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氣墊式調壓室在水電工程中運用情況淺析
發布日期:2018-09-26   瀏覽量:
 四川省工程咨詢研究院:錢震偉

1、氣墊式調壓運行原理

        氣墊式調壓室運行原理大致與常規調壓室相同,區別是利用調壓室上部氣室內的高壓空氣形成“氣墊”,抑制室內水位高度和水位波動幅值,控制水錘和涌波性能優越。

2、氣墊式調壓室技術運用概況

(1)國外運用概況
        自20世紀30年代以來,氣墊式調壓室技術在抽水泵站、工業管網、長距離流體輸送管道工程中得到了廣泛的應用,但在水利水電工程中直到50年代才得到人們的重視。70年代以后,歐洲和日本逐漸采用氣墊式調壓室技術,主要集中在水電開發水平較高的挪威。氣墊式調壓室應用于高水頭水電站的首例工程為挪威Driva電站,于1973年建成。至80年代末,挪威共建成近十余座采用氣墊式調壓室的水電站,電站裝機容量從35MW-1240MW不等,額定水頭從180m-1158m不等。90年代以后,挪威的水電開發利用率已超過95%,基本停止了水電開發。挪威已建成的10座氣墊式調壓室電站情況見表1。
表1            挪威已建成的10座氣墊式調壓室電站
電站
名稱
建成
年代
裝機容量(Mw) 額定水頭(m) 絕對壓力(MPa) 開挖體積(m³) 空氣體積
(m³)
Driva 1973 140 570 4-4.2 6700 2600-3600
Jukla 1974 35 180 0.6-2.4 6200 1500-5300
Oksla 1980 206 465 3.3-4.4 17000 11700-12500
Sima 1980 500 1158 3.4-4.8 6200 4700-6600
Kvilldal 1981 1240 205 1.8-1.9 136500 70000-88500
Nye Osa 1981 90 537 3.6-4.1 12500 10000
Tafjord 1982 82 897 6.3-7.7 2000 1200
Brattset 1982 80 274 2.3-2.5 10000 5000-7000
Ulset 1985 37 338 2.3-2.8   3200-3700
Torpa 1989 150 475 3.8-3.4   10000
(2)國內運用概況
        我國開展氣墊式調壓室方案研究始于20世紀70年代,但真正將挪威成熟的氣墊式調壓室技術運用于水電工程建設是在90年代末我國開始水電大開發的階段。我國首個采用氣墊式調壓室的電站為青海省格爾木河上的大干溝水電站,于2000年7月建成。而更多應用、推廣和發展該技術的則為華能集團四川分公司所屬的四川省綿陽市平武縣境內火溪河流域、甘孜州康定縣境內瓦斯河流域的多個水電項目。目前四川省已建成投產的氣墊式調壓室水電站有自一里、陰坪、木座、民治、小天都、金康、二瓦槽、龍洞、金平、金康等十余個水電站,除較早建成的自一里、小天都水電站采用挪威的水幕閉氣方式外,其他電站基本采用技術改良后的鋼罩閉氣方式。

3、氣墊式調壓室技術的優勢

(1)采用氣墊式調壓室,引水隧洞在縱剖面上可采用直線布置(即所謂的“一坡到底”),而不是常規調壓室所要求的折線布置,故隧洞軸線縮短,沿程和局部水頭損失減少,增加發電效益。
(2)采用氣墊式調壓室,施工支洞設置高程較低,有效減少常規調壓室施工所需修建的盤山施工道路,能很大程度地減少施工對自然生態環境的不利影響;同時由于占地面積減少,工程建設時征占用地難度降低,對推動工程建設能起到積極作用。
(3)氣墊式調壓室布置比較靈活,可視地質條件沿管線幾百米范圍內擇優布置,而常規調壓室受地形地質條件限制,布置相對呆板。
(4)采用氣墊式調壓室,控制水錘和涌波性能優越,能提高機組調節的穩定性,對電站運行有利。
(5)從工程投資角度看,四川省已建成的十余座氣墊式調壓室水電站調查表明,氣墊式與常規式調壓室相比,除去早期建設的自一里電站外,其他項目工程投資均略有降低,并呈現出工程地質條件越好、投資節約越明顯的規律。

4、氣墊式調壓室技術的劣勢

(1)氣墊式調壓室對地質條件要求很高。我國在研究和應用氣墊式調壓室初期,結合挪威類似工程經驗(Kvilldal電站投運后因漏所量較大,影響電站安全運行),曾提出了設置氣墊室調壓室的三條原則:埋深、地應力和滲透性,尤其滲透性原則對地質條件要求很高,一般要求調壓室和高壓隧洞巖體為較完整的堅硬巖,且為非可溶性巖。后雖發展了“鋼罩”技術解決了調壓室氣室滲透性問題,但深埋隧洞承受高壓,其襯砌結構安全和內水外滲風險仍比較大。現有的地質勘察技術和要求,無法在前期勘察中進行非常準確的地質預測,有時在開挖后或試運行時才暴露出一些地質缺陷,增加了處理難度和工程投資。如較早建成的自一里水電站調壓室采用水幕閉氣,試運行時無法充水充氣,后采用灌漿補強、裂隙涂刷聚合物等多種手段方解決問題,處理難度大,工期延長較多,工程投資相應增加。而小天都電站同樣采用水幕閉氣,但工程地質條件相對較好,未出現上述問題。
(2)理論研究表明,氣墊式調壓室小波動穩定面積較常規調壓室大得多,不適用于大流量或上游庫水位變幅較大的電站,亦不適用于尾水調壓室。在氣墊式與常規式均可采用的調壓室中,氣墊式較常規式體積大,增加了地下大洞室開挖的施工難度和安全風險、支護費用。且因氣墊式調壓室布置的特點,無論是水幕式,還是鋼罩式,施工過程中的排風散煙難度大,施工作業環境較常規調壓室更差。
(3)氣墊式調壓室需設置充氣空壓機和補氣空壓機,且隨著氣墊厚度的變化和漏氣情況需及時補氣,較常規調壓室增加了運行工作量和運行成本,運行維護相對復雜,對運行維護人員的要求更高。金平、金元兩電站運行情況表明,調壓室正常運行維護年成本20萬左右。民治水電站放空檢查時因放空程序出錯,致使鋼罩損壞,雖經修補,可以維持電站的安全運行,但漏氣量仍偏大。
(4)氣墊式調壓室若采用水幕式,地下巖體裂隙發育的隨機性可能導致灌漿施工質量不可控,上述提到的自一里電站即存在此問題;若采用鋼罩式,則鋼板焊縫施工質量要求很高。最近投產的龍洞水電站即因鋼罩漏氣導致運行后補氣量很大,每天必須連續補氣12小時,才能保證氣墊式調壓室的水位不上漲,大大影響空壓機的使用壽命,增加運行工作量和運行成本。
(5)從施工技術角度看,氣墊式與常規式調壓室相比,施工技術要求相對較高。

5、總體結論

        綜上所述,氣墊式調壓室在世界范圍內應用相對較少,主要在挪威和我國,已積累了一定的經驗和教訓。作為滿足機組調節保證需要的方式之一,其具有工程占地少、對自然生態環境有利等優點,但其存在對地質條件要求較高、高壓隧洞設計難度大、施工建設及運行維護要求高等問題。調壓室方案選擇時,應在工程地質條件較好的基礎上,針對電站的具體情況,進行技術經濟綜合比較后確定。
 


 
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