水电站气垫式调压室机电设备安装及运行维护

刘 高, 郑 勇

(四川圣达水电开发有限公司,四川 乐山 614900)

气垫式调压室与常规调压室的作用相同,主要用于高水头引水式水电站,与常规调压室相比,其可以避免对山体植被的破坏,缩短建设工期,减少项目投资,降低施工难度。该项技术由成都勘测设计研究院于 2000年初从挪威引进,在四川涪江流域、瓦斯河流域、金汤河流域的电站上应用、推广,并从结构上不断完善和改进。其基本原理和布置方式为:在引水隧洞下游距机组进口 1500 m处设置调压室,运行过程中调压室内底部充水,中上部充气体,利用气体的可压缩性防止机组紧急关机产生的水锤对引水隧洞的破坏(图 1)。

图1 气垫式调压室布置示意图

1 气垫式调压室概况、主要机电设备及布置方式

某电站气垫式调压室临界稳定断面面积为537.02 m2。采用气垫式调压室的稳定面积为784m2。气室断面为 9.8m×15.9 m(宽 ×高)城门洞形,长度为 80m,气室底板高程 1513.00m,初始水深 4.0m,室壁采用钢筋混凝土夹钢板的方式封闭气室内的高压气体。气室底板高程比引水隧洞顶拱高程高 3.0 m,连接隧洞长度为27.84m,其断面为 4.8 m×5.2 m(宽 ×高),在连接隧洞前端设置直径为 2.0m的阻抗孔。高压供气管和监测电缆均经堵头与气室连接。在调压室交通洞内堵头体端头以外设置空压机室及观测室。

气垫式调压室机电设备主要由管路设备、空压机设备、配电设备、附属设备组成。管路系统主要由室内明管路、堵头埋设管路、气室至机电设备房供气、取水管路、机电设备房至交通洞口的排气管道组成;空压机由充气空压机和补气空压机组成;配电设备由 400 V配电装置、电力变压器、电缆桥架及电缆组成;附属设备主要包括通风、通讯、工业电视、防雷接地、照明等设备。主要设备布置情况见图 1。

2 气垫式调压室机电设备的安装

气垫式调压室机电设备的安装难点在于其只有一个施工通道,且与土建工程同时施工、交叉施工,若要保证机电设备安装的有序开展和对整个工期的控制,必须制定科学的施工组织技术措施并做周密的准备工作。

由于其是在狭窄的施工范围内与土建施工同时进行,在施工组织措施上需进行分面、分阶段施工。由于其工作面小及工作环境差,在工作安排时应尽量将准备工作和部分装配工作放在洞外进行,特别是管道的配制工作。

2.1 气垫式调压室室内明管道安装

对于该部位施工,需在堵头混凝土浇筑完成后才具备工作条件。因堵头浇筑后进入调压室的交通通道中断而存在以下四个问题:交通运输、管道吊装、施工电源及通风问题。

(1)交通运输问题的解决办法:在混凝土堵头封堵前,将该部施工用的管材、型钢根据施工图纸计算好后提前运入调压室内,施工人员和施工工具、设备、消耗性材料从引水隧洞和气室连接洞进出。

(2)管道吊装:调压室充气管道需沿混凝土堵头垂直布置安装,管口安装在靠近调压室顶部位置。由于该管道采用 DN200以上的不锈钢无缝钢管,管道比较重,吊装难度大,为解决该问题,在混凝土堵头浇筑施工时在墙上埋设吊环,施工时用手拉葫芦进行吊装。

(3)施工电源:由于在调压室内明管道施工时,土建等其它工作已经完成,故施工电源采用从堵头预埋的取水管道上将电源电缆和通讯电缆从交通洞穿入调压室内。

(4)通风问题:气垫式调压室堵头封堵后,室内空气不流通,加之室内管道焊接产生的烟雾对施工人员的安全有很大影响,且因堵头预埋的充气管道设计上布置的是一用一备,施工期间,利用一根管道作临时风管,用轴流风机将室外的空气送入室内。

2.2 气室至机电设备房供气、取水管路、机电设备房至交通洞口排气管道的安装

为保证交通车辆的通行,交通洞的衬砌施工需在最后才能进行。设计上将该部位管道施工布置在交通洞衬砌以前进行,按照以上施工方案,其与设备投运时间相矛盾,此时,管道支架和电缆桥架的安装方式不能按正常的等混凝土边墙浇筑完成后进行。为解决该部位管道安装的工期问题,管道支架和电缆桥架的基础采用在岩石上打锚杆的方式解决,采取先安装管道、后浇筑边墙的方案。

2.3 机电设备房空压机、电力变压器设备的安装

该部位机电设备的安装主要是设备吊装问题。解决该问题的方式为在机电设备房开挖完成后、在设备房顶部岩壁上按照设备运输途径和安装位置布置天锚,吊装时用手拉葫芦进行作业。

2.4 采用两种方式减少现场工作量,解决堵头预埋管道多、工期紧的问题

在 DN15左右的测量管路埋设安装前,提前在室外将管道进行对接和焊接,以减少现场焊接时间;取水管道和充气管道对接后笨重,不利于运输和搬运;采取提前将焊缝破口打磨、现场对节和焊接、整体安装的方式,以减少现场焊缝破口打磨的时间(为保证管道焊接质量,不锈钢管道的焊缝破口一般采用手工打磨方式)和吊装工作量。

3 气垫式调压室的运行与维护

在气垫式调压室机电设备生产运行阶段的运行维护中,主要应把握以下几方面问题:

3.1 气垫室调压室结构观测和漏气检查及分析

为及时掌握调压井的工作状态,防止混凝土开裂,确保工程安全,根据其所处地质条件和结构计算,对调压井监测的主要项目有:调压井外部变形(水平位移、垂直位移)、井壁的应力应变、钢筋应力、混凝土与围岩的接缝、围岩的变形、边坡稳定、锚杆应力、调压井的挠度等。仪器埋设后,应立即进行监测,待观测仪器达到初始稳定状态并取得观测基准值后,持续 7 d,其后每 3 d观测一次,持续 15 d后,每周观测一次,持续一个月后,每 7～10 d观测一次,基本稳定后每月观测一次,遇地震、暴雨时应加密观测。

运行期间,根据调压室每次补气记录和补气间隔,每月定期分析调压室的漏气量,每周对交通洞和调压室堵头部位进行漏气检查、跟踪。

3.2 调压室运行:水位和气压检测

(1)定 义。

气压 P:P=P表压+大气压(水库水面大气压力为 8.137m),为气室气体绝对压力,单位为 m水柱。

折算气室高度 L:L=L总-L水深,单位为 m水柱,其中 L总为气垫式调压室折算总高度,14.925 m。

PL值:P和 L的乘积,单位为 m2水柱。

(2)正常运行期间,当调压室内的 PL值由于漏气减小至补气值时,自动启动补气空压机补气,直至 PL值达到设计值,补气空压机停机;当调压室内 PL值由于漏气进一步减小至备用空压机补气值时,备用补气空压机启动,同时报警,提请值班人员注意,直至 PL值达到设计值。工作及备用补气空压机的自动启、停使调压室内的 PL值保持在设计值的正常工作范围内,工作与备用补气空压机能实现自动定时切换。

正常运行期间,当调压室内 PL值超过设计值并达到设定值时,工作排气阀开启,直至 PL值达到设计值、报警;当调压室内 PL值继续增加并达到设定值时,备用排气阀开启、报警,直至 PL值达到设计值为止。

(3)从以上运行要求分析,实际上就是要求调压室内的水位在相应的气压条件下随时保持在设计要求的运行范围内,水位的调节通过空压机补气和气室的排气实现,对运行人员来说就是实时监测调压室内的水位和气压,并判断其是否满足设计运行要求。

3.3 机电设备的维护

调压室内水位的正常运行直接关系到机组的正常运行。要保证调压室的长期、稳定运行,就必须保证机电设备的稳定运行。日常运行维护中需做好以下几方面的工作:

(1)管道定期检查和维护,每年对明管道按特种设备压力管道要求进行检测:焊缝探伤检查。

(2)电气设备每年按要求进行预防性试验。

(3)合理安排空压机轮换运行,避免空压机连续运行时间过长,一般以 2 h定期切换为宜,同时加强对通风设备的维护。在空压机运行补气期间使空气循环,及时将热空气排出,以保证良好的运行环境。

(4)由于空压机连续、高温运行,设备易出现小故障。一方面,在每次补气结束后对空压机进行例行检查和维护;另一方面,定期对空压机润滑油进行更换,对空压机空气滤清器进行清扫、更换,对连接部位的螺栓进行紧固。

(5)及时处理空压机运行中出现的问题,主要表现为空压机各级冷却管易松动、破裂;气缸气阀故障而造成安全阀动作。

3.4 运行资料的收集与分析

做好设备运行记录的收集、分析工作,有助于随时掌控气垫式调压室的漏气变化情况和空压机设备的运行情况。

(1)资料收集主要包括气垫式调压室的水位和气压记录、空压机运行记录、巡视检查记录及结构观测记录。

(2)漏气分析比较是一个长期过程,分月度、季度、年度的分析和同期比较。气垫式调压室的漏气主要分内漏和外漏,不管是内漏和外漏,只要漏气量发生变化,都会使空压机补气间隔事件发生改变;当补气间隔时间发生改变时,需要查阅室外漏气巡查记录,判断是否外漏量发生变化;查阅水位和气压记录,查看该阶段运行气压是否一致,因为气压不一致时,内漏量亦不相同的。漏气量的稳定分析需要在不同时期、不同运行气压条件下进行比较。

(3)空压机运行效率分析:空压机运行效率的变化直接反映为每次补气时间的变化,主要通过查阅同一运行气压下、变化相同水位的条件下空压机的补气时间判断空压机运行效率的变化。

气垫式调压室稳定运行分析是一个长期过程,分析出每个运行工况的运行规律尤其重要,需要长期记录运行资料,从时间上进行横向、纵向的比较分析,在相同的运行工况条件下综合判断其运行的稳定性。新投运的气垫式调压室在一年后趋于稳定。

4 结 语

笔者通过对气垫室调压室机电设备的安装及运行维护的阐述和分析、介绍,从经验上为同类型的工程项目提供参考和借鉴。