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        亞曼蘇水電站GIS樓結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設計研究

        2021-03-26 08:08:52唐翠華
        水電站設計 2021年1期
        關(guān)鍵詞:調(diào)壓室氣墊廠房

        唐翠華,梁 山

        (中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

        0 前 言

        亞曼蘇水電站是目前國內(nèi)引水流量最大的地面鋼結(jié)構(gòu)氣墊調(diào)壓室水電站,為解決長壓力管道調(diào)節(jié)保證計算的難題,亞曼蘇水電站在常規(guī)氣墊式調(diào)壓室理論的基礎上,拓寬氣墊調(diào)壓室的應用范圍,創(chuàng)新性地在軟基基礎上設計了地面鋼結(jié)構(gòu)氣墊式調(diào)壓室。

        由于壓力鋼管在本電站的運行中極為重要,筆者在技施圖階段接觸到該電站的GIS樓結(jié)構(gòu)設計工作,出于工程安全和投資的考慮,把原設計方案的GIS樓基礎高程進行了調(diào)整,這一改變解決了原設計方案中壓力管道置于GIS樓基礎之下存在的風險,同時節(jié)約了工程投資。2020年10月,四臺機組已全部投產(chǎn)發(fā)電,GIS樓和壓力管道均運行順利。

        1 水電站GIS發(fā)展現(xiàn)狀

        GIS(Gas Insulated Substation)是“氣體絕緣全封閉組合電器”的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成,這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中,在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體,故也稱SF6全封閉組合電器。電力GIS是將電力企業(yè)的電力設備、變電站、輸配電網(wǎng)絡、電力用戶與電力負荷和生產(chǎn)及管理等核心業(yè)務連接形成電力信息化的生產(chǎn)管理的綜合信息系統(tǒng)。

        GIS設備自20世紀60年代實用化以來,已廣泛運行于世界各地。GIS不僅在高壓、超高壓領域被廣泛應用,而且在特高壓領域也被使用。經(jīng)過30多年的研制開發(fā),GIS技術(shù)發(fā)展很快并迅速被應用于全世界范圍內(nèi)的電力系統(tǒng)。目前,隨著全球電力系統(tǒng)自身的發(fā)展以及對系統(tǒng)運行可靠性要求的日益提高,GIS技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展,成為本世紀高壓電器的發(fā)展主流。

        近年來,GIS設備在我國新建水電工程中已經(jīng)得到了廣泛的應用,部分使用傳統(tǒng)開放式設備的電站也完成了GIS設備改建,我們的GIS設備的技術(shù)也在越來越多的工程實踐中不斷精進,與歐美發(fā)達國家的差距越來越小,設備價格也有了大幅度下降。

        2 工程概況

        亞曼蘇水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內(nèi)的托什干河上,是托什干河“2庫11級”的第九級克克機格代和第十級牙滿蘇合并而成的亞曼蘇梯級。工程區(qū)介于北緯41°03′~41°12′、東經(jīng)78°48′~79°04′之間,海拔高程1 490~1 740 m。電站利用別迭里電站尾水發(fā)電,引水渠道沿左岸戈壁灘從西到東沿等高線布置,利用河道落差發(fā)電,電站尾水在秋格爾灌區(qū)取水口上游2.85 km匯入托什干河。電站廠房距烏什縣城約22 km,距阿克蘇市約130 km,交通便利。

        電站發(fā)電引用流量140 m3/s,設計水頭199 m,總裝機容量244 MW,多年平均發(fā)電量8.00億kW·h/9.45億kW·h(近期/遠期),年利用小時數(shù)3 279 h/3 873 h(近期/遠期)。

        電站進水閘接上游別迭里二級水電站尾水,經(jīng)輸水明渠至壓力前池,考慮冬季運行的要求,明渠線路沿程布置壅水閘;發(fā)電建筑物采用“壓力前池+壓力管道+氣墊式調(diào)壓室+地面廠房”的布置型式。

        配電裝置的選型與電站電氣主接線方案、廠區(qū)樞紐布置方案、升壓站站址選擇密不可分,結(jié)合本電站廠區(qū)樞紐布置,對常規(guī)電器和GIS的綜合比較如下:選用常規(guī)開敞式電器設備(AIS)時,占有場地較大。根據(jù)現(xiàn)場開挖的情況,廠房邊坡較高,處理難度和土建投資均較大。因此,為降低給工程開挖帶來的難度,避免邊坡滾石影響電氣設備正常安全運行,本工程選擇使用GIS設備。除此之外,采用GIS設備還具有以下優(yōu)點:

        (1)提高運行可靠性。由于GIS設備中所有元器件均裝在全封閉的外殼內(nèi),與外界隔絕,減少了故障幾率,極大地提高了設備運行的可靠性。亞曼蘇電站地區(qū)晝夜溫差較大,電氣設備按常規(guī)戶外布置存在著帶油設備熱脹冷縮后滲油的問題,這將直接影響到設備的使用壽命,加大了今后運行維護工作量。而且電氣設備絕緣子澆注件部分在此氣候條件下容易松動,密封系統(tǒng)易老化、損壞,可能導致事故的發(fā)生。而GIS受環(huán)境影響較小,設備運行可靠性高,有利于實現(xiàn)電站高度自動化管理。

        (2)運行維護方便。GIS布置在靠近廠房的GIS樓內(nèi),與中控室、主廠房相鄰,便于日常的運行維護。由于GIS所有元件均裝在全封閉的外殼內(nèi),其檢修周期比敞開式電氣設備長,且日常維護工作量要少。

        (3)安裝周期短。GIS是成套件,現(xiàn)場安裝和調(diào)試很方便,其安裝周期比敞開式電氣設備短。GIS樓即為主要安置GIS設備的建筑物。

        3 壓力管道與GIS樓的布置關(guān)系

        本工程廠區(qū)樞紐建筑物主要包括主廠房、副廠房及GIS樓、尾水池、尾水渠等。廠房主機間和安裝間呈“一”字型布置,安裝間位于主機間右側(cè),副廠房及GIS樓布置在主廠房上游側(cè),中控室副廠房布置于安裝間上游側(cè)(見圖1)。

        圖1 GIS樓與主廠房平面布置示意

        根據(jù)現(xiàn)場的水文地質(zhì)地形條件,以及安全性、經(jīng)濟性等綜合條件對比后,對該電站的壓力管道布置進行了方案優(yōu)化調(diào)整,最終采用了“兩機一管+氣墊式調(diào)壓室”的基本布置型式。壓力鋼管共四根,三根直徑3.1 m,一根直徑2.2 m,壓力管道全線及氣墊式調(diào)壓室均采用明鋼管外包鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)型式,考慮到工程所處環(huán)境及冬季運行防冰凍等要求,采用淺埋回填方式,回填材料為砂礫石土。

        壓力管道連接氣墊式調(diào)壓室和主廠房,由于GIS樓位于主廠房上游側(cè),介于氣墊式調(diào)壓室和主廠房之間,所以壓力管道需穿GIS樓而過,且壓力管道的埋深不大。這對GIS樓本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壓力鋼管的安全性都具有一定挑戰(zhàn)。

        4 方案調(diào)整與優(yōu)化

        GIS樓全長65.52 m,寬度16.3 m,考慮抗震要求,分為左右兩個結(jié)構(gòu)段,X方向布置有10排柱子,Y方向布置3排柱子。地質(zhì)資料顯示,該建筑物地基持力層為砂卵礫石,砂卵礫石天然密度2.06~2.09 g/cm3,相對密度0.55~0.67,平均0.62,壓縮模量25~30 MPa,具密實結(jié)構(gòu),承載力良好。根據(jù)壓力管道與GIS樓的關(guān)系,結(jié)構(gòu)設計對前期方案進行了調(diào)整優(yōu)化。

        (1)前期方案:GIS樓采用筏板基礎,基礎置于壓力鋼管之上。地下室只布置了地面以上建筑面積一半,上游側(cè)為鋼筋混凝土墻,設于上部中間排框架柱下方,下游側(cè)為框架柱,混凝土墻體外側(cè)建筑范圍內(nèi)的壓力鋼管至地面高程使用混凝土回填。前期方案如圖2所示。

        對GIS樓進行結(jié)構(gòu)計算,最大單根柱底軸力為1 127.7 kN,筏板基礎基底離壓力管道波紋管頂距離不到1 m,雖然大部分柱子未直接落在壓力管道之上,但是筏板基礎厚度僅能做不到兩米厚,且旁邊即為主廠房,基礎無法傳力到旁邊土體上,整個GIS樓的重量將幾乎直接通過筏板基礎作用在壓力鋼管之上,由于壓力鋼管下部地基為砂礫卵石層,雖然承載力良好,但存在變形的可能性較大,而由于鋼管本身的材料特性,幾乎不允許變形,若再加上整個GIS樓的重量,可能對壓力鋼管造成破壞,嚴重情況下甚至可能導致影響整個電站的運行。

        (2)施工圖設計:擴大地下室面積,上游鋼筋混凝土墻體向外側(cè)移動,地面以上GIS樓柱縱向鋼筋插入鋼筋混凝土墻中,使地下與地上對應,結(jié)構(gòu)更加規(guī)則,各部分質(zhì)量和剛度也更均勻、連續(xù)。仍然采用筏板基礎,降低基礎高程,使基礎置于壓力鋼管之下,GIS樓廠用配電室地面以下高程上下游兩邊采用鋼筋混凝土墻。該方案調(diào)整了地面以下結(jié)構(gòu)布置,上下游墻均為鋼筋混凝土墻,并在墻體上開設洞口,壓力管道穿墻而過,壓力管道外包混凝土與鋼筋混凝土墻體結(jié)構(gòu)脫開,設有20 mm結(jié)構(gòu)縫,結(jié)構(gòu)縫之間設有止水,并用軟性材料填充塞滿,混凝土墻體開孔處進行結(jié)構(gòu)加強設計。施工方案如圖3所示。

        圖3 施工圖設計示意(單位:cm)

        對比兩個方案發(fā)現(xiàn),前期方案廠用配電室建筑面積更小,機電設備布置相對擁擠,需要大量的回填混凝土,鋼筋使用量相對較少;施工圖設計方案增加了地下室建筑面積,機電設備布置的空間相對寬裕,混凝土回填量減少,鋼筋使用量相對前期方案多約60 t。

        經(jīng)過分析,施工圖設計的筏板基礎直接整體置于砂卵礫石原狀土上,使GIS樓的整體結(jié)構(gòu)抗變形能力更強,結(jié)構(gòu)平立面更加對稱,結(jié)構(gòu)脫開使GIS樓對壓力鋼管的影響較小,整體安全及穩(wěn)定性更好,結(jié)構(gòu)可靠性大大提高;就工程造價而言,施工方案增加的鋼筋量造價少于前期方案回填混凝土的造價約計70萬。

        5 結(jié) 語

        2020年10月,亞曼蘇電站四臺機組已全部投產(chǎn)運行,GIS樓及壓力鋼管均運行正常,GIS樓在施工期方案優(yōu)化后減少了約3 000 m3回填混凝土,在該部位土建費用的原有基礎上減少了約70%投資。

        在電站建筑物設計中,往往存在不同專業(yè)之間的結(jié)構(gòu)交叉,設計師應該根據(jù)實際工程情況,與其他專業(yè)密切配合,適當調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置,合理選擇結(jié)構(gòu)布置和型式,盡量做到結(jié)構(gòu)相互獨立,避免交叉影響,確保結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性以保證工程的順利運行。

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