［美國］ P.雷諾茲

美國對拉丁頓水電站實(shí)施擴(kuò)容改造

［美國］ P.雷諾茲

美國密歇根州1 872 MW的拉丁頓(Ludington)水電站是世界上最大的抽水蓄能電站之一。為了在2019年以前重新獲得許可證，其共同業(yè)主計(jì)劃在最后期限之前，對設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行一次大修，其中包括對水電站的升級改造、擴(kuò)大裝機(jī)容量，以便獲得更大的效益。介紹了水電站的建設(shè)背景以及大規(guī)模的修復(fù)改造計(jì)劃。

抽水蓄能電站;水電站維修;拉丁頓水電站;美國

合伙人、消費(fèi)者能源公司(Consumers Energy)(擁有51%股份)和DTE能源/底特律·愛迪生公司(Energy/Detroit Edison)(擁有49%股份)已經(jīng)計(jì)劃好，在最后6 a時間內(nèi)，在密歇根湖東岸實(shí)施修復(fù)、升級改造設(shè)施的工程。實(shí)施這項(xiàng)8億美元的工程，主要意圖是使6臺水泵水輪機(jī)組的運(yùn)行更加可靠，效率得到提高，且使裝機(jī)容量增加到2 172 MW。

2011年初，東芝公司簽下了工程關(guān)鍵設(shè)備的合同，價值5億美元。該公司目前正在日本開展設(shè)計(jì)工作，工程計(jì)劃于2013年中期，也就是在拉丁頓(Ludington)電站運(yùn)行40 a后，開始在現(xiàn)場安裝新設(shè)備。

在此之后，將以1 a更換一臺機(jī)組的速度履行合同，6 a以后，升級改造工程全部完工。由于所有的機(jī)組必須在每年的年中投入運(yùn)行，因此，現(xiàn)場更換設(shè)備的時間窗口只好在冬季，而冬季又是北緯高緯度地區(qū)不能提供較為便利工作條件的季節(jié)。

消費(fèi)者能源公司表示，由于計(jì)劃是在正常的利用率高的夏季使機(jī)組投入運(yùn)行，因此預(yù)計(jì)最大的難題應(yīng)該與設(shè)備的尺寸相關(guān)，即有關(guān)設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)輸?shù)氖马?xiàng)以及嚴(yán)酷的冬季環(huán)境問題。

1 施工

消費(fèi)者能源公司和底特律·愛迪生公司于20世紀(jì)60年代共同組建了密歇根電力合作中心，并于1966年達(dá)成協(xié)議，同意共同建設(shè)并擁有拉丁頓抽水蓄能電站。1969年，工程在密歇根州拉丁頓鎮(zhèn)附近開工。

電站的地上廠房安裝有6臺312 MW的水泵水輪機(jī)。電站工程的主要承包商是美國伊巴斯科(Ebasco)工程公司，該公司同時還供應(yīng)輔助設(shè)備，日立公司提供水泵水輪機(jī)機(jī)組。電站于1973年竣工，是當(dāng)時世界上最大的抽水蓄能工程。

抽水蓄能電站在密歇根湖和上庫之間輸水。上庫長4 km，寬1.6 km，采用瀝青及混凝土襯砌。

工程發(fā)電凈水頭為100.4 m，水泵功率為1 960 MW，可將水送回高為113.5 m的上庫，水庫的最小高程為175.3 m。圍繞水庫的堤壩長度為9.6 km，平均高度為31.4 m。

在工程投運(yùn)的當(dāng)年，電站獲得了美國土木工程師協(xié)會(ASCE)頒發(fā)的杰出工程成就獎。1987年，即密歇根市成立150周年之際，電站被授予密歇根州十大工程成就之一。

電站水庫深為33.5 m，大約60%用于抽水蓄能運(yùn)行。消費(fèi)者能源公司稱，水庫具有超過15 GW·h發(fā)電量的庫容。電站運(yùn)行的循環(huán)效率大約是70%。該公司同時還宣稱:在6臺機(jī)組同時運(yùn)行的情況下，電站可在最大功率下運(yùn)行約9 h。

2 以往的大修

消費(fèi)者能源公司稱，20世紀(jì)80年代中期，6臺機(jī)組的狀況已明顯表示需要大修。問題主要集中在導(dǎo)葉底部的襯套密封漏水以及轉(zhuǎn)輪的汽蝕狀況加劇。

在目前要實(shí)施的大修計(jì)劃開始之前，已經(jīng)進(jìn)行過多次一系列的修復(fù)工作。第1次大修于1987年完成，而最近的1次大修是在1996年。修復(fù)工作主要是處理了汽蝕問題、導(dǎo)葉漏水和導(dǎo)葉襯套的問題，同時，也增加了對轉(zhuǎn)輪上冠裂紋以及推力軸承問題的擔(dān)心。

對每臺機(jī)組都進(jìn)行過大修。4號機(jī)組是上次大修后運(yùn)行時間最長的機(jī)組。雖然建議水泵水輪機(jī)大修期僅為12～15 a，但是4號機(jī)組在進(jìn)行整體大修以后，大約又連續(xù)運(yùn)行了25 a。

因此，消費(fèi)者能源公司表示，4號機(jī)組是接下來將要實(shí)施的6 a大修和水電站機(jī)組容量升級改造工程的首臺機(jī)組。

從1998年到2003年，每年都會對電動機(jī)－發(fā)電機(jī)的繞組進(jìn)行重繞。1號機(jī)組是重繞的首臺機(jī)組，隨后5 a，對2號～6號共5臺機(jī)組的繞組都進(jìn)行了重繞。

3 修復(fù)和升級改造

在較早對水電站進(jìn)行完大修之后，迪瓦恩·塔貝爾(Devine Tarbell)于2006年對整座電站的狀況進(jìn)行了評估以及運(yùn)行壽命的延期試驗(yàn)。重新發(fā)放許可證的期限是2019年，距現(xiàn)在還有一段時間，但是設(shè)備的尺寸和所需改造工作的規(guī)模屬于商業(yè)范疇。

在2011年2月宣布東芝公司贏得了合同的一份聲明中，底特律·愛迪生公司總裁曾表示，沒有2008年州立法機(jī)構(gòu)采納的綜合能源法，這種長期投資是不可能的。

對于電站來說，電站業(yè)主尋求夜間最低負(fù)荷時水泵模式下的流速更快，以便更快地使上庫蓄滿水，這樣可以減少運(yùn)行費(fèi)用;上庫將減少2 h，只需9.5 h就會蓄滿水。同時，業(yè)主也還想尋求在發(fā)電模式下的流速更快，這樣一來，同等的水量就可以發(fā)更多的電。

消費(fèi)者能源公司表示，希望通過此次大修能提高電站的靈活性，例如在更高的上庫高程條件下以水泵模式運(yùn)行的可能性。這樣能有助于業(yè)主和電網(wǎng)的安全，降低各種可再生能源發(fā)電的費(fèi)用。在2月的聲明中，還注明了“拉丁頓電站解決了風(fēng)力發(fā)電的一項(xiàng)關(guān)鍵問題，風(fēng)力發(fā)電是間歇性的且無法存儲，除非是象抽水蓄能電站這樣特殊的設(shè)施。”

為了獲取收益，最新的修復(fù)工作試圖追求提高水泵水輪機(jī)組的效率、增加定子鐵芯已磨損的電動機(jī)－發(fā)電機(jī)的容量，以及擴(kuò)大電站輔助設(shè)備的容量。通過對水泵水輪機(jī)實(shí)施改造，并替換成新的不銹鋼轉(zhuǎn)輪、新的電動機(jī)－發(fā)電機(jī)定子、鐵芯和繞組，可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

另外，通過合同約定可以提高電站的可靠性，消費(fèi)者能源公司注明新設(shè)備設(shè)計(jì)成30 a的大修期，與東芝公司簽訂的合同中包含了設(shè)備的性能保障。

拉丁頂頓抽水蓄能電站各項(xiàng)參數(shù)見表1。拉丁頓抽水蓄能電站的布置剖面見圖1。

表1 拉丁頓抽水蓄能電站

圖1 電站布置剖面

修復(fù)工程將更換6臺水泵水輪機(jī)，每臺混流式機(jī)組機(jī)組轉(zhuǎn)輪的直徑大約為8.4 m，重約260 t。每臺機(jī)組的裝機(jī)容量將增加50 MW或16%，達(dá)到362 MW。

所有6臺機(jī)組的修復(fù)設(shè)計(jì)工作將由東芝公司的京濱(Keihin)產(chǎn)品經(jīng)營部在日本完成。東芝公司表示，大部分設(shè)備將由東芝中國的子公司——東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司制造。

消費(fèi)者能源公司表示，現(xiàn)場工作將避開夏季用電高峰期，依次將花費(fèi)大約8個月的時間對每臺機(jī)組進(jìn)行大修。

修復(fù)工程的其他工作還包括大河建筑公司(Grand River Construction)贏得的800萬美元的合同，其中的大部分，包括防波堤、擋土墻以及2座裝配車間的深樁基礎(chǔ)，均由當(dāng)?shù)氐姆殖邪坦侣?Hardman)建筑公司承接。

消費(fèi)者能源公司稱，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)備工作非常重要。

劉 明 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2011年第11期

趙秋云 校

TV743

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2012-06-26