长江水利委员会于1999年提出了《三峡水电站水轮机蜗壳充水加压方案专题研究报告》,比较了保压水头70m、78m和88m不同方案,经总公司审定采用保压水头70m,随后按此提出了施工详图。
3.2 小浪底水电站水轮机蜗壳
小浪底水电站装机6台,单机容量300MW,总容量1800MW。钢蜗壳进口直径7.2m,蜗壳中心高程129.00m,额定流量296m3/s,机组额定转速107.1r/m,飞逸转速204r/min。蜗壳内最大静水压140MPa,甩负荷时最大压力为191MPa,蜗壳由VOITH公司制造,蜗壳钢板最大厚度40mm。小浪底水电站采用垫层蜗壳,其垫层采用VOITH公司供给的两层粘胶泡沫板,为非线形变形,其变形模量是变化的。蜗壳下半圆直接埋在厂房二期混凝土中,以便充分利用下半圆外围混凝土的握裹力作用减少钢蜗壳及座环的扭转变形。蜗壳上半圆铺设弹性垫层,人为增大钢蜗壳与混凝土之间的缝隙,使内水压力先由钢蜗壳独自承担;当内水压力达到一定值后,蜗壳产生膨胀,垫层被压缩,垫层就将与此压缩量相应的应力传到混凝土中。弹性理论分析表明,该应力值由弹性垫层的厚度与弹模之比控制。经估算,有10%的内水压力传到外围混凝土中。
3.3 广州抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳
广州抽水蓄能电站一、二期工程分别安装4台机组,单机容量均为300MW,总容量为2 400MW。机组额定转速500r/min,飞逸转速750r/min。座环及金属蜗壳安装、焊接及探伤检查完毕后,进行蜗壳水压试验,然后在充水加压状态下进行外围混凝土浇筑。一期工程座环及金属蜗壳安装、焊接及探伤检查完毕后,进行蜗壳水压试验,试验压力为蜗壳设计压力的1.5倍,即1 162.5m水头。在浇筑混凝土之前,将水压降到270m水头,在此水压下进行混凝土浇筑工作。二期工程的水压试验水头与一期工程相同,但浇筑混凝土时的保压值改为450m水头,是蜗壳最大静水压的83%,比一期工程有了明显提高。
3.4 天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳
天荒坪抽水蓄能电站装有6台单机容量300MW的的可逆式水泵水轮机,总装机容量1 800MW。蜗壳的静水头680m,计入水锤的动水头为870m。电站蜗壳由挪威供货,厂家一直要求蜗壳外不设垫层,认为可以不充水加压而直接浇筑混凝土,甚至表示可以不做水压试验,但业主要求进行水压试验并充水加压浇筑混凝土。电站座环与蜗壳安装完成后,在浇筑混凝土前进行水压试验,压力为最大工作压力的1.5倍,即13.0MPa。浇筑混凝土时蜗壳内充水加压值为80%的最大静水压,即5.4MPa。
3.5 美国大古力、加拿大麦卡、列维尔斯托克电站水轮机蜗壳
大古力水电站612MW水轮机蜗壳,进口直径10.5m,设计工作压力为1.22MPa,采用t-1号高强度钢板,其厚度比采用低碳钢减少40%左右,因尺寸大,蜗壳所需钢板为454t,蜗壳在工地组装焊接后,全部焊缝进行X射线检查,再以内压力1.85MPa进行水压试验历时2小时,无渗漏现象,然后将水排空,对焊缝进行磁粉检验。经全部检验合格后,蜗壳再次充水,内部保持水压为0.98MPa,浇筑外围混凝土,历时2个月。混凝土浇筑完毕3天后,保持蜗壳内压力不变,对蜗壳四周进行混凝土压力灌浆。
加拿大麦卡水电站单机容量435MW,总装机2 610MW,水轮机最大水头183m。浇筑外围混凝土时蜗壳内水压力约为额定静水头。
加拿大列维尔斯托克水电站单机容量460MW,总装机2760MW,水轮机最大水头130m,蜗壳进口直径6.85m。浇筑外围混凝土时蜗壳充内水压约为最大水头加上水锤压力上升值的55%。
3.6 巴西、巴拉圭依泰普水电站水轮机蜗壳
依泰普水电站的压力钢管伸缩节以下部分连同蜗壳,一起由工厂供货。蜗壳进口直径9.64m,蜗壳在平面上宽度为27.75m。蜗壳壳体在工厂中制作,由壳板组成的管节在现场拼焊而成。蜗壳和下部弯管设计压力(包括水锤值)为1.6MPa。蜗壳在1.5倍设计压力下进行水压试验。试验合格后,蜗壳内部充水,水压为水轮机工作压力,浇筑外围混凝土。
4 回龙抽水蓄能电站蜗壳结构型式选择
经过以上分析和国内外工程实例可以看出,充水加压蜗壳结构通常首先施加高于设计水头的内压进行蜗壳水压试验,之后在某一水压下浇筑蜗壳外围混凝土,在混凝土的整个凝固过程中都要保持这一压力。钢蜗壳与外围混凝土之间的荷载分配比例可以根据需要进行选择,施工时充水的水压愈大,其联合承载的程度愈小。美国长期以来多采用充水加压浇筑混凝土的蜗壳结构。加拿大、巴西及西欧等国家的中、高水头的大型机组一般也采用这种类型的蜗壳结构。近年来,我国也开始采用充水加压蜗壳,如已建成的广蓄一、二期工程、十三陵、天荒坪、潘家口、二滩以及正在兴建的三峡水电站等。随着更多的抽水蓄能电站和大型常规电站的兴建,充水加压蜗壳这种结构型式在我国必将有着更加广泛的应用前景。
南阳回龙抽水蓄能电站虽然装机规模较小,但水头高,机组转速高,且电站运行工况转换频繁。所以,根据国内外已建抽水蓄能电站蜗壳结构的经验,经分析和研究,决定本电站采用充水加压蜗壳结构,并选定充水加压值为350.00m水头,这样能保证在大多数工况下,蜗壳与外围混凝土紧密结合,加强了机组的刚度,从而有效地减小了整体结构的振动,改善了厂房的运行条件。
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