［法國］ C.阿波奈 等

法國朗斯潮汐電站的運行管理經驗

［法國］ C.阿波奈 等

竣工于1966年的法國朗斯潮汐電站，裝機240 MW，運行方式為雙向型，水輪機機組為燈泡式，其土建工程和機電工程技術相當成熟。介紹了該電站多年來的成功運行經驗、電站的主要技術和運行方法、針對其專門開發(fā)的燈泡式水輪機，以及其自動控制程序和陰極保護系統(tǒng)。同時也指出了電站還需改進的方面。朗斯潮汐電站的成功運行管理經驗為今后世界范圍內的潮汐電站的開發(fā)均具有指導與借鑒意義。

潮汐電站;運行管理;管理方式;朗斯潮汐電站;法國

43 a前，法國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，法國電力公司就一直成功地運行著朗斯電站。該電站不僅是布列塔尼地區(qū)的主要電力設施，而且還是法國第一大工業(yè)旅游景點，2000年接待游人超過了30萬人。

1943～1961年，法國對許多不同潮汐電站站址的可行性進行了考察和研究，最終選擇朗斯，并于1961～1966年建造。朗斯潮汐電站長750 m，安裝24臺10 MW燈泡式機組，總裝機容量240 MW，年發(fā)電量約為538 GW·h。該電站的水庫庫容為1.84億m3，水庫一直延伸至朗斯河口上游20 km處。預計每年通過該大壩船閘的船只約為18 000艘，每日通過壩上公路的汽車約為32 000輛。

1 技術簡介

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

1.1 主要技術問題

建潮汐電站所碰到的主要技術問題如下:

(1)潮汐周期對潮汐電站運行周期的影響;

(2)水輪機的選擇;

(3)防止機組受海水侵蝕;

(4)電站施工(本文未詳述)。

1.2 運行循環(huán)過程

潮汐電站運行，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行。

(1)單向運行。所謂“單向運行”操作就是只在水庫放空時水輪機才運行，并根據情況決定抽水與否(圖1)。

圖1 水庫放水單向運行

(2)雙向運行。所謂“雙向運行”操作就是水輪機在水庫放水或向水庫充水時均運行，朗斯潮汐電站最終選用此運行方式(圖2)。

1.3 機組型式選擇

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

圖2 水庫放水和向水庫充水雙向運行

當確定燈泡式水輪機的最終設計時，經歷了以下5個重要里程碑:

(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的首個專利;

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

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

(5)1955～1960年，分別進行了兩個設計方案的上游燈泡式水輪機的試驗。1臺額定容量為8.8 MW的水輪機在博蒙特蒙特(Beaumont Monteux)進行了試驗。1臺在圣馬諾的舊船閘內進行試驗，均按照朗斯的特征進行。

與此同時，朗斯潮汐電站工程的建設進程在有條不紊地進行:

(1)1956年法國議會投票通過了建設朗斯電站的提案(根據1919年10月16日開始實施的“公法”);

(2)1961年土建工程開工;

(3)1963年朗斯河截流;

(4)1966年電站正式運行。

2 燈泡式機組的運行經驗

2.1 概 述

基于上述試驗，作出了朗斯電站采用下游燈泡式機組的關鍵決定。1961年1月開始進行機組的機械力學研究，并于1964年9月開始安裝。1966年1月首臺機組交付。

1966年3月對首臺機組進行無水試驗和電站充水試驗。1966年8月這臺機組并入電網進行有水調試，1966年11月正式投入運行。1967年11月最后一臺機組并網發(fā)電。1967年12月24臺機組首次進行了滿負荷同步運行。

2.2 主要特征

圖3、4分別示出了朗斯燈泡式機組的主要特征。

圖3 燈泡式機組段橫斷面

圖4 燈泡式機組橫斷面

2.3 工程運行以來的主要變化

自工程開始投運以來的最初幾年中，發(fā)現發(fā)電機定子有問題。在10 a之后，決定對所有機組進行預防性更換。

1976年，在發(fā)現發(fā)電機磁性元件出現問題后，由阿爾斯通公司更換了首個定子。1976～1982年，其余23個定子也分別由LK公司和Repelec公司進行了更換。1995～1996年，由Saralem公司再次更換了7個定子。

考慮到將來的所有機組的整個預防性更新改造工作，1994年作出決定，在1994～2004年內，更新改造機組24臺。

3 自動控制程序

3.1 控制和編程過程

控制程序涉及潮汐電站的操作循環(huán)。該系統(tǒng)控制的主要設備包括6個水閘和24臺機組。

編程需要考慮以下限制:

(1)潮汐周期(可預測的);

(2)潮汐電站部件的預期可用性應與大潮和小潮聯系起來考慮，以便優(yōu)化維護工作;

(3)每周預估的發(fā)電成本應在1997年國家計劃的范圍內;

(4)外部限制，例如水庫水位。

名為“AGRA”的控制碼用于管理朗斯電站的運行，每10 min發(fā)一次操作指令，在海與水庫之間進行優(yōu)化調度，目的是使經濟效益最大化。

3.2 程序操作

AGRA程序每10 min向潮汐電站運行人員定時提供一張機組和導葉的控制表，并提供海和庫內的水位記錄。

1968～1987年，將每周調度程序存儲起來，運行人員在控制室就能進行監(jiān)控并調整效率。當出現錯誤指令時，運行人員也能夠及時進行糾正。如果電站任何部件工作不正常，或者電網出現問題，運行人員也能進行相應的處理。

從1987年開始，操作控制系統(tǒng)已完全自動化，最后一次對系統(tǒng)的調整是在1992年。自1996年以來，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 陰極保護系統(tǒng)

4.1 研究簡介

1955年，SEUM公司組建了防腐蝕委員會，旨在了解各種金屬的特性，提出合適的涂料類型，以及審查在圣馬諾市進行的原型燈泡式水輪機試驗。通過這些試驗，對這24臺機組提出建議。主要限制包括因運行要求而不可能使用涂層。

作為第1步，委員會決定進行一些試驗，以檢驗各種金屬在海水中的強度，不銹鋼和銅鋁合金在不同程度陰極極化時的性狀，并檢測陽極的最佳定位(為了獲得好的成果，在奈爾皮克模型上對40個陽極進行了觀測)。

作為第2步，根據在圣馬諾的燈泡式原型機組上發(fā)現的嚴重侵蝕現象(在無陰極保護條件下觀測了1 a時間)，在這臺機組上再次進行了腐蝕試驗。

4.2 成果應用

根據在圣馬諾的試驗機組上進行的各種試驗，

為了推廣試驗成果作出了以下決定(值得注意的是，1985年以后不銹鋼沒有發(fā)生進一步腐蝕)。

4.2.1 機組的陰極保護

(1)對于每臺機組均有3個凸起點，每個凸起點設有12個陽極，24臺機組總共有864個陽極;

(2)安裝4個電極作為控制機組電位參考，共安裝了96個電極;

(3)總共有18個“變流器”(24 V、120 A)。

4.2.2 導葉的陰極保護

(1)1968年之前，導葉沒有采用陰極保護;

(2)由于機組的陰極保護取得了明顯的效果，從1968年起，每個導葉都安裝了24個陽極、12個電極和12個變流器。

4.2.3 船閘金屬部件的陰極保護

(1)1978年之前，觀察到船閘金屬部件數處發(fā)生了腐蝕;

(2)從1978年開始，每座船閘安裝了16個陽極、4個電極和4個變流器。

陰極保護控制系統(tǒng)簡況:

(1)每年進行9 500次的測量(電流，電壓，電化學勢);

(2)年維護總用時874 h。

5 結論與展望

根據對燈泡式機組、材料和腐蝕現象進行的大量初步研究，在1976～1996年研究并解決了定子的磁化問題，朗斯潮汐電站成功運行40多年未出現嚴重問題。同時，在1994年對該電站有關部件進行了預防性更新改造，因此，朗斯潮汐電站仍然是世界上最杰出的海洋電力生產工業(yè)性設計的潮汐電站之一。

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

(1)在設備設計方面，巨型近海設備可降低工程成本，這為工程開發(fā)創(chuàng)造了條件。利用多汊水庫，可減少電站的間歇發(fā)電，進一步提高工程的經濟可行性，從而能夠更好地按照負荷曲線進行發(fā)電調度。

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

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

(3)關于土建工程，潮汐電站可以在圍堰之內施工，或應用預制沉箱(鋼制或鋼筋混凝土結構)浮運到施工現場修建。目前，沉箱方案特別有利于偏遠壩址施工。

圖5 截止2009年3月已投入運行的潮汐電站

圖6 截止2009年3月擬建的潮汐電站

根據朗斯潮汐電站的經驗和教訓，已計劃修建許多新的潮汐電站，其中一些建在河口，裝機容量很大，另一些則采用近海水庫或者沿岸水庫方案。

韓國裝機252 MW的西洼(Sihwa)潮汐電站目前正在投入運行，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12.7 km的海堤上。這座潮汐電站旨在發(fā)電，同時不斷地向水庫充水，以改善水質。

在中國、加拿大和俄羅斯等目前已有一些小型的潮汐電站投入運行，世界上一些國家也正計劃修建潮汐電站(見圖5和圖6)。

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

目前，許多國家都在鼓勵開發(fā)利用波能和潮汐能發(fā)電的新技術，使得各種不同的真機技術得到發(fā)展。這些研發(fā)的技術通常與裝機容量較小的水電工程有關，因此這對將來相對分散的電力生產具有很好的發(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