抽水蓄能电站地下工程施工关键技术研究

抽水蓄能电站地下工程施工关键技术研究

抽水蓄能电站是电力系统调节平衡、安全稳定和升电能质量的关键组网资产,属于高水头、埋藏深的地下电站,其地下工程处于水库高水位以下的复杂地质和环境条件下,施工难度大、技术复杂、安全风险高,对工程关键技术求比较高。本文主归纳总结了抽水蓄能电站地下工程关键技术,以供参考。 
  关键词抽水蓄能电站;地下工程;关键技术 
  引言 
  抽水蓄能电站又称蓄能式水电站,就是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库,然后,在电力负荷高峰期再将水放至下水库发电的水电站。抽水蓄能电站能够将电网负荷低时的多余电能,有效转变为电网高峰时的高价值电能,具有调峰填谷、事故备用、调频调相、快速启闭等优势,在调节电力系统平衡、安全稳定和升电能质量等方面,发挥着举足轻重的作用。欧美、日本等发达国家关于抽水蓄能电站的研究与建设,已经有一百多年的历史。我国在2世纪6年代开始开发抽水蓄能电站,改革开放后,在国家规划推动下,一大批大型抽水蓄能电站不断落成投运。近年来建设的几座大型抽水蓄能电站,例如广州一、二期抽水蓄能电站,西龙池抽水蓄能电站,十三陵抽水蓄能电站以及天荒坪、张河湾和西龙池抽水蓄能电站等,其技术已达到世界先进水平。截止214 年底,我国已建成 6 月底,24座抽水蓄能电站,总装机容量2181万千万,占水电总装机比重约7.2%。大型抽水蓄能电站一般由上水库、下水库、地下厂房、引水系统和开关站等组成,引水及发电系统由长隧洞和地下厂房洞室群组成。其施工主涉及地下洞室群、渗控工程、土石开挖与填筑、混凝土工程、堆石坝、机电安装与调试等多个专业领域。与常规水利水电工程相比,其渗控工程、地下工程、机电安装等相比,都具有更高的求。抽水蓄能电站地下工程位于地下,地质和水文环境兔砸,因此,其工程施工关键技术非常重,必须进行严格管理与控制,以高工程质量。 
  2. 抽水蓄能电站地下工程关键技术研究 
  2.1地下洞室群施工技术概述。(1)地下洞室群包括引水系统、地下厂房系统和尾水系统,三者既相对独立又相互关联,空间形态较为复杂,施工相互干扰;作业环境差,有害气体、粉尘多,且地质条件存在不可预见性。因此,在进行地下洞室群施工时,应先进行系统研究和论证,然后再合理安排各洞室的先后施工顺序,按“平面多工序、立体多层次”的原则展开。 
  (2)为了实现“立体多层次”,应统筹考虑各大洞室开挖分层及各层的施工道道,所有与洞外相连的洞室宜早开工,以免影响大洞室的施工进程。地下洞室群洞内风流场复杂,应加强通风系统布置。地下大型洞室一般在顶部、中部、底部均设有永久隧洞或施工辅助洞室,为各层供施工通道和施工期通风排烟通道,各层洞室(平洞)尽量与外界直接沟通,扩大洞内外气体交换断面,减少废气循环。先施工中小型洞室,在贯通之前,可在洞口布置风机,向洞内压风(或抽排)达到排烟除尘的目的。但在各洞室相互贯通后,洞内风流场开始变得复杂,应结合各洞口的气压,对洞内的风流场进行模拟演算,并调整压风机的布置。洞室中的长斜井、竖井是洞室群中的重排风口,先行施工可大大解决洞室群的通风散烟问题,如无永久的长斜、竖井可利用时,可专门设置排烟竖井。例如,洪屏地下厂房在通风兼安全洞上方,又专门设置了一深 231m 的排烟竖井,有效解决了地下厂房的排烟除尘问题。 
  (3)如果施工过程中,地下水比较丰富,应重视地下洞室的排水问题,如地下水处理不当,将影响大型洞室的钻孔、装药,进而影响爆破效果,同时也不利于大型洞室的围岩稳定。可根据前期中小洞室开挖时洞内渗水的大小,预测后期可能的渗流量,配足水泵,并逐级分段设置集水坑,利用水泵将渗水及时排出洞外,以确保各洞室的渗水不往大型洞室中汇集。 
  2.2长斜井施工技术。 斜井是水利水电工程中的重建筑物,由于大型抽水蓄能电站的水头高,引水斜井也比较长,且为陡倾角斜井(45°~6°),其施工难度远远大于常规水电。当前国内斜井最长是76m(宝泉),最大连续斜长419m(宝泉),洞径最大9m(桐柏)。对超长单斜井(天荒坪697m),开挖时在中部布置一条支洞,并在斜井中留一段岩塞,将斜井分为上下两段分别进行开挖。 
  (1)导井开挖技术。斜井、竖井开挖有全断面法和导井扩挖法两种,较大断面一般选用导井扩挖法。导井开挖方法当前有人工正导井法、人工反导井法、阿力马克爬罐反导井法和反井钻机反导井法四种方法,人工反导井法应用很少。斜井导井开挖当前常用有三种方案一是正、反导井同时进行,上口采用手风钻开挖、人工装渣、卷扬机牵引斗车出渣,下口采用ALIMAK(阿力马克)爬罐打反导井、自重溜渣,宝泉、桐柏、广蓄、仙游等工程均采用该方案;二是反井钻机反导井开挖,惠蓄仅用此方案;三是多种方法综合应用,西龙池上斜井下口先用阿里玛克爬罐打262m,余下上部12m用反井钻反拉导井。如图1所示。 
  (2)扩挖与支护技术。斜井扩挖及喷锚支护,均在卷扬机牵引的钢平台上进行施工,这种高达1m的作业台车共分四层,可以满足扩挖钻爆和喷锚支护同时作业,也便于操作手容易打周边孔和径向锚杆。扩挖石渣通过导井溜渣到下口,再机械出渣。 
  (3)斜井混凝土施工技术。斜井混凝土衬砌一般采用全断面自下而上进行,施工难点是模板技术,有CSM间断滑模、XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模等三种,CSM间断滑模为国外引进技术,XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模为国内自行创新技术。LSD斜井滑模主由模体、牵引、轨道和运输系统等部分组成,适合陡倾角大直径长斜井混凝土衬砌施工,已经应用于宝泉、桐柏、惠蓄、黑糜峰、仙游等工程。混凝土入仓采用M-Box、溜管或机械升配溜槽。LSD斜井滑模系统施工如图2所示。 
  (4)斜井钢衬施工技术。大型抽水蓄能电站建设经验表明,钢筋混凝土衬砌在6m级水头风险很大,国内宝泉、西龙池、洪屏、呼蓄、丰宁等工程,设计或之后增设了斜井钢衬。钢衬入井就位、焊接和回填混凝土是施工关键技术。为满足最长钢管节入井、安装卷扬机及作业的空间需,必须在上弯段进行扩挖,钢衬平移到斜井上口后,由慢速卷扬机牵引台车缓慢下降就位。由于钢衬与斜井基础面之间空间狭小,两节钢衬间的焊缝无法在钢衬外部进行焊接,采用单面焊接双面成型的焊接工艺,保证了焊接质量。钢衬外空腔回填混凝土,其混凝土入仓和振捣都非常困难,宝泉斜井、柬埔寨基里隆竖井均创新回填微膨胀自密实混凝土,溜管入仓,不仅进度快,而且质量保证率高。
        2.3地下厂房施工技术。 
  (1)抽水蓄能电站地下厂房具有跨度大、边墙高、结构复杂、交叉洞室多、围岩稳定问题突出等特点,表1中为部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数(部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数见表1)。 
  (2)根据高度不同,厂房大多分为6层或是7层开挖完成。开挖分层的规划,需结合施工通道条件、厂房的结构特点、施工机械性能、相邻洞室及相关构筑物的施工等统筹考虑。第一层的高度宜适当高一些,以确保拱脚以下直立墙所预留的高度(如图3所示中的H),能满足第二层沿边墙垂直造孔时钻机对其上部空间的求。其他层的层高以5~8m为宜,以减小抽槽开挖施工中岩石的夹制影响。 
  (3)厂房的施工工序相对复杂,工期紧。在施工安排上,多采用“平面多工序,立体多层次”的开挖方法。在平面上,钻孔、爆破、出渣、锚杆(索)钻孔安装、混凝土喷护等施工应尽可能实现流水作业或穿插施工;在立面上,遵循自上而下的顺序逐级开挖的同时,可考虑由下部施工通道进入厂房施工,实现立体交叉施工,例如,洪屏地下厂房就是采用这种方法。岩壁梁是地下厂房的重建筑物,其岩台开挖质量将直接影响到桥机的运行安全。岩壁梁一般位于厂房开挖层的第二层或是第三层,对于这一层的开挖,按两侧预留保护层、中部抽槽开挖的方式进行(洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图见图4)。 
  3. 机电安装调试技术 
  大型抽水蓄能机组作为电站的核心设备,其功能主是在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务,具有高水头、高转速、大功率、车由系长等特点,施工技术主包括座环/蜗壳水压技术、转子热打键技术、动平衡试验技术、推力轴承预调整安装技术、首机首次水泵工况启动技术等。 
  图4洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图 3.1座环/蜗壳水压技术。 抽水蓄能机组的座环/蜗壳由于工作压力大,在安装过程中,需进行严格的水压试验和保压工作,以检验座环/蜗壳焊缝的焊接质量和蜗壳变形是否符合设计求,以及在蜗壳周边混凝土浇筑过程中供保压浇筑和回填灌浆条件。 
  3.2转子热打键技术。 转子磁轭在运行中由于受到强大的离心力作用,将会导致磁轭径向变形,使磁轭与中心体发生径向分离,转速越高,这种分离现象越严重。因此,在转子装配过程中,应预先给转子磁轭与中心体一个预紧力,采用热打键的方法可以实现这一点。打键部位的顺序,应根据磁轭外圆实际情况进行,外圆较小的部位应优先开始。磁轭键打完后,将多余部分割除,然后安装主、副键压板。待磁轭冷却至室温后,拆除保温棚与加热设备,进行清扫与检查。 
  3.3推力轴承预调整安装技术。预调整安装方法是在镜板与推力头未组合前,利用镜板本身重量作为预压力,采用微米位移传感器检测出各支柱式抗重螺栓的受压量,再根据此受压量进行推力瓦的精确调整,其方法步骤主如下 
  (1)镜板放置在水平度(.2mm/m)已调好的推力瓦上面; 
  (2)利用镜板本身重量压在推力瓦上,测量镜板水平度和支柱螺栓受压后的压缩量; 
  (3)调整均等三块推力瓦令镜板水平符合.2mm/m; 
  (4)上调其余推力瓦,调整和测量压缩量; 
  (5)按上述程序反复起吊镜板,实测推力瓦压缩量,反复调整支柱式螺栓,使实测压缩值均匀一致; 
  (6)再按正常程序组装推力轴承。 
  3.4动平衡试验技术。抽蓄机组的动平衡试验方法,需在抽水和发电两个旋转方向分别进行。方法步骤如下 
  (1)先确定基准试验转速,一般为8%额定转速,再在此转速点进行机组各部位振动和摆度值的测定、配重、对比、改进等试验; 
  (2)利用SFC装置启动机组,测出其振动、摆度及相位值; 
  (3)用一试重块临时紧固在转子下方的联轴螺杆上,再次启动机组,测出新的振动、摆度及相位值; 
  (4)将试重块取掉更换另一个位置,第三次启动机组,并测量和记录新的振动、摆度及相位值; 
  (5)根据前三次测量和记录的数据,计算需配重的方位及重量,配重后再次启动机组,测量和记录新的振动、摆度及相位值; 
  (6)经过多次试验、测量、计算和配重后,达到减小机组振动和摆度的目的; 
  (7)抽水蓄能机组在水泵工况方向完成动平衡试验后,在后续水轮机工况方向再次进行动平衡校正试验。 
  3.5首机首次水泵工况启动技术。抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动原理,首先是利用充气压水设备,对机组转轮室进行压水,使转轮处于空载状态,再利用静止变频装置SFC启动机组,逐步升至额定转速后并入电网,同时切除SFC设备,最后打开主球阀及导叶,机组开始抽水运行,其方法步骤主如下(1)启动条件。根据机组模型报告中所求的水泵超低或最低扬程来确定上水库水位,应,一般选择最低扬程启泵;(2)调相压水。其重点是关注储气罐的容积和调相压水控制程序正确性;(3)动平衡试验。采用SFC拖动机组来进行动平衡试验,并根据试验中的检测数据,完成转子的配重工作;(4)调相转抽水。正确选定标志水泵造压程度的功率值,由于机组输入功率值能反映水泵造压的实际情况,因此可监测和设定一级功率设定值和二级功率设定值两个功率参数;(5)数据监测与分析。主监测分析温度、振动、摆度、压力脉动、空化系数、机组淹没深度等。先根据扬程——开度——流量曲线,查出当前导叶开度的流量值;再根据此流量值,从空蚀系数——流量曲线中查出空蚀系数。最后算出水泵淹没深度,从而得知当前下水库的水位是否满足求,如果水位偏低,则说明水泵存在空蚀现象,如果判断水泵存在空蚀,则需减小导叶最大开度,以减小流量达到减少空蚀的目的。 
  4. 结语 
  综上所述,我国现代大型抽水蓄能电站工程建设发展快速,相应的施工关键技术也取得重大进步,并自主创新了黏土铺盖防渗、陡坡库岸防渗、斜井滑模、首机首次水泵工况启动等一批重大施工技术,有力地推进了大型抽水蓄能电站发展进程。 
  参考文献 
  1曹芡,肖兴恒. 内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站工程关键技术问题研究J. 中国三峡,213,383~85. 
  2刘林军. 复杂地质条件下抽水蓄能电站地下厂房关键技术研究J. 广东水利水电,213,855~59. 
  3赵刚,王玮. 溧阳抽水蓄能电站地下工程通风排烟规划J. 电网与清洁能源,211,193-97. 
  4刘芳明,朱育宏,王琪. 清远抽水蓄能电站地下厂房及洞室群通风施工技术J. 云南水力发电,216,486~87+17.