水電站氣墊式調壓室機電設備安裝及運行維護

劉 高, 鄭 勇

(四川圣達水電開發有限公司,四川 樂山 614900)

氣墊式調壓室與常規調壓室的作用相同,主要用于高水頭引水式水電站,與常規調壓室相比,其可以避免對山體植被的破壞,縮短建設工期,減少項目投資,降低施工難度。該項技術由成都勘測設計研究院于 2000年初從挪威引進,在四川涪江流域、瓦斯河流域、金湯河流域的電站上應用、推廣,并從結構上不斷完善和改進。其基本原理和布置方式為:在引水隧洞下游距機組進口 1500 m處設置調壓室,運行過程中調壓室內底部充水,中上部充氣體,利用氣體的可壓縮性防止機組緊急關機產生的水錘對引水隧洞的破壞(圖 1)。

圖1 氣墊式調壓室布置示意圖

1 氣墊式調壓室概況、主要機電設備及布置方式

某電站氣墊式調壓室臨界穩定斷面面積為537.02 m2。采用氣墊式調壓室的穩定面積為784m2。氣室斷面為 9.8m×15.9 m(寬 ×高)城門洞形,長度為 80m,氣室底板高程 1513.00m,初始水深 4.0m,室壁采用鋼筋混凝土夾鋼板的方式封閉氣室內的高壓氣體。氣室底板高程比引水隧洞頂拱高程高 3.0 m,連接隧洞長度為27.84m,其斷面為 4.8 m×5.2 m(寬 ×高),在連接隧洞前端設置直徑為 2.0m的阻抗孔。高壓供氣管和監測電纜均經堵頭與氣室連接。在調壓室交通洞內堵頭體端頭以外設置空壓機室及觀測室。

氣墊式調壓室機電設備主要由管路設備、空壓機設備、配電設備、附屬設備組成。管路系統主要由室內明管路、堵頭埋設管路、氣室至機電設備房供氣、取水管路、機電設備房至交通洞口的排氣管道組成;空壓機由充氣空壓機和補氣空壓機組成;配電設備由 400 V配電裝置、電力變壓器、電纜橋架及電纜組成;附屬設備主要包括通風、通訊、工業電視、防雷接地、照明等設備。主要設備布置情況見圖 1。

2 氣墊式調壓室機電設備的安裝

氣墊式調壓室機電設備的安裝難點在于其只有一個施工通道,且與土建工程同時施工、交叉施工,若要保證機電設備安裝的有序開展和對整個工期的控制,必須制定科學的施工組織技術措施并做周密的準備工作。

由于其是在狹窄的施工范圍內與土建施工同時進行,在施工組織措施上需進行分面、分階段施工。由于其工作面小及工作環境差,在工作安排時應盡量將準備工作和部分裝配工作放在洞外進行,特別是管道的配制工作。

2.1 氣墊式調壓室室內明管道安裝

對于該部位施工,需在堵頭混凝土澆筑完成后才具備工作條件。因堵頭澆筑后進入調壓室的交通通道中斷而存在以下四個問題:交通運輸、管道吊裝、施工電源及通風問題。

(1)交通運輸問題的解決辦法:在混凝土堵頭封堵前,將該部施工用的管材、型鋼根據施工圖紙計算好后提前運入調壓室內,施工人員和施工工具、設備、消耗性材料從引水隧洞和氣室連接洞進出。

(2)管道吊裝:調壓室充氣管道需沿混凝土堵頭垂直布置安裝,管口安裝在靠近調壓室頂部位置。由于該管道采用 DN200以上的不銹鋼無縫鋼管,管道比較重,吊裝難度大,為解決該問題,在混凝土堵頭澆筑施工時在墻上埋設吊環,施工時用手拉葫蘆進行吊裝。

(3)施工電源:由于在調壓室內明管道施工時,土建等其它工作已經完成,故施工電源采用從堵頭預埋的取水管道上將電源電纜和通訊電纜從交通洞穿入調壓室內。

(4)通風問題:氣墊式調壓室堵頭封堵后,室內空氣不流通,加之室內管道焊接產生的煙霧對施工人員的安全有很大影響,且因堵頭預埋的充氣管道設計上布置的是一用一備,施工期間,利用一根管道作臨時風管,用軸流風機將室外的空氣送入室內。

2.2 氣室至機電設備房供氣、取水管路、機電設備房至交通洞口排氣管道的安裝

為保證交通車輛的通行,交通洞的襯砌施工需在最后才能進行。設計上將該部位管道施工布置在交通洞襯砌以前進行,按照以上施工方案,其與設備投運時間相矛盾,此時,管道支架和電纜橋架的安裝方式不能按正常的等混凝土邊墻澆筑完成后進行。為解決該部位管道安裝的工期問題,管道支架和電纜橋架的基礎采用在巖石上打錨桿的方式解決,采取先安裝管道、后澆筑邊墻的方案。

2.3 機電設備房空壓機、電力變壓器設備的安裝

該部位機電設備的安裝主要是設備吊裝問題。解決該問題的方式為在機電設備房開挖完成后、在設備房頂部巖壁上按照設備運輸途徑和安裝位置布置天錨,吊裝時用手拉葫蘆進行作業。

2.4 采用兩種方式減少現場工作量,解決堵頭預埋管道多、工期緊的問題

在 DN15左右的測量管路埋設安裝前,提前在室外將管道進行對接和焊接,以減少現場焊接時間;取水管道和充氣管道對接后笨重,不利于運輸和搬運;采取提前將焊縫破口打磨、現場對節和焊接、整體安裝的方式,以減少現場焊縫破口打磨的時間(為保證管道焊接質量,不銹鋼管道的焊縫破口一般采用手工打磨方式)和吊裝工作量。

3 氣墊式調壓室的運行與維護

在氣墊式調壓室機電設備生產運行階段的運行維護中,主要應把握以下幾方面問題:

3.1 氣墊室調壓室結構觀測和漏氣檢查及分析

為及時掌握調壓井的工作狀態,防止混凝土開裂,確保工程安全,根據其所處地質條件和結構計算,對調壓井監測的主要項目有:調壓井外部變形(水平位移、垂直位移)、井壁的應力應變、鋼筋應力、混凝土與圍巖的接縫、圍巖的變形、邊坡穩定、錨桿應力、調壓井的撓度等。儀器埋設后,應立即進行監測,待觀測儀器達到初始穩定狀態并取得觀測基準值后,持續 7 d,其后每 3 d觀測一次,持續 15 d后,每周觀測一次,持續一個月后,每 7～10 d觀測一次,基本穩定后每月觀測一次,遇地震、暴雨時應加密觀測。

運行期間,根據調壓室每次補氣記錄和補氣間隔,每月定期分析調壓室的漏氣量,每周對交通洞和調壓室堵頭部位進行漏氣檢查、跟蹤。

3.2 調壓室運行:水位和氣壓檢測

(1)定 義。

氣壓 P:P=P表壓+大氣壓(水庫水面大氣壓力為 8.137m),為氣室氣體絕對壓力,單位為 m水柱。

折算氣室高度 L:L=L總-L水深,單位為 m水柱,其中 L總為氣墊式調壓室折算總高度,14.925 m。

PL值:P和 L的乘積,單位為 m2水柱。

(2)正常運行期間,當調壓室內的 PL值由于漏氣減小至補氣值時,自動啟動補氣空壓機補氣,直至 PL值達到設計值,補氣空壓機停機;當調壓室內 PL值由于漏氣進一步減小至備用空壓機補氣值時,備用補氣空壓機啟動,同時報警,提請值班人員注意,直至 PL值達到設計值。工作及備用補氣空壓機的自動啟、停使調壓室內的 PL值保持在設計值的正常工作范圍內,工作與備用補氣空壓機能實現自動定時切換。

正常運行期間,當調壓室內 PL值超過設計值并達到設定值時,工作排氣閥開啟,直至 PL值達到設計值、報警;當調壓室內 PL值繼續增加并達到設定值時,備用排氣閥開啟、報警,直至 PL值達到設計值為止。

(3)從以上運行要求分析,實際上就是要求調壓室內的水位在相應的氣壓條件下隨時保持在設計要求的運行范圍內,水位的調節通過空壓機補氣和氣室的排氣實現,對運行人員來說就是實時監測調壓室內的水位和氣壓,并判斷其是否滿足設計運行要求。

3.3 機電設備的維護

調壓室內水位的正常運行直接關系到機組的正常運行。要保證調壓室的長期、穩定運行,就必須保證機電設備的穩定運行。日常運行維護中需做好以下幾方面的工作:

(1)管道定期檢查和維護,每年對明管道按特種設備壓力管道要求進行檢測:焊縫探傷檢查。

(2)電氣設備每年按要求進行預防性試驗。

(3)合理安排空壓機輪換運行,避免空壓機連續運行時間過長,一般以 2 h定期切換為宜,同時加強對通風設備的維護。在空壓機運行補氣期間使空氣循環,及時將熱空氣排出,以保證良好的運行環境。

(4)由于空壓機連續、高溫運行,設備易出現小故障。一方面,在每次補氣結束后對空壓機進行例行檢查和維護;另一方面,定期對空壓機潤滑油進行更換,對空壓機空氣濾清器進行清掃、更換,對連接部位的螺栓進行緊固。

(5)及時處理空壓機運行中出現的問題,主要表現為空壓機各級冷卻管易松動、破裂;氣缸氣閥故障而造成安全閥動作。

3.4 運行資料的收集與分析

做好設備運行記錄的收集、分析工作,有助于隨時掌控氣墊式調壓室的漏氣變化情況和空壓機設備的運行情況。

(1)資料收集主要包括氣墊式調壓室的水位和氣壓記錄、空壓機運行記錄、巡視檢查記錄及結構觀測記錄。

(2)漏氣分析比較是一個長期過程,分月度、季度、年度的分析和同期比較。氣墊式調壓室的漏氣主要分內漏和外漏,不管是內漏和外漏,只要漏氣量發生變化,都會使空壓機補氣間隔事件發生改變;當補氣間隔時間發生改變時,需要查閱室外漏氣巡查記錄,判斷是否外漏量發生變化;查閱水位和氣壓記錄,查看該階段運行氣壓是否一致,因為氣壓不一致時,內漏量亦不相同的。漏氣量的穩定分析需要在不同時期、不同運行氣壓條件下進行比較。

(3)空壓機運行效率分析:空壓機運行效率的變化直接反映為每次補氣時間的變化,主要通過查閱同一運行氣壓下、變化相同水位的條件下空壓機的補氣時間判斷空壓機運行效率的變化。

氣墊式調壓室穩定運行分析是一個長期過程,分析出每個運行工況的運行規律尤其重要,需要長期記錄運行資料,從時間上進行橫向、縱向的比較分析,在相同的運行工況條件下綜合判斷其運行的穩定性。新投運的氣墊式調壓室在一年后趨于穩定。

4 結 語

筆者通過對氣墊室調壓室機電設備的安裝及運行維護的闡述和分析、介紹,從經驗上為同類型的工程項目提供參考和借鑒。