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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(zhù)重對發(fā)電機組及其在線(xiàn)監測系統的創(chuàng )新設計做了總結回顧。
關(guān)鍵詞：Goldisthal抽水蓄能電站創(chuàng )新設計
經(jīng)過(guò)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(gè)電站裝機容量都是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)變速機組也將投入運營(yíng)。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。
負責水泵-水輪機組（KonsortiumGoldisthal水力發(fā)電站）的集團包括VATECHEscherWyss股份有限公司、Voith西門(mén)子水力發(fā)電站和CKDBlansko工程部門(mén)等等。發(fā)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(fā)電主廠(chǎng)房、隧洞和上游水庫，其承建者是ARGEPSWGoldisthal集團。
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)電設計方案，至少超前20年。由于它包括4個(gè)發(fā)電能力331MVA的機組，它不僅是世界上同類(lèi)電站發(fā)電量最多的一座，最具能量的設備之一，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(guò)程）首次應用于焊接鋼制隧道內襯的環(huán)形接縫，達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，而且證明對于高強度QT鋼焊接是最好的。在點(diǎn)焊前，所有的焊接參數和程序都已經(jīng)在VATECH水力發(fā)電站的林茨工廠(chǎng)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(jìn)行。
VATECHHydro對Goldisthal的提供范圍包括變速異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的詳細設計，活動(dòng)部分、軸承、軸和轉動(dòng)部分的生產(chǎn)，交流線(xiàn)圈的安裝，所有裝置安裝和投入運營(yíng)的監督管理，以及DIATech追蹤診斷體系的安裝。較大的水力發(fā)電設備，包括節制閘、叉管和所有的進(jìn)、出口的水工鋼結構都是由VATECHHydro和Linz提供的，電動(dòng)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(gè)臨時(shí)的野外制造廠(chǎng)現場(chǎng)生產(chǎn)出來(lái)的。節制閘門(mén)和鋼隧道內襯總共有320000t，其中160000t是在臨時(shí)的施工現場(chǎng)生產(chǎn)的。
這種電動(dòng)發(fā)電機的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是可以在分載渦輪運轉方式（標準操作）下顯著(zhù)提高效率。為了實(shí)現變速運轉，四臺發(fā)動(dòng)發(fā)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(guò)用一個(gè)低頻率變化的轉動(dòng)場(chǎng)傳動(dòng)轉子來(lái)改變轉動(dòng)，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(wǎng)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(tài)激振同步電機。
該級別的異步電機在歐洲是特有的。類(lèi)似產(chǎn)品只有在日本生產(chǎn)過(guò)。在歐洲和美國使用的許多大電機都是VATECHHydro生產(chǎn)的。
在德國，VATECHHydro與他的合作伙伴VoithSiemensHydro和CKDBlansk已經(jīng)協(xié)作完成設計、供貨并將完成安裝、委托代理這四臺水泵-水輪機，包括附件。在機械上，已經(jīng)實(shí)現了水泵-水輪機組設計上的創(chuàng )新。最顯著(zhù)的設計特性包括一個(gè)帶有輕型調速環(huán)導葉運行裝置設計理念、FEM計算、最優(yōu)化的蝸殼設計和在沒(méi)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(shí)了VATECHHydro的技術(shù)在一些年前已經(jīng)有所發(fā)展，尤其應用于水泵-水輪機組。
VATECHHydro作為水泵-水輪機協(xié)會(huì )的領(lǐng)導者，應對水泵-水輪機的基礎工程技術(shù)負責，提供一套座環(huán)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(zhuān)門(mén)為安裝水泵-水輪機建起的成套工具等等，還有發(fā)電站的高低壓系統。
3.監測和故障早發(fā)現
鑒于生產(chǎn)最大化和成本最小化的重要性，先進(jìn)的監測和診斷系統對環(huán)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(fā)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(shù)專(zhuān)家和電站業(yè)主作出明智的選擇，這樣就可以降低維修費用和提高發(fā)電效率。
硬件和軟件的利用是根據現代系統概念面向未來(lái)的發(fā)展和補充，也應支持溶合現有的監測部件要素和一定用戶(hù)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(shí)間是將來(lái)運作過(guò)程的主要目的。此外，長(cháng)時(shí)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(shí)具備巨大的優(yōu)勢，而且還可以幫助改善電站經(jīng)營(yíng)。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(xiàn)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(fā)展。軟件和硬件是由微軟公司生產(chǎn)的“視窗”操作系統的技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。它的模數體系結構使得對單個(gè)操作者的專(zhuān)用方案增強和補充發(fā)展成為可能。這種開(kāi)放式的系統體系結構允許三方成果的簡(jiǎn)單綜合。
各種診斷模塊（已知模塊）對于機械、絕緣和熱力問(wèn)題的鑒定是有用的，驗證和監測不同的運轉方式（停止、啟動(dòng)、穩定狀態(tài)、關(guān)閉）和模型（例如發(fā)電、同步電容器運轉、水泵作用運轉）。
使用這種在線(xiàn)智能監測系統，能夠較早發(fā)現主要機器部件的狀態(tài)改變，而且更容易判斷應力的大小，從而事先提供一個(gè)基本可靠的維修策略。這使得監控機器管理簡(jiǎn)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。必須嚴格地遵從許多的環(huán)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(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(cháng)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(cháng)137m，寬26m，高49m。該發(fā)電站由水泵-水輪機、發(fā)電機、球形閥和附屬設備四部分組成。兩條380m長(cháng)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(gè)小型的電力設備。
6.環(huán)境保護
Goldisthal工程的目的是為了開(kāi)發(fā)可靠并且環(huán)保的水電能源。通過(guò)建造地下發(fā)電站，讓莊稼繼續在地面上生長(cháng)，業(yè)主和建筑隊都能夠保護環(huán)境，則可避免主要的環(huán)境變化。地下洞室式發(fā)電站的運轉也將是比較經(jīng)濟的。
電站除了提供1060MW的能量外，還將帶來(lái)其它方面的利益，包括調節高壓輸電網(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。另外將為當地的服務(wù)和維修部門(mén)創(chuàng )造80個(gè)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(cháng)的隧洞進(jìn)入山脈，開(kāi)挖大量的石頭。為了避免地質(zhì)上的斷層，渦流洞窟干線(xiàn)的位置不得不改變。不管工程多么巨大，采用簡(jiǎn)單易行的方式。
過(guò)去通常采用大塊巖石錨固，再?lài)娀炷梁弯搰Ш弦员Ｗo橋墩和一些內部通道。開(kāi)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(mén)的建筑按照當地的建筑風(fēng)格建造。
在整個(gè)工程中，Vattenfall不斷地監測當地的動(dòng)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(huán)境和促進(jìn)環(huán)境與工程相適應，已經(jīng)和德國協(xié)會(huì )建立了合作基金會(huì )
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