［法國(guó)］ C.阿波奈 等

法國(guó)朗斯潮汐電站的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)

［法國(guó)］ C.阿波奈 等

竣工于1966年的法國(guó)朗斯潮汐電站，裝機(jī)240 MW，運(yùn)行方式為雙向型，水輪機(jī)機(jī)組為燈泡式，其土建工程和機(jī)電工程技術(shù)相當(dāng)成熟。介紹了該電站多年來(lái)的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、電站的主要技術(shù)和運(yùn)行方法、針對(duì)其專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的燈泡式水輪機(jī)，以及其自動(dòng)控制程序和陰極保護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)也指出了電站還需改進(jìn)的方面。朗斯潮汐電站的成功運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)為今后世界范圍內(nèi)的潮汐電站的開(kāi)發(fā)均具有指導(dǎo)與借鑒意義。

潮汐電站;運(yùn)行管理;管理方式;朗斯潮汐電站;法國(guó)

43 a前，法國(guó)朗斯河口的朗斯潮汐電站竣工。該電站位于布列塔尼(Brittany)的圣馬諾(St Malo)市附近。

自1966年起，法國(guó)電力公司就一直成功地運(yùn)行著朗斯電站。該電站不僅是布列塔尼地區(qū)的主要電力設(shè)施，而且還是法國(guó)第一大工業(yè)旅游景點(diǎn)，2000年接待游人超過(guò)了30萬(wàn)人。

1943～1961年，法國(guó)對(duì)許多不同潮汐電站站址的可行性進(jìn)行了考察和研究，最終選擇朗斯，并于1961～1966年建造。朗斯潮汐電站長(zhǎng)750 m，安裝24臺(tái)10 MW燈泡式機(jī)組，總裝機(jī)容量240 MW，年發(fā)電量約為538 GW·h。該電站的水庫(kù)庫(kù)容為1.84億m3，水庫(kù)一直延伸至朗斯河口上游20 km處。預(yù)計(jì)每年通過(guò)該大壩船閘的船只約為18 000艘，每日通過(guò)壩上公路的汽車(chē)約為32 000輛。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

朗斯電站包括布雷比角(Pointe de la Brebis)與布里楊臺(tái)角(Pointe de la Briantais)之間的4個(gè)區(qū)，主要由船閘、裝有24臺(tái)燈泡式發(fā)電機(jī)組的電站、建于Chalibert巖上的堤和裝有6孔水閘的攔潮壩組成。

1.1 主要技術(shù)問(wèn)題

建潮汐電站所碰到的主要技術(shù)問(wèn)題如下:

(1)潮汐周期對(duì)潮汐電站運(yùn)行周期的影響;

(2)水輪機(jī)的選擇;

(3)防止機(jī)組受海水侵蝕;

(4)電站施工(本文未詳述)。

1.2 運(yùn)行循環(huán)過(guò)程

潮汐電站運(yùn)行，可選用以下兩種主要方式，這樣可在不受海潮周期影響的情況下運(yùn)行。

(1)單向運(yùn)行。所謂“單向運(yùn)行”操作就是只在水庫(kù)放空時(shí)水輪機(jī)才運(yùn)行，并根據(jù)情況決定抽水與否(圖1)。

圖1 水庫(kù)放水單向運(yùn)行

(2)雙向運(yùn)行。所謂“雙向運(yùn)行”操作就是水輪機(jī)在水庫(kù)放水或向水庫(kù)充水時(shí)均運(yùn)行，朗斯潮汐電站最終選用此運(yùn)行方式(圖2)。

1.3 機(jī)組型式選擇

在20世紀(jì)40年代初，在工程研究初期階段，所面臨的另一個(gè)主要問(wèn)題就是選擇合適的上游或下游燈泡式機(jī)組，以解決水輪機(jī)在水頭和流量變幅大的情況下的運(yùn)行問(wèn)題。

圖2 水庫(kù)放水和向水庫(kù)充水雙向運(yùn)行

當(dāng)確定燈泡式水輪機(jī)的最終設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)歷了以下5個(gè)重要里程碑:

(1)1941年SEUM公司成立(為了研究潮汐電站);

(2)1943年SEUM公司和奈爾皮克(Neyrpic)公司共同獲得上游燈泡式水輪機(jī)的首個(gè)專(zhuān)利;

(3)1951年編寫(xiě)完成了首份管理文件，揭示了常規(guī)立式低水頭水輪機(jī)和安裝在水輪機(jī)上部、水輪機(jī)流道外的大直徑交流發(fā)電機(jī);

(4)1953年在阿讓塔(Argentat)和康貝拉克(Cambeyrac)分別進(jìn)行了下游燈泡式水輪機(jī)的試驗(yàn);

(5)1955～1960年，分別進(jìn)行了兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的上游燈泡式水輪機(jī)的試驗(yàn)。1臺(tái)額定容量為8.8 MW的水輪機(jī)在博蒙特蒙特(Beaumont Monteux)進(jìn)行了試驗(yàn)。1臺(tái)在圣馬諾的舊船閘內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，均按照朗斯的特征進(jìn)行。

與此同時(shí)，朗斯潮汐電站工程的建設(shè)進(jìn)程在有條不紊地進(jìn)行:

(1)1956年法國(guó)議會(huì)投票通過(guò)了建設(shè)朗斯電站的提案(根據(jù)1919年10月16日開(kāi)始實(shí)施的“公法”);

(2)1961年土建工程開(kāi)工;

(3)1963年朗斯河截流;

(4)1966年電站正式運(yùn)行。

2 燈泡式機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

2.1 概 述

基于上述試驗(yàn)，作出了朗斯電站采用下游燈泡式機(jī)組的關(guān)鍵決定。1961年1月開(kāi)始進(jìn)行機(jī)組的機(jī)械力學(xué)研究，并于1964年9月開(kāi)始安裝。1966年1月首臺(tái)機(jī)組交付。

1966年3月對(duì)首臺(tái)機(jī)組進(jìn)行無(wú)水試驗(yàn)和電站充水試驗(yàn)。1966年8月這臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)進(jìn)行有水調(diào)試，1966年11月正式投入運(yùn)行。1967年11月最后一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。1967年12月24臺(tái)機(jī)組首次進(jìn)行了滿(mǎn)負(fù)荷同步運(yùn)行。

2.2 主要特征

圖3、4分別示出了朗斯燈泡式機(jī)組的主要特征。

圖3 燈泡式機(jī)組段橫斷面

圖4 燈泡式機(jī)組橫斷面

2.3 工程運(yùn)行以來(lái)的主要變化

自工程開(kāi)始投運(yùn)以來(lái)的最初幾年中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子有問(wèn)題。在10 a之后，決定對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行預(yù)防性更換。

1976年，在發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)磁性元件出現(xiàn)問(wèn)題后，由阿爾斯通公司更換了首個(gè)定子。1976～1982年，其余23個(gè)定子也分別由LK公司和Repelec公司進(jìn)行了更換。1995～1996年，由Saralem公司再次更換了7個(gè)定子。

考慮到將來(lái)的所有機(jī)組的整個(gè)預(yù)防性更新改造工作，1994年作出決定，在1994～2004年內(nèi)，更新改造機(jī)組24臺(tái)。

3 自動(dòng)控制程序

3.1 控制和編程過(guò)程

控制程序涉及潮汐電站的操作循環(huán)。該系統(tǒng)控制的主要設(shè)備包括6個(gè)水閘和24臺(tái)機(jī)組。

編程需要考慮以下限制:

(1)潮汐周期(可預(yù)測(cè)的);

(2)潮汐電站部件的預(yù)期可用性應(yīng)與大潮和小潮聯(lián)系起來(lái)考慮，以便優(yōu)化維護(hù)工作;

(3)每周預(yù)估的發(fā)電成本應(yīng)在1997年國(guó)家計(jì)劃的范圍內(nèi);

(4)外部限制，例如水庫(kù)水位。

名為“AGRA”的控制碼用于管理朗斯電站的運(yùn)行，每10 min發(fā)一次操作指令，在海與水庫(kù)之間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，目的是使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.2 程序操作

AGRA程序每10 min向潮汐電站運(yùn)行人員定時(shí)提供一張機(jī)組和導(dǎo)葉的控制表，并提供海和庫(kù)內(nèi)的水位記錄。

1968～1987年，將每周調(diào)度程序存儲(chǔ)起來(lái)，運(yùn)行人員在控制室就能進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)整效率。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤指令時(shí)，運(yùn)行人員也能夠及時(shí)進(jìn)行糾正。如果電站任何部件工作不正常，或者電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)行人員也能進(jìn)行相應(yīng)的處理。

從1987年開(kāi)始，操作控制系統(tǒng)已完全自動(dòng)化，最后一次對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整是在1992年。自1996年以來(lái)，平均每周僅發(fā)生1起意外事件。2008年，AGRA程序被移植到了PC系統(tǒng)上。

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)

4.1 研究簡(jiǎn)介

1955年，SEUM公司組建了防腐蝕委員會(huì)，旨在了解各種金屬的特性，提出合適的涂料類(lèi)型，以及審查在圣馬諾市進(jìn)行的原型燈泡式水輪機(jī)試驗(yàn)。通過(guò)這些試驗(yàn)，對(duì)這24臺(tái)機(jī)組提出建議。主要限制包括因運(yùn)行要求而不可能使用涂層。

作為第1步，委員會(huì)決定進(jìn)行一些試驗(yàn)，以檢驗(yàn)各種金屬在海水中的強(qiáng)度，不銹鋼和銅鋁合金在不同程度陰極極化時(shí)的性狀，并檢測(cè)陽(yáng)極的最佳定位(為了獲得好的成果，在奈爾皮克模型上對(duì)40個(gè)陽(yáng)極進(jìn)行了觀測(cè))。

作為第2步，根據(jù)在圣馬諾的燈泡式原型機(jī)組上發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重侵蝕現(xiàn)象(在無(wú)陰極保護(hù)條件下觀測(cè)了1 a時(shí)間)，在這臺(tái)機(jī)組上再次進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)。

4.2 成果應(yīng)用

根據(jù)在圣馬諾的試驗(yàn)機(jī)組上進(jìn)行的各種試驗(yàn)，

為了推廣試驗(yàn)成果作出了以下決定(值得注意的是，1985年以后不銹鋼沒(méi)有發(fā)生進(jìn)一步腐蝕)。

4.2.1 機(jī)組的陰極保護(hù)

(1)對(duì)于每臺(tái)機(jī)組均有3個(gè)凸起點(diǎn)，每個(gè)凸起點(diǎn)設(shè)有12個(gè)陽(yáng)極，24臺(tái)機(jī)組總共有864個(gè)陽(yáng)極;

(2)安裝4個(gè)電極作為控制機(jī)組電位參考，共安裝了96個(gè)電極;

(3)總共有18個(gè)“變流器”(24 V、120 A)。

4.2.2 導(dǎo)葉的陰極保護(hù)

(1)1968年之前，導(dǎo)葉沒(méi)有采用陰極保護(hù);

(2)由于機(jī)組的陰極保護(hù)取得了明顯的效果，從1968年起，每個(gè)導(dǎo)葉都安裝了24個(gè)陽(yáng)極、12個(gè)電極和12個(gè)變流器。

4.2.3 船閘金屬部件的陰極保護(hù)

(1)1978年之前，觀察到船閘金屬部件數(shù)處發(fā)生了腐蝕;

(2)從1978年開(kāi)始，每座船閘安裝了16個(gè)陽(yáng)極、4個(gè)電極和4個(gè)變流器。

陰極保護(hù)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)況:

(1)每年進(jìn)行9 500次的測(cè)量(電流，電壓，電化學(xué)勢(shì));

(2)年維護(hù)總用時(shí)874 h。

5 結(jié)論與展望

根據(jù)對(duì)燈泡式機(jī)組、材料和腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行的大量初步研究，在1976～1996年研究并解決了定子的磁化問(wèn)題，朗斯潮汐電站成功運(yùn)行40多年未出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。同時(shí)，在1994年對(duì)該電站有關(guān)部件進(jìn)行了預(yù)防性更新改造，因此，朗斯潮汐電站仍然是世界上最杰出的海洋電力生產(chǎn)工業(yè)性設(shè)計(jì)的潮汐電站之一。

像朗斯電站這樣的潮汐電站工程是在非同尋常的環(huán)境條件下修建和運(yùn)行的，這是基于十分成熟的土建工程和機(jī)電工程技術(shù)。但是，仍有3個(gè)重要方面需要改進(jìn):

(1)在設(shè)備設(shè)計(jì)方面，巨型近海設(shè)備可降低工程成本，這為工程開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件。利用多汊水庫(kù)，可減少電站的間歇發(fā)電，進(jìn)一步提高工程的經(jīng)濟(jì)可行性，從而能夠更好地按照負(fù)荷曲線進(jìn)行發(fā)電調(diào)度。

(2)在機(jī)電設(shè)備方面，通常情況下水輪機(jī)的效率，以及在特定情況下提高水輪機(jī)雙向水流運(yùn)行效率的能力，這是未來(lái)在漲潮和退潮均能運(yùn)行的潮汐電站所面臨的挑戰(zhàn)。因此，水輪機(jī)組應(yīng)能雙向運(yùn)行，同時(shí)也能作為水泵運(yùn)行。

機(jī)組還存在一些可改進(jìn)的地方，例如機(jī)組的齒輪裝置，它可使水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。此外，變頻發(fā)電技術(shù)有利于機(jī)組提高不同運(yùn)行方式和水頭下的出力。

(3)關(guān)于土建工程，潮汐電站可以在圍堰之內(nèi)施工，或應(yīng)用預(yù)制沉箱(鋼制或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))浮運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)修建。目前，沉箱方案特別有利于偏遠(yuǎn)壩址施工。

圖5 截止2009年3月已投入運(yùn)行的潮汐電站

圖6 截止2009年3月擬建的潮汐電站

根據(jù)朗斯潮汐電站的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，已計(jì)劃修建許多新的潮汐電站，其中一些建在河口，裝機(jī)容量很大，另一些則采用近海水庫(kù)或者沿岸水庫(kù)方案。

韓國(guó)裝機(jī)252 MW的西洼(Sihwa)潮汐電站目前正在投入運(yùn)行，它將成為世界上最大的潮汐電站。該潮汐電站修建在1994年所建的一條長(zhǎng)12.7 km的海堤上。這座潮汐電站旨在發(fā)電，同時(shí)不斷地向水庫(kù)充水，以改善水質(zhì)。

在中國(guó)、加拿大和俄羅斯等目前已有一些小型的潮汐電站投入運(yùn)行，世界上一些國(guó)家也正計(jì)劃修建潮汐電站(見(jiàn)圖5和圖6)。

截止2009年末，全球已建成的雙向潮汐電站總裝機(jī)容量已達(dá)600 MW。逐漸增加的投入運(yùn)行的河口潮汐電站依靠橫跨河口的擋潮壩安裝發(fā)電機(jī)組。

目前，許多國(guó)家都在鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)利用波能和潮汐能發(fā)電的新技術(shù)，使得各種不同的真機(jī)技術(shù)得到發(fā)展。這些研發(fā)的技術(shù)通常與裝機(jī)容量較小的水電工程有關(guān)，因此這對(duì)將來(lái)相對(duì)分散的電力生產(chǎn)具有很好的發(fā)展前景。

席嘉瑨 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

沙文彬校

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2011-03-28