大型抽水蓄能電站地下廠房施工期通風研究

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 林志勇

三峽機電工程技術有限公司 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，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成，共布置6臺300 MW可逆式水泵水輪機組。電站在電網中主要承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。

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、進廠交通洞、通風兼安全洞、主變排風洞、500 kV電纜出線洞和排風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)；進廠交通洞與安裝場端部相連，長約1 677 m；通風兼安全洞與副廠房連接，長1 150 m；排風豎井位于通風兼安全洞端部，豎井直徑7.7 m，高約180 m。

2 施工期通風介紹

2.1 第一階段

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

通過壓入式通風方式，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(如進廠交通洞、通風兼安全洞、排風豎井等)已經挖成，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，施工通風的主要目的是盡快排除開挖過程中產生的炮煙和開挖轉載過程中產生的大量粉塵和施工機械產生的熱量，施工通風應盡可能利用開挖完成的洞室形成直流回路。可充分利用自然通風，部分時段進行局部機械通風，優化氣流組織，保證開挖進度和工期不受通風因素的影響[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，到工程永久通風空調系統設備投入運行這段時間。

該階段施工通風主要目的是滿足地下廠房內設備安裝時的焊接煙霧、金屬構件打磨產生的金屬粉塵、土建圍護結構澆筑散濕、土建裝修粉塵的排除，滿足機電設備的安裝調試環境要求和安裝調試人員的勞動衛生與健康要求。

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

2.4 整個施工期間通風

由于地下廠房的特殊地理環境，在整個施工期間地下廠房的潮濕對機電設備安裝、調試的影響也應充分加以重視。這部分空氣中的水分，主要來源于圍護結構的澆筑、巖石的滲透和二次裝修的散濕。

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

3 地下廠房通風系統布置

根據電站樞紐布置和各洞室及通風道的高程分布情況，為形成良好的進排風氣流，遵循空氣和煙氣的流動規律，將抽水蓄能地下廠房通風系統交通洞作為主廠房和主變洞的主進風道，將通風兼安全洞的進風道作為主廠房和副廠房的進風道，將通風兼安全洞的排風道(局部)和排風豎井作為主廠房(大部)、副廠房和主變洞的主排風道(井)，將500 kV出線斜井作為主變室GIS層和主變洞的部分排風道。整個地下廠房形成兩進兩排的通風模式，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系統的結合

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、金屬打磨產生的粉塵、建筑裝修時切割建筑材料產生的粉塵及油霧等。

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，大部分變為焊接煙塵，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生砂塵、金屬粉塵、棉粉塵和異味廢氣(摩擦高溫時產生)。

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

這些污染物對施工人員的健康會產生不良影響，導致塵肺、錳中毒、氟中毒、金屬煙熱及電光性眼炎等。醫學臨床表現為咳嗽、咯痰、胸悶、氣短甚至咯血。

4.2 永久通風設備及布置

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

圖2 排風機房布置示意圖

4.3 運行中存在的主要問題

以往抽水蓄能工程的習慣做法為：地下廠房及尾水系統工程標承包人移交廠房工作面后，原有通風系統繼續運行，平均每天6 h。機電安裝期可根據施工需要設置地下工程施工通風系統，施工通風應保證環境溫濕度滿足機電設備安裝和人員健康衛生要求。即機電安裝期間由原土建承包商利用原通風系統來保證廠房內的空氣環境。根據筆者對幾個在建抽水蓄能施工現場的調研和測試，在這個階段，廠房通風仍然采用隧道開挖時的對旋風機和帆布風管送風，其2 000 m3/min的風量太少，地下廠房約4 h換氣一次，無法改善廠房的空氣環境。

4.4 對主要問題的分析

對旋多級串聯風機由2臺或2臺以上相同型號的風機(配用電動機、葉片數、安裝角度相同或不同)串聯在一起，一、二級葉輪緊密地排列在一起，葉輪之間運轉方向相反，第一級葉輪中氣流旋轉方向與第二級葉輪中氣流旋轉方向相反，從而使氣流盡可能沿軸向流出。因此，對旋兩級串聯運行的風機所產生的總風壓大于2倍單級風機風壓。對旋風機是一種特殊的軸流風機，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的場所中。

對旋風機具有以下特點：

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

2) 對旋風機的兩級葉輪緊密地布置在一起，具有結構緊湊、軸向尺寸小的特點。

3) 對旋風機具有效率高的優點。風機的全壓效率一般在80%以上。

4) 結構可靠、輕便、合理，易拆、易裝，方便用戶維護保養。

而永久通風采用的是地鐵隧道風機，地鐵隧道風機葉輪部件由動片、葉輪輪轂等組成。其中，輪轂采用整體鋁合金低壓澆鑄結構，以減小葉輪的轉動慣量。輪轂在數控加工中心加工，保證風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，并經過特殊熱處理工藝，具有良好的機械性能和使用安全系數。

地鐵隧道風機具有以下特點：

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

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

3) 風機結構緊湊，風機靜葉設計能縮短風機外殼的長度，風機的葉片、輪轂采用鋁合金材料，具有很強的抗腐蝕性，經久耐用。

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

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

因此，在機電安裝期間，應盡可能提早使用永久通風的直流通風系統，利用洞室全斷面進風，減小通風阻力，利用隧道風機的大風量特點，基本可以達到約1 h-1的換氣次數，從而有效地改善地下廠房施工環境。

許多項目的排風豎井被認為具有煙囪效應，可以利用自然通風達到地下廠房排風的目的。經過分析、研究，筆者認識到，地下廠房的自然通風效應主要是由洞室網絡內的熱量和溫度分布不均產生的熱壓引起的[3]。施工期間，地下廠房內并無明顯的發熱量，因此熱壓有限，自然通風的效果也非常有限，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，通風阻力增大，無法組織有效氣流，自然通風效果更差。

采用永久通風設備進行安裝期通風，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排除，需要在蝸殼打磨和焊接現場增設局部通風機或配備固定式焊接煙塵凈化器，滿足工位的勞動安全衛生標準。

提前安裝永久使用的大型隧道風機，供機電安裝期間使用，可以有效節省投資，也可以改善該期間的惡劣空氣環境。

通過該抽水蓄能工程的實踐可知，提前使用永久風機存在招標采購時間矛盾、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的大風機是按照永久期的工況選用的，主要是為滿足全廠的新風換氣和事故排煙需求。相對于施工期，風量偏小，一般僅為地下三大洞室2 h-1換氣次數的風量，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，利用洞室進行施工期排風，氣流短路現象嚴重，施工運輸通道和排風通道的矛盾也影響排風效果。

如何充分利用永久通風系統也是在設計初期就應該加以充分考慮的。另外，永久通風系統在施工期間的運行維護管理也應同時進行。施工期間的空氣煙霧、塵埃與正常通風情況下有很大的差別，對永久通風系統的通風設備、閥門和消聲器的微孔板的破壞、損傷較大，應考慮永久通風設備的維護，或者過了施工期再進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，嘗試在廠房的排風系統中設置一套智能控制系統(由污染物探測器、傳感器和系統控制器組成)，用于監測空氣質量，為后續的施工通風自動控制做好基礎工作。

針對施工期的抽水蓄能電站惡劣的空氣環境，開發了一套適用于復雜情況下的空氣環境監測系統。該監測系統根據國家相關標準確立系統采樣的對象類型和設備要求，采用無線通訊原理實現多種傳感器的數據遠程無線傳輸與處理，基于監測點的可靠性原則進行安裝，通過與監測數據的對比，推導得到監測數據與距離的關系，可用于推算污染源附近的有毒有害氣體濃度。

現場采用自動記錄儀器進行有毒有害氣體的監測，主要監測對象包括：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種監測對象均采用對應的傳感器自動檢測，檢測數據通過電纜傳輸到存儲器。

同時測定幾個主要洞室的風速、溫度和濕度。測試數據表明：風機運行時，進廠交通洞的風速為3.2 m/s，主廠房發電機層的平均風速約為0.60 m/s；夏季溫度約為23～26 ℃，相對濕度約為78%～85%；通風兼安全洞的排風溫度約為28～31 ℃。

主廠房進出口CO2測試結果如圖3所示，圖中測點A為地下廠房排風口，B為交通洞進風口。

圖3 主廠房CO2質量分數變化趨勢

監測系統應覆蓋地下廠房所有施工階段和區域，以滿足抽水蓄能電站施工現場空氣質量監測要求，有效提高施工作業安全管理水平，為施工現場空氣環境治理提供參考依據，降低作業人員安全風險。

6 解決方案

應對地下廠房施工期間的臨時通風進行專項設計，專項設計應充分考慮主廠房、主變洞室排風洞和通風兼安全洞的臨時隔斷、臨時風道等。可以采取以下具體措施：

1) 在安裝機電設備的前期(焊接第1臺蝸殼開始)，可以在主副廠房與通風兼安全洞部位設置2～3臺對旋排風機和排風布風管，在主變洞端頭主變排風道部位設置1～2臺對旋排風機和排風布風管，直至排風豎井處。風機風量和軟風管布置由施工專業確定。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，排風通道被擋，這時主廠房網架通常已經形成，網架上部的通風、排煙風管(一般斷面尺寸在1 400 mm×1 400 mm以上)也已安裝完成，可以將排風機與上述3根風管連接，利用網架頂部風口繼續為主廠房排風。此時，應注意土建及網架和風管的安裝時間節點，風管的采購和安裝應及時跟上施工進度，同時利用尾水施工洞進風將底部蝸殼焊接的煙霧帶出，形成下進上排的氣流。

3) 施工后期，要注意施工期通風與永久期通風設備的轉換對接，既不影響廠房空氣質量，又兼顧永久期設備的安裝，主要表現在副廠房頂層組合式空調機組、主廠房排煙系統與施工通風機的轉換施工對接。

4) 對施工期轉換永久期的時間節點應事先規劃，做好先前使用設備管路、風口的清潔工作，避免后期再返工清掃[4]。

7 結論

1) 地下廠房永久階段通風采用的隧道通風機和施工期間通風采用的對旋風機型式、結構、參數都不同，前者采用大風量、小壓頭的風機，后者剛好相反，采用小風量、大壓頭的風機，因此，風機不可相互替代。

2) 施工期，地下廠房所需風量、通風路徑、通風形式是動態變化的，應根據不同階段設計。

3) 施工期所用對旋風機，從風機型式、結構、風量、風壓和功率等參數來看，都不適合用于機電安裝期的通風系統。

4) 地下廠房永久通風系統所用風機的風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，可根據需要設置必要的局部通風設施，同時應設置局部除濕設備，保證電氣設備室的溫濕度滿足設備調試和運行要求。