大型抽水蓄能電站地下廠房施工期通風(fēng)研究

中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 林志勇

三峽機電工程技術(shù)有限公司 李國亞

1 工程概況

某大型抽水蓄能電站位于南方沿海地區(qū)，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成，共布置6臺300 MW可逆式水泵水輪機組。電站在電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。

地下廠房洞群由三大洞室(主副廠房洞、主變洞、尾水閘門洞)及母線洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、主變排風(fēng)洞、500 kV電纜出線洞和排風(fēng)豎井等附屬洞室組成。

地下廠房主要洞群中，主副廠房洞開挖尺寸約為210.0 m×24.5 m×53.4 m(長×寬×高)、主變洞開挖尺寸為213.0 m×19.0 m×22.2 m(長×寬×高)、尾水閘門洞開挖尺寸為175.0 m×7.8 m×19.7 m(長×寬×高)；進(jìn)廠交通洞與安裝場端部相連，長約1 677 m；通風(fēng)兼安全洞與副廠房連接，長1 150 m；排風(fēng)豎井位于通風(fēng)兼安全洞端部，豎井直徑7.7 m，高約180 m。

2 施工期通風(fēng)介紹

2.1 第一階段

第一階段指洞室的獨頭掘進(jìn)階段。在洞室(如進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、施工洞等)的初期開挖進(jìn)尺過程中，基本上采用獨頭掘進(jìn)，長度為幾百m至2 000 m左右。目前，國內(nèi)外的獨頭開挖施工通風(fēng)基本上均采用壓入式通風(fēng)，通過設(shè)置在洞口的高壓對旋軸流式風(fēng)機和布風(fēng)管，將新鮮空氣壓入施工工作面，保證工作面的環(huán)境衛(wèi)生要求，消除爆破、開挖、裝載過程中產(chǎn)生的炮煙和粉塵。

通過壓入式通風(fēng)方式，將污染空氣通過長洞室由洞口排出。目前，交通洞和施工兼安全洞的斷面尺寸基本上為7.5 m×7.5 m左右，施工通風(fēng)量為2 000 m3/min左右。

2.2 第二階段

第二階段為電站地下三大洞室的開挖階段。這時一些通向外部的洞室(如進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排風(fēng)豎井等)已經(jīng)挖成，開始分層開挖主廠房洞、主變洞和尾水閘門洞等。這個階段是一個大斷面的動態(tài)開挖過程，在開挖的不同階段，不同的洞室相互貫通，運輸通道不斷改變，施工通風(fēng)的主要目的是盡快排除開挖過程中產(chǎn)生的炮煙和開挖轉(zhuǎn)載過程中產(chǎn)生的大量粉塵和施工機械產(chǎn)生的熱量，施工通風(fēng)應(yīng)盡可能利用開挖完成的洞室形成直流回路?？沙浞掷米匀煌L(fēng)，部分時段進(jìn)行局部機械通風(fēng)，優(yōu)化氣流組織，保證開挖進(jìn)度和工期不受通風(fēng)因素的影響[1]。

2.3 第三階段

第三階段是指從地下廠房土建開挖完成，不再放炮開始算起，到工程永久通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投入運行這段時間。

該階段施工通風(fēng)主要目的是滿足地下廠房內(nèi)設(shè)備安裝時的焊接煙霧、金屬構(gòu)件打磨產(chǎn)生的金屬粉塵、土建圍護(hù)結(jié)構(gòu)澆筑散濕、土建裝修粉塵的排除，滿足機電設(shè)備的安裝調(diào)試環(huán)境要求和安裝調(diào)試人員的勞動衛(wèi)生與健康要求。

在建設(shè)安裝期間，蝸殼打磨、焊接，鋼筋焊接的煙霧量較大，水輪機設(shè)備打磨除銹產(chǎn)生的塵埃比較多，主副廠房二期混凝土澆筑及裝修工程的散濕量較大，造成廠房環(huán)境煙霧聚集，熱濕環(huán)境差，不能滿足機電設(shè)備環(huán)境要求和安裝、調(diào)試人員的勞動衛(wèi)生要求。

2.4 整個施工期間通風(fēng)

由于地下廠房的特殊地理環(huán)境，在整個施工期間地下廠房的潮濕對機電設(shè)備安裝、調(diào)試的影響也應(yīng)充分加以重視。這部分空氣中的水分，主要來源于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的澆筑、巖石的滲透和二次裝修的散濕。

根據(jù)影響地下廠房施工空氣環(huán)境因素的類別，制定相應(yīng)的防范和治理措施：對于有毒有害氣體，可以從源頭預(yù)防、實時監(jiān)測和降低濃度3個方面著手；對于熱濕環(huán)境，需要根據(jù)電站施工環(huán)境的實際情況，靈活采用(自然、機械)通風(fēng)除濕、冷卻除濕、吸附除濕、吸收除濕、熱泵除濕等除濕技術(shù)。

3 地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)布置

根據(jù)電站樞紐布置和各洞室及通風(fēng)道的高程分布情況，為形成良好的進(jìn)排風(fēng)氣流，遵循空氣和煙氣的流動規(guī)律，將抽水蓄能地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)交通洞作為主廠房和主變洞的主進(jìn)風(fēng)道，將通風(fēng)兼安全洞的進(jìn)風(fēng)道作為主廠房和副廠房的進(jìn)風(fēng)道，將通風(fēng)兼安全洞的排風(fēng)道(局部)和排風(fēng)豎井作為主廠房(大部)、副廠房和主變洞的主排風(fēng)道(井)，將500 kV出線斜井作為主變室GIS層和主變洞的部分排風(fēng)道。整個地下廠房形成兩進(jìn)兩排的通風(fēng)模式，空氣流程如圖1所示。

圖1 地下廠房主要洞群空氣流程示意圖

4 機電安裝期與永久期通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)合

4.1 機電安裝期主要污染源分析

機電安裝期間，主要的空氣污染源有：各種焊接煙霧、金屬打磨產(chǎn)生的粉塵、建筑裝修時切割建筑材料產(chǎn)生的粉塵及油霧等。

電弧焊接時，在電弧高溫作用下，藥皮首先熔融，組成藥皮的穩(wěn)弧劑、還原劑、造渣劑及造氣劑、合金劑、膠粘劑、稀渣劑、增塑劑等，大部分變?yōu)楹附訜焿m，其粒徑為0.10～1.25 μm。焊接煙塵成分主要為MnO2、Fe2O3與有害氣體CO、NOx、O3[2]。

水輪機各部件安裝期間打磨采用金剛砂輪和布輪，在高速磨削過程中產(chǎn)生砂塵、金屬粉塵、棉粉塵和異味廢氣(摩擦高溫時產(chǎn)生)。

建筑裝修期間，建筑材料搬運中產(chǎn)生的水泥、砂石粉塵，地磚、瓷磚切割過程產(chǎn)生的粉塵。

這些污染物對施工人員的健康會產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致塵肺、錳中毒、氟中毒、金屬煙熱及電光性眼炎等。醫(yī)學(xué)臨床表現(xiàn)為咳嗽、咯痰、胸悶、氣短甚至咯血。

4.2 永久通風(fēng)設(shè)備及布置

在永久通風(fēng)系統(tǒng)中，地下廠房的主排風(fēng)機房布置了3臺大型隧道軸流風(fēng)機(DTF-2000-8P型，風(fēng)量4 160 m3/min，全壓800 Pa，功率75 kW)作為地下廠房的主要排風(fēng)設(shè)備，在機電安裝期也可以作為地下廠房通風(fēng)換氣的主要設(shè)備。排風(fēng)機房布置如圖2所示。

圖2 排風(fēng)機房布置示意圖

4.3 運行中存在的主要問題

以往抽水蓄能工程的習(xí)慣做法為：地下廠房及尾水系統(tǒng)工程標(biāo)承包人移交廠房工作面后，原有通風(fēng)系統(tǒng)繼續(xù)運行，平均每天6 h。機電安裝期可根據(jù)施工需要設(shè)置地下工程施工通風(fēng)系統(tǒng)，施工通風(fēng)應(yīng)保證環(huán)境溫濕度滿足機電設(shè)備安裝和人員健康衛(wèi)生要求。即機電安裝期間由原土建承包商利用原通風(fēng)系統(tǒng)來保證廠房內(nèi)的空氣環(huán)境。根據(jù)筆者對幾個在建抽水蓄能施工現(xiàn)場的調(diào)研和測試，在這個階段，廠房通風(fēng)仍然采用隧道開挖時的對旋風(fēng)機和帆布風(fēng)管送風(fēng)，其2 000 m3/min的風(fēng)量太少，地下廠房約4 h換氣一次，無法改善廠房的空氣環(huán)境。

4.4 對主要問題的分析

對旋多級串聯(lián)風(fēng)機由2臺或2臺以上相同型號的風(fēng)機(配用電動機、葉片數(shù)、安裝角度相同或不同)串聯(lián)在一起，一、二級葉輪緊密地排列在一起，葉輪之間運轉(zhuǎn)方向相反，第一級葉輪中氣流旋轉(zhuǎn)方向與第二級葉輪中氣流旋轉(zhuǎn)方向相反，從而使氣流盡可能沿軸向流出。因此，對旋兩級串聯(lián)運行的風(fēng)機所產(chǎn)生的總風(fēng)壓大于2倍單級風(fēng)機風(fēng)壓。對旋風(fēng)機是一種特殊的軸流風(fēng)機，主要用于公路、鐵路及地下工程等隧道的獨頭施工或需強制通風(fēng)的場所中。

對旋風(fēng)機具有以下特點：

1) 流量大、壓力高。對旋風(fēng)機兼有軸流風(fēng)機流量大和離心風(fēng)機壓力高的特點。對旋風(fēng)機的性能曲線較陡，適合管網(wǎng)阻力改變而流量變化很小的系統(tǒng)。

2) 對旋風(fēng)機的兩級葉輪緊密地布置在一起，具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸小的特點。

3) 對旋風(fēng)機具有效率高的優(yōu)點。風(fēng)機的全壓效率一般在80%以上。

4) 結(jié)構(gòu)可靠、輕便、合理，易拆、易裝，方便用戶維護(hù)保養(yǎng)。

而永久通風(fēng)采用的是地鐵隧道風(fēng)機，地鐵隧道風(fēng)機葉輪部件由動片、葉輪輪轂等組成。其中，輪轂采用整體鋁合金低壓澆鑄結(jié)構(gòu)，以減小葉輪的轉(zhuǎn)動慣量。輪轂在數(shù)控加工中心加工，保證風(fēng)機葉片安裝孔的分度精度，減小葉輪的初始不平衡量，從而為葉輪達(dá)到較高的動平衡精度提供保障。葉片材料為高強度鑄鋁合金，采用高壓澆鑄，并經(jīng)過特殊熱處理工藝，具有良好的機械性能和使用安全系數(shù)。

地鐵隧道風(fēng)機具有以下特點：

1) 地鐵隧道風(fēng)機大流量、低動壓，靜壓與動壓之比可以達(dá)到75%以上，有利于降低風(fēng)速，提高靜壓，降低電動機的能耗。

2) 地鐵隧道風(fēng)機均采用電動機直聯(lián)方式，高效、維護(hù)方便。風(fēng)機配置有防喘振裝置，風(fēng)機振動小。

3) 風(fēng)機結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)機靜葉設(shè)計能縮短風(fēng)機外殼的長度，風(fēng)機的葉片、輪轂采用鋁合金材料，具有很強的抗腐蝕性，經(jīng)久耐用。

4) 運用先進(jìn)的航空航天氣動設(shè)計技術(shù)，降低風(fēng)機氣動噪聲，最大限度地減小風(fēng)機葉片頂尖和根部的渦流損失。

對旋風(fēng)機一般用于施工通風(fēng)的第一階段和第二階段初期，隧道風(fēng)機用于第二階段后期和第三階段，原因是各階段的通風(fēng)路徑不同，后期可以利用洞室大斷面通風(fēng)的，優(yōu)先采用洞室通風(fēng)。

因此，在機電安裝期間，應(yīng)盡可能提早使用永久通風(fēng)的直流通風(fēng)系統(tǒng)，利用洞室全斷面進(jìn)風(fēng)，減小通風(fēng)阻力，利用隧道風(fēng)機的大風(fēng)量特點，基本可以達(dá)到約1 h-1的換氣次數(shù)，從而有效地改善地下廠房施工環(huán)境。

許多項目的排風(fēng)豎井被認(rèn)為具有煙囪效應(yīng)，可以利用自然通風(fēng)達(dá)到地下廠房排風(fēng)的目的。經(jīng)過分析、研究，筆者認(rèn)識到，地下廠房的自然通風(fēng)效應(yīng)主要是由洞室網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的熱量和溫度分布不均產(chǎn)生的熱壓引起的[3]。施工期間，地下廠房內(nèi)并無明顯的發(fā)熱量，因此熱壓有限，自然通風(fēng)的效果也非常有限，無法滿足地下廠房排除有害氣體的要求，特別是機電安裝后期，建筑分隔完畢后，通風(fēng)阻力增大，無法組織有效氣流，自然通風(fēng)效果更差。

采用永久通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行安裝期通風(fēng)，在施工前期蝸殼安裝和焊接期間，由于蝸殼焊接煙霧太大，同時蝸殼層在主廠房的底部，高程較低，煙霧不易通過上部排風(fēng)排除，需要在蝸殼打磨和焊接現(xiàn)場增設(shè)局部通風(fēng)機或配備固定式焊接煙塵凈化器，滿足工位的勞動安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

提前安裝永久使用的大型隧道風(fēng)機，供機電安裝期間使用，可以有效節(jié)省投資，也可以改善該期間的惡劣空氣環(huán)境。

通過該抽水蓄能工程的實踐可知，提前使用永久風(fēng)機存在招標(biāo)采購時間矛盾、實際操作困難、使用效果不是很理想等問題。主要原因為：永久使用的全廠排風(fēng)的大風(fēng)機是按照永久期的工況選用的，主要是為滿足全廠的新風(fēng)換氣和事故排煙需求。相對于施工期，風(fēng)量偏小，一般僅為地下三大洞室2 h-1換氣次數(shù)的風(fēng)量，在施工高峰期，不能完全滿足排除焊接煙霧和裝修粉塵的需要。同時，利用洞室進(jìn)行施工期排風(fēng)，氣流短路現(xiàn)象嚴(yán)重，施工運輸通道和排風(fēng)通道的矛盾也影響排風(fēng)效果。

如何充分利用永久通風(fēng)系統(tǒng)也是在設(shè)計初期就應(yīng)該加以充分考慮的。另外，永久通風(fēng)系統(tǒng)在施工期間的運行維護(hù)管理也應(yīng)同時進(jìn)行。施工期間的空氣煙霧、塵埃與正常通風(fēng)情況下有很大的差別，對永久通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)備、閥門和消聲器的微孔板的破壞、損傷較大，應(yīng)考慮永久通風(fēng)設(shè)備的維護(hù)，或者過了施工期再進(jìn)行消聲器等的二次安裝工作。

5 測量與控制

由于施工期空氣中污染物變化頻繁，為減少控制工作量，提高效率，在施工期第二和第三階段，嘗試在廠房的排風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置一套智能控制系統(tǒng)(由污染物探測器、傳感器和系統(tǒng)控制器組成)，用于監(jiān)測空氣質(zhì)量，為后續(xù)的施工通風(fēng)自動控制做好基礎(chǔ)工作。

針對施工期的抽水蓄能電站惡劣的空氣環(huán)境，開發(fā)了一套適用于復(fù)雜情況下的空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確立系統(tǒng)采樣的對象類型和設(shè)備要求，采用無線通訊原理實現(xiàn)多種傳感器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸與處理，基于監(jiān)測點的可靠性原則進(jìn)行安裝，通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，推導(dǎo)得到監(jiān)測數(shù)據(jù)與距離的關(guān)系，可用于推算污染源附近的有毒有害氣體濃度。

現(xiàn)場采用自動記錄儀器進(jìn)行有毒有害氣體的監(jiān)測，主要監(jiān)測對象包括：二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、硫化氫(H2S)、二氧化氮(NO2)、甲烷(CH4)與可吸入顆粒物(PM10)。8種監(jiān)測對象均采用對應(yīng)的傳感器自動檢測，檢測數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)酱鎯ζ鳌?/p>

同時測定幾個主要洞室的風(fēng)速、溫度和濕度。測試數(shù)據(jù)表明：風(fēng)機運行時，進(jìn)廠交通洞的風(fēng)速為3.2 m/s，主廠房發(fā)電機層的平均風(fēng)速約為0.60 m/s；夏季溫度約為23～26 ℃，相對濕度約為78%～85%；通風(fēng)兼安全洞的排風(fēng)溫度約為28～31 ℃。

主廠房進(jìn)出口CO2測試結(jié)果如圖3所示，圖中測點A為地下廠房排風(fēng)口，B為交通洞進(jìn)風(fēng)口。

圖3 主廠房CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢

監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)覆蓋地下廠房所有施工階段和區(qū)域，以滿足抽水蓄能電站施工現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測要求，有效提高施工作業(yè)安全管理水平，為施工現(xiàn)場空氣環(huán)境治理提供參考依據(jù)，降低作業(yè)人員安全風(fēng)險。

6 解決方案

應(yīng)對地下廠房施工期間的臨時通風(fēng)進(jìn)行專項設(shè)計，專項設(shè)計應(yīng)充分考慮主廠房、主變洞室排風(fēng)洞和通風(fēng)兼安全洞的臨時隔斷、臨時風(fēng)道等?？梢圆扇∫韵戮唧w措施：

1) 在安裝機電設(shè)備的前期(焊接第1臺蝸殼開始)，可以在主副廠房與通風(fēng)兼安全洞部位設(shè)置2～3臺對旋排風(fēng)機和排風(fēng)布風(fēng)管，在主變洞端頭主變排風(fēng)道部位設(shè)置1～2臺對旋排風(fēng)機和排風(fēng)布風(fēng)管，直至排風(fēng)豎井處。風(fēng)機風(fēng)量和軟風(fēng)管布置由施工專業(yè)確定。這樣可以保證主廠房和主變洞污濁空氣的排除。

2) 副廠房澆筑、磚墻砌筑完成后，排風(fēng)通道被擋，這時主廠房網(wǎng)架通常已經(jīng)形成，網(wǎng)架上部的通風(fēng)、排煙風(fēng)管(一般斷面尺寸在1 400 mm×1 400 mm以上)也已安裝完成，可以將排風(fēng)機與上述3根風(fēng)管連接，利用網(wǎng)架頂部風(fēng)口繼續(xù)為主廠房排風(fēng)。此時，應(yīng)注意土建及網(wǎng)架和風(fēng)管的安裝時間節(jié)點，風(fēng)管的采購和安裝應(yīng)及時跟上施工進(jìn)度，同時利用尾水施工洞進(jìn)風(fēng)將底部蝸殼焊接的煙霧帶出，形成下進(jìn)上排的氣流。

3) 施工后期，要注意施工期通風(fēng)與永久期通風(fēng)設(shè)備的轉(zhuǎn)換對接，既不影響廠房空氣質(zhì)量，又兼顧永久期設(shè)備的安裝，主要表現(xiàn)在副廠房頂層組合式空調(diào)機組、主廠房排煙系統(tǒng)與施工通風(fēng)機的轉(zhuǎn)換施工對接。

4) 對施工期轉(zhuǎn)換永久期的時間節(jié)點應(yīng)事先規(guī)劃，做好先前使用設(shè)備管路、風(fēng)口的清潔工作，避免后期再返工清掃[4]。

7 結(jié)論

1) 地下廠房永久階段通風(fēng)采用的隧道通風(fēng)機和施工期間通風(fēng)采用的對旋風(fēng)機型式、結(jié)構(gòu)、參數(shù)都不同，前者采用大風(fēng)量、小壓頭的風(fēng)機，后者剛好相反，采用小風(fēng)量、大壓頭的風(fēng)機，因此，風(fēng)機不可相互替代。

2) 施工期，地下廠房所需風(fēng)量、通風(fēng)路徑、通風(fēng)形式是動態(tài)變化的，應(yīng)根據(jù)不同階段設(shè)計。

3) 施工期所用對旋風(fēng)機，從風(fēng)機型式、結(jié)構(gòu)、風(fēng)量、風(fēng)壓和功率等參數(shù)來看，都不適合用于機電安裝期的通風(fēng)系統(tǒng)。

4) 地下廠房永久通風(fēng)系統(tǒng)所用風(fēng)機的風(fēng)量不能完全滿足機電安裝全壽命周期使用。

5) 機電安裝前期應(yīng)注意全廠氣流組織的流向，采取必要的臨時措施，防止局部氣流短路。

6) 機電安裝期，可根據(jù)需要設(shè)置必要的局部通風(fēng)設(shè)施，同時應(yīng)設(shè)置局部除濕設(shè)備，保證電氣設(shè)備室的溫濕度滿足設(shè)備調(diào)試和運行要求。