大型火力发电厂2×900MW超临界机组土建施工成套技术研究与应用

大型火力发电厂2×900MW超临界机组土建施工成套技术研究与应用返回电力土建专委会根据中国电机工程学会电机学字[2003]20号转发"关于组织推荐2003年度中国电力科学技术奖励项目的通知"的函，征求主要会员单位意见，经主任委电讯联系商议，于28/4/2003推荐上海电力建筑工程公司完成的"大型火力发电厂2×900MW超临界机组土建施工成套技术研究与应用"，上报到总会参评中国电力科学技术奖。该项目主要由上海电力建筑工程公司于1999.10-2003.4完成，华东电力设计院和同济大学等单位也参加了该项目的研究工作。24/4/2003由上海市建委科学技术委员会和国电华东分公司组织鉴定。该成果是我国电力土建工程建设中宝贵的施工经验。现将项目基本情况介绍如下：一、科学技术研究内容1、防止桩位偏移控制技术外高桥电厂二期工程所处的地质条件极差，属沿海饱和软土地区，在锅炉岛、汽机岛区域②3灰色砂质粉土极易受到扰动而导致强度下降，极易出现桩体上浮和倾移，而③1灰色淤泥质粉质粘土是属于饱和软弱土最易造成打入桩产生偏位的土层。而桩基数量大、桩位密集，主厂房区域共有打入桩4988根，且基坑深、标高多都对如何有效防止桩位偏移带来了难度。本课题拟将上海地区对防桩位偏移的先进技术进行综合运用，因此将设计初期的桩型选择、桩基施工阶段的信息化监控手段、打桩流程、沉桩速率及后期的基坑围护设计、土方开挖进行了综合考虑，为此共采取以下技术措施：根据科学勘测的地质状态及试桩情况合理设计桩型、最佳桩基持力层以及沉桩停锤标准，并作经济上的比较，从而在主体工程区域最终选定SPφ750、SPφ609、PHCφ600三种桩型，持力层选择在⑧2土上，沉桩停锤标准为：总击数小于3500，贯入度小于30mm。合理安排打桩机械及施工流程，先施工挤土量较大的密集桩群和土方开挖较早的区域，并避免打关门桩，PHC桩背离钢管桩方向施工；同时为加快施工进度，根据监测数据实施了区域跳打的措施。增设塑料排水桩，消散由打桩引起的超孔隙水压力，使土体尽快固结恢复，对控制桩顶偏移起到了积极作用，同时缩短了静桩时间。对打桩全过程和打桩后的休止期实施跟踪监测，采用超孔隙水压力的观察、深层土体水平位移（钻孔测斜）观察、桩顶偏移观察、分层沉降观察，控制打桩速率和调整打桩顺序，并最终确定最佳的基坑开挖时间。制定科学合理的土方施工措施：易使周边桩基发生偏移的深基坑施工设计格栅式水泥土挡土墙围护，并采用分层开挖的方式；局部区域进行边坡的土方卸载来避免桩顶的位移；根据边坡土体侧向位移的观测数据来控制开挖速率；采取有效的降水措施避免基坑涌土以及由此带来的桩身倾斜。通过以上各方面技术措施的采用，本课题取得了圆满的成果：实测桩位偏移累计最大值（包括沉桩误差）为126.4mm，一般均控制在了100mm以内，从而确保了各桩位的最终受力达到设计要求，为有效控制诸如锅炉基础差异沉降提供了保障。由于采取了一系列措施，建立了科学的监测系统，合理地安排了打桩、静桩、开挖等各个环节，大大加快了施工进度，缩短了静桩时间，为后续施工创造了有利条件。获得了极为丰富的监测资料，为今后同类型工程的设计、施工提供了宝贵经验。由于考虑了桩基、下卧层与基础的关联作用，使基础工程的综合造价明显降低，同时采用沉桩工艺又节约了近6%的桩基造价。2、锅炉、汽机基础大体积混凝土裂缝控制技术外高桥电厂二期的土建工程共有五项大体积混凝土基础，分别为240m烟囱基础、#5、#6汽轮发电机基座、#5、#6锅炉基础，其中两个锅炉基础的单体混凝土方量为12750m3（C30R60，61m×47.5m×4.75m），为火力发电厂建设史上之最。超大体积混凝土基础的有害裂缝控制是土建施工领域的技术难题，本课题以外高桥电厂二期的五项大体积混凝土为载体，积累了我公司十多年来在大体积混凝土施工上的经验，深入研究大体积混凝土的受力特性、温度应力计算、混凝土配合比设计、水化热控制等理论，来指导现场施工。由于外高桥电厂二期的五项大体积混凝土工程均有其特殊性，一旦产生有害裂缝后果将不堪设想，为此在大体积混凝土施工上采取了多项措施：充分考虑桩基、下卧层及刚性基础的关联作用，合理确定基础板厚，在大体积基础不可避免的情况下，最大限度地减小板厚，在理论上减小混凝土方量；在施工及后期设备等安装许可的条件下，尽量利用混凝土后期强度，为合理的混凝土配合比设计创造条件；采用外掺粉煤灰及外加剂的"双掺"技术，优化混凝土配合比设计，减少水泥用量，以降低因水化热所引起的混凝土内外温差超标而产生的裂缝；采取大体积混凝土内部水化热温度测定手段，指导混凝土养护措施，控制内外温差，控制降温速率；合理配置温度钢筋，并研究温度钢筋对混凝土收缩所产生的有利效果，加密混凝土保护层处的配筋，控制表面裂缝产生；严密的施工组织，确保每次大体积混凝土浇灌一次成功。课题组经过大量的科学实验、调查研究及数据收集，在大体积混凝土裂缝控制技术方面得到进一步升华，主要取得了以下成绩：在锅炉基础设计方面，通过对厚板理论的分析研究，在控制沉降、合理确定板厚、优化混凝土强度等级及配筋率等方面进行了优化设计；锅炉基础的混凝土内外温差控制在了25℃以内；外高桥电厂二期的五项大体积混凝土工程均一次连续浇注施工，未产生任何有害裂缝，不仅取得了良好的经济效益、加快了工期，而且使基础的整体刚度有显著提高，有利于正常使用并提高了耐久性；建立了大体积混凝土裂缝控制的设计与施工制度，系统地总结了电力工程大体积混凝土施工技术，完成了六篇有关大体积混凝土施工的技术及工艺总结。将对今后我国大体积混凝土施工起到积极的指导作用；编制了《电力建设大体积混凝土裂缝控制施工技术》暂行规定的电力建设企业标准。3、240m烟囱钢内筒施工技术大型火力发电厂对大气环境的污染迫使烟囱高度从建国初期的60m发展到二十世纪八十年代的240m，同时由于烟气的过高温度使纯粹的混凝土烟囱产生内外温差所引起的裂缝，并且因为裂缝开展使钢筋受到腐蚀，严重影响了安全使用，因此从九十年代开始国内的大型火力发电厂烟囱采用了全新的模式：即由混凝土外筒承受荷载，在其内部按机组设置钢制排烟管，这样的方式正越来越多地被采用。通常钢制排烟管由耐露点硫酸腐蚀、耐高温的特殊材料制造（或采用耐腐蚀内衬），并可以确保正常使用五十年从而很好地解决了困扰烟囱正常使用的难题。我公司在九十年代初的华能石洞口第二发电厂接触到了国内第一座钢内筒形式的烟囱，截止目前又先后成了外高桥电厂一期、吴泾电厂八期、新加坡大士电厂、外高桥电厂二期共五座（12座钢内筒、4种直径）钢内筒烟囱的施工，均运用液压顶升的技术取得了成功。3.1液压顶升技术的原理及特点我公司与同济大学共同开发的钢内筒液压顶升技术采用了三台300吨级的液压缸作为原驱动力，最大顶升荷载900t，液压缸分别在三根开口钢立柱内爬升，再利用环型钢箱梁托住钢内筒实施顶升的过程。三根立柱高36m，布置混凝土烟囱内部基础上，液压缸爬升的最大有效行程为35.535m，一座240m钢内筒一般需要7-8次循环的爬升即可完成。该设备设有自动、程序、手动三种操纵模式，三台液压缸爬升时的差异误差小于1mm，具有极其安全、平稳的优点。3.2钢内筒烟囱液压顶升成套技术的研究钢内筒烟囱制作工艺研究，并主要涉及特种耐腐蚀材料的焊接材料试制、焊接工艺开发两大方面，截止目前我公司共开发应用了SMA41A、10CrMnCu、NS1-2三种不同材料的配套焊接材料及工艺；液压顶升设备的设计、制造以及不断的技术改进；液压顶升施工成套技术的研究，主要包括设备安装与调试、顶升过程中钢内筒晃动的控制技术、垂直度控制技术以及相配套的一系列施工用标准设施的设计制作。所取得的成就填补了国内在该领域施工技术上的空白，顺利完成了5座（12根）钢内筒烟囱的施工；在设备上完成了多次技术革新，使液压顶升技术更安全、更可靠，有进一步推广应用的价值；完成了钢内筒烟囱施工成套技术总结，为国内今后同类型工程施工提供了宝贵的借鉴资料；编制了《集束式钢内筒烟囱液压顶升法施工技术规程》的电力建设企业标准。4、主厂房钢结构设计、制造、安装施工技术外高桥电厂二期工程#5、#6机组主体厂房系统主要有汽机房、除氧间、煤仓间、集控楼、锅炉房五大部分组成。汽机房是电厂心脏设备-汽轮机及发电机的所在地，跨度34m，高43.5m，布置有230t桥式行车两台；除氧间的34m层布置有重达200t的除氧器及水箱；煤仓间的每台机组各布置巨型钢煤斗六台；集控楼则是电厂的神经中枢区域，所有自动控制的命令来自于中央控制室；锅炉房则是电厂的标志，外高桥电厂二期工程采用了塔式锅炉，高度达114.5m，冲击汽轮机的超临界高温蒸汽每小时2577t的额定输出才能使发电机达到900MW的满负荷功率。巨大的火力发电厂主体集高科技设备、尖端控制技术及钢结构于一体，而设备与结构的融合使其成为工业建筑的典范之一，如何使成千上万台设备高效运行，结构安装的精确度是基础，而电厂各组成部分的单体在结构形式上迥然不同，同时在设计理念、结构形成后的受力上均不同于一般工业厂房，构件类型与节点形式极其复杂，钢结构总吨位达3.8万吨，总构件数共计5.8万件之多，厂房全长221.8m，总跨度为64.375m，钢结构连接形式全部采用大六角高强度螺栓，共计99.5万套，对厂房钢结构安装带来了较大难度。本课题针对钢结构的设计、制造、安装三方面的施工技术进行了一系列研究，并着重解决了以下技术难题：在钢结构设计方面探索了钢框架抗震设计，并引进国外先进的设计理念，使整个主厂房的钢结构设计在满足功能的前提下，确保安全；解决超厚钢板（160mm）的焊接工艺，解决大型箱型截面钢柱（2.5m×2.5m）因焊接所引起的变形，研究大跨度大板梁制作技术、大断面多板叠合梁的制作技术及大型复杂结构焊接变形控制技术。控制钢结构工厂内制作、现场土建施工偏差、钢结构吊装误差三者间的积累，确保结构件安装精度，确保受力符合设计原理；探讨科学合理的吊装方案，合理布置吊装机械，提高吊装效率；解决超量、超长、超大及异型构件的吊装方法，最大限度地减少高空拼装；完善地协调好设计、制作、运输、堆放、联络与现场吊装这一庞大的系统，使现场施工有条不紊地开展，并加快施工进度，为设备安装创造条件。二、鉴定意见1、《大型火力发电厂2×900MW超临界机组土建成套技术研究与应用》课题是针对上海外高桥电厂2×900MW超临界机组的建设中的技术难题而立题攻关的项目。课题组结合该工程的建设全过程的设计与施工实践，已完成课题研究的全部内容。提供的鉴定资料完整，数据可信，符合鉴定要求。2、上海外高桥电厂二期工程建设规模为2×900MW超临界机组，是目前我国大型火力发电厂单机容量最大的超临界燃煤机组。其电厂工程特点是工程规模庞大，结构复杂，技术难度很高。该课题组结合工程特点和难点，根据工程建设条件，在设计、施工、材料、钢结构制作和科研单位的紧密合作下，进行了大量的调查研究和数据收集。在方案反复论证基础上，通过工程实践，完成了该课题的攻关内容。该课题主要内容有下列四个支课题：（1）大面积、密集型群桩防止桩基位移的控制技术针对上海外高桥地区沿海饱和软土地基条件，对外高桥电厂二期工程主厂房桩数量大、类型多、桩群密集和沉桩精度要求高的条件下，在科学理论分析的基础上，建立了超孔隙水压深层土体平移、桩位偏移及分层沉降的实时监测系统，抓住桩型优化设计、打桩、静压等技术环节，采用了塑料排水板排水技术，采取控制沉桩速率和合理施工流程和沉桩工艺等多种控制桩基偏位技术措施，采用信息化施工手段，成功地解决了密集桩群的桩基位移控制难题，达到了工程高精度的沉桩技术要求。（2）超厚大体积混凝土裂缝控制技术针对火力发电厂工程特点，课题组在调查研究和经验总结的基础上，在电厂锅炉基础设计和施工中，开展对基础厚板理论分析研究，深入研究大体积混凝土受力特性、温度应力、混凝土配比以及水化热控制理论等，在控制沉降、合理确定板厚、选用混凝土强度等级及合理配筋率方面进行优化设计，改进了大体积混凝土裂缝控制的抗震计算方法。在大体积混凝土中通过采用"双掺"技术优化混凝土配比，合理制定养护方法以及采用混凝土测温等信息化施工手段，成功地完成了4.75米厚锅炉基础12750m2混凝土一次浇捣。达到无有害裂缝的控制目标，并在工程实践基础上，总结出模板侧压力计算经验公式等一系列大体积混凝土施工的重要措施和建议。编制了《电力建设大体积混凝土裂缝控制施工技术暂行规定》等技术文件，对电力系统大体积混凝土设计与施工提供了具有较好指导意义的研究成果。（3）主厂房钢结构的设计制作安装技术2×900MW超临界机组的主厂房钢结构的特点是工程量大，构件重量多，安装高度高，精度要求严。该工程钢结构量达3.8万吨、5.8万件、高强螺栓达99.5万套，其设计制作安装难度较高，该课题研究的重点是大型复杂钢结构框架抗震设计、大型钢结构制作拼焊以及高精度吊装质量控制技术，该课题结合该工程的具体条件，在设计方面采用了引进国外设计理念，探索抗