瑞士增加蒙特薩爾文斯大壩的最小環(huán)境流量

[瑞士] F.布拉西 等

環(huán)境與生態(tài)

瑞士增加蒙特薩爾文斯大壩的最小環(huán)境流量

[瑞士] F.布拉西 等

高52m的蒙特薩爾文斯大壩是歐洲最古老的拱壩之一。 為滿足瑞士一項(xiàng)最新水域保護(hù)聯(lián)邦法案對生態(tài)保護(hù)的要求，應(yīng)該將大壩壩趾處的環(huán)境流量從130 L/s增加到500 L/s。論述了幾種可能的解決方案以及最終所采用方案的實(shí)施情況；同時，也對蒙特薩爾文斯大壩的建設(shè)背景、運(yùn)行現(xiàn)狀，以及實(shí)施升級改造的方案研制和比選過程等情況作了介紹。

拱壩；泄洪；方案選擇；蒙特薩爾文斯大壩；瑞士

蒙特薩爾文斯(Montsalvens)拱壩位于瑞士弗里堡州(fribourg canton )布羅克(Broc )村，修建于1919～1921年間。目前，大壩為上市公司E集團(tuán)所有并對其實(shí)施運(yùn)行管理。

大壩以前的裝機(jī)設(shè)計(jì)不允許增加下泄流量。因此，經(jīng)過對各種可能性進(jìn)行分析后，決定采取以下方案：在壩體內(nèi)安裝一個鋼管與大壩迎水面的進(jìn)水口相連，在背水面壩腳處布設(shè)一座小發(fā)電站。

接著，是選擇最合適的水輪機(jī)型號(混流式水輪機(jī)或帶固定或可變速調(diào)節(jié)的斜流式水輪機(jī))。由于上游水位的變化幅度大，并且基于經(jīng)濟(jì)因素考慮，決定選擇帶有固定轉(zhuǎn)速和可移動轉(zhuǎn)輪葉片的斜流式水輪機(jī)，裝機(jī)容量220 kW。盡管大壩上游水位經(jīng)常波動，但是，帶移動轉(zhuǎn)輪葉片的斜流式水輪機(jī)目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

該小型水電站從2014年1月開始運(yùn)行。

1 蒙特薩爾文斯大壩概述

在1997年到1998年間，對大壩進(jìn)行過修繕，包括：加固大壩左墩、安裝安全閘門(fusegate)系統(tǒng)、加大下泄能力以及優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)2006年的水深測量結(jié)果，當(dāng)水庫水位在高程800.8 m時，其總庫容是920萬m3，最初的庫容是1 260萬m3。

水庫水源來自若涅(Jogne)河 (主流)、若夫羅 (Javro)河和蒙特隆(Motelon)河。水庫入流量的年內(nèi)分布在該地區(qū)比較典型，如圖1所示。由于融雪，5月份的流量最大，10月到次年2月的流量相對較小。在2000年到2010年的10 a間，2006年5月29日實(shí)測的最大流量是261 m3/s。

在這種入流量狀況下，水位在高程785.0 m到800.0 m區(qū)間時，水庫通常(99%以上時間)都能正常運(yùn)行。水庫運(yùn)行的最低和最高水位分別是高程775.0 m和800.8 m。實(shí)測(起始于2003年)的水庫最低運(yùn)行水位是780.74 m。

2 法律支撐

1991年1月1日，瑞士開始實(shí)施水域保護(hù)的聯(lián)邦法案。 該方案的實(shí)施，旨在改善國內(nèi)河流湖泊的生態(tài)狀況，避免地表水及地下水受到污染。

基于一種新的計(jì)算方法，法案要求各洲(區(qū)域政府)必需確保河流的最小流量。這樣就導(dǎo)致可供水量的減少，進(jìn)而導(dǎo)致其水力發(fā)電量每年減少了4%或1.4 TW·h。

瑞士政府試圖增加可持續(xù)的能源，因而建立了一個時間跨度到2050年的新戰(zhàn)略規(guī)劃，并于2011年獲得通過。另外，自2009年開始，政府還成立了一個公募基金，以資助小型的氣候友好型發(fā)電系統(tǒng)，比如風(fēng)能發(fā)電、小型水力發(fā)電、生態(tài)能發(fā)電、光伏發(fā)電以及地?zé)岚l(fā)電等。

3 方案分析

3.1 概 述

若涅河最初的泄流方案是采取在底部出口處設(shè)計(jì)一個小的旁通系統(tǒng)。但是，通過實(shí)際的水力計(jì)算，結(jié)果表明，這樣并不能將泄流流量提高到130 L/s。因此，必須采取新的措施，將最小流量提高到500 L/s，以滿足當(dāng)?shù)卣囊蟆?/p>

3.2 進(jìn)水口與壓力管道

由于現(xiàn)有大壩在低高程處沒有孔口或閥門，因此,若要增加生態(tài)流量，就需要在大壩內(nèi)部修建一條水流通道。 隆巴迪公司曾在意大利圣米斯廷娜等其他工程中成功地修建過這類設(shè)施。因此，決定采用該方案。

工程需確保在任何時候的最小流量均應(yīng)達(dá)到500 L/s，甚至在關(guān)閉新的發(fā)電站，以及在水庫運(yùn)行水位達(dá)到最小高程775.0 m的條件下都是如此。這就意味著新的進(jìn)水口高程必須低于775.0 m。

在冬季入流量較小的情況下(見圖1)，為了提高發(fā)電量，有可能會將蒙特薩爾文斯水庫的水位降低到高程775.0 m以下。而在該高程以下，底部出口必須能夠運(yùn)行，以排出多余的水量。

由于排水時可能會沖刷出大量的泥沙，管理機(jī)構(gòu)禁止在工程施工期將水庫水位完全地消落，因此，必須尋找一個可行的方案，以使在大壩上游面修建新的進(jìn)水口時，水庫水位能夠維持在775.0 m以上運(yùn)行。經(jīng)研究，提出了以下幾種可能的方案。

(1) 在大壩略低于最低水位(高程774.0 m到775.0 m之間)處，安裝一個管道，以確保任何時候均能維持生態(tài)流量。由于在施工期水位只能降低到高程775.0 m，因此，需考慮一個防滲套管以保護(hù)施工工地。

該套管必須在水下固定并與一個小型泵裝置連接，以排出滲出的水量。

(2) 與方案(1)類似，只是修建一個防滲套管，但應(yīng)考慮安裝一個鐘形帽。認(rèn)為該方案具有可行性，這就意味著不用降低水位即能完成鉆孔工作。

但這個方案在施工期的整體風(fēng)險較高，主要是因?yàn)榇髩紊嫌螇蚊娴牟灰?guī)則性以及壩塊間會有滲水的可能性。如果出現(xiàn)故障可能會產(chǎn)生致命的后果，因?yàn)楣艿栏叱桃陨系恼麄€水體可能會通過排水洞排干，而無法采取任何措施進(jìn)行阻止。

(3) 安裝一個虹吸管。這個方案可允許在壩體內(nèi)最低水位高程以上的位置安裝管道，同時又不會影響在最低水位處對水的開發(fā)利用。壩體迎水面部分的虹吸管必須由潛水員在水下安裝。

對上述3個方案在技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及安全運(yùn)行方面進(jìn)行了比較分析。

最后的分析結(jié)果表明，虹吸管安裝方案被認(rèn)為是最佳的方案。該工程是將一個厚為4～5 mm墻焊接的無縫鋼管(直徑為600 mm)，錨定在大壩上游迎水壩面。 基于安全考慮，為大壩下游壩面處的管道設(shè)計(jì)了一個閥門。

在進(jìn)水口處安裝了一個攔污柵，以防止魚類進(jìn)入系統(tǒng)。進(jìn)水口與壓力管道頂端為直接集成式，采用的材料也一樣。

該方案還有一個特點(diǎn)，即進(jìn)水口處的攔污柵能拆卸，并可在此處安裝一個鋼盤。這樣，在施工期壓力管道就能被關(guān)閉。

3.3 電廠設(shè)備

修建該工程必須考慮滿足以下2個主要需求。

(1) 不管水庫水位如何，環(huán)境流量必須達(dá)到500 L/s；

(2) 在微型水輪機(jī)失效時，環(huán)境流量必須能維持大壩下游的水流量。

要滿足這些要求，必需選擇最合適的水輪機(jī)類型和發(fā)電站的相關(guān)設(shè)備。

3.3.1 現(xiàn)場水力特征

微型水輪機(jī)必須能在500 L/s與水庫水位高程為785.0 m時的相應(yīng)最小流量之間運(yùn)行。這樣，從理論上講，發(fā)電機(jī)組能在99%以上時間內(nèi)利用水能發(fā)電。 在高程785.0 m以下水輪機(jī)不會運(yùn)行，而且通過旁通閥排水，以保證最小500 L/s的環(huán)境流量。

根據(jù)排水渠的水力計(jì)算結(jié)果，下游水位應(yīng)當(dāng)維持在高程755.5 m。

3.3.2 機(jī)組類型

根據(jù)現(xiàn)場水力特性，在選擇機(jī)組類型時，混流式(凈水頭在20～300 m間)或斜流式(凈水頭在20～100 m間)水輪機(jī)都可以作為備選機(jī)型。2種水輪機(jī)方案比較見表1。

標(biāo)準(zhǔn)的混流式水輪機(jī)應(yīng)為一次調(diào)節(jié)。在水頭和流量弱相關(guān)時，其效率最大，而且其機(jī)械設(shè)計(jì)也是相對成熟的技術(shù)，通常在中型到大型的機(jī)器中采用。但是對于小型機(jī)器設(shè)備，其螺旋套管(特別是轉(zhuǎn)輪)的生產(chǎn)難度比較大，通常是水平軸向布置。然而對于蒙特薩爾文斯工程而言，由于空間有限，必須進(jìn)行垂向布置。

最終選定的發(fā)電設(shè)備具有以下特征。

水輪機(jī)類型 小型斜流式

正常/最大流量 0.5/0.57 m3/s

最大凈水頭(0.5/0.57 m3/s以下) 44.3/44 m水冷卻(WC)

最小凈水頭(0.5 m3/s以下) 28.5 m水冷卻

正常速度 1 510 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 3 720 r/min

飛逸直徑 375 mm

水輪機(jī)最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 188/220 kW

發(fā)電機(jī)最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 181/211 kW

發(fā)電機(jī)最大視在功率 (cosφ=0.88) 239 kVA

發(fā)電機(jī)壓力-頻率 400-50VAC-Hz

斜流式水輪機(jī)可以一次調(diào)節(jié)或二次調(diào)節(jié)。在相當(dāng)大的流量范圍內(nèi)，其效率通常較高，特別是二次調(diào)節(jié)時。然而其機(jī)械設(shè)計(jì)(特別是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì))相當(dāng)復(fù)雜，主要用于小型設(shè)施，可以水平軸向、傾斜軸向或立軸式布置。

不過這些是從前的斜流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，現(xiàn)在它們已不常見，通常是將其作為水泵水輪機(jī)。最著名的水輪機(jī)，當(dāng)然是安裝在美國尼亞加拉大瀑布電站的那些水輪機(jī)。

從設(shè)計(jì)角度來看，斜流式水輪機(jī)就像一個有傾斜葉片的軸向機(jī)器，而從水力角度來看，其更像是混流式水輪機(jī)。由于為定向的葉片，因而斜流式水輪機(jī)在較大范圍的水頭與流量關(guān)系中具有較高的效率。這種水輪機(jī)在水頭高于30 m時，不會發(fā)生氣蝕且能滿足功能要求，而軸流式和轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)則需要安裝在下游時才能滿足同樣功能的要求。

在瑞士電力公司的資助下，微型水力實(shí)驗(yàn)室-Mhylab最近研發(fā)出了斜流式微型水輪機(jī)，它可以利用壩腳處的流量進(jìn)行發(fā)電。這種利用壩腳流量發(fā)電的情況，流量通常必須全年保持恒定。另一方面，水頭是不斷變化的，并且水頭取決于主發(fā)電廠的運(yùn)行規(guī)則以及水文季節(jié)性循環(huán)。而后者的變化可能會較劇烈，在這種情況下，斜流式水輪機(jī)比混流式水輪機(jī)更有效。

對以下3種方案的投資費(fèi)用與發(fā)電量開展了比較分析。

(1) 方案1。立軸混流式水輪機(jī)，為可調(diào)節(jié)的導(dǎo)葉裝置和可變轉(zhuǎn)速。

(2) 方案2。立軸斜流式水輪機(jī)，為固定導(dǎo)葉、可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片以及為固定的轉(zhuǎn)速。

(3) 方案3。立軸斜流式水輪機(jī)，為固定導(dǎo)葉、可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片以及可變的轉(zhuǎn)速。

方案比較結(jié)果首先表明了方案3不適合。因?yàn)樵摲桨傅哪昃l(fā)電量少于方案2，而投資卻更大。年均發(fā)電量較小的原因是，通過提高水輪機(jī)效率而增加的發(fā)電量，并不能補(bǔ)償由于頻率轉(zhuǎn)換器的有效性而導(dǎo)致減小的發(fā)電量。

接著，對方案1和方案2進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對比分析。但這種簡單的對比分析并不能識別出最佳方案。大壩業(yè)主決定選擇方案 2，即選用可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片和固定轉(zhuǎn)速的斜流式水輪機(jī)。

3.3.3 機(jī)組和設(shè)備特征

可能只有在水庫水位達(dá)到最高時，才能實(shí)現(xiàn)最大流量0.57 m3/s。而在水庫最低水位為高程785.0 m時，就可達(dá)到正常流量。

如前所述，河流必須是從不斷流。這就是為什么必須安裝一個旁通系統(tǒng)，來確保在發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行或維護(hù)期間的下泄流量。

發(fā)電站包括以下設(shè)備。

(1) (發(fā)電站進(jìn)水口前)一個帶有旁通管道分支的進(jìn)水口管道；

(2) 帶有一個手動的維護(hù)閥門、一個自動閥門、一個可調(diào)節(jié)隔膜式閥門(用來效驗(yàn)旁通流量)的旁通管道系統(tǒng)；

(3) 一個舊有水輪機(jī)的改良蝶閥；

(4) 一臺豎軸的斜流式水輪機(jī)，帶有定向轉(zhuǎn)輪葉片和相關(guān)設(shè)備；

(5) 設(shè)置有液壓系統(tǒng)的下游自動水平閥；

(6) 一套立軸式200 kW異步發(fā)電機(jī)，IP23；

(7) 控制設(shè)備。

水輪發(fā)電機(jī)通過總長180 m的0.4 kV電纜與電網(wǎng)相連接，并將其所發(fā)的電送到位于左岸大壩頂部高程上的低壓-中壓轉(zhuǎn)換器。發(fā)電機(jī)組嵌入到加固的混凝土結(jié)構(gòu)中，而且其布置通道為采用當(dāng)?shù)夭牧蠘?gòu)建，且外觀一致。

4 工程實(shí)施

4.1 工程實(shí)施狀況

該工程由當(dāng)?shù)爻邪淘?002年8～12月間進(jìn)行施工。水輪機(jī)于2013年安裝，2014年開始運(yùn)行。根據(jù)施工期的安排，需要確保進(jìn)水口和壓力管道上游部分的安裝施工在9月份完成，因?yàn)樵谶@期間，水庫水位降低所造成的經(jīng)濟(jì)影響會最小，而且洪水發(fā)生的概率也較小。

施工期間沒有發(fā)生較大的問題，新增加的工程各部分均按照設(shè)計(jì)方案的要求嚴(yán)格執(zhí)行。

4.2 進(jìn)水口和壓力管道

由于大壩上游壩面的進(jìn)水口和壓力管道必須位于最低水位以下，因此，必須由專業(yè)的從事水下施工的人員進(jìn)行安裝?；诎踩紤]，在工作場所附近布置了一個平臺以供施工人員進(jìn)行安裝，并在施工現(xiàn)場配備有船只，以便在緊急情況下進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移。

在施工過程中，需用直徑1 m的鏜床從下游壩面挖出一個鉆孔，以使壓力管道通過壩體，然后安裝管道并將其固定。管道與鉆孔之間用自壓縮混凝土填充。

在大壩下游面，壓力管道完全嵌入混凝土塊中，以防止大壩頂部物體滾落造成損壞。

4.3 發(fā)電廠房設(shè)備及布置

由于無法到達(dá)壩腳，因此,在大壩頂部安裝了一個維護(hù)裝置，以將小型部件運(yùn)送到施工場地。較大的部件比如閥門、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、以及電控柜等，用直升機(jī)通過頂部開口運(yùn)送到電站廠房中。

4.4 生態(tài)及安全

在施工期，對生態(tài)環(huán)境給予了特別關(guān)注。在工程開工之前，在底部出口設(shè)置了2個控制開關(guān)，用來對大壩附近積聚的泥沙進(jìn)行有效沖刷控制。

因此，在施工期如果緊急打開底部出口，則大壩下游的泥沙濃度會減小。在利用這些出口時，為減小泥沙濃度，還需額外補(bǔ)充一些從水庫抽出的清水進(jìn)行沖刷，并對泥沙濃度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。沖刷完成后，對壩下游的河床情況進(jìn)行分析并寫出分析報告。

由于在施工期采取了嚴(yán)格的生態(tài)控制措施，因此，在整個施工期內(nèi)沒有產(chǎn)生環(huán)境方面的問題。

與這類工程常見的安全和保障問題不同，在該工程進(jìn)行鉆孔施工作業(yè)時還存在著洪水風(fēng)險問題。為了降低風(fēng)險,采取了以下2個預(yù)防措施。

(1) 將上游水位降到鉆孔位置以下1 m處，這樣可以給洪水調(diào)蓄騰出額外容量。

(2) 在鉆孔上游進(jìn)水口處準(zhǔn)備一個帶有防滲裝置的鋼盤，以便能在1 h內(nèi)完成安裝作業(yè)。

在工程施工期內(nèi)發(fā)生過一次洪水，但由于提前采取了安全措施，避免了給下游可能造成的損失。

5 結(jié) 語

蒙特薩爾文斯大壩的環(huán)境流量從130 L/s增加到500 L/s，致使其每年的有效發(fā)電量損失了大約3 GW·h。得益于瑞士氣候友好型能源發(fā)展基金的資助，修建了壩腳微型水電站。該水電站利用環(huán)境流量，可實(shí)現(xiàn)年均發(fā)電量1.4 GW·h，這樣，大約可彌補(bǔ)50%的發(fā)電量損失。

盡管該方案在實(shí)施的過程中也遇到了一些挑戰(zhàn)，但在現(xiàn)有大壩上鉆孔并沒有造成麻煩。事實(shí)證明，該方案可用于現(xiàn)有的一些無法增加環(huán)境流量的大壩以及一些類似工程的升級改造中。

該方案的美中不足是，需要設(shè)計(jì)能在水頭變化劇烈(出流量通常是固定的)時運(yùn)行的低成本的水輪機(jī)。

(毛紅梅 趙秋云 編譯)

2015-01-23

1006-0081(2015)05-0007-04

TV642.2

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