气垫式调压室在水电工程中运用情况浅析
发布日期:2018-09-26   浏览量:
 四川省工程咨询研究院:钱震伟

1、气垫式调压运行原理

        气垫式调压室运行原理大致与常规调压室相同,区别是利用调压室上部气室内的高压空气形成“气垫”,抑制室内水位高度和水位波动幅值,控制水锤和涌波性能优越。

2、气垫式调压室技术运用概况

(1)国外运用概况
        自20世纪30年代以来,气垫式调压室技术在抽水泵站、工业管网、长距离流体输送管道工程中得到了广泛的应用,但在水利水电工程中直到50年代才得到人们的重视。70年代以后,欧洲和日本逐渐采用气垫式调压室技术,主要集中在水电开发水平较高的挪威。气垫式调压室应用于高水头水电站的首例工程为挪威Driva电站,于1973年建成。至80年代末,挪威共建成近十余座采用气垫式调压室的水电站,电站装机容量从35MW-1240MW不等,额定水头从180m-1158m不等。90年代以后,挪威的水电开发利用率已超过95%,基本停止了水电开发。挪威已建成的10座气垫式调压室电站情况见表1。
表1            挪威已建成的10座气垫式调压室电站
电站
名称
建成
年代
装机容量(Mw) 额定水头(m) 绝对压力(MPa) 开挖体积(m³) 空气体积
(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)国内运用概况
        我国开展气垫式调压室方案研究始于20世纪70年代,但真正将挪威成熟的气垫式调压室技术运用于水电工程建设是在90年代末我国开始水电大开发的阶段。我国首个采用气垫式调压室的电站为青海省格尔木河上的大干沟水电站,于2000年7月建成。而更多应用、推广和发展该技术的则为华能集团四川分公司所属的四川省绵阳市平武县境内火溪河流域、甘孜州康定县境内瓦斯河流域的多个水电项目。目前四川省已建成投产的气垫式调压室水电站有自一里、阴坪、木座、民治、小天都、金康、二瓦槽、龙洞、金平、金康等十余个水电站,除较早建成的自一里、小天都水电站采用挪威的水幕闭气方式外,其他电站基本采用技术改良后的钢罩闭气方式。

3、气垫式调压室技术的优势

(1)采用气垫式调压室,引水隧洞在纵剖面上可采用直线布置(即所谓的“一坡到底”),而不是常规调压室所要求的折线布置,故隧洞轴线缩短,沿程和局部水头损失减少,增加发电效益。
(2)采用气垫式调压室,施工支洞设置高程较低,有效减少常规调压室施工所需修建的盘山施工道路,能很大程度地减少施工对自然生态环境的不利影响;同时由于占地面积减少,工程建设时征占用地难度降低,对推动工程建设能起到积极作用。
(3)气垫式调压室布置比较灵活,可视地质条件沿管线几百米范围内择优布置,而常规调压室受地形地质条件限制,布置相对呆板。
(4)采用气垫式调压室,控制水锤和涌波性能优越,能提高机组调节的稳定性,对电站运行有利。
(5)从工程投资角度看,四川省已建成的十余座气垫式调压室水电站调查表明,气垫式与常规式调压室相比,除去早期建设的自一里电站外,其他项目工程投资均略有降低,并呈现出工程地质条件越好、投资节约越明显的规律。

4、气垫式调压室技术的劣势

(1)气垫式调压室对地质条件要求很高。我国在研究和应用气垫式调压室初期,结合挪威类似工程经验(Kvilldal电站投运后因漏所量较大,影响电站安全运行),曾提出了设置气垫室调压室的三条原则:埋深、地应力和渗透性,尤其渗透性原则对地质条件要求很高,一般要求调压室和高压隧洞岩体为较完整的坚硬岩,且为非可溶性岩。后虽发展了“钢罩”技术解决了调压室气室渗透性问题,但深埋隧洞承受高压,其衬砌结构安全和内水外渗风险仍比较大。现有的地质勘察技术和要求,无法在前期勘察中进行非常准确的地质预测,有时在开挖后或试运行时才暴露出一些地质缺陷,增加了处理难度和工程投资。如较早建成的自一里水电站调压室采用水幕闭气,试运行时无法充水充气,后采用灌浆补强、裂隙涂刷聚合物等多种手段方解决问题,处理难度大,工期延长较多,工程投资相应增加。而小天都电站同样采用水幕闭气,但工程地质条件相对较好,未出现上述问题。
(2)理论研究表明,气垫式调压室小波动稳定面积较常规调压室大得多,不适用于大流量或上游库水位变幅较大的电站,亦不适用于尾水调压室。在气垫式与常规式均可采用的调压室中,气垫式较常规式体积大,增加了地下大洞室开挖的施工难度和安全风险、支护费用。且因气垫式调压室布置的特点,无论是水幕式,还是钢罩式,施工过程中的排风散烟难度大,施工作业环境较常规调压室更差。
(3)气垫式调压室需设置充气空压机和补气空压机,且随着气垫厚度的变化和漏气情况需及时补气,较常规调压室增加了运行工作量和运行成本,运行维护相对复杂,对运行维护人员的要求更高。金平、金元两电站运行情况表明,调压室正常运行维护年成本20万左右。民治水电站放空检查时因放空程序出错,致使钢罩损坏,虽经修补,可以维持电站的安全运行,但漏气量仍偏大。
(4)气垫式调压室若采用水幕式,地下岩体裂隙发育的随机性可能导致灌浆施工质量不可控,上述提到的自一里电站即存在此问题;若采用钢罩式,则钢板焊缝施工质量要求很高。最近投产的龙洞水电站即因钢罩漏气导致运行后补气量很大,每天必须连续补气12小时,才能保证气垫式调压室的水位不上涨,大大影响空压机的使用寿命,增加运行工作量和运行成本。
(5)从施工技术角度看,气垫式与常规式调压室相比,施工技术要求相对较高。

5、总体结论

        综上所述,气垫式调压室在世界范围内应用相对较少,主要在挪威和我国,已积累了一定的经验和教训。作为满足机组调节保证需要的方式之一,其具有工程占地少、对自然生态环境有利等优点,但其存在对地质条件要求较高、高压隧洞设计难度大、施工建设及运行维护要求高等问题。调压室方案选择时,应在工程地质条件较好的基础上,针对电站的具体情况,进行技术经济综合比较后确定。
 


 
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