抽水蓄能電站創新論文

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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。本文著重對發電機組及其在線監測系統的創新設計做了總結回顧。

關鍵詞：Goldisthal抽水蓄能電站創新設計

經過了六年多的施工建設，2003年2月3日，VattenfallEuropeGeneration(VE-G)1060MW的Goldisthal抽水蓄能電站第一臺水泵-水輪機投入運行。

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。最早的兩個電站裝機容量都是265MW，已經投入使用，并且成功地為Vattenfall的高壓輸電網送電。2004年伊始，另外兩個變速機組也將投入運營。Goldisthal電站將會躋身于世界上最大的、最先進的抽水蓄能電站行列。

負責水泵-水輪機組（KonsortiumGoldisthal水力發電站）的集團包括VATECHEscherWyss股份有限公司、Voith西門子水力發電站和CKDBlansko工程部門等等。發電機由ARGEAEV集團提供，包括AlstomEnergietechnik股份有限公司和VATECHELIN股份有限公司。

土建工程包括發電主廠房、隧洞和上游水庫，其承建者是ARGEPSWGoldisthal集團。

上游水庫環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.創新與協作

Goldisthal是德國新近修建的唯一一座最大的水力發電設計方案，至少超前20年。由于它包括4個發電能力331MVA的機組，它不僅是世界上同類電站發電量最多的一座，最具能量的設備之一，而且還有一些創新點。

完全自動化環形焊接技術（TIG-Hot金屬絲過程）首次應用于焊接鋼制隧道內襯的環形接縫，達到了很高的安全性和焊接質量，其效率是手工焊接的兩倍，而且證明對于高強度QT鋼焊接是最好的。在點焊前，所有的焊接參數和程序都已經在VATECH水力發電站的林茨工廠按1∶1的比例原形展現。焊工的培訓以及焊接程序的測試也將隨后進行。

VATECHHydro對Goldisthal的提供范圍包括變速異步發電機和同步發電機的詳細設計，活動部分、軸承、軸和轉動部分的生產，交流線圈的安裝，所有裝置安裝和投入運營的監督管理，以及DIATech追蹤診斷體系的安裝。較大的水力發電設備，包括節制閘、叉管和所有的進、出口的水工鋼結構都是由VATECHHydro和Linz提供的，電動機是由VATECHHydro和澳大利亞的Vienna/Weiz提供的。

2.提高效率

8400t鋼隧道內襯是在一個臨時的野外制造廠現場生產出來的。節制閘門和鋼隧道內襯總共有320000t，其中160000t是在臨時的施工現場生產的。

這種電動發電機的主要優點之一就是可以在分載渦輪運轉方式（標準操作）下顯著提高效率。為了實現變速運轉，四臺發動發電機其中兩臺是帶有旋轉爐雙饋異步電機。

與正常的同步電機不同的是其轉子是由三相交流電提供能量，這就可以通過用一個低頻率變化的轉動場傳動轉子來改變轉動，而且是有計劃地設計一套可確保高效運作的程序。在水泵運轉中，為了高壓輸電網的穩定輸出，可以控制輸出量。這些機器額定電能331MVA、額定電壓18KV和300347的轉速（535轉/分鐘），另外的兩臺設計成常規的靜態激振同步電機。

該級別的異步電機在歐洲是特有的。類似產品只有在日本生產過。在歐洲和美國使用的許多大電機都是VATECHHydro生產的。

在德國，VATECHHydro與他的合作伙伴VoithSiemensHydro和CKDBlansk已經協作完成設計、供貨并將完成安裝、委托這四臺水泵-水輪機，包括附件。在機械上，已經實現了水泵-水輪機組設計上的創新。最顯著的設計特性包括一個帶有輕型調速環導葉運行裝置設計理念、FEM計算、最優化的蝸殼設計和在沒有水壓力的情況下埋置蝸殼。用于Goldisthal水泵-水輪機預應力導葉軸承證實了VATECHHydro的技術在一些年前已經有所發展，尤其應用于水泵-水輪機組。

VATECHHydro作為水泵-水輪機協會的領導者，應對水泵-水輪機的基礎工程技術負責，提供一套座環的蝸殼、兩套完整的帶有導葉的導葉裝置、上下機蓋、兩套轉輪、專門為安裝水泵-水輪機建起的成套工具等等，還有發電站的高低壓系統。

3.監測和故障早發現

鑒于生產最大化和成本最小化的重要性，先進的監測和診斷系統對環境改變下的監測指示，對于分析趨勢和超越警戒水面提供警告是十分重要的。它們應該提供在發生嚴重破壞之前非正常老化和故障變異原因的快速診斷，這些分析和診斷結果可以幫助電站操作員、技術專家和電站業主作出明智的選擇，這樣就可以降低維修費用和提高發電效率。

硬件和軟件的利用是根據現代系統概念面向未來的發展和補充，也應支持溶合現有的監測部件要素和一定用戶的擴充。

早期故障診斷、減少不定期的運轉中斷和縮短修理時間是將來運作過程的主要目的。此外，長時間的電子存儲精確的結果能夠更容易地了解歷史數據，不僅在數據分析時具備巨大的優勢，而且還可以幫助改善電站經營。達到峰值能量供應表明提高了效率。

為了完成這些目標，在Goldisthal的抽水蓄能電站上裝備了DIATECH監測和診斷系統。

4.在線智能監測系統

在一定程度上DIATECH系統和國際供電公用公司合作發展。軟件和硬件是由微軟公司生產的“視窗”操作系統的技術發展而來的。它的模數體系結構使得對單個操作者的專用方案增強和補充發展成為可能。這種開放式的系統體系結構允許三方成果的簡單綜合。

各種診斷模塊（已知模塊）對于機械、絕緣和熱力問題的鑒定是有用的，驗證和監測不同的運轉方式（停止、啟動、穩定狀態、關閉）和模型（例如發電、同步電容器運轉、水泵作用運轉）。

使用這種在線智能監測系統，能夠較早發現主要機器部件的狀態改變，而且更容易判斷應力的大小，從而事先提供一個基本可靠的維修策略。這使得監控機器管理簡化，與此同時改進電站的實用高效。

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，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。必須嚴格地遵從許多的環境規律，尤其是對于野外裝配工作。與土木承包商的密切合作對隧洞工程的完成也是至關重要的。

上庫坐落在Farmdenkopf山上，是一座瀝青混凝土密封、填石環形水壩。上庫蓄水能力為12106m3，經由鐘形入口，連接兩個920m長直徑為6.2m的鋼紋壓力隧洞，通往發電站的洞室。

主要的洞室長137m，寬26m，高49m。該發電站由水泵-水輪機、發電機、球形閥和附屬設備四部分組成。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高的填石水壩構成，也組建了一個小型的電力設備。

6.環境保護

Goldisthal工程的目的是為了開發可靠并且環保的水電能源。通過建造地下發電站，讓莊稼繼續在地面上生長，業主和建筑隊都能夠保護環境，則可避免主要的環境變化。地下洞室式發電站的運轉也將是比較經濟的。

電站除了提供1060MW的能量外，還將帶來其它方面的利益，包括調節高壓輸電網和其他后備電站的主次功率。另外，在工程建設時期將用到近1000多個工人，還將有50個永久性工作崗位。另外將為當地的服務和維修部門創造80個工作崗位。

精密的規劃設計和施工上庫占地55公頃，包括截流，鉆4.74km長的隧洞進入山脈，開挖大量的石頭。為了避免地質上的斷層，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橋墩和一些內部通道。開挖出的大約155000m3的原料作為水壩的填石。為了不影響風景，下游主壩的迎水面斜坡和環形水壩的外坡用草皮覆蓋并且管理部門的建筑按照當地的建筑風格建造。

在整個工程中，Vattenfall不斷地監測當地的動植物群落并采取積極的措施預防和糾正由工程引起的失衡和破壞。在德國的東部，為了保護自然環境和促進環境與工程相適應，已經和德國協會建立了合作基金會