下游进出水口的影响。工程选址受到限制，但在其他2座电站的建设和运行期间，当地优势地形条件的特性已经过全面测试。因此，选定的设计方案和拉穆埃拉Ⅰ号类似，因为机组实质上是相同的。主要的不同与上游压力管道有关，新工程的压力管道完全处在地下，并且在水轮机高程处有个一分为四的分叉管。

在2001年开展了一项针对修建一座新电站可行性的初步研究，其间，公司一直信奉着这样的原则，即环保、可持续发展以及通过促进研发和应用新设备，更加有效地利用现有基础设施，减少对能源的过度依赖。

拉穆埃拉Ⅰ号和Ⅱ号是纯抽水蓄能电站，对工程站址下游的朱卡尔(Jucar)流域水电资源的其他用户不产生任何影响。这是因为其运行模式遵循以一个星期为周期，净水流量(net water flow)为零，还因为科尔特斯坝和埃尔纳兰杰罗(EI Naranjero)坝调节从工程站址下泄到朱卡尔下游流域灌区的灌溉水量。

4 电站设计

4.1 概 述

现存的已建进水口使得必须在原电站西侧修建新的电站。这需要修建一条压力管道、一座电厂洞室、一座主变洞、一条尾水洞和一座电缆竖井，以及数条廊道和一些配套工程。为了尽量减小对现有电站的干扰，拉穆埃拉Ⅱ号电站应尽可能地靠近现有的67 m长的变压器室。厂房洞室和主变洞室相互平行，相隔47.4 m。新厂房和现有厂房用一条水平廊道连通，该廊道连接两厂房的处在同一海拔高度的装配间。

进入新电站的通道是一条1 km长的隧道和一条连接廊道，该隧道从现有的交通隧道下降到拉穆埃拉Ⅰ号电站，而这条连接廊道可供现有的大直径竖井共同使用，用于搬运大件设备。还有一条连接变压器室与户外开关站的电缆竖井。

在施工期间，还必须开挖一些辅助廊道和竖井以便提供通达各个位置的通道，例如一座位于上游压力管道顶部的竖井，一条通达压力管道底部的低位隧道，以及3条通往主洞顶拱室的廊道。

厂房将会装备4台可逆式机组，目前正处于安装阶段，每台都在导水机构前设置一个球阀。每台机组在发电运行方式下的功率和流量分别为212 MW和48 m3/s，在抽水运动方式下的功率和流量分别为185 MW和36 m3/s。在尾水侧，各台机器将用设置在距机组轴线56.34 m的垂直平板闸阀加以保护。下游进水口和尾水隧洞的第一部分与原电站同时一起建成。将压力管道分为4条岔管的多叉管已经建成，以便与4台机组相连。交流发电机和变压器通过放置母线的4条廊道相连。主变室的电缆通过一条200m的垂直竖井与地面开关站相连。

4.2 压力管道

一条压力管道向所有的机组供水。它由不同质量的自支撑钢建造而成，厚度为20～42 mm，内径为5.45 m。其纵剖面包括 3个部分:一段斜率为24.93%，长 89.5 m;一 段 倾 角 为 46.79°，长683.07 m;还有一水平管段，长49.22 m。

开挖直径为6 m的倾斜洞段分成两个阶段进行。第1部分的开挖使用反井钻进技术完成，为剩余部分的开挖创造条件，第2部分是使用斜井支护开挖技术进行全断面开挖。

在反井钻进之前，使用基于泥浆护壁技术的复杂系统开挖出一个先导孔，这存在一定困难，因为在岩溶最发育的石灰岩中泥浆损失量较大。安装了两个滑动装置，用于斜向开挖。它们在导轨上移动，辅助完成钻孔、放置炸药和碎渣收集等任务。

沿整条压力钢管，岩石和钢管之间的空隙填充厚度为0.4～0.9 m的混凝土。

有关压力钢管的工作也在同步进行。与岔管焊接、钢管管圈的制造以及安装等相关的所有工作都在现场进行。

4.3 厂 房

设计了一座114.8 m ×17.65 m ×47.3 m(长 ×宽×高)的洞室作为厂房来容纳4台机组。该洞室包括一座钢筋混凝土顶拱室和用来安装交流发电机和水轮机的数个装配间，安装区域和控制楼设置在进厂通道楼层，在通道层，还有数条交通廊道服务于现有电站。

所有的开挖施工都使用了炸药，在此期间，观察到明显的渗流来自拉穆埃拉石灰岩地块的含水层。经过一段时间细致的地质研究后，决定采用灌注水泥浆的办法，形成5道防渗帷幕来保护工作区域。洞室顶拱由环用混凝土支护。开挖和混凝土浇筑交替进行，所以岩石不会达到某一规定的跨度。剩下的洞室随后分阶段进行开挖，从底部到发电机层顺次浇筑混凝土。

4.4 主变室

主变室与厂房平行，轴线间距离为47.4 m。最小岩墙厚度为28 m。此洞79 m×17 m×13.5 m(长×宽×高)。包含4台三相主变压器和两台厂用变压器。

每台都被装在独立的洞龛内，并以混凝土防火墙分隔。400kV干式电缆的线路从主变室通过长200m、直径6 m的竖井引至开关站。竖井的部分开挖使用了垂直反井钻进技术。

4.5 尾水隧洞

4条尾水隧洞的直径皆为3.5 m。斜率25.27%～27.53%。4扇3.9 m×4 m的垂直平板闸阀被安放在距水轮机56.34 m的变压器洞室内4座小扩建间中。一个直径变化的共同集水管将尾水管道与现有尾水隧洞相连。

4.6 机电设备

4台立轴混流可逆式水泵水轮机，转速为600r/min，上游有球阀、下游有垂直平板闸阀保护。在压力过水流道两端，进水塔两座水库中已安装了2扇垂直的平板闸阀。球阀内径为1.6 m，设计可以承受825 m水头，包含40%的水锤作用。下游闸门可以承受74 m反向水头。可以克服排泄水头49.3 m实现关闭。机组结构采用3个导轴承(发电机上、下部和水轮机)和1个放在发电机上部的推力轴承。

4台立轴发电电动机为同步三相型，带有1个静态馈电器、凸极转子和星形绕线的定子。额定功率为230MVA，额定电压为14.5 kV，同步转速为600r/min。

发电电动机按设计可作下列情况运行:

(1)直接连接到电网作为发电机运行。

(2)作为同步启动的发电机，向拉穆埃拉Ⅰ号电动机供电。

(3)作为同步启动的发电机，向拉穆埃拉Ⅱ号其他电动机供电。

(4)作为与电网连接的电动机，在拉穆埃拉Ⅱ号其他机组牵动下同步启动。

新主变的高压侧已用400kV单极电缆与变电站相应部分相连，拉穆埃拉Ⅱ号电站的400kV双母线变电站已经延伸4个新的部位与新机组相对应。这样的延伸在修建拉穆埃拉Ⅰ号电站时已经预见到。