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抽水蓄能電站創(chuàng)新的論文
摘要：2003年9月30日，德國圖林根州為1060MW的Goldisthal抽水蓄能電站舉行了正式的落成典禮。本文著重對(duì)發(fā)電機(jī)組及其在線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)做了總結(jié)回顧。
關(guān)鍵詞：Goldisthal抽水蓄能電站創(chuàng)新設(shè)計(jì)
經(jīng)過了六年多的施工建設(shè)，2003年2月3日，VattenfallEuropeGeneration(VE-G)1060MW的Goldisthal抽水蓄能電站第一臺(tái)水泵-水輪機(jī)投入運(yùn)行。
Goldisthal電站位于德國圖林根州南部的Schwarza河上，是歐洲最大的抽水蓄能電站之一。最早的兩個(gè)電站裝機(jī)容量都是265MW，已經(jīng)投入使用，并且成功地為Vattenfall的高壓輸電網(wǎng)送電。2004年伊始，另外兩個(gè)變速機(jī)組也將投入運(yùn)營。Goldisthal電站將會(huì)躋身于世界上最大的、最先進(jìn)的抽水蓄能電站行列。
負(fù)責(zé)水泵-水輪機(jī)組（KonsortiumGoldisthal水力發(fā)電站）的集團(tuán)包括VATECHEscherWyss股份有限公司、Voith西門子水力發(fā)電站和CKDBlansko工程部門等等。發(fā)電機(jī)由ARGEAEV集團(tuán)提供，包括AlstomEnergietechnik股份有限公司和VATECHELIN股份有限公司。
土建工程包括發(fā)電主廠房、隧洞和上游水庫，其承建者是ARGEPSWGoldisthal集團(tuán)。
上游水庫環(huán)形壩的瀝青襯砌是由瑞士的WaloBertschinger施工，下庫主壩的瀝青襯砌由Strabag完成。
1.創(chuàng)新與協(xié)作
Goldisthal是德國新近修建的唯一一座最大的水力發(fā)電設(shè)計(jì)方案，至少超前20年。由于它包括4個(gè)發(fā)電能力331MVA的機(jī)組，它不僅是世界上同類電站發(fā)電量最多的一座，最具能量的設(shè)備之一，而且還有一些創(chuàng)新點(diǎn)。
完全自動(dòng)化環(huán)形焊接技術(shù)（TIG-Hot金屬絲過程）首次應(yīng)用于焊接鋼制隧道內(nèi)襯的環(huán)形接縫，達(dá)到了很高的安全性和焊接質(zhì)量，其效率是手工焊接的兩倍，而且證明對(duì)于高強(qiáng)度QT鋼焊接是最好的。在點(diǎn)焊前，所有的焊接參數(shù)和程序都已經(jīng)在VATECH水力發(fā)電站的林茨工廠按1∶1的比例原形展現(xiàn)。焊工的培訓(xùn)以及焊接程序的測試也將隨后進(jìn)行。
VATECHHydro對(duì)Goldisthal的提供范圍包括變速異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，活動(dòng)部分、軸承、軸和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的生產(chǎn)，交流線圈的安裝，所有裝置安裝和投入運(yùn)營的監(jiān)督管理，以及DIATech追蹤診斷體系的安裝。較大的水力發(fā)電設(shè)備，包括節(jié)制閘、叉管和所有的進(jìn)、出口的水工鋼結(jié)構(gòu)都是由VATECHHydro和Linz提供的，電動(dòng)機(jī)是由VATECHHydro和澳大利亞的Vienna/Weiz提供的。
2.提高效率
8400t鋼隧道內(nèi)襯是在一個(gè)臨時(shí)的野外制造廠現(xiàn)場生產(chǎn)出來的。節(jié)制閘門和鋼隧道內(nèi)襯總共有320000t，其中160000t是在臨時(shí)的施工現(xiàn)場生產(chǎn)的。
這種電動(dòng)發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是可以在分載渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)方式（標(biāo)準(zhǔn)操作）下顯著提高效率。為了實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)轉(zhuǎn)，四臺(tái)發(fā)動(dòng)發(fā)電機(jī)其中兩臺(tái)是帶有旋轉(zhuǎn)爐雙饋異步電機(jī)。
與正常的同步電機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)子是由三相交流電提供能量，這就可以通過用一個(gè)低頻率變化的轉(zhuǎn)動(dòng)場傳動(dòng)轉(zhuǎn)子來改變轉(zhuǎn)動(dòng)，而且是有計(jì)劃地設(shè)計(jì)一套可確保高效運(yùn)作的程序。在水泵運(yùn)轉(zhuǎn)中，為了高壓輸電網(wǎng)的穩(wěn)定輸出，可以控制輸出量。這些機(jī)器額定電能331MVA、額定電壓18KV和300347的轉(zhuǎn)速（535轉(zhuǎn)/分鐘），另外的兩臺(tái)設(shè)計(jì)成常規(guī)的靜態(tài)激振同步電機(jī)。
該級(jí)別的異步電機(jī)在歐洲是特有的。類似產(chǎn)品只有在日本生產(chǎn)過。在歐洲和美國使用的許多大電機(jī)都是VATECHHydro生產(chǎn)的。
在德國，VATECHHydro與他的合作伙伴VoithSiemensHydro和CKDBlansk已經(jīng)協(xié)作完成設(shè)計(jì)、供貨并將完成安裝、委托代理這四臺(tái)水泵-水輪機(jī)，包括附件。在機(jī)械上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水泵-水輪機(jī)組設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新。最顯著的設(shè)計(jì)特性包括一個(gè)帶有輕型調(diào)速環(huán)導(dǎo)葉運(yùn)行裝置設(shè)計(jì)理念、FEM計(jì)算、最優(yōu)化的蝸殼設(shè)計(jì)和在沒有水壓力的情況下埋置蝸殼。用于Goldisthal水泵-水輪機(jī)預(yù)應(yīng)力導(dǎo)葉軸承證實(shí)了VATECHHydro的技術(shù)在一些年前已經(jīng)有所發(fā)展，尤其應(yīng)用于水泵-水輪機(jī)組。
VATECHHydro作為水泵-水輪機(jī)協(xié)會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)者，應(yīng)對(duì)水泵-水輪機(jī)的基礎(chǔ)工程技術(shù)負(fù)責(zé)，提供一套座環(huán)的蝸殼、兩套完整的帶有導(dǎo)葉的導(dǎo)葉裝置、上下機(jī)蓋、兩套轉(zhuǎn)輪、專門為安裝水泵-水輪機(jī)建起的成套工具等等，還有發(fā)電站的高低壓系統(tǒng)。
3.監(jiān)測和故障早發(fā)現(xiàn)
鑒于生產(chǎn)最大化和成本最小化的重要性，先進(jìn)的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境改變下的監(jiān)測指示，對(duì)于分析趨勢(shì)和超越警戒水面提供警告是十分重要的。它們應(yīng)該提供在發(fā)生嚴(yán)重破壞之前非正常老化和故障變異原因的快速診斷，這些分析和診斷結(jié)果可以幫助電站操作員、技術(shù)專家和電站業(yè)主作出明智的選擇，這樣就可以降低維修費(fèi)用和提高發(fā)電效率。
硬件和軟件的利用是根據(jù)現(xiàn)代系統(tǒng)概念面向未來的發(fā)展和補(bǔ)充，也應(yīng)支持溶合現(xiàn)有的監(jiān)測部件要素和一定用戶的擴(kuò)充。
早期故障診斷、減少不定期的運(yùn)轉(zhuǎn)中斷和縮短修理時(shí)間是將來運(yùn)作過程的主要目的。此外，長時(shí)間的電子存儲(chǔ)精確的結(jié)果能夠更容易地了解歷史數(shù)據(jù)，不僅在數(shù)據(jù)分析時(shí)具備巨大的優(yōu)勢(shì)，而且還可以幫助改善電站經(jīng)營。達(dá)到峰值能量供應(yīng)表明提高了效率。
為了完成這些目標(biāo)，在Goldisthal的抽水蓄能電站上裝備了DIATECH監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。
4.在線智能監(jiān)測系統(tǒng)
在一定程度上DIATECH系統(tǒng)和國際供電公用公司合作發(fā)展。軟件和硬件是由微軟公司生產(chǎn)的“視窗”操作系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展而來的。它的模數(shù)體系結(jié)構(gòu)使得對(duì)單個(gè)操作者的專用方案增強(qiáng)和補(bǔ)充發(fā)展成為可能。這種開放式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)允許三方成果的簡單綜合。
各種診斷模塊（已知模塊）對(duì)于機(jī)械、絕緣和熱力問題的鑒定是有用的，驗(yàn)證和監(jiān)測不同的運(yùn)轉(zhuǎn)方式（停止、啟動(dòng)、穩(wěn)定狀態(tài)、關(guān)閉）和模型（例如發(fā)電、同步電容器運(yùn)轉(zhuǎn)、水泵作用運(yùn)轉(zhuǎn)）。
使用這種在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠較早發(fā)現(xiàn)主要機(jī)器部件的狀態(tài)改變，而且更容易判斷應(yīng)力的大小，從而事先提供一個(gè)基本可靠的維修策略。這使得監(jiān)控機(jī)器管理簡化，與此同時(shí)改進(jìn)電站的實(shí)用高效。
5.氣候和地貌
旱季水庫將提供2.9106m3的水量并在雨季水庫能起到控制增大洪水的作用。由于上下庫水位差很大，因此，兩庫的水都允許使用。
在站點(diǎn)，特殊的氣候條件要求所有的安裝制作必須在抗寒的條件下完成。必須嚴(yán)格地遵從許多的環(huán)境規(guī)律，尤其是對(duì)于野外裝配工作。與土木承包商的密切合作對(duì)隧洞工程的完成也是至關(guān)重要的。
上庫坐落在Farmdenkopf山上，是一座瀝青混凝土密封、填石環(huán)形水壩。上庫蓄水能力為12106m3，經(jīng)由鐘形入口，連接兩個(gè)920m長直徑為6.2m的鋼紋壓力隧洞，通往發(fā)電站的洞室。
主要的洞室長137m，寬26m，高49m。該發(fā)電站由水泵-水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、球形閥和附屬設(shè)備四部分組成。兩條380m長直徑為8.2m的尾水渠通向下庫的出口，下庫由Schwarza河上67m高的填石水壩構(gòu)成，也組建了一個(gè)小型的電力設(shè)備。
6.環(huán)境保護(hù)
Goldisthal工程的目的是為了開發(fā)可靠并且環(huán)保的水電能源。通過建造地下發(fā)電站，讓莊稼繼續(xù)在地面上生長，業(yè)主和建筑隊(duì)都能夠保護(hù)環(huán)境，則可避免主要的環(huán)境變化。地下洞室式發(fā)電站的運(yùn)轉(zhuǎn)也將是比較經(jīng)濟(jì)的。
電站除了提供1060MW的能量外，還將帶來其它方面的利益，包括調(diào)節(jié)高壓輸電網(wǎng)和其他后備電站的主次功率。另外，在工程建設(shè)時(shí)期將用到近1000多個(gè)工人，還將有50個(gè)永久性工作崗位。另外將為當(dāng)?shù)氐姆⻊?wù)和維修部門創(chuàng)造80個(gè)工作崗位。
精密的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工上庫占地55公頃，包括截流，鉆4.74km長的隧洞進(jìn)入山脈，開挖大量的石頭。為了避免地質(zhì)上的斷層，渦流洞窟干線的位置不得不改變。不管工程多么巨大，采用簡單易行的方式。
過去通常采用大塊巖石錨固，再噴混凝土和鋼嚙合以保護(hù)橋墩和一些內(nèi)部通道。開挖出的大約155000m3的原料作為水壩的填石。為了不影響風(fēng)景，下游主壩的迎水面斜坡和環(huán)形水壩的外坡用草皮覆蓋并且管理部門的建筑按照當(dāng)?shù)氐慕ㄖL(fēng)格建造。
在整個(gè)工程中，Vattenfall不斷地監(jiān)測當(dāng)?shù)氐膭?dòng)植物群落并采取積極的措施預(yù)防和糾正由工程引起的失衡和破壞。在德國的東部，為了保護(hù)自然環(huán)境和促進(jìn)環(huán)境與工程相適應(yīng)，已經(jīng)和德國協(xié)會(huì)建立了合作基金會(huì)
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