抽水蓄能电站竖井专用提升机设计与应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER87第 40卷第 1期0 引言传统竖井施工提升系统布置采用矿用绞车组建，如厄瓜多尔辛克雷水电站压力管道竖井深527 m，采用矿用提升绞车组建提升系统1包括绞车室、天轮平台、封口盘、吊盘、绞车等组成，从技术源头上保证了安全2。梅蓄引水竖井井深 219.635 m，采用矿用绞车、井架、载人吊笼提升系统3，进行小反铲和人员上下运输。梅蓄电缆竖井井深 232.95 m，采用以汽车吊为核心，绞车、吊篮、载人吊笼、井架等多种提升方式，改进人员上下竖井起吊系统4，降低了施工干扰和安全风险。江西洪屏抽水蓄能电站引水下竖井深 295 m，载人提升系统5由绞车、卷扬机、滑轮、矿用立井罐笼、防坠器等组成，通过安全装置，保证了载人吊笼系统平稳安全运行。抽水蓄能电站竖井施工垂直运输提升系统传统布置包括：竖井井口布置施工平台、井架、吊笼、提升设备、牵引钢丝绳、转向滑轮等提升系统和相关附属设施，通常存在布置复杂、占据空间大6、施工干扰大、布置困难、施工工序多、周期长等抽水蓄能电站竖井专用提升机设计与应用薛小伟（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明650041）摘要：随着抽水蓄能电站的蓬勃发展，将会面临越来越多的竖井施工，而竖井历来是抽水蓄能电站的高风险施工项目，传统竖井施工提升系统存在布置占地多、系统布置复杂、施工干扰大、维护保养难度大、安拆周期长、灵活性不够等问题，为解决这些问题，针对竖井施工提升设备进行专门研究，通过技术革新，采用专用提升机作为竖井垂直运输提升系统设备，安拆简便、方便操作、系统集成化、智能化程度高，安全可靠，保证了施工质量、安全，大大提高了施工效率。关键词：竖井；专用提升机；抽水蓄能电站；施工效率中图分类号：TV743文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)01-0087-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.01.021Design and Application of A Dedicated Vertical Shaft Hoist for Pumped Storage Power StationXUE Xiaowei(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:With the vigorous development of pumped storage power stations,they will face more and more vertical shaft construction.Vertical shafts have always been a high-risk construction project for pumped storage power stations.The traditional vertical shaft construction lifting system has problems such as large layout,complex system layout,large construction interference,difficult maintenance,long installation and dismantling cycle,and insufficient flexibility.To address these issues,this article conducts specialized research on vertical shaft construction lifting equipment.Through technological innovation,a dedicated hoist is adopted as the vertical transportation lifting system equipment for vertical shafts.It is easy to install and disassemble,easy to operate,highly integrated and intelligent,safe and reliable,ensuring construction quality and safety,and greatly improving construction efficiency.Keywords:vertical shaft;dedicated hoist;pumped storage power station收稿日期：2023-11-11作者简介：薛小伟（1980-），男，云南昆明人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工技术管理工作。*88云南水力发电2024 年第 1 期不利因素。结合浙江缙云抽水蓄能电站排风竖井施工提升系统设备选型、技术革新和现场应用，采用竖井专用提升机作为提升系统，进行人员、设备、材料、小型机具等垂直运输，竖井专用提升机由门架、大车运行机构、大车、小车、吊笼、电气系统等部件组成，具有占地面积小，集成化智能化程度高，安拆简便，采用遥控方式操作简单，设置了多重冗余安全装置，实现了竖井施工载人、载物系统独立设置，安全可靠，施工效率大大提高。1 概述1.1 工程概况缙云抽水蓄能电站工程属大（1）型一等工程，主要永久建筑物按 1 级建筑物设计，次要永久建筑物按 3 级建筑物设计。输水系统采用三洞六机、两级斜井式布置，共安装 6 台单机容量300 MW 的混流可逆式水轮发电机组，总装机容量1 800 MW。电站主要由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成。电站布置斜井 8 条，总长 2 829 m；竖井 20条，总长 1 276 m，其中，排风竖井最深，高度达182.895 m，竖井施工包括导井开挖、扩挖及支护、灌浆、混凝土衬砌，其施工难度大，运输、提升系统技术复杂，安全风险高，是施工的关键点。1.2 工程特性排风竖井位于 2 号施工支洞进洞口右侧上下库连接公路旁，井深 182.895 m，开挖断面为圆形，底部连接排风竖井下平洞，井口段及井内类围岩开挖断面为8.5 m，其余段开挖断面为7.5 m。排风竖井多位于地下水位以下，地下水为基岩裂隙水，活动性较弱。竖井岩性为粗粒钾长花岗岩，岩石弱风化微新，围岩以、类为主，局部、类开挖后及时喷锚支护。排风竖井井口段及类围岩采用喷锚支护形式，主要参数：挂网8150mm150mm，龙骨筋 C121.5m1.5m，喷 C30 混凝土厚 150mm，井口环向设一排锁口锚杆，C251m，L=6m，外扩角 10，系统锚杆 C251.2m1.2m，L=4.5m，入岩 4m，排水孔503m6m，L=5m，上倾角10，孔口内插40mm，L=2mPE 排水花管，排水花管管身和内端头用 400 g/m2土工布包裹，井口段 10 m 采用钢筋混凝土衬砌，厚度为 50 cm。排风竖井、类围岩采用喷锚支护形式，主要参数：挂网8150mm150mm，龙骨筋C121.5m1.5m，喷 C30 混凝土厚 150mm，系统锚杆 C221.5m1.5m，L=3m，入岩 2.9m，排水孔503m6m，L=3m，上倾角 10，孔口内插40mm，L=2mPE 排水花管，排水花管管身和内端头用 400g/m2土工布包裹。2 提升系统布置方案比选2.1 绞车+卷扬机布置（方案一）竖井施工采用 2 套提升系统，1 套为吊笼提升系统，采用 1 台 10 T 双筒绞车作为牵引装置，以满足人员、材料及小型工器具垂直运输需要；另 1套为井盖提升系统，采用 1 台 10 T 变频卷扬机作为牵引装置，主要用于提升导井安全防护井盖及兼做吊笼稳绳。提升系统布置见图 1、图 2。为保证吊笼安全，在吊笼顶部平衡轮处布置两根安全绳，每根安全绳一端固定在吊笼顶部，另一端采用绳卡与提升钢丝绳固定，每根安全绳留 50 cm 长的裕量以调节两个卷筒因缠绕钢丝绳时的不同步而导致的吊笼倾斜。图 1提升系统平面布置图（方案一）2.2 竖井专用提升机布置（方案二）竖井施工采用井口布置的竖井专用提升机作为提升系统，提升机通过地面铺设轨道行走，采用遥控操作。提升机配有 3T、10T 运行小车，通过 3T 小车牵引吊笼运输人员，10T 小车牵引井盖运输材料上下。竖井专用提升机总图见图 3，竖井薛小伟 抽水蓄能电站竖井专用提升机设计与应用89专用提升机轨道基础结构见图 4。2.3 方案比选采用竖井专用提升机较传统卷扬机+绞车布置形式优点主要为占地面积小、施工布置紧凑，场地空间开阔便于材料、设备运输和通行，设备操作人员减少，确保施工人员上下安全，改善竖井施工条件，施工效率大大提高，实现了“机械化代人、自动化减人、智能化无人”理念，设备先进可靠，集成化、智能化程度高，采用遥控操作简便，推动了新工艺、新设备应用；缺点主要为竖井专用提升机为定制设备，单套设备成本略高、采购周期较长。综合上述分析，最终确定竖井施工采用竖井专用提升机作为人员、材料等垂直运输提升系统的方案，即方案二。3 竖井专用提升机设计与应用3.1 总体布置综合考虑竖井井深、断面、开挖支护方法、井口布置条件及安全文明标准化要求等，确定竖井专用提升机跨度、额定起重量、主副钩起升高度、运行速度、轮压、钢丝绳等参数。竖井专用提升机布置于排风竖井井口，采用地面铺设轨道满足大车行走，具体详见“2.2 竖井专用提升机布置（方案二）”。竖井施工期间 3t运行小车牵引吊笼运送人员上下进行作业，10t 运行小车牵引井盖主要运输小反铲扒渣以及施工材料等，运输过程中禁止人、料混载。在排风竖井井口附近布置 1 台 250kW 柴油发电机作为应急备用电源。3.2 竖井专用提升机设计竖井专用提升机由门架、3T 小车、10T 小车、大车运行机构、吊笼、平台栏杆、电气系统、限位装置等部件组成7。室外工作还设有夹轨器、起重量限制装置、各机构的限位装置以及根据起重机安全规程所规定的各种安全保护装置。必要时设置锚定装置、防风拉索、风速/风向仪、纠偏装置等。竖井专用提升机采用 ME10+3 T-13 m 门式起重机，额定起重量（主/副）为 10 T+3 T，跨度为13 m，整机工作级别为 A5，具体参数见表 1，可以满足竖井施工载人、载物需要。?图 2 提升系统布置剖视图（方案一）mm?图 3 竖井专用提升机总图（方案二）?（b）轨道断面图图 4 竖井专用提升机轨道基础图cm（a）轨道平面图?90云南水力发电2024 年第 1 期3.2.1 门架门架钢结构主要由主梁、支腿、下横梁、端梁、马鞍、小车运行轨道等组成，通过高强度螺栓连接。3.2.2 大车运行机构大车运行机构采用分别驱动形式，由电动机、制动器、减速机、车轮组、传动轴和联轴器等组成。3.2.3 小车小车由两套（主、副起升）起升机构、小车运行机构和小车架等组成。主小车（10 T小车）：起升卷筒采用多层折线结构，设置双工作制动器和超速、限位保护等装置，满足工作级别高、下绳尺寸小、容绳量大的特殊要求，并有效避免钢丝绳跳绳、乱绳、咬绳现象；3 T 载人小车：载人起升小车于台车架中部及左端移动，方便载人吊笼在竖井井口升降。3.2.4 钢丝绳计算单根钢丝绳的拉力：式中：Q起升荷载+钢丝绳重量，Q=34 kN；z双联卷筒，z=2；m滑轮组倍率，m=2。选钢丝绳型号为：11-ZAB24WXK7+IWRC2160（最小破断力 117 kN，60 kg/100 m）钢丝绳安全系数：式中：n钢丝绳安全系数，n=12；结论：满足要求。水电水利工程竖井斜井施工规范8中竖井施工用专用设备和设施中人员升降允许采用施工吊笼，在表 3.4.6 中对提升人员专用钢丝绳安全系数要求 9，吊笼钢丝绳安全系数为 13.6，满足使用要求；按照电梯制造与安装安全规范9中对于卷筒驱动的强制式电梯钢丝绳的安全系数不小于 12，吊笼钢丝绳安全系数为 13.6，满足使用要求。3.2.5 安装、调试及荷载试验竖井专用提升机轨道安装、校正后，进行支腿、主梁、小车吊装，然后进行平台、栏杆、限位安全防护装置安装，最后进行电气设备安装和调试。起重机的运转试验，是新安装架设的起重机所必须进行的检验项目。为保障运转试验安全、顺利地进行，试验前必须对起重设备进行认真检查，并为试验做好充分准备。检查内容包括金属结构连接、钢丝绳缠绕、绝缘电阻、减速器润滑、杂物清理、配重、试验人员到位情况、试验条件等。运转试验包括无负荷试验和负荷试验。负荷试验包括 1.25 倍额定负荷静载试验和 1.1 倍额定负荷动载试验。起重机负荷试验后，安装单位填写自检报告，申请技术监督部门进行检测验收，合格后交付使用。3.2.6 安全保障措施整机控制系统采用编程控制器（PLC）进行控制，对各机构变频器实现调速控制，检测变频器运行状态和故障信息。操作方式为无线遥控+柜控的方式。无线遥控操作为常规操作方式，柜控为应急操作方式，可以通过柜门上的按钮直接驱动变频器上升与下降。载人吊笼内另外设置急停以及升降按钮，以备吊笼内工作人员操作。吊笼内升降操作与地面遥控及柜控操作有安全互锁，不允许同时操作。机械、电气安全保护装置如下：起升机构表 1设备参数表项目机构名称起升机构项目机构名称运行机构主小车副小车10T 小车3T 小车大车起重量/t103（含吊笼）轨距/m13起升速度/（m/min）0 10（满载）/20（空载）3 30起升速度/m/min2.6 262 204 40工作级别M5M4M5M4M4最大起升高度/m5.5+183183.5最大轮压/kN185各机构电动机功率之和/kW60钢轨型号43kg/m电源三相交流 380V 50Hz薛小伟 抽水蓄能电站竖井专用提升机设计与应用91采用双卷筒、双绳系冗余设计，且设有钢丝绳应力释放器，绳系一用一备，且采用安全系数达 13倍的钢丝绳，确保人员安全；起升双绳系机构采用齿轮传动，保证两卷筒同步；起升机构采用电气制动+双工作制动形式+卷筒低速安全制动器的三级安全制动，提高了安全保障；具有超速、超载、超行程保护，载人吊笼设置 4 套重锤触底限位，可实现预减速和停止功能；吊笼滑轮组设置了弹簧缓冲减震装置，确保载人舒适性；吊笼内设置急停控制功能，以方便人员在井内发现危险或不可控情况时能及时停止动作；为保证吊笼与门吊间的信号数据稳定传输，特采用了意大利 IMT 无线传输装置，可实现竖井内信号连续稳定传输，最大传输距离 1 000 m；吊笼内设有一用一备便携式不间断蓄电池。人员可在吊笼内通过无线遥控器实现升降功能；为充分考虑机构卷扬高度大，运行时间长，起升电动机配带独立风机；起升机构为考虑工况安装有高度仪，能传输实时位置；起升设有超速保护，上下终点限位和预限位，当预限位动作时，速度被限制到额定速度的 10%，机构仍可反向全速运行；起升机构设荷载限制器，并配套数字式开度荷重测控仪，具有称重显示、声光报警、超载控制等功能；起重机电气部分装设缺相保护、错相保护、零位保护、欠压和过压保护、短路保护、过流保护、接地保护等电气保护，保证起重机能在安全状态下稳定工作。3.3 竖井专用提升机应用排风竖井井深 182.895 m，竖井反井钻完成导井后，竖井扩挖支护历时2个多月完成，载人吊笼、大车运行平稳、安全可靠，设备故障率低，从井口至井底约需 6 8 min，人员上下施工效率大大提高，过程中未发生安全、质量事故，该部位作为安全文明标准化工点之一，得到了参建各方的一致认可。4 结束语浙江缙云抽水蓄能电站排风竖井开挖支护的顺利实施完成，关键核心在于为保障施工人员安全专门设计生产的具有多重保护功能的竖井专用提升机，其配有竖井无线信号传输功能、载人吊笼触底保护功能和变频控制；具有断轴、断绳保护功能，多级制动、防坠保护、限速、超载保护、误操作保护等多重保护功能，起升机构采用双卷筒、双绳系冗余设计，且设有钢丝绳应力释放器，绳系一用一备，采用安全系数达 13 倍的钢丝绳，确保人员上下安全；起升双绳系机构采用齿轮传动，保证两卷筒同步。目前已获得实用新型专利 1 项-一种竖井施工提升设备10，竖井专用提升机以其安全可靠、操作简便、机械化程度高等特点为抽水蓄能电站机械化施工、标准化布置提供了示范。建议后续露天或洞内竖井施工可以考虑采用竖井专用提升机作为提升系统，在设计阶段考虑竖井直径、井深尽量统一，以便提高专用设备利用率。参考文献：1杨春雷,吴兴万.超深竖井施工提升系统的设计与应用J.云南水力发电，2014,30（5）:89-92.2袁金明,杨春雷.厄瓜多尔 CCS 水电站竖井施工安全技术J.云南水力发电，2022,38（7）:119-123.3张国红,毕晓伟,杨振生.小型反铲在梅蓄电站引水上竖井扒渣过程中的应用J.云南水力发电，2021,37（10）:135-138.4 刘芳明,蒋漫.抽水蓄能电站深竖井预制件快速吊装施工技术 J.云南水力发电，2022,38（10）:111-115.5陈博.抽水蓄能电站竖井压力钢管安装技术J.东北水利水电，2016,34（2）:17-19.6刘亚军,昌国锴,赵玉超.改良绞车牵引系统在深圳抽水蓄能电站斜井施工中的应用J.水力发电，2021,47（2）:51-53.7齐磊,方善新,王涛;载人提升系统在白鹤滩水电站竖井施工中的应用J.四川水利发电，2020,39（5）:57-60.8DL/T 5407-2019 水电水利工程竖井斜井施工规范S.9GB/T 7588.1-2020 电梯制造与安装安全规范 S.10一种竖井施工提升设备P,中国专利：ZL 2022 2 1416148.X.2022-12-02.