Gemäß den Vorschriften für die frostsichere Konstruktion von Wasserbauwerken ist F400-Beton für wichtige, stark gefrorene und in sehr kalten Gebieten schwer zu reparierende Bauwerksteile zu verwenden (der Beton muss 400 Frost-Tau-Zyklen standhalten). Gemäß dieser Spezifikation ist F400-Beton für die Stirn- und Fußplatte über dem Totwasserspiegel des oberen Staudamms mit Steinschüttung am Stausee des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou, den Wasserstandsschwankungsbereich des Zulaufs und Ablaufs des oberen Stausees, den Wasserstandsschwankungsbereich des Zulaufs und Ablaufs des unteren Stausees und andere Teile zu verwenden. Zuvor gab es keinen Präzedenzfall für die Anwendung von F400-Beton in der heimischen Wasserkraftindustrie. Zur Herstellung von F400-Beton untersuchte das Bauteam auf vielfältige Weise inländische Forschungsinstitute und Hersteller von Betonzusatzmitteln, beauftragte professionelle Unternehmen mit der Durchführung spezieller Untersuchungen, bereitete F400-Beton durch Zugabe von Silicastaub, Luftporenbildnern, hocheffizienten Wasserreduzierern und anderen Materialien vor und verwendete ihn beim Bau des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou.
In extrem kalten Regionen kann es außerdem vorkommen, dass der Beton, der mit Wasser in Berührung kommt, leichte Risse aufweist, in die das Wasser im Winter eindringt. Durch den ständigen Frost-Tau-Wechsel wird der Beton nach und nach zerstört. Die Betonvorderplatte des Hauptdamms des oberen Reservoirs des Pumpspeicherkraftwerks dient der Wasserrückhaltung und verhindert das Eindringen von Sickerwasser. Bei vielen Rissen wird die Sicherheit des Damms erheblich beeinträchtigt. Das Bauteam des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou hat einen rissbeständigen Beton entwickelt. Beim Mischen des Betons werden Quellmittel und Polypropylenfasern hinzugefügt, um die Entstehung von Betonrissen zu verringern und die Frostbeständigkeit des Betonvorderplattenbetons weiter zu verbessern.
Was passiert, wenn die Betonfläche des Damms Risse aufweist? Das Bauteam hat zusätzlich eine Frostschutzschicht auf der Plattenoberfläche angebracht – mit handgeschabtem Polyharnstoff als Schutzschicht. Handgeschabter Polyharnstoff kann den Kontakt zwischen Beton und Wasser unterbinden, die Entstehung von Frost-Tau-Schuppen an der Betonplatte verlangsamen und verhindern, dass andere schädliche Inhaltsstoffe im Wasser den Beton erodieren. Er ist wasserdicht, alterungsbeständig und frostbeständig.
Die Frontplatte eines Betondamms mit Steinschüttung wird nicht auf einmal gegossen, sondern abschnittsweise errichtet. Dadurch entsteht zwischen den einzelnen Plattenabschnitten eine strukturelle Fuge. Die übliche Maßnahme zum Schutz vor Sickerwasser besteht darin, die strukturelle Fuge mit einer Gummiabdeckplatte zu versehen und diese mit Dehnschrauben zu befestigen. Im Winter ist der Reservoirbereich in sehr kalten Regionen einer stärkeren Vereisung ausgesetzt, und der freiliegende Teil der Dehnschraube gefriert zusammen mit der Eisschicht, was zu Eisrissschäden führt. Das Pumpspeicherkraftwerk Huanggou verwendet eine innovative Struktur mit komprimierbarer Beschichtung, die das Problem der durch Eisriss beschädigten strukturellen Fugen löst. Am 20. Dezember 2021 wird die erste Einheit des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou zur Stromerzeugung in Betrieb genommen. Der Winterbetrieb hat bewiesen, dass diese Strukturart Schäden an den strukturellen Plattenfugen durch Eisriss oder Frostausdehnung verhindern kann.
Um das Projekt schnellstmöglich abzuschließen, versuchte das Bauteam, die Bauarbeiten im Winter durchzuführen. Obwohl im Freien im Winter kaum gebaut werden kann, liegen das unterirdische Kraftwerk, der Wassertransporttunnel und die anderen Gebäude des Pumpspeicherkraftwerks tief unter der Erde und unterliegen besonderen Baubedingungen. Doch wie betoniert man im Winter? Das Bauteam installiert Isoliertüren an allen Öffnungen zwischen den unterirdischen Kavernen und dem Außenbereich und installiert darin 35-kW-Heißluftventilatoren. Die Betonmischanlage ist vollständig geschlossen und mit einer Heizung ausgestattet. Vor dem Mischen wird die Betonmischanlage mit heißem Wasser gespült. Die Menge an groben und feinen Zuschlagstoffen wird im Winter entsprechend der benötigten Betonmenge berechnet und vor dem Winter zur Lagerung in den Tunnel transportiert. Das Bauteam erwärmt die Zuschlagstoffe vor dem Mischen und legt allen Betonmischern, die Beton transportieren, Watte an, um die Temperatur während des Betontransports konstant zu halten. Nach dem Aushärten des Betons wird die Betonoberfläche mit einer Wärmedämmdecke abgedeckt und bei Bedarf mit einer Heizdecke beheizt. Auf diese Weise minimierte das Bauteam die Auswirkungen des kalten Wetters auf die Projektkonstruktion.
Sicherer Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken in extrem kalten Regionen
Wenn ein Pumpspeicherkraftwerk Wasser pumpt oder Strom erzeugt, schwankt der Wasserstand des oberen und unteren Reservoirs ständig. Im kalten Winter, wenn das Pumpspeicherkraftwerk täglich in Betrieb ist, bildet sich in der Mitte des Reservoirs eine schwimmende Eisschicht, und außen bildet sich ein Ring aus zerstoßenem Eis. Die Eisschicht beeinträchtigt den Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks kaum. Benötigt das Stromnetz das Pumpspeicherkraftwerk jedoch längere Zeit nicht, können die oberen und unteren Reservoirs zufrieren. Obwohl sich dann ausreichend Wasser im Reservoir des Pumpspeicherkraftwerks befindet, kann das Wasser aufgrund der fehlenden Verbindung zur Atmosphäre nicht abfließen. Der erzwungene Betrieb birgt Sicherheitsrisiken für Wasserversorgungsanlagen und Anlagen.
Das Bauteam führte eine spezielle Studie zum Winterbetrieb von Pumpspeicherkraftwerken durch. Die Untersuchung zeigt, dass die Dispatch-Steuerung der Schlüssel zum sicheren Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken im Winter ist. Im kalten Winter erzeugt mindestens eine Anlage täglich mehr als acht Stunden Strom oder pumpt Wasser, wodurch die Bildung einer vollständigen Eiskappe des Reservoirs verhindert werden kann. Wenn die Dispatch-Steuerung des Stromnetzes die oben genannten Bedingungen nicht erfüllen kann, müssen Maßnahmen zur Eisvermeidung und zum Eisbrechen ergriffen werden.
Derzeit gibt es drei Hauptmaßnahmen zum Eisvermeidungs- und Eisaufbrechen für Reservoirs und Schleusenbrunnen von Pumpspeicherkraftwerken: künstliches Eisaufbrechen, Aufblasen mit Hochdruckgas und Eisaufbrechen durch Spülen mit Wasserpumpen.
Die Kosten für das künstliche Eisbrechen sind gering, erfordern jedoch lange Arbeitszeiten, hohe Risiken und es kommt leicht zu Sicherheitsunfällen. Beim Hochdruck-Gasaufblasverfahren wird die vom Luftkompressor in tiefes Wasser ausgestoßene Druckluft genutzt, um einen starken, warmen Wasserstrom auszustoßen, der die Eisschicht schmelzen und die Bildung einer neuen Eisschicht verhindern kann. Das Pumpspeicherkraftwerk Huanggou setzt auf die Methode der Wasserpumpenspülung und des Eisbrechens. Dabei wird das tiefe Wasser mit einer Tauchpumpe hochgepumpt und anschließend durch die Düsenöffnung des Düsenrohrs ausgestoßen, wodurch ein kontinuierlicher Wasserstrom entsteht, der die Vereisung der lokalen Wasseroberfläche verhindert.
Ein weiteres Risiko von Pumpspeicherkraftwerken im Winterbetrieb ist das Eindringen von Eis in den Fließkanal. Es kann zu Schäden an Wasserturbinen und anderen mechanischen Anlagen führen. Zu Beginn der Bauarbeiten am Pumpspeicherkraftwerk Huanggou wurden Modellversuche durchgeführt. Dabei wurde die kritische Geschwindigkeit von Eis, das in den Kanal eindringt, auf 1,05 m/s berechnet. Um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren, hat das Pumpspeicherkraftwerk Huanggou die Ein- und Auslaufstrecken ausreichend groß ausgelegt und die Abschnitte zur Überwachung von Fließgeschwindigkeit und Temperatur auf unterschiedlichen Höhen der Ein- und Auslaufstrecken eingerichtet. Nach einer Winterüberwachung konnte das Kraftwerkspersonal kein Eis mehr im Fließkanal feststellen.
Die Vorbereitungsphase des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou beginnt im Januar 2016. Die erste Einheit wird am 20. Dezember 2021 und die letzte Einheit am 29. Juni 2022 zur Stromerzeugung in Betrieb genommen. Die gesamte Bauzeit des Projekts beträgt sechseinhalb Jahre. Verglichen mit Pumpspeicherkraftwerksprojekten desselben Typs in China ist die Bauzeit des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou trotz seiner Lage in einer sehr kalten Region nicht länger als die von vergleichbaren Pumpspeicherkraftwerksprojekten in China. Nach den Strapazen eines kalten Winters funktionieren alle hydraulischen Strukturen, Ausrüstungen und Einrichtungen des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou normal. Insbesondere beträgt die maximale Leckage hinter dem Betonschüttdamm des oberen Reservoirs nur 4,23 l/s und ist der Leckageindex einer der führenden unter den Erdschüttdämmen derselben Größenordnung in China. Die Einheit startet mit der Auslieferung, reagiert schnell und läuft stabil. Es übernimmt die Aufgaben von Northeast Power Grid, um die Spitzenlast im Sommer, Winter und bei wichtigen Festen abzudecken, und gewährleistet den sicheren und stabilen Betrieb von Northeast Power Grid.
Veröffentlichungszeit: 17. November 2022
