国外水电站续建项目设计探析——以尼日利亚达丁卡瓦水电站续建总承包项目为例

沈源国，张宝勇，祝景东

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

在国外，特别是非洲，建设部分未完最终无法发电的半拉子水电项目很多，笔者调研接触了不少类似项目，有大坝及厂房仅建了一部分而荒废的；有大坝和引水系统完成，厂房未完的；有大坝已建成蓄水完成，厂房已经结顶，但机电设备没有采购的；有大坝和厂房及机电设备均已完成，但由于没有送出线路而一直没有发电的。不同项目的续建在难度和专业侧重点等方面均有所不同，但一些需要关注的地方及方法还是类似的，本文以尼日利亚达丁卡瓦水电站的续建总包项目为例进行介绍分析。

2 工程概况

尼日利亚达丁卡瓦水电站续建总承包项目位于尼日利亚东北部的拱北州，装有2台20 MW的混流式水轮发电机组，是笔者单位第一个带运维的国外水电总承包项目。大坝及挡水建筑物等均已于1986年基本完成并蓄水，厂房主体工程及金属结构部分工作也已基本完成，剩余机电设备及厂房主机段从尾水管到发电机层的二期混凝土、开关站、送出线路、尾水工程等未完成。原EPC总承包单位为奥地利的Voest Alpine公司,咨询方为加拿大的Shaumont Montreal公司。

2013年9月和当地的开发商签订该续建项目的EPC合同，2014年5月合同正式生效。续建项目内容包括所有机电设备EPC(含水轮机、发电机、调速器、励磁、主变及其他MBOP、EBOP设备)、水下清淤、厂房内土建、下游尾水渠及两岸边坡的续建、进场道路、开关站及132 kV送出线路的EPC以及10 a的运维等。

本续建项目地处博科圣地活跃的尼日利亚拱北州，疟疾严重、物资匮乏、项目涉及工程范围广、难度大、参与专业及分包商众多、协调组织不易，总体实施难度较大。

续建项目由于战恐及业主资金问题，中间有两次暂停，但通过良好的全过程把控，最终于2019年12月30日2台机组调试完成；2020年1月7日收到业主发放的TOC，受到业主的高度评价；同时项目也创造了良好的经济效益。

3 设计特点

笔者曾经考察过非洲、东南亚及中美洲部分国家的部分水电站，发现国外很多水电站的设计布置相对比较紧凑，没有像国内大多数电站那样布置中规中矩，部分机型选择也很有特点，如有采用双转轮双尾水管机型的，有水轮机带2台发电机的；有不设水轮机层及发电机层，直接在蜗壳层上部通过钢制机坑将水轮机和发电机置于钢制机坑内的(即孤岛式厂房布置形式)；有不设安装场的；有不设辅助用房的；等等。

国外实施工程更多的是采用EPC的模式， EPC承包商千方百计通过设计进行优化，减少工程量，从而减少成本，创造企业效益，所以很多设计并不规整，空间也更紧凑局迫。而国内的设计大多是业主专门委托设计院进行设计，设计费的收取和项目总投资直接相关，缺少优化的动力；而且进行非常规的布置和优化，会增加设计的难度和工作量，并承担更多出错的风险，建设完成后过于紧凑及不规整的布局也不太容易受到业主接受。

尼日利亚达丁卡瓦水电站原设计相对还比较常规，但也有自己的部分特点：

(1)厂房地坪以上采用钢结构厂房。由于非洲的砖头质量较差，混凝土成本高，为节约成本、加快工期、提高质量等，非洲的很多水电站从20世纪70年代起就非常普遍地采用钢结构厂房。相对国内水电站钢结构厂房使用的比例就不高，近十来年慢慢有部分使用；但随着国内装配式厂房的推广，钢结构厂房应该会有增多的趋势。

该钢结构厂房原先未考虑开窗等，楼梯布局考虑也不够合理。墙体为内外两层波纹铁皮，内加保温泡沫材料，在墙体上重新开窗、开孔后对外观影响较大。

(2)2台机组蜗壳布置角度不一致，和X轴角度分别为75°和-75°。电站2台机组为一管一机布置，引水钢管直径4.25 m。为了节省压力钢管施工过程中的开挖和回填、浇筑工程量，2条钢管平行布置，间距只有5.45 m。由于2台机组间距为12.5 m，在接近厂房时，2台钢管成“八”字形和2台机组蜗壳连接，造成2台机组蜗壳布置角度和X轴分别为75°和-75°，2台机组水轮机成非一致布置。

(3)桥机轨顶到安装场的高程差偏小，给大件设备的卸货、安装吊装等造成极大困难。原设计可能纯粹为了节省钢结构厂房的造价，没有仔细考虑大件的吊装尺寸，主钩极限位置到安装场的距离只有4.6 m，按常规根本无法满足大件设备的卸货和吊装要求。如在考察时没有注意到这一点，大件设备到现场将无法正常卸货及吊装。

(4)尾水闸门起吊葫芦高度不够。原电站设计2台机组共用1台机组的2扇尾水闸门，在另一台机组需要使用这2扇尾水闸门时，需要将尾水闸门从这台机组的闸门门槽中吊出，通过上部可移动电动葫芦移到另一台机组。但原设计葫芦位置偏低，约0.1 m，造成闸门无法从门槽中吊出。从现场情况看，由于是设计缺陷，葫芦没有抬高的处理办法，非常被动。

(5)原主变基础问题。原主变基础已经施工完成，但其方位布置和目前的开关站很难衔接，而且基础尺寸偏小太多，间距也严重不足，通道、消防无法满足规范。本次设计根据出线方位及新的主变尺寸及规范对升压站进行了重新调整布置。

4 设计重点难点分析

由于本项目为续建项目，且存在部分设备的修复改造，涉及专业及设备众多，接口界面复杂，如果设计考虑不到位，等到了在物资供应及各方面条件都很恶劣的尼日利亚东北部现场，其处理解决问题的难度及代价都将是非常巨大的。本项目尽管实施难度很大，但由于项目管控到位，设计、采购、发货、现场施工、安装调试等都还比较顺利。很大原因也在于在设计前期和设计过程中关注到了以上原先的一些设计不足并很好地把握住了以下一些重点和难点。

4.1 前期考察、测量、搜资

对续建项目，充分了解现场条件，了解现场的各种接口、尺寸、设备情况是必不可少的，并需要第一时间进行策划安排。现场的考察团队一般由项目主要管理人员、主要设计人员、测量人员(如需要还需安排地质专业)组成。为了保证考察效果，在出行前各专业分别进行策划，提出详细的考察搜资清单、重点关注点、需要测量的尺寸等，并进行评审，然后由项目进行总体把控。到现场后也根据实际情况进行调整，一起进行分析讨论，尽量不出现缺漏和偏差。

4.2 机组增容

原电站设计单机容量为17 MVA，现在根据合同要求，机组单机容量需增加到20 MW(23.5 MVA)，增容比例巨大，达38.2%。而且由于原引水钢管、尾水肘管及出口段部分已经施工完成，机组中心已经确定，机组的增容选型需在此基础上，应综合考虑流道的衔接影响、大预留机坑尺寸限制，气蚀性能的影响等。

4.3 厂房桥机高度不足

本电站厂房内原先已经配有1台110/25 t的桥机，但由于原先设计厂房较低，轨顶高程偏低，主钩到安装场地面的最大距离只有4.6 m。本项目水轮机型号为HL—LJ—315，发电机型号为SF20—40/6200，虽然机组容量不大，但由于水头低，机组转速低，尺寸大。按常规考虑，根据其主钩极限尺寸，大件设备的卸货、吊装均无法满足要求。因此在机组招标及评标过程中，对重大设备的起吊，要求厂家根据现场实际情况，提供特殊起吊工装，工装是否合适作为满足招标文件的条件之一。在设备卸货及安装过程中，也对发货的平板车高度(车板高度不超过1.1 m)及安装工序等都作了重点关注安排。

4.4 桥机和原有金结设备的改造

原桥机于1987年安装后一直没有通电运行，电气设备老化，机械设备可靠情况不明。原有进水口检修闸门、事故闸门、尾水检修闸门于1986年安装后一直没有动作，闸门本体在水下状况不明，门机及启闭设备电气控制部分老化严重；泄水底孔弧门一直全开泄水，启闭设备及密封性能不明。

针对现场情况，在初步确定桥机及金结改造设备供货厂家后，项目安排厂家技术人员、安装人员一起前往工地进行检查搜资，根据需要对相关设备进行拆卸、检查、测量；然后一起明确具体的改造更换范围及方案。金属结构的更换和维修方案需分水上、水下部分，尽量考虑完全可靠，考虑到各种可能性及经济性。

根据现场考察情况，基本上明确对桥机及金结设备的电气设备进行全部更换；桥机的电机可靠性较差，进行更换，主钩电机改为变频电机，司机室进行整体更换；各种电动葫芦进行整体更换，各闸门本体基本情况较好，提供更换密封件及紧固件等；拦污栅更换起吊链条并提供电动葫芦及其环形固定吊架等。

4.5 和原先的基础、开孔及设备等的接口问题

(1) 和原流道的衔接，特别是尾水出口段和引水钢管部分。由于原2台机组预留引水钢管出口和机组X轴分别存在不同的夹角，现场测量也难免存在部分误差，在设计时和蜗壳的进水段考虑了用凑合段进行衔接，并预留了200 mm的现场配割余量。在机组的选型和效率修正方面也充分考虑了和原先流道衔接的影响。

(2) 经过30多年的发展，目前新的自动化要求及电站电气设备和原先的设计布置差别较大，原先屏柜布置的电缆开孔大多无法使用。在具体的电气设计过程中，屏柜布置原则上和厂房结构设计配合，在兼顾电缆走向、周边通道及楼梯的影响外，尽量考虑利用原先的开孔，减少新开孔洞，以免影响楼板强度，减少新开孔及老孔封堵的工作量。

(3) 电站往下游的排水孔不合理，尾水出口测压头未预埋等，部分原预埋的水机管路和电缆套管有缺失或被堵塞等现象；设计需针对具体情况，提出适合的解决方案。

(4) 原先电站未考虑通风送风系统。由于通风系统相对风管尺寸较大，设计根据现场情况，和土建、电气专业一起，确定最优的通风系统走向，尽量减少现场开孔数量。

4.6 尾水锥管闷板设计

由于电站原只设计了1台机的尾水闸门。为了保证现场仅有的1台机组尾水闸门用于1号机组有水调试的时候，不影响2号机的安装及调试，设计考虑要求主机厂在2号机组尾水锥管底部设1块带进人门的闷板。该闷板需要有足够的强度和刚度，在2号机组无水调试结束，尾水闸门落下封水成功后，切除该闷板。

4.7 升压站布置

原电站升压站主变基础偏小，间距及布置方位也不合理。设计针对出线方位及主变尺寸，结合规范要求及现场情况，将升压站进行了重新调整布置。由于场地限制，如何扩展升压站场地、如何保证升压站特别是主变处的沉降，水工和电气设计进行了多次专题研究策划，很好地保证了最终的整体质量。

4.8 上游流道清淤

原先合同中没有关于上游流道清淤的项目。实际上由于机组上游流道工作闸门一直处于挡水工况，经过30余年，必然存在大量淤积。项目在进场时意识到此问题，经过和业主沟通，进行了初步的水下探摸。基本确认，上游闸门前流道内存在2～3 m的淤积，如果不进行清淤，将造成工作闸门无法提升，并在试运行时危及机组的安全。项目最终安排国内专业队伍，在机组调试前对上游流道进行了水下清淤。

4.9 下游水位及尾水疏浚

本项目根据原先的尾水渠流道，对下游尾水渠及两岸边坡进行了混凝土施工，但由于尾水渠下游河道多年淤积，造成实际尾水位比设计抬高约1.5 m。由于本电站水头相对较低(Hr=32 m)，在旱季时，尾水位的抬高对发电效益的响应较大，需提醒业主择机对尾水进行疏浚。

5 结 语

水电站续建项目难度大，情况复杂，特别是部分电站由于年代久远，国外业主管理不到位，资料缺失严重。因此，需针对续建项目的具体情况，派遣有经验的项目管理及设计团队，对电站进行详细的考察、测量、搜资。根据合同及现场情况进行详细的项目总体策划及具体的专业策划，尽量策划到位、考虑全面，把控产品质量，减少到现场后出现设备选型、接口布置及其他设计等问题。