Источник: Журнал «Hydropower & Dams»
Авторы: Т. Велен, «Eskom» (ЮАР), Р. Тлучек, Дж. Бассон, «BKS» (ЮАР), Б. Троул, «MWH» (США)
ВВЕДЕНИЕ
Проект ГАЭС Лима является частью крупной программы, проводимой компанией Eskom для удовлетворения растущего в ЮАР спроса на электроэнергию. Обоснование инвестиций в проект расположенной в провинции Лимпопо ГАЭС мощностью 1 500 МВт было выполнено в мае 2007 г. В сентябре того же года начался тендер на работы по подходным тоннелям и объектам инфраструктуры. Ввод объекта в эксплуатацию планируется в 2016 г. Основная тема данной статьи — проектирование входных порталов подходных тоннелей, а также общая оптимизация проекта.
Компания Eskom, обеспечивающая около 95% потребностей Южно-Африканской Республики в электроэнергии, начала реализацию крупной программы по наращиванию располагаемой ею энергетической мощности. Одной из частей этой программы, наряду с модернизацией и расширением уже построенных электростанций и строительством ряда геотермальных станций, является проект ГАЭС Лима (Lima) мощностью 1 500 МВт.
В мае 2007 г. консорциум в составе BKS и Palace of South Africa при содействии MWH завершил разработку обоснования инвестиций (Feasibility Study). В течение первой половины 2008 г. был завершен тендер на работы по подходным тоннелям и объектам инфраструктуры.
Рисунок 1 — Схематический генплан ГАЭС Лима
Перед началом буровых работ по порталам кабельного и подходных туннелей посредством сейсмопрофилирования было установлено их оптимальное расположение, что было частью завершенных в апреле 2008 г. инженерно-геологических исследований для проекта подъездных дорог, основного подходного тоннеля, а также кабельно-аварийного туннеля. Настоящая статья представляет результаты инженерно-геологических исследований, критериев проектирования и методов оптимизации касательно проектирования порталов туннелей.
Последовавшие проработки, в том числе дополнительное изучение существующей в регионе энергетической системы Южной Африки, выполненное Eskom, выявили возможность исчерпания к 2016 г существующих в системе резервов. Возможность такого сценария подсказало Eskom провести исследование дополнительных вариантов с учетом размещения насосного режима работы.
1 ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ
При разработке обоснования инвестиций была определена взаимосвязь между капиталовложениями в строительство ГАЭС Лима с различной величиной аккумулирования, и ожидаемыми доходами от реализации электроэнергии. Было показано, что оптимальным вариантом является строительство гидроаккумулирующей станции с установленной мощностью 1 500 МВт. В ходе дальнейших расчетов было также определено, что объем бассейна должен позволять станции работать в турбинном режиме 10 ч (плюс дополнительный четырехчасовой резерв на случай аварии в энергосистеме).
В состав проекта ГАЭС входят следующие основные сооружения:
– нижний бассейн, образуемый плотиной на отводящем канале р. Стилпоут (Steelpoort river);
– верхний бассейн на плато Нэбо (Nebo), возвышающийся над нижнем бассейном на 650 м; объем бассейна полностью образуется насыпной плотиной. Каждый бассейн имеет полезный объем 10 млн. м3, что позволяет достичь 10-часовой длительности работы в генераторном режиме на установленной мощности. Кроме того, имеется также резерв в виде 4 часов работы так же на установленной мощности);
– подземное здание ГАЭС, связанное туннельными подъездными путями с обоими бассейнами.
Рисунок 2 — План и продольный профиль по основным сооружениям
Подводящая деривация выполняется напорной в виде двух туннелей, каждый из которых осуществляет подвод воды к двум гидроагрегатам. Отводящих водоводов четыре. Обделку подводящих туннелей и вертикальных шахт предполагается выполнить или железобетонной, или бетонной со стальной облицовкой. В варианте с железобетонной обделкой диаметр туннелей и шахт составляет 5,7 м, в варианте со сталежелезобетонной обделкой — 4,7 м. Диаметр отводящих водоводов равен 5,0 м.
Комплекс сооружений подземного здания ГЭС включает:
– машзал и трансформаторный зал. Предполагается установка четырех двухмашинных обратимых гидроагрегатов с радиально-осевыми турбинами мощностью по 375 МВт каждый;
– эксплуатационные туннели, используемые и в период строительства, кабельный туннель (он же — аварийный), вентиляционно-дренажный туннель, отдельно выделенная шахта удаления задымлений;
– административный корпус, совмещенный с приемным центром для посетителей, расположенный на поверхности у входа в основной подъездной туннель;
– строительные площадки у верхнего и нижнего бассейнов;
– основные подъездные дороги от региональных автодорог к обоим бассейнам, а также дорога, соединяющая административное здание с низовой плотиной и площадкой ОРУ.
Разработка обоснований инвестиций была окончена в мае 2007 г. Для возможности ввода объекта в эксплуатацию к 2016 г. в Eskom было принято решение продолжать проектирование, однако сфокусироваться на подготовке тендерной документации по подъездным туннелями и объектам инфраструктуры, а также на дальнейшей оптимизации инженерных решений.
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОРТАЛОВ ТУННЕЛЕЙ
В период разработки обоснований инвестиций предполагалось, что основной подъездной туннель будет соединять северную сторону машзала ГЭС с административным корпусом, расположенным у входного портала к северу от нижнего бассейна. Кабельный туннель должен был соединять южную сторону трансформаторного зала с порталом, расположенным у ОРУ к югу от нижнего бассейна.
К началу работ по стадии Проект Eskom приняла решение переместить площадку ОРУ к северу от административного корпуса, т.к. это улучшало условия прокладки ЛЭП. Это повлекло за собой выбор новой трассы кабельного туннеля и места расположения его портала. Новая траса туннеля позволила оптимизировать его компоновку, но привело к росту длины туннеля.
Рисунок 3 — Результаты сейсмических исследований
В местах расположения порталов было выполнено три сейсмогеологических разреза с целью построения профилей залегания скальных массивов для облегчения позиционирования подземных сооружений и порталов. На основе этих исследований первоначальное положение портала основного подъездного туннеля было на глубине между 40 и 70 м. Качественная скала (т.е. скала со скоростями волн свыше 3 000 м/с) была обнаружена на глубине в среднем 40―50 м, с тенденцией к горизонтальному простиранию в северном направлении (глубины 30―40 м) у первоначального положения портала кабельного туннеля.
В первоначальном месте расположения входного портала основного подъездного туннеля были обнаружены весьма слабые породы основания. По этой причине было принято решение о перемещении этого портала ближе к площадке портала кабельного туннеля, характеризующейся лучшими геотехническими условиями. В дальнейшем геометрия котлованы под оба портала были объединены в один. Расположение порталов было принято таким образом, чтобы мощность скальных пород над сводами входных забоев туннелей составляла не менее 5 м (в идеале необходимо наличие скального массива мощностью в один диаметр туннеля).
Для возможности проведения расчетов устойчивости склонов и проектирования работ по выемке из котлована порталов в его предполагаемых пределах были проведены исследования геологической стратиграфической картины массива пород. Полный геологический профиль включает мощный слой коллювиальных отложений, подстилающий коренные породы, представленные диоритами. Коллювий сложен гравием и галькой, замытыми песком.
Котлован под порталы имеет длину свыше 300 м, достигая высоты в 40 м (у портала подъездного туннеля) и 35 м (у портала кабельного туннеля, расположенного выше портала подъездного туннеля). Столь большая глубина котлована подтверждена детальными расчетами устойчивости откосов, состоящих как из мягких, так и скальных грунтов, гарантировавшими безопасное проведение всех необходимых работ в течение строительного периода.
Описание основных объемов выемок
Выемка котлована под порталы туннелей будет производится как обычными механизированными средствами для разработки нескальных грунтов, та и с применением буровзрывных работ для выемки нижележащей скальной пород. В составе геологического разреза присутствует поверхностный слой коллювия, подстилаемый магнетитами (от очень слабых до средней крепости), которые в свою очередь залегают поверх диоритов (также колеблющихся от слабых до крепких).
Рисунок 4 — План расположения туннелей и их порталов
Откосы котлована в пределах толщи нескальных грунтов на северной, южной и западной сторонах будут разрабатываться с уклоном 1:1,5. С вертикальным шагом 10 м устраиваются уступы шириной 3 м, что обеспечит повышение устойчивости откоса, возможность размещения ливневых канав, а также доступ на различные отметки откоса. Для поддержания влажностного режима грунтов (с соответствующей величиной сопротивления на сдвиг) и предотвращения эрозии поверхности откосы планируется покрыть армированным по сетке торкретбетоном. Последний анкеруется к массиву грунта посредством 7-метровых анкеров диаметром 25 мм, устанавливаемых с шагом 4 м в обоих направлениях. Снижение гидростатического давления на тыловую грань бетона будет достигнута с помощью бурения дренажных скважин.
Скальные откосы на южной и северной сторонах котлована будут иметь уклон от 1:0,5. На западной стороне, в которой будет выполнено сопряжение туннеля с порталом, откос будет вертикален. В пределах высоты скальной выемки горизонтальные уступы с системой дренажных канав устраиваются шириной по 1,5 м при шаге по вертикали 10 м. Как и для откоса нескальных грунтов, здесь будет выполнена железобетонная рубашка, армированная стержнями диаметром 25 мм и закрепленная анкерами с аналогичными параметрами. Однако в месте расположения начала туннелей откос будет закрепляться стекловолоконными болтами прямо по ходу выемки грунта из котлована. Это позволит на короткий срок обеспечить устойчивость поверхностных слоев откоса, не создав препятствий ходу выполнения работ по проходке туннелей. Снижение гидростатического давления на железобетонное покрытие также будет обеспечено посредством бурения дренажных скважин.
По верхней бровке котлована будет возведена оконтуривающая дамба для предотвращения попадания в него ливневых вод с окружающей местности.
Производство работ
Откосы котлована, находящиеся в пределах мощности коллювия, а также, по возможности, верхняя выветрелая часть скальных грунтов, будут сформированы с применением соответствующей землеройной техники. Нижерасположенную толщу пород предполагается разрабатываться буровзрывным методом.
Процесс отрывки котлована осуществляется в несколько стадий. В начале производится выемка на глубину 1,5—2,0 м. Затем полученный откос крепится торкретбетоном с анкерами: «грунтовыми гвоздями» (soil nails) — для нескальных грунтов, и «скальными болтами» (rockbolts) — для скалы. Это позволяет избежать разуплотнения и растрескивания грунта. Установка анкеров достигается посредством ударно-вращательного бурения скважин, с последующим выполнением цементации вставляемого несущего стержня. После установки анкеров откос покрывается торкретбетоном и арматурной сеткой, а на заключительном этапе бурятся разгрузочные скважины.
Перед началом работ по защите откосов инженерами-геологами выполняется обследование и картирование незащищенной поверхности откоса с целью выявления локальных отклонений в структуре пород и необходимости соответствующего внесения изменений в конструкцию железобетонного экрана.
Рисунок 5 — Характерное сечение по котловану порталов
Предполагаемая последовательность работ по подходному котловану порталов следующая:
- удаление растительного слоя;
- строительство верховой бермы откоса;
- выемка объема котлована на заданную промежуточную глубину;
- инженерно-геологическое картирование поверхности скального откоса;
- установка системы дренажа;
- нанесение на откосы первичного слоя торкретбетона;
- установка анкеров;
- укладка армирующей сетки;
- нанесение на откосы завершающего слоя торкретбетона;
- бурение в торкретбетоне разгрузочных дренажных скважин;
- повторение шагов 3—9 вплоть до достижения отметки следующей бермы;
- установка линейчатого дренажа вдоль бермы;
- повторение шагов 3—11 вплоть до достижения дна котлована;
- возведение донной железобетонной плиты и размещение дренажа;
- бурение в плите разгрузочных дренажных скважин.
3 ДАЛЬНЕЙШАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
Как результат продолжающихся проектных проработок была выполнена дальнейшая оптимизация относительно выбора для ГАЭС ее турбинной и насосной мощностей.
При 24-часовом циклическом характере работы энергосистемы возникает необходимость в дополнительной величине полезного объема бассейнов для обеспечения приемлемого суточного цикла работы насосо-турбин. Согласно проекту предполагается, что объем бассейнов будет обеспечивать работу станции на полной турбинной мощности в течение 10 часов (коэффициент недельной загрузки 0,23), при этом потребуется примерно 14,5 часов для насосной закачки воды обратно в верхний бассейн. Однако длительность ночного провала графика нагрузки энергосистемы, как правило, меньше 14,5 ч, поэтому Eskom рассматривает возможность включения в полный недельный цикл работы дополнительного периода закачки воды в выходные дни, или, как альтернатива, увеличения насосной мощности.
Основная цель исследований заключалась в получении компанией Eskom величин затрат и другой информации, необходимой для возможности проведения финансовой оценки и дальнейшего принятия решения об утверждении окончательных наиболее соответствующих нуждам энергосистемы характеристиках проекта.
В итоге было принято решение о сохранении величины объёма бассейнов, обеспечивающей работу в турбинном режиме в течение 10 ч, а также еще 4 ч на случай аварии в энергосистеме.
Увеличение полезной емкости бассейнов
Согласно материалам обоснований инвестиций ГАЭС располагала регулирующей емкостью, обеспечивающей 14‑ти часовую (выработка 21 000 МВт∙ч) продолжительность работы в генераторном режиме (при начале работы с полностью наполненным верхним бассейном). В соответствии с проведенным анализом энергосистемы компания Eskom заявила о необходимости изучения возможности увеличения продолжительности генераторного режима работы дополнительно на 6 часов: с 14 до 20 ч (выработка при этом достигает величины 30 000 МВт∙ч). Проекты обоих бассейнов в том случае потребовали пересмотра для возможности аккумулирования дополнительных объемов воды.
Для определения дополнительных затрат по обоим бассейнам ГАЭС были определены стоимости возведения дополнительных участков дамб, в сравнении с выбранными в обоснованиях инвестиций. Это было выполнено как консервативные меры для учета осложнений, которые могут проявиться при дальнейшем углубленном выполнении инженерно-геологических изысканий.
В ходе разработки обоснований инвестиций было установлено, что увеличение площади верхнего резервуара является более эффективным, чем повышение высоты дамбы, ограждающей этот бассейн. Поэтому при выполнении дальнейшей оптимизации проектных решений был рассмотрен вариант с увеличением площади верхнего бассейна. Было определено, что топографические условия площадки бассейна позволяют увеличить величину его объема как за счет расширения занимаемой им площади, так и за счет понижения отметки дна, достигаемой благодаря большой мощности вскрышного слоя грунта, требующегося в большом объеме из-за нехватки материала для тела дамб. Исходя из этого было рекомендовано понизить отметку дна бассейна и, одновременно, несколько поднять отметку гребня ограждающих дамб. Такое решение также позволяло получить для строительства дамб скальный грунт с более высокими физико-механическими характеристиками.
При этом земляная плотина нижнего бассейна, создаваемого посредством обвалования русла небольшого ручья, увеличивает свою высоту.
Оценочная стоимость строительства ГАЭС для варианта с 14 часами работы в генераторном режиме была использована как базовый сравнительный показатель при определении затрат на строительство для вариантов с 17 и 20 часами, и для получения кривой роста капвложений в пределах 21 000 — 30 000 МВт∙ч по выработке. При этом, естественно, производился необходимый пересмотр конструкций водосброса и водоприемника. Дополнительные затраты для варианта с 17 часами работы составили 181 млн. южноамериканских ранд (23 млн. долларов), а для варианта с 20 часами — 374 млн. ранд (47 млн. долларов).
Производительность насосов
С целью повышения производительности в насосном режиме были рассмотрены несколько вариантов:
– базовый вариант — рассматриваемый в Обоснованиях инвестиций вариант с суммарной мощностью в насосном режиме 390 МВт;
– вариант 1 — увеличение единичных мощностей обратимых гидроагрегатов до суммарной мощности в насосном режиме 425 МВт;
– вариант 2 — увеличение единичных мощностей обратимых гидроагрегатов до суммарной мощности в насосном режиме 444 МВт (максимальная допустимая мощность при непревышении величины k = 800);
– вариант 3 — установка обратимых гидроагрегатов с переменной частотой вращения;
– вариант 4 — установка двух дополнительных насосов.
Варианты 1 и 2
Было установлено, что для достижения большей производительности в насосном режиме требуется увеличение физических размеров обратимых турбин, а также повышение мощности электромашины при работе в режиме двигателя. Увеличение размеров гидротурбин ведет к увеличению габаритов машзала ГАЭС, а рост мощности двигателей — к соответствующему росту мощности повышающих трансформаторов, шин, выключателей и т.д. Все эти факторы были рассмотрены при оценке затрат, связанных с каждым видом оборудования. Более крупные гидроагрегаты также предполагают увеличение мощности и в турбинном режиме (хотя ее рост отдельно подробно не рассматривался). Однако если бы агрегаты были бы использованы для получения дополнительной генерирующей мощности, то пришлось бы вновь увеличивать дополнительные объемы бассейнов, и проблема обеспечения срока наполнения верхнего бассейна сохранилась бы. Кроме того, с ростом мощности в турбинном режиме встал бы вопрос об увеличении пропускной способности водосброса, с соответствующим ростом капвложений. По этим причинам было решено отказаться от повышения мощности в турбинном режиме.
Вариант 3 — агрегаты с переменной частотой вращения
Для установки на ГАЭС гидроагрегатов с переменной частотой вращения необходимо предусмотреть размещение преобразователей частоты, реакторов, оборудования защиты от перенапряжения, а также охладители для соответствующих единиц оборудования. Детального рассмотрения схемы расположения данного оборудования не производилось. Но ожидалось, что основными помещениями для него могут послужить тоннели токопроводов, которые при этом проектируются двухуровневыми, а соединительное помещение между машзалом ГАЭС и залом трансформаторов увеличивается для размещения дополнительного подпольного пространства, удлиняя при этом туннели токопроводов. Кроме того, требовалось увеличить высоту машзала и понизить отметку размещения гидроагрегатов для сохранения достаточной величины заглубления под уровень нижнего бьефа (т.е. для возможности быстрого оперативного регулирования агрегатами при максимальных напорах). Заглубление гидроагрегатов ведет к некоторому росту затрат по напорной вертикальной шахте, дымовой шахте, основного подъездного и кабельного туннелей.
Вариант 4 — установка дополнительных насосов
В каждой половине машзала ГАЭС могут быть установлены по одному вертикальному насосу (в пространстве между двумя обратимыми агрегатами). Полная длина машзала при этом увеличится примерно на 24 м (по 12 м для каждого насоса), с 125 м до 149 м. Увеличения ширины или высоты машзала не потребуется. Помимо машзала увеличится длина трансформаторного зала с тем, чтобы сохранить расположение изолированных фазовых шин напротив их гидроагрегатов.
Рисунок 6 — План подземных выработок для варианта 4
Консультанты изучили различные варианты конфигурации всасывающих труб насосов. Один из них включает соединение двух соседних отводящих туннелей с перпендикулярным основным туннелем, а также схемы по типу «T» и «Y». Однако это потребовало бы установку затворов для возможности отключения одного отводящего туннеля от другого с целью осушения проточного тракта (эксплуатационное требование). Это влечет за собой дополнительной выработки под камеру затворов и транспортный туннель к ней, а в нижнем бассейне потребуется дополнительные отдельные водоприемные отверстия для каждого насоса. Внутренний диаметр подводящих туннелей насосов составляет 3,5 м, что связано как с минимально возможным диаметром при буровзрывной технологии проходки, так и с бетонированием облицовки туннелей.
Предполагаемая подача в насосном режиме
Консультанты произвели оценку расходов в насосном режиме для каждого из рассматриваемых вариантов, с ограничением электрических мощностей величинами 390, 425 и 444 МВт (где максимальная насосная мощность соответствует условиями минимального напора ― опорожненный верхний бассейн и полностью наполненный нижний). При этом определение величины минимального напора было основано на предположении работы всех четырех гидроагрегатов, хотя, строго говоря, минимальный напор следовало бы определять при работе одного агрегата. Однако данное отклонение следует считать незначительным, мало влияющим на результаты сравнительного анализа.
Максимальный расход в насосном режиме в базовом варианте, где насос-турбины ограничены мощностью 390 МВт (при минимальном напоре), оценивается в 59 м3/с. При максимальном напоре мощность двигателя составляет 351 МВт, а расход — 47 м3/с. Эти значения корреспондируют с показателями, заявленным некоторыми поставщиками оборудования.
Рисунок 7 — Насосные характеристики при максимальном и минимальном напорах
В вариантах 1 и 2 требуемая максимальная мощность для в насосного режима была принята равной 425 МВт и 444 МВт соответственно (подача 61 м3/с и 64 м3/с). Вариант 2 был основан на непревышении величины k = 800, имеющей место при максимальном напоре (величина k является произведением коэффициента быстроходности в насосном режиме и квадратного корня из динамического напора). Значение k, равное 800, принято как нормальный верхний предел для выбора насос-турбины.
Вариант 3 предусматривал переменную частоту враения для обратимых гидроагрегатов. Применение подобного типа агрегатов позволяет оператору увеличивать частоту вращения по мере заполнения верхнего бассейна для поддержания постоянной потребляемой на двигателе мощности. В результате повышается в сравнении с обычным агрегатом при той же величине напора повышается подача. Было определено, что для агрегата с переменной частотой вращения подача при максимальном напоре достигает 52 м3/с, в то время как у агрегата с неизменной частотой — 47 м3/с.
Вариант 4 рассматривалась компоновка машзала с двумя дополнительными насосами номинальной подачей каждого по 20 м3/с при мощности двигателя 150 МВт. В ходе анализа разница в подаче и мощности, которые изменяются в зависимости от динамического напора, не моделировалась — были использованы постоянные значения для минимального и максимального напоров.
В таблице приведены оценочные данные по времени наполнения бассейна (для 10-часовой зоны эксплуатации) и дополнительные затраты в строительство по каждому из пяти вариантов компоновки оборудования ГАЭС.
Рисунок 8 — Таблица времени наполнения и дополнительных затрат на строительство
Результаты описанных вариантов повышения полезного объема бассейнов и увеличения мощности, потребляемой в насосном режиме, были рассмотрены Eskom и использованы в следующем этапе проектирования. Было определено, что рост прибыли относительно базового варианта (1500 МВт, 14 часов работы) не обеспечивало значительного роста величины нормы прибыли при возрастающих объемах инвестиций и эксплуатационных затрат.
АВТОРЫ
Тигеш Велен — окончил University of Durban-Westville (ЮАР) в степени бакалавра инженерии. В течение последних 12 лет работал в компании Eskom в подразделении South Africa Power, в настоящий момент являясь директором по гидротехнике. Принимал участие в большом числе проектов насосных станций. В ходе разработки обоснований инвестиций проекта ГАЭС Лима являлся главным инженером.
Бруно Трулли — окончил Institut Catholique des Arts et Métiers (г. Лилль, Франция) в степени магистра инженерии. Такую же степень он имеет по тематике «Производственные отношения» в Loyola University (г. Чикаго, США). Является вице-президентом MWH (в Группе международных проектов), главным менеджером проектов, а также финансовым и экономическим аналитиком по проектам электростанций, расширения электрических сетей, региональным исследованиям энергорынков и финансированию проектов. Являлся руководителем проектов в MWH по нескольким обоснованиям инвестиций в данном регионе, включая проект ГАЭС Лима.
Джанус Бассон — окончил курс инженерии в University of Pretoria. Работает инженером-стрителем в Water and Power Division компании BKS в ЮАР. Являлся главным инженером дополнительных обоснований инвестиций и оптимизации проекта ГАЭС Лима.
Рон Тлучек — окончил University of Cape Town в степени бакалавра инженерии. Является начальником отдела в Геотехническом дивизионе компании BKS в ЮАР и руководит всеми аспектами управления проектом в разделе геотехники. За более чем 30 лет работы принял участие в значительном числе проектов туннелей (авто- и железнодорожных, ирригационных и деривационных). Является членом Ассоциации арбитров, выступая в качестве свидетеля-эксперта и посредника при различных исках.