挪威水电开发的几个特点

1 概述

挪威王国位于欧洲西北角,人口 420万,其地形特点是沿南北方向分布着高程在1000~2000m的山脉,这些高山都受山谷和海峡的切割。东南部是较开阔的平原,最北端为低山高原。挪威境内每年降水形成的能量约为5000亿kW·h,其中有1500亿kW·h的开发在经济上是合理的,有1000亿kW·h已经或正在开发,剩下的可开发部分有一半将因为环境原因不再开发。

挪威的水电资源在地理上和规模上分布非常合理。虽然境内没有较大的河流,但大量的小河小湖落差非常集中。在城市或人口集中的地区附近都可找到适于修建水电站的坝址。1900年水电站装机为800kW;1930年全国共有1400座水电站,但其总容量只有1万kW;而到1990年,运行中的水电站已达600座,总装机容量达2700万kW。

2 水电工程的规划、设计及施工

2.1 规划与设计

新电站的规划一般由电力公司自己的工作人员承担,设计工作是委托给独立的咨询工程师。由于规划和设计密切相关,互相影响,所以规划与设计往往不断调整和修正。在一条河流的开发方案形成之前,每个工程项目的初步设计工作要经过几个阶段。最后的开发方案是与项目的初步设计同时决定的。

国家电力局和其它一些电力开发机构都是委托专门的设计人员作工程设计工作,但在整个设计阶段,还要请其它的咨询专家进行咨询。

挪威电力行业十分注意技术经验的交流,公司内部和公司之间的技术交流会,请专家讲课和有关工程技术方面的学术会议安排的很多,这就使得全国的水电行业都能在工作中采用最新的技术。最近十年来,在水电行业中又补充了建筑师、经济师、农业经济师以及从事野生动物和水产养殖工作的人员。

目前,挪威主要的水电咨询机构是由一些较小的公司不断合并形成的。这些小的咨询公司都建立于1920年前后挪威水电开发的高潮时期。目前的趋势是各种专业的咨询公司进一步合并,从而形成多学科的咨询公司。二次世界大战后,随着国际间合作的加强,挪威水电工程咨询专家在国外十分活跃,这也使挪威专家将国际上其它国家的先进技术带回了本国。

2.2 施工

绝大多数业主都是采用竞争性招标的方法选择承包商。国家电力局有一支自己的施工队伍,但只是作为承包商在施工高峰时的补充,或是从事一些专门工程的施工。长期以来,国家电力局工程队的施工任务从来没有间断过,因支那些需要重型石方开挖设备的工作是任何一个承包商都承担不了的。目前,联营的承包商也不断增加。这种联营只是为了承包某一工程而临时组成的,目的是充分利用各方的设备、经验和人力,以提高劳动效率。事实上,挪威目前在建的所有大型水电工程都是由联营体承包的。这个联营体在经济上必须是独立的。

承包商不一定是专门的水电施工企业,只是着重于水电方面的施工。目前,施工企业都在向专业化方向发展,有的专门搞复杂部位的钢筋混凝土,有的专门搞岩石开挖和堆石。这些专业化队伍往往是联合起来,组成联营体,共同承包工程。同样的承包商也会以单独或联营的形式去承包挪威海的石油开发工程的施工,那里既急需施工力量,也为施工队伍提供了大量的施工任务,同时也大大地提高了承包商的施工组织和技术水平。

挪威的承包商在国外也很活跃,特别是在隧洞和地下工程的开挖方面。

2.3 设备制造

二次大战以来,挪威绝大多数电站的水轮机都是由国内厂家Kvarner公司制造的,也有一些是进口的。在高水头混流式水轮机的制造方面,挪威水轮机制造业在本世纪30年代就有了真正的突破,这对挪威水电的发展具有十分重要的意义。挪威水电站的水头绝大多数在500~1000m之间,水头很高,其发电机转速一般在300~1000r/min之间,也有低转速的发电机,包括转速在90~125r/min的“灯泡式机组”。

挪威于1968年开始采用水冷发电机,到1991年共有15台发电机是采用全水冷方式,是世界上数量最多的。目前,又设计了定子用水冷、转子用气冷的发电机组,容量在180~360MVA之间。

2.4 研究工作

特伦赫姆大学的工程学院和SINTEF在水电开发方面的研究中十分活跃,这也得益于电力工业和机电制造厂商的有力支持。

特伦赫姆大学的水力机械实验室(后划归SINTEF)与kvarner密切合作,目前的研究主要集中于两个方面:一个是高效的高水头大型水轮机;一个是设计简单、成本低廉的小型水轮机。另外,为了利用尽可能小的水库储蓄尽可能多的电能,这个实验室已着手研究高水头可逆式水轮机,目前正在运行的抽水蓄能机组的一级抽水高程为700m。

SINTEF的水力实验室有一套大型的室内实验设备,可以进行整个电站的模型试验。水力学模拟与计算机模拟可以互相验证,这对研究由隧洞、压力管道、水轮机组成的整个系统的动态过程是十分重要的。他们还通过埋设仪器的方式,研究气垫式调压井的运行,以进一步改进设计。SINTEF研究所目前形成了一套生产规划模型,其水电站调度模型是目前挪威各电站的标准管理工具。

3 水电工程建设中的几个技术特点

3.1 设计特点

二次大战结束前修建的电站,多采用明管加地面厂房的布置方案。随着洞挖成本的降低,用地下厂房和衬砌的斜井来代替明管逐渐成为最经济的布置方案。在引水工程中,压力管道是成本最高的。通过缩短压力管道的长度,降低单位长度成本所节约的投资,可以远远补偿开挖进厂交通洞所需的费用,以及厂房本身可能增加的费用。

3.2 压力管道与厂房的演变

地下厂房和压力钢管的演变有如下4个过程,这4个过程最终都是以最小成本作为最终目的。(1) 1950年以前的设计,是通过无压引水平洞将水引到距离电站尽可能近的地方,然后与有压明钢管相接,引到地面厂房,设地面垂直调压井。(2) 1950~1960年间,无压引水平洞接地下水平调压井,再接45゜倾角的钢衬砌斜井,后接地下厂房。钢衬砌斜井通过混凝土将部分水压力传给岩石。这种布置进一步减少了投资,因为有压管段的缩短和成本的降低节约的资金远大于地下厂房,进厂交通洞和尾水洞的开挖。(3)1960~1975年,钢衬砌的斜管改为无衬砌斜管,这主要是由于大量的实践提高了人们对岩石特性的认识。(4)1975年以后,由于取消了衬砌,也就没有必要再缩短斜井的长度,所以,从电站厂房直接向进水口打直洞引水,也就是自然而然的事了。同时,采用了气垫式调压井。

无衬砌引水隧洞的运行即使在近1000m水头下(Nyset-ssteggie水电站,水头965m,1987年建成)也十分正常。当岩石条件较差时,可以采用部分衬砌或在斜井底部村一段的办法。

3.3 地下厂房

全世界大约有400座水电站地下厂房,其中200多座是在挪威。早期,地下厂房只是作为一种可供选择的方案。二次大战期间和战后,人们认识到地下厂房对于避免轰炸十分有利。随着岩石开挖方法和设备的快速进步,开挖成本也随之降低,地下厂房方案成为最为经济的方案,同时也不再受地形条件的限制。通常情况下,由于整体布置的要求,地下厂房需放在埋深很深,地应力很严重的地方,这就要求设计者必须研究主应力的方向,以便确定最佳的厂房方向和位置,以及附属洞室的方向和形状。

早期地下厂房的顶拱主要是靠岩锚支撑。为了防止顶部掉块,还要浇一个25~30cm厚的混凝土拱顶,这个拱顶与岩石顶拱有一定的距离。在岩石较差的情况下,钢筋混凝土顶拱与岩石拱连接在一起。后来就演变为只作一个很薄的拱顶挂在岩石顶拱上,这主要是为了美观和防止渗透水。目前是在拱顶开挖后立即打系统锚杆,然后根据岩石的情况喷7~15cm厚的钢纤维混凝土。

还有一种经常采用的方法是,在顶拱开挖完成以后,立即为电厂桥机作岩锚梁。这就不需要等把厂房全部挖完并浇了混凝土结构梁以后才安装桥机,所以在涡轮的安装和混凝土浇筑中可以提早使用桥机。以后浇筑的混凝土柱可为岩锚桥机梁提供更多的支撑,以便吊装更重的荷载。轻型吊顶是在施工期后期吊装的。

主变室在多数情况下与主厂房是平行的,中间要留有足够的岩石支撑。施工交通洞都将用于尾水调压室。

3.4 大坝

挪威全国共有超过15m高的大坝200多座。值得一提的是,挪威于1956年,建成了第一座冰川上防渗心墙堆石坝——strandevatn坝,高40m。其后,绝大多数坝都选用这一坝型。到目前为止共建了100多座,最高的是Dddatjorn,高度为140m,于1986年完工。

冰川沉积物是冰川时期沉积于冰下的一种由淘涮形成的材料,其中既有巨石,也有块石、小石、砂、细粉砂和土,其分布一般正好在大坝所在的高程上。冰川土心墙需要用过滤层保护,过滤层级配既可防止冰川土被冲跑,又可排除渗透心墙的水。当冰川土的运距超过经济运距时,也用一些其它的防渗材料。有近30座大坝采用了混凝土面板防渗的方法,也有几座是采用沥青混凝土面板。最近施工的一座大坝Storvatn,高90m,是采用了沥青混凝土心墙,还有几座也采用了同样的材料。

3.5 气垫式调压井

从进水口到厂房采用直线无衬砌隧洞后,对于调压室就需要有新的解决办法。在传统设计中,由于有一个接近水平的引水平洞,平洞内动水的能量被斜井顶部的调压井吸收,而水轮机引起的水锤也被限制在斜井内的水体中。

采用直线有压引水洞,如果仍采用传统的调压井,就需要挖一个非常高的竖井作调压井,所以挪威人就提出了用封闭的气压室作调压室的方法,这个调压室就放在厂房的上游附近。利用气泵给调压室压入空气。压缩空气的作用与竖井调压井的作用一样吸收洞内的能量。为了保证调压室周围的岩石不漏气,采用了灌浆和作水幕等办法。世界上第一个高压气垫室于1973年在挪威Driva水电站开始使用,到1990年,挪威已有另外8个水电站采用了气垫式调压井。目前,他们已进行了大量的理论研究,也积累了不少施工经验,但每设计一个新的气垫式调压室都必须作详细的勘探研究。

设计中必须考虑的是压缩空气可能具有巨大的潜在能量。 Kvilldal电站的一个 12.5万 m3的调压室具有相当于200t TNT炸药的爆炸力。所以严格的运行监测是十分重要的,同时在爆炸发生之前,至少应当预先设计三个相互独立而且允许破坏的系统。如下三种情况可能引发气垫调压室的爆炸:(1)水压由于失去控制而突然降低;(2)大量的漏水;(3)闸门的误操作。由于控制系统不可能是100%的安全,所以在空气可能跑出的进水口部位,在设计时就考虑进水口是允许破坏的。最终决定采用何种调压方式要决定于实际的设计和成本估算。

4 关于小水电

按目前的标准来看,本世纪50年代前挪威修建的绝大多数电站属于小电站。随着电网的不断扩大,这些小电站也都逐渐被比它们原来容量大很多的电站替代。1944年前共有1818座小于1000kW的注册电站,到1979年,只剩250座仍在运行。问题不在于其低效率,因为水是免费使用的,但相对于其出力来讲,小水电用于维修和运行的人工费用很高,因为技术落后,这些电站都需要人员连续监视和人工操作。

60~70年代,小电站仍起着一定的作用,其原因是当时公众反对修建新的大电站,而且实际用于小水电站实现自动化控制的成本是很低的,另外,小电站对提高大电网的可靠性也有利。有时为了减少成本与效率的比值,机电设备的精加工和修建较大的电站的就会被放在次要的位置上。但小电站解决不了电力增长对大电站要求的问题。小电站多是建在流量均匀,坝体工程量较小的小河流上。

对于微型电站,目前正在向集装箱式发展,即将水轮机、发电机、变压器和开关站组装成一个集装箱,然后直接将其安装在准备好的基础上与引水管相连即可发电。

5 关于环境保护问题

水电的发展会影响人与环境的平衡,有时这种影响还是很严重的。农业和移民是两个最集中的问题。

在水电开发的早期,人们普遍认为,相对于水电给人们带来的利益来说,水电对环境的负作用是可以忽略的。但人们很快就认识到了减轻这种影响的必要性,开发者也面临着各种各样的限制。在60~70年代期间,环境保护逐步从被动的方法转变为积极主动的态度,即将水电开发视为环境这个整体的一个组成部分,环境的质量应通过发展水电得到改善。最容易看到的对环境的影响是大坝、电厂、道路等引起的景观的变化。设计者面临的第一个决策就是使电站建筑物与周围的自然景观的反差大些呢,还是将其与自然景观溶为一体。采石和堆石也很容易引起自然景观的变化,所以应尽可能使其与自然景观溶于一体。采石尽可能选在坝址附近比较凸起的部位,采石后成为一个平面。同样堆渣弃石应选在凹陷的部位。

公众对建筑物的认识主要是基于该建筑物的作用,而不是其形状大小,比如在大坝上建一个与周围环境协调的闸室,要比一个布置合理的电站厂房还要碍眼。地下建筑物比较隐蔽,但进水口的设计就变得十分费脑筋。

水电开发会引起湖水位和河水位的变化与波动,这就要改变周围野生动植物的生活条件,规划时必须考虑这一点。在这方面挪威人作了大量的研究,并积累了大量的经验,这不仅有助于调整设计方案,而且会指导电站的运行。关于改变水位和流量的范围限制,以及运行调度的原则都在开发证书上给出了明确的限制。

为了不使河流断流,需要按季节设置一个最小河流流量,另外也可通过选择适当的堰顶来维持河流有一定的流量。

地形条件的变化会改变野生动物的生活习性。堆石场、采石场和道路两旁都要为野生植物的自然生长提供良好的条件。

挪威水电能源部有一个环保机构。目前环境的规划与设计已成为挪威水电规划系统工程中的一个部分。他们制定了一系列的标准,积累了大量的经验,也有不少的研究成果。从广义上讲,环境已经成为开发者能否获得开发权的一个最重要的因素。环境保护部门从设计、施工到电站的运行都有章可循,也有章必行。

挪威宁肯降低水位,也尽量避免大规模移民,至今也没有出现过大规模水库移民。

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