大型抽水蓄能电站地下厂房施工期通风研究

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 林志勇

三峡机电工程技术有限公司 李国亚

1 工程概况

某大型抽水蓄能电站位于南方沿海地区，电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成，共布置6台300 MW可逆式水泵水轮机组。电站在电网中主要承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。

地下厂房洞群由三大洞室(主副厂房洞、主变洞、尾水闸门洞)及母线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、主变排风洞、500 kV电缆出线洞和排风竖井等附属洞室组成。

地下厂房主要洞群中，主副厂房洞开挖尺寸约为210.0 m×24.5 m×53.4 m(长×宽×高)、主变洞开挖尺寸为213.0 m×19.0 m×22.2 m(长×宽×高)、尾水闸门洞开挖尺寸为175.0 m×7.8 m×19.7 m(长×宽×高)；进厂交通洞与安装场端部相连，长约1 677 m；通风兼安全洞与副厂房连接，长1 150 m；排风竖井位于通风兼安全洞端部，竖井直径7.7 m，高约180 m。

2 施工期通风介绍

2.1 第一阶段

第一阶段指洞室的独头掘进阶段。在洞室(如进厂交通洞、通风兼安全洞、施工洞等)的初期开挖进尺过程中，基本上采用独头掘进，长度为几百m至2 000 m左右。目前，国内外的独头开挖施工通风基本上均采用压入式通风，通过设置在洞口的高压对旋轴流式风机和布风管，将新鲜空气压入施工工作面，保证工作面的环境卫生要求，消除爆破、开挖、装载过程中产生的炮烟和粉尘。

通过压入式通风方式，将污染空气通过长洞室由洞口排出。目前，交通洞和施工兼安全洞的断面尺寸基本上为7.5 m×7.5 m左右，施工通风量为2 000 m3/min左右。

2.2 第二阶段

第二阶段为电站地下三大洞室的开挖阶段。这时一些通向外部的洞室(如进厂交通洞、通风兼安全洞、排风竖井等)已经挖成，开始分层开挖主厂房洞、主变洞和尾水闸门洞等。这个阶段是一个大断面的动态开挖过程，在开挖的不同阶段，不同的洞室相互贯通，运输通道不断改变，施工通风的主要目的是尽快排除开挖过程中产生的炮烟和开挖转载过程中产生的大量粉尘和施工机械产生的热量，施工通风应尽可能利用开挖完成的洞室形成直流回路。可充分利用自然通风，部分时段进行局部机械通风，优化气流组织，保证开挖进度和工期不受通风因素的影响[1]。

2.3 第三阶段

第三阶段是指从地下厂房土建开挖完成，不再放炮开始算起，到工程永久通风空调系统设备投入运行这段时间。

该阶段施工通风主要目的是满足地下厂房内设备安装时的焊接烟雾、金属构件打磨产生的金属粉尘、土建围护结构浇筑散湿、土建装修粉尘的排除，满足机电设备的安装调试环境要求和安装调试人员的劳动卫生与健康要求。

在建设安装期间，蜗壳打磨、焊接，钢筋焊接的烟雾量较大，水轮机设备打磨除锈产生的尘埃比较多，主副厂房二期混凝土浇筑及装修工程的散湿量较大，造成厂房环境烟雾聚集，热湿环境差，不能满足机电设备环境要求和安装、调试人员的劳动卫生要求。

2.4 整个施工期间通风

由于地下厂房的特殊地理环境，在整个施工期间地下厂房的潮湿对机电设备安装、调试的影响也应充分加以重视。这部分空气中的水分，主要来源于围护结构的浇筑、岩石的渗透和二次装修的散湿。

根据影响地下厂房施工空气环境因素的类别，制定相应的防范和治理措施：对于有毒有害气体，可以从源头预防、实时监测和降低浓度3个方面着手；对于热湿环境，需要根据电站施工环境的实际情况，灵活采用(自然、机械)通风除湿、冷却除湿、吸附除湿、吸收除湿、热泵除湿等除湿技术。

3 地下厂房通风系统布置

根据电站枢纽布置和各洞室及通风道的高程分布情况，为形成良好的进排风气流，遵循空气和烟气的流动规律，将抽水蓄能地下厂房通风系统交通洞作为主厂房和主变洞的主进风道，将通风兼安全洞的进风道作为主厂房和副厂房的进风道，将通风兼安全洞的排风道(局部)和排风竖井作为主厂房(大部)、副厂房和主变洞的主排风道(井)，将500 kV出线斜井作为主变室GIS层和主变洞的部分排风道。整个地下厂房形成两进两排的通风模式，空气流程如图1所示。

图1 地下厂房主要洞群空气流程示意图

4 机电安装期与永久期通风系统的结合

4.1 机电安装期主要污染源分析

机电安装期间，主要的空气污染源有：各种焊接烟雾、金属打磨产生的粉尘、建筑装修时切割建筑材料产生的粉尘及油雾等。

电弧焊接时，在电弧高温作用下，药皮首先熔融，组成药皮的稳弧剂、还原剂、造渣剂及造气剂、合金剂、胶粘剂、稀渣剂、增塑剂等，大部分变为焊接烟尘，其粒径为0.10～1.25 μm。焊接烟尘成分主要为MnO2、Fe2O3与有害气体CO、NOx、O3[2]。

水轮机各部件安装期间打磨采用金刚砂轮和布轮，在高速磨削过程中产生砂尘、金属粉尘、棉粉尘和异味废气(摩擦高温时产生)。

建筑装修期间，建筑材料搬运中产生的水泥、砂石粉尘，地砖、瓷砖切割过程产生的粉尘。

这些污染物对施工人员的健康会产生不良影响，导致尘肺、锰中毒、氟中毒、金属烟热及电光性眼炎等。医学临床表现为咳嗽、咯痰、胸闷、气短甚至咯血。

4.2 永久通风设备及布置

在永久通风系统中，地下厂房的主排风机房布置了3台大型隧道轴流风机(DTF-2000-8P型，风量4 160 m3/min，全压800 Pa，功率75 kW)作为地下厂房的主要排风设备，在机电安装期也可以作为地下厂房通风换气的主要设备。排风机房布置如图2所示。

图2 排风机房布置示意图

4.3 运行中存在的主要问题

以往抽水蓄能工程的习惯做法为：地下厂房及尾水系统工程标承包人移交厂房工作面后，原有通风系统继续运行，平均每天6 h。机电安装期可根据施工需要设置地下工程施工通风系统，施工通风应保证环境温湿度满足机电设备安装和人员健康卫生要求。即机电安装期间由原土建承包商利用原通风系统来保证厂房内的空气环境。根据笔者对几个在建抽水蓄能施工现场的调研和测试，在这个阶段，厂房通风仍然采用隧道开挖时的对旋风机和帆布风管送风，其2 000 m3/min的风量太少，地下厂房约4 h换气一次，无法改善厂房的空气环境。

4.4 对主要问题的分析

对旋多级串联风机由2台或2台以上相同型号的风机(配用电动机、叶片数、安装角度相同或不同)串联在一起，一、二级叶轮紧密地排列在一起，叶轮之间运转方向相反，第一级叶轮中气流旋转方向与第二级叶轮中气流旋转方向相反，从而使气流尽可能沿轴向流出。因此，对旋两级串联运行的风机所产生的总风压大于2倍单级风机风压。对旋风机是一种特殊的轴流风机，主要用于公路、铁路及地下工程等隧道的独头施工或需强制通风的场所中。

对旋风机具有以下特点：

1) 流量大、压力高。对旋风机兼有轴流风机流量大和离心风机压力高的特点。对旋风机的性能曲线较陡，适合管网阻力改变而流量变化很小的系统。

2) 对旋风机的两级叶轮紧密地布置在一起，具有结构紧凑、轴向尺寸小的特点。

3) 对旋风机具有效率高的优点。风机的全压效率一般在80%以上。

4) 结构可靠、轻便、合理，易拆、易装，方便用户维护保养。

而永久通风采用的是地铁隧道风机，地铁隧道风机叶轮部件由动片、叶轮轮毂等组成。其中，轮毂采用整体铝合金低压浇铸结构，以减小叶轮的转动惯量。轮毂在数控加工中心加工，保证风机叶片安装孔的分度精度，减小叶轮的初始不平衡量，从而为叶轮达到较高的动平衡精度提供保障。叶片材料为高强度铸铝合金，采用高压浇铸，并经过特殊热处理工艺，具有良好的机械性能和使用安全系数。

地铁隧道风机具有以下特点：

1) 地铁隧道风机大流量、低动压，静压与动压之比可以达到75%以上，有利于降低风速，提高静压，降低电动机的能耗。

2) 地铁隧道风机均采用电动机直联方式，高效、维护方便。风机配置有防喘振装置，风机振动小。

3) 风机结构紧凑，风机静叶设计能缩短风机外壳的长度，风机的叶片、轮毂采用铝合金材料，具有很强的抗腐蚀性，经久耐用。

4) 运用先进的航空航天气动设计技术，降低风机气动噪声，最大限度地减小风机叶片顶尖和根部的涡流损失。

对旋风机一般用于施工通风的第一阶段和第二阶段初期，隧道风机用于第二阶段后期和第三阶段，原因是各阶段的通风路径不同，后期可以利用洞室大断面通风的，优先采用洞室通风。

因此，在机电安装期间，应尽可能提早使用永久通风的直流通风系统，利用洞室全断面进风，减小通风阻力，利用隧道风机的大风量特点，基本可以达到约1 h-1的换气次数，从而有效地改善地下厂房施工环境。

许多项目的排风竖井被认为具有烟囱效应，可以利用自然通风达到地下厂房排风的目的。经过分析、研究，笔者认识到，地下厂房的自然通风效应主要是由洞室网络内的热量和温度分布不均产生的热压引起的[3]。施工期间，地下厂房内并无明显的发热量，因此热压有限，自然通风的效果也非常有限，无法满足地下厂房排除有害气体的要求，特别是机电安装后期，建筑分隔完毕后，通风阻力增大，无法组织有效气流，自然通风效果更差。

采用永久通风设备进行安装期通风，在施工前期蜗壳安装和焊接期间，由于蜗壳焊接烟雾太大，同时蜗壳层在主厂房的底部，高程较低，烟雾不易通过上部排风排除，需要在蜗壳打磨和焊接现场增设局部通风机或配备固定式焊接烟尘净化器，满足工位的劳动安全卫生标准。

提前安装永久使用的大型隧道风机，供机电安装期间使用，可以有效节省投资，也可以改善该期间的恶劣空气环境。

通过该抽水蓄能工程的实践可知，提前使用永久风机存在招标采购时间矛盾、实际操作困难、使用效果不是很理想等问题。主要原因为：永久使用的全厂排风的大风机是按照永久期的工况选用的，主要是为满足全厂的新风换气和事故排烟需求。相对于施工期，风量偏小，一般仅为地下三大洞室2 h-1换气次数的风量，在施工高峰期，不能完全满足排除焊接烟雾和装修粉尘的需要。同时，利用洞室进行施工期排风，气流短路现象严重，施工运输通道和排风通道的矛盾也影响排风效果。

如何充分利用永久通风系统也是在设计初期就应该加以充分考虑的。另外，永久通风系统在施工期间的运行维护管理也应同时进行。施工期间的空气烟雾、尘埃与正常通风情况下有很大的差别，对永久通风系统的通风设备、阀门和消声器的微孔板的破坏、损伤较大，应考虑永久通风设备的维护，或者过了施工期再进行消声器等的二次安装工作。

5 测量与控制

由于施工期空气中污染物变化频繁，为减少控制工作量，提高效率，在施工期第二和第三阶段，尝试在厂房的排风系统中设置一套智能控制系统(由污染物探测器、传感器和系统控制器组成)，用于监测空气质量，为后续的施工通风自动控制做好基础工作。

针对施工期的抽水蓄能电站恶劣的空气环境，开发了一套适用于复杂情况下的空气环境监测系统。该监测系统根据国家相关标准确立系统采样的对象类型和设备要求，采用无线通讯原理实现多种传感器的数据远程无线传输与处理，基于监测点的可靠性原则进行安装，通过与监测数据的对比，推导得到监测数据与距离的关系，可用于推算污染源附近的有毒有害气体浓度。

现场采用自动记录仪器进行有毒有害气体的监测，主要监测对象包括：二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、硫化氢(H2S)、二氧化氮(NO2)、甲烷(CH4)与可吸入颗粒物(PM10)。8种监测对象均采用对应的传感器自动检测，检测数据通过电缆传输到存储器。

同时测定几个主要洞室的风速、温度和湿度。测试数据表明：风机运行时，进厂交通洞的风速为3.2 m/s，主厂房发电机层的平均风速约为0.60 m/s；夏季温度约为23～26 ℃，相对湿度约为78%～85%；通风兼安全洞的排风温度约为28～31 ℃。

主厂房进出口CO2测试结果如图3所示，图中测点A为地下厂房排风口，B为交通洞进风口。

图3 主厂房CO2质量分数变化趋势

监测系统应覆盖地下厂房所有施工阶段和区域，以满足抽水蓄能电站施工现场空气质量监测要求，有效提高施工作业安全管理水平，为施工现场空气环境治理提供参考依据，降低作业人员安全风险。

6 解决方案

应对地下厂房施工期间的临时通风进行专项设计，专项设计应充分考虑主厂房、主变洞室排风洞和通风兼安全洞的临时隔断、临时风道等。可以采取以下具体措施：

1) 在安装机电设备的前期(焊接第1台蜗壳开始)，可以在主副厂房与通风兼安全洞部位设置2～3台对旋排风机和排风布风管，在主变洞端头主变排风道部位设置1～2台对旋排风机和排风布风管，直至排风竖井处。风机风量和软风管布置由施工专业确定。这样可以保证主厂房和主变洞污浊空气的排除。

2) 副厂房浇筑、砖墙砌筑完成后，排风通道被挡，这时主厂房网架通常已经形成，网架上部的通风、排烟风管(一般断面尺寸在1 400 mm×1 400 mm以上)也已安装完成，可以将排风机与上述3根风管连接，利用网架顶部风口继续为主厂房排风。此时，应注意土建及网架和风管的安装时间节点，风管的采购和安装应及时跟上施工进度，同时利用尾水施工洞进风将底部蜗壳焊接的烟雾带出，形成下进上排的气流。

3) 施工后期，要注意施工期通风与永久期通风设备的转换对接，既不影响厂房空气质量，又兼顾永久期设备的安装，主要表现在副厂房顶层组合式空调机组、主厂房排烟系统与施工通风机的转换施工对接。

4) 对施工期转换永久期的时间节点应事先规划，做好先前使用设备管路、风口的清洁工作，避免后期再返工清扫[4]。

7 结论

1) 地下厂房永久阶段通风采用的隧道通风机和施工期间通风采用的对旋风机型式、结构、参数都不同，前者采用大风量、小压头的风机，后者刚好相反，采用小风量、大压头的风机，因此，风机不可相互替代。

2) 施工期，地下厂房所需风量、通风路径、通风形式是动态变化的，应根据不同阶段设计。

3) 施工期所用对旋风机，从风机型式、结构、风量、风压和功率等参数来看，都不适合用于机电安装期的通风系统。

4) 地下厂房永久通风系统所用风机的风量不能完全满足机电安装全寿命周期使用。

5) 机电安装前期应注意全厂气流组织的流向，采取必要的临时措施，防止局部气流短路。

6) 机电安装期，可根据需要设置必要的局部通风设施，同时应设置局部除湿设备，保证电气设备室的温湿度满足设备调试和运行要求。