瑞士洪格林-莱蒙抽水蓄能电站的扩容

[瑞士] G. 米库雷特 等

设计与施工

瑞士洪格林-莱蒙抽水蓄能电站的扩容

[瑞士] G. 米库雷特 等

洪格林-莱蒙(Hongrin-Leman)抽水蓄能电站靠近瑞士蒙特勒地区，该工程目前正在进行重大的升级改造，将电站装机容量从现有的240 MW提升至480 MW。介绍了改造工程研究的进展情况、扩容工程的施工条件、不同类型机组的布置方案比选，以及遇到的问题和挑战。

抽水蓄能水电站；水电站扩容；水电站布置；瑞士

瑞士洪格林-莱蒙(Hongrin-Leman)水电站扩容工程又称FMHL+项目，主要目的是提升洪格林-莱蒙电站的现有发电能力。该电站20世纪70年代初期的装机容量为240 MW，通过扩容工程将提升至480 MW。

扩容工程将修建新的地下电站。新电站通过连接现有的压力管道和尾水渠，融入现有水道之中，该水道位于洪格林上游的湖泊水库(高程1 255 m时库容达5 200万m3)和日内瓦湖(高程约372 m)之间。现有电站装有4台60 MW的串联式机组，扩容项目在此基础上，新增加了240 MW的装机容量(包括60 MW的预留装机容量)，通过在每个洞室增装1台装机容量120 MW的串联式机组(共计两台)来实现。

FMHL(Forces Motrices Hongrin-Leman SA)是该工程的业主方。瑞士艾匹克公司(Alpiq Suisse SA)作为业主代表，全权负责监理FMHL+项目的研究和实施。

1 工程概况

欧洲地区对于新能源(主要是太阳能和风能)的需求与日俱增，要求有更多的电力储备和更高效灵活的电网。抽水蓄能式电站是调节电网并获得更多电力储备最有效的方法之一。早在2007年，FMHL就决定对维图克斯(Veytaux)抽水蓄能电站进行扩容，以为将来的改扩建工作做准备。图1为该工程的总体布局。工程位于瑞士西部蒙特勒(Montreux)市附近的日内瓦湖。

图1 电站总体布置

1.1 维图克斯一期电站

洪格林-莱蒙抽水蓄能电站于1971年完工，目前由FMHL运行。该电站通过已有的地下厂房(即维图克斯一期电站)在上游的洪格林水库和下游的日内瓦湖之间实现了最大可利用水头达878 m。洪格林电站建有2座坝高分别为125 m和90 m的拱坝，如图2所示。

图2 洪格林水库及2座拱坝

电站初期由4台卧轴式水泵水轮机组组成，总装机容量为240 MW，如图3所示。在电力需求淡季，将下游的日内瓦湖水以最大流量24 m3/s抽至上库。用电高峰期时，再能以最大流量32 m3/s下泄，驱动水轮发电机组发电。水电站和日内瓦湖之间通过长200 m的地下渠道连接。

图3 一期电站内部

1.2 FMHL+扩容项目

FMHL+扩容项目通过在维图克斯一期电站洞室旁新建1个地下洞室，使电站扩容至初期装机容量的2倍，并采取两种极端变换方式，实现了能源在发电和抽水两种模式之间的转换。新增2台立轴式水泵水轮机组，使总装机容量达到了480 MW，其中420 MW是正常运行模式，另有60 MW作为备用。这样的设计，使电站在发电高峰期拥有了更多灵活性，为瑞士西部地区供电起到了重要作用，同时也进一步平衡了能源供需，满足欧洲及瑞士对可再生能源日益增长的需求。

新电站(维图克斯二期，如图4所示)主要是利用上游航道(引水隧洞和有压管道)和下游水力系统(尾水渠和进水口)。现有引水隧洞长8 km，压力井长1.4 km，发电流量和抽水流量分别可达到57 m3/s和43 m3/s。新的水力发电设备安装在100 m×25 m×56 m(长×宽×高)的地下洞室中。采取传统的钻爆法开挖主洞室和廊道。主洞室开挖方量达9.4万m3，而维图克斯二期电站总开挖量也只有15万m3(43 000 t)，混凝土浇筑量达3万m3。

图4 维图克斯一期和新建电站项目总平面

升级改造项目的瞬态计算表明,现有的调压井无法应对水体震荡，因此，需要在压力竖井上游端新修建1个高约170 m、内径7.2 m的调压井，位于现有调压井上游不远处。新修建的调压井通过1条内径2.2 m、长28.5 km的隧洞与引水隧洞相连。

1.3 新项目面临的主要挑战

新建电站与现有水道相连接，面临的主要挑战如下：

(1) 项目施工区域位于人口密集的城区，靠近公路桥、国际机场和国道，还临近1座古堡。

(2) 在修建新项目的过程中，必须保证维图克斯一期电站仍然能满负荷运转。特别是在新建项目与现有水道连接的过程中，必须尽量减少对发电的影响。

(3) 根据瞬态分析和过载保护来合理地选择机组配置，并且要与现有的压力井特征相匹配(尤其要考虑安全因素)。

为了使这一在人口密集复杂地区施工的项目通过审批，开展了专项研究。

该项目最主要的优势是无需修建1条新的水道，这一特点也决定了工程的机械配置。

2 施工区域和施工条件研究

2.1 地质和水文地质

2.1.1 地质研究

2008年，为了确定地质条件，进行了一系列的地质勘探工作。通过在电站周边钻孔的方式查明了电站两侧石灰岩质量、岩土力学特性和渗透性。

同时，为了确定新开挖洞室的方向，采用水力压裂法测试了岩石的应力状态。现场的应力监测表明，新的洞室方向应与原有电站方向一致，这样可以降低岩石应力，还能有效利用主洞的顶拱效应。

虽然在维图克斯一期工程周边进行了地质勘探，但对新调压井周边地质环境的勘测却无法开展。这是因为调压井正好位于涌泉保护区内，在没有特别许可的情况下，不允许进行任何形式的地质勘探。因此，在项目正式通过审批之前，在该区域无法进行地质钻探工作。

2.1.2 水文地质研究

由于连接有蓄能泵的串联式机组(见图4)垂向布置于日内瓦湖面25 m以下，因此在新建主洞周边需设置防渗帷幕。在2008年的地质勘探中，使用了3个测压计对岩石的自然渗透性进行了评估。

新建调压室位于发电机上方1 000 m处，处在保护区范围内，是最大的水文地质问题。FMHL的水文地质研究表明，由于地下水流的作用，泉水存在一定的被沉积物污染的风险。为了减小这种风险并防止水从廊道或调压井渗入地下，FMHL决定在新调压井和连接廊道内用钢板衬砌。由于该地区饮用水事关国家利益，FMHL与地方政府以及位于瑞士首都伯尔尼的国家相关部门共同探讨了该区域的水文地质研究情况及结果。

此外，FMHL还与泉水的管理方达成了一项特别协议，对泉水产生的破坏进行补偿。在施工过程中，将会及时采用当前最新的保护系统，如双底蓄槽，并开辟专区储存和卸载原油、柴油。

2.2 交通道路研究

正如前文所述，现有的维图克斯电站位于人口密集地区，且有1条国道从电站道路穿过。修建如此大规模的工程会给该地区增加大量的交通运输压力。最初预计将有20 000辆卡车的运输量，日平均运输量为70辆，高峰时日平均运输量可达120辆。卡车主要是运输开挖料和工程所需的混凝土。此外，有时还需大型车辆将发电和机电设备运到施工现场。

图5 开挖料的运输

为了降低现场施工对当地交通的影响，FMHL研究了2套交通方案(见图5)。第一方案考虑通过水路(湖泊)将开挖料运走。该方案在道路上方修建1条传输带、1条铁路和1个码头，将开挖料装上船，然后将其倒入日内瓦湖中，填充前期地质勘探开挖的钻孔。另一方案是通过铁路运输系统将开挖料运走(见图5)。对第二个方案中载重40 t的汽车通过国内公路网运输开挖料进行了评估。

模拟结果表明，在高峰期，每天运输的卡车数量最多达120辆，对现有交通的影响有限。因此选择了公路运输方案。同时，考虑专门修建1条环形通道，使卡车融入当地日常交通的方案。最终没有采用这种方案，而是设置卡车等待区并增加1组交通指示灯(红绿灯)。估算表明，现场施工的交通运输对当地交通运输的影响约0.5%。

所有开挖料全部运至距离施工现场 4.2 km的卡里埃阿瓦尔(Carriere Arvel SA)采石场。开挖料被加工成碎石和砂，用作电站所需混凝土的砂石料，多余的开挖料被采石场运至其他工地使用。

2.3 临近基础设施振动研究

在运行中的电站以及繁忙交通桥桥墩附近开挖主洞室和厂房具有巨大的挑战性。在20世纪70年代一期电站建成时，公路桥就在施工中。2008年新建工程施工时，因采用钻爆法开挖引起公路桥桥墩振动。然而，考虑到岩石硬度，也只能采用钻爆法进行开挖。

2.3.1 现场勘查

为了评估、监测并降低钻爆法开挖对现有公路桥的基础和已有电站的影响，开展了一些专项勘查和研究，例如研究不同钻爆方法的开挖效果。

早在2008年，在距离公路桥基础和电站15.0～50.0 m范围的廊道中进行了7次爆破试验。地质学家和一组结构工程方面的专家对这几次控制性爆破试验产生的振动数据进行了采集和分析。同时，也将此次勘测研究成果提交给了高速公路管理机构的代表共同讨论。讨论的结果是钻爆法施工可行。同时，建议在施工期间采用1套监测系统对产生的振动数据进行采集、分析及反馈。通过与公路方的专家和代表进行深入研究之后，双方终于对维图克斯二期工程的建设达成了一致。

2.3.2 钻爆法施工影响监测与控制

施工期间建立了1套监测系统，该系统由振动传感器网络构成，这些振动传感器被安放在桥基、桥面以及现有电站的相关设备周围，如图6所示。所有的传感器均与中央机组相连接，蜂窝网络将振动监测激活并发送给负责振动分析的专家。每次爆破之后，可以通过该监测系统对钻爆法进行相应调整。

图6 监测系统的分布

考虑到公路桥的结构，施工方和公路桥代表达成一致，将振动速度6.0 mm/s，频率低于60 Hz作为参考值。同时参照瑞士相关国家规范，规定振动速度绝对最大值为12.0 mm/s，频率低于60 Hz。

在施工现场，通过调整爆破参数对爆破振动进行控制。每一个钻孔安放了4.2 kg的炸药，可以将爆破后振动速度控制在6.0 mm/s以下。此外，如果有必要，可以将炮孔长度从3.0 m降至1.5 m，甚至在一些特殊情况下，可分两个阶段对开挖面进行开挖。

正式开挖前的准备工作包括公路代表方开展的探索性试验及最终达成的一致性意见，可以保证施工期间的各项工作安全、顺利开展。在整个开挖施工期间，仅监测到有少数点的振动速度超过了6.0 mm/s，但这也远低于最大振动速度的绝对值。

2.4 项目获批

最终的环评报告包括所有的勘测成果和环境影响评估，作为验收程序的一部分。通过与当地政府、国家政府和环境部门的代表共同开展的初步研究、探索性试验及细致的讨论，FMHL扩容项目得以顺利获批。

3 相关研究

工程师分3个阶段确定了电站的机组布置和装机扩容量，并且考虑了现有电站的限制条件。以下将根据瞬态分析报告，对机组布置方案的选择进行介绍。

3.1 技术评估

根据下列参数列出全部的技术方案：扩容180 MW或240 MW；机组数量1～4台，每台机组的容量为45～240 MW不等。

首先考虑所有可能的机组布置方案，如可逆式机组(无动力调整的多级可逆式机组、动力可调的单极或两级可逆式抽水蓄能机组)，或者是在不同洞室中布置串联式机组或单独的水泵及水轮机。

在已确定的146个方案中，有96个在技术上可行。在这一阶段，确定电站扩容量为240 MW。鉴于现有维图克斯一期电站的使用年限，并考虑在不远的将来，该电站机组将进行维修，因此将容量提高至240 MW，则机组运行便有更大的灵活性。

3.2 方案比选

通过制定多项评价指标，对96种可选方案进行评估，最后挑选出了11种可行方案，考虑到现有调压井的过载保护标准，这些方案均能保证最佳收益率。

在这一阶段，将与主要设备供应商开展技术讨论，并对工程进行实地考察。

3.3 根据瞬态分析选择最佳方案

综合考虑收益率等因素，确定最优方案的原则是必须与现有调压井的要求相匹配。调压井的过载限制如下文述。为了确保精度，要求根据最新的数据(来源于蓄能泵或者混流式水轮机的S曲线)进行瞬态分析，以评估在案例中的超载状态。

同时，业主联系了主要供应商，要求其提供设备的相关特性数据，以供计算机模拟使用。考虑到不同供应商对这些数据的认知和相关经验，FMHL与每个供应商均签署了保密协议，并请位于洛桑的瑞士联邦理工学院(EPFL)的水力机械实验室在这一阶段提供相关支持。

瞬态分析的结果表明，两级可逆式机组在特殊情况和突发情况下会分别产生18%和30%的超载现象，其他方案均满足超载标准要求。通过瞬态分析并结合电站运行特点，如对电网的维护和服务能力等，最终决定采纳装机容量为120 MW的串联式机组方案，其中采用1台冲击式水轮机和一个五级蓄能泵。

4 工程大事记

该工程于2011年3月7日正式开工，2014年1月31日完成全部开挖工作，2014年10月完成预埋件的混凝土浇筑和安装工作。

2014年10月至2015年9月，主洞室中安装水力机械设备，2015年9月开始安装机电设备。2016年3月底开始了发电机的调试工作，5月25日第一台机组首次并网发电，最大容量已经达到了118 MW，6月23日正式开始以抽水模式运行，第二台机组在2016年的8月11日并网发电。

谭峰屹 郭 佳 译

(编辑：李 慧)

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2017-01-15

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