咖啡山(Mount Coffee)水電站于1967年正式運行發(fā)電,在內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)前,成功為利比里亞提供電力23 a,發(fā)電量占全國總電力的20%。
1989~2003年,利比里亞爆發(fā)了兩次內(nèi)戰(zhàn)。第一次內(nèi)戰(zhàn)早期,咖啡山水電站所有發(fā)電機組停止了運行,當時時逢集中強降雨的1990年8月份,由于溢洪閘無人管控,水庫水位持續(xù)上漲,最后導(dǎo)致一處壩體潰決,一座長約180 m的土壩被水流沖毀,發(fā)電廠房被淹。隨后幾年,水電站所有非嵌入式設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和絕大部分的水工鋼結(jié)構(gòu)均遭毀壞。
內(nèi)戰(zhàn)前,利比里亞國家電力公司(LEC)擁有裝機200 MW,包括水電、重油和柴油發(fā)電,但在內(nèi)戰(zhàn)沖突中利比里亞電力基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞。
咖啡山水電站位于利比里亞首都蒙羅維亞北約25 km處,是一座徑流式電站,主壩為土壩,兩側(cè)為弧型閘門溢洪道及3座副壩(即前池壩)。圣保羅河水由前池渠進入取水建筑物,經(jīng)4條壓力管流向水輪機,通過長800 m的尾水渠流回到下游主河道。
修復(fù)項目資金來自歐洲投資銀行,是由德國政府通過德國復(fù)興信貸銀行、挪威通過挪威外交部、美國千禧挑戰(zhàn)公司(MCC)及利比里亞政府共同提供的優(yōu)惠貸款和贈款。
2012年初,挪威外交部要求曼尼托巴水電國際公司(MHI)提供一份重建咖啡山水電站的報告。MHI在利比里亞電力公司內(nèi)成立了一個半自治的項目籌備組(PIU),代表各利益相關(guān)方全權(quán)負責項目的重建工作。
PIU組織了項目咨詢國際招標。2013年初,諾普蘭(Norplan)和費希特納(Fichtner)組建的聯(lián)合體(JV)中標,負責項目的設(shè)計及工程監(jiān)理。隨后成立了項目專家小組委員會,指導(dǎo)項目工作的開展,并確保工程達到世界級水準。
2014年1月,進場道路、圍堰、營地等前期工程啟動,并于2014年9月份基本完成。前期工作完成后,開展了主溢洪道、土壩、發(fā)電廠房、取水建筑物等的前期勘察工作。
2014年9月至2015年5月,西非爆發(fā)埃搏拉疫情。期間,該項目的詳勘、研究與采購工作大部分暫停。2015年8月,土建承包商開始清理長滿植被的場地,修建進場道路,開挖探坑,打機鉆孔,地質(zhì)勘探工作得以重新開展。
修復(fù)項目常常面臨著原設(shè)計方案意圖和建筑物施工條件不明等問題,咖啡山水電站修復(fù)項目所面臨的困難,在于建設(shè)資料和運行記錄的缺失,水文、地質(zhì)、測量資料有限,僅存一套1960年代的招標圖紙、發(fā)電廠房的設(shè)計草圖以及灌木叢生的壩址。
最初的打算是將電站恢復(fù)到戰(zhàn)前的狀態(tài),盡可能提升原有4臺混流式水輪機功率,安裝丟失的水工鋼結(jié)構(gòu),重建潰決壩段,修復(fù)殘存的土壩,恢復(fù)土建建筑物。后來在工作中發(fā)現(xiàn),大壩及其附屬建筑物的安全性能也需要提升。原壩只有主溢洪道調(diào)節(jié)庫水位和泄洪,安裝有高11 m、寬12 m的弧型閘門,而沒有應(yīng)急溢洪道。除了1990年潰壩事件外,1982年還發(fā)生過弧形閘門操作失靈導(dǎo)致的洪水漫頂事件。
新的設(shè)計包括:抬高壩頂高程,加固溢洪閘,防止洪水漫頂;為溢洪道閘門安裝動力供應(yīng)系統(tǒng),保證閘門啟閉動力冗余;新修建一條無閘應(yīng)急溢洪道,在溢洪道閘門發(fā)生失靈時保障大壩的安全性。通過這些措施,大壩的安全性將得到整體提升。
在國際援助組織的幫助下,利比里亞成功戰(zhàn)勝了埃搏拉疫情,2015年5月埃搏拉風(fēng)險降到了合適的級別。PIU和工程師團隊的工作重啟,制定了針對疾病爆發(fā)而延誤工期的邊設(shè)計邊施工措施,計劃在2016年12月達到第一臺水電機組發(fā)電的目標。最初承包主合同為4份,為了縮短項目關(guān)鍵路徑,將主合同數(shù)量增加到6份。
至2015年8月底,6家承包商均進場:福伊特(Voith)水電公司(德國)為發(fā)電設(shè)備商;唐納斯(Dawnus)國際有限公司(英國)為土建承包商;安德里茨(Andriz)水電公司(澳大利亞)為水工鋼結(jié)構(gòu)商;國家承包有限公司(沙特)為變電站承包商;艾爾泰爾線(Eltel)路公司(瑞典)為線路承包商;PSM聯(lián)營體(利比里亞)為營地建造承包商和營地服務(wù)提供商。
2016年8月,水電運行國際公司(瑞士)承簽了運維及培訓(xùn)合同,這是項目簽訂的第7份主要承包合同。眾多合同在管理上形成了相當多的合同界面,為此需采取新的設(shè)計方案來修復(fù)電站,使項目管理進一步復(fù)雜化。
原咖啡山水電站機組運行水位18~23 m,由于混流式水輪機通常不適合在這樣的低水頭下運行,為機組升級帶來了挑戰(zhàn)。最初的評估也包括研究安裝其他類型發(fā)電機組的可行性,如轉(zhuǎn)槳式水輪機、阿基米德螺旋水輪機。與混流式水輪機相比,其他水輪機的運行環(huán)境更加靈活,在較大范圍運行水頭下輸出功率更穩(wěn)定;而混流式水輪機的功率曲線則很陡。安裝其他水輪機需要對混凝土結(jié)構(gòu)進行較大的改造,盡管具有理論上的可行性,但在規(guī)定的工期內(nèi)并且在不增加投資的情況下,額外的工作并不具有實際價值。
該項目的主要制約因素是原有混凝土結(jié)構(gòu)、水道走向、水力參數(shù)、水輪機組等均已限定,因此只能進行有限的結(jié)構(gòu)改造。
福伊特公司承擔水道的計算流體動力學(xué)(CFD)分析,以優(yōu)化新水輪機的水力設(shè)計。目的在于確定新水輪機導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)輪的最佳水力設(shè)計,同時調(diào)整已有的固定導(dǎo)片及尾水管。
結(jié)果表明,調(diào)整固定導(dǎo)片邊緣會大大減少水頭損失,從而提高水輪機的功率輸出。針對尾水管調(diào)整研究了兩種方案:①調(diào)整尾水管錐管,使來自轉(zhuǎn)輪的水流平順通過;②研究調(diào)整底板的可行性,減少分流和回流。結(jié)果顯示,對尾水管錐管進行任何調(diào)整都不能增加水輪機功率。
水輪機最終設(shè)計與原有建筑物相匹配,調(diào)整固定導(dǎo)片和懸掛轉(zhuǎn)輪使得水輪機流量增大。盡管幾何邊界條件不佳,但利用計算流體動力學(xué)進行現(xiàn)代水輪機設(shè)計可以大幅提高水輪機輸出功率。升級后每臺發(fā)電機組容量為22 MW,而原1、2號機組僅為15 MW,3、4號機組僅為17 MW,電站總?cè)萘吭黾恿?8%。
發(fā)電機組主要參數(shù)如下:
渦輪轉(zhuǎn)速 143 r/min
額定水頭 23 m
額定功率 22 MW
單位最大流量 108 m3/s
機組功率的提升也具有挑戰(zhàn)性。原1、2號發(fā)電機組和3、4號發(fā)電機組的基座高程和間距不同,基座錨固力不能承受發(fā)電機組升級后增加的荷載。原電站建設(shè)竣工圖已丟失,因此決定重新布置發(fā)電機座中的鋼筋。首先拆除機座大量的混凝土,使用了高壓水的“水力拆除”技術(shù),這項技術(shù)可以拆除混凝土而保留其中的鋼筋,后期澆注混凝土?xí)r將新老鋼筋搭接,使所有發(fā)電機都安裝在同一高程。
電站廠房內(nèi)同時開展幾項工作是有困難的,適當隔離水力拆除場地,以及廠房內(nèi)同時開展工作的承包商間的密切協(xié)作,保證了施工的順利進行。
發(fā)電機組改造是項目中最富挑戰(zhàn)性的工作,但也僅僅是重建工作的一部分,進水口和廠房內(nèi)所有非嵌入式設(shè)備都已被拆除,需要重新安裝攔污柵、進水閘門、尾水閘門、廠房起重機和電站的其他附屬設(shè)備。而為了維持原電站機組運行,原進水閘門已用作隔斷。新的進水閘門設(shè)計采用了液壓自動關(guān)閉系統(tǒng),極大提高了發(fā)電機組運營的安全性,因為原電站沒有安裝進水球閥,改造時也沒有足夠的安裝空間。
2015年,國際大壩委員會斯塔萬格會議明確強調(diào),需要進一步認識機械操控溢洪道的風(fēng)險。當大壩臨界安全運行完全依賴于機械系統(tǒng)時,應(yīng)認識到其帶來的高風(fēng)險,并應(yīng)在新設(shè)計中加以考慮。如咖啡山水電站項目,在內(nèi)戰(zhàn)期間前池壩的潰決就是這種初始設(shè)計導(dǎo)致的直接后果。
最終分析認為,在主壩南側(cè)建造與自然河道相連的固定反弧溢洪道是最理想的解決方案。溢洪道開挖出來的石料可用作土壩的防沖和拋石,減少了開挖棄料堆渣的費用。綜合各種因素,最終決定使用砌石混凝土作為建筑材料。
大壩砌石混凝土技術(shù)綜合了古代人工建筑工藝和最新設(shè)計方法,具有投資低、耐久性好、強度高、施工便利等優(yōu)點,很適合于咖啡山水電站高2 m、長220 m的應(yīng)急溢洪道建設(shè)。
設(shè)計增加的應(yīng)急溢洪道,可以將“通常原因”溢洪道閘門失靈導(dǎo)致的潰壩洪水風(fēng)險從1 a一遇降低到50 a一遇,還能額外增加溢洪道泄洪能力。溢洪道閘門完全開啟時,能將極端洪水過洪能力從13 750 m3/s提高到17 350 m3/s,便于可能的最大洪水通過改進后的溢洪道系統(tǒng)。
大壩加高和潰決壩段的重建同樣面臨挑戰(zhàn)。評估發(fā)現(xiàn),部分壩段壩體狀況良好,而其他壩段在洪水漫頂事件中被大面積沖蝕或形成大量沖刷坑。另外,部分壩段具有不同的典型橫截面,大部分壩肩形狀不規(guī)則。據(jù)此,復(fù)建工程包括壩坡整修、防滲料填補、反濾料填筑、防沖和拋石、排水系統(tǒng)增設(shè)、安全監(jiān)測。而對現(xiàn)有土壩的設(shè)計,一定程度上受限于現(xiàn)有壩體狀況,但對潰壩段則可以優(yōu)化筑壩材料和資源。
1989~2003年兩次內(nèi)戰(zhàn)以及2014埃搏拉疫情的爆發(fā),對利比里亞能源和全國經(jīng)濟產(chǎn)生了重大的負面影響。
利比里亞電力公司的發(fā)電量為38 MW,主要是重油或柴油發(fā)電,但在傳輸過程中電量損失率近40%,主要是人為竊電;2017年初,電網(wǎng)高峰容量14~20 MW(1990年之前為200 MW,而人口已經(jīng)從200萬增長到了500萬);利比里亞是世界上電價最高的國家之一(雖然最近電價下降到0.39美元/kWh),卻也是全球最窮的國家之一(根據(jù)世界銀行2014年的統(tǒng)計,人均國民生產(chǎn)總值在185個國家中排名第181)。
咖啡山水電站的重建將有效降低利比里亞發(fā)電公司的發(fā)電成本,進而降低電價,更能為持續(xù)增長的用戶所接受。
第1臺修復(fù)的機組于2016年12月開始發(fā)電,所有施工預(yù)計于2017年10月完成。截至2017年2月15日,1、2號機組已累計發(fā)電14 GWh。
咖啡山水電站的修復(fù)是一個富有挑戰(zhàn)性的項目,多學(xué)科交叉、多種文化交融(20多個國家的工作人員參加),各方齊心協(xié)力,取得了巨大成功。
該項目的成功實施有助于進一步推動當?shù)厮婇_發(fā),如規(guī)劃的上游維亞(Via)水庫。如果維亞水庫建成,咖啡山水電站的4臺徑流式機組將可以全年同時發(fā)電,滿足屆時對電力的需求。目前,在最干旱的1~3月份,河水流量完全不能滿足機組運行的需要。
高峰期咖啡山項目施工人數(shù)超過1 000人,其中有650名利比里亞人,極大推動了周邊地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展,從蒙羅維亞到電站25 km的進場道路兩旁,大量民房和商業(yè)建筑涌現(xiàn),沿公路架設(shè)了66 kV輸電線路。
項目所應(yīng)用的技術(shù)不僅包括精心的設(shè)計方案和制造工藝(如發(fā)電機組),還有用于應(yīng)急溢洪道施工的勞動密集型技術(shù)和傳統(tǒng)工藝。
可以預(yù)見,在將來的很多年里,經(jīng)修復(fù)改造的咖啡山水電站將為利比里亞提供可持續(xù)的清潔能源,并將為這個國家的重建做出重大貢獻。