Gemäß der Norm für die frostbeständige Bemessung von Wasserbauwerken ist für wichtige, stark frostgefährdete und in Regionen mit extremen Kältebedingungen schwer zu reparierende Bauteile Beton der Festigkeitsklasse F400 zu verwenden (der Beton muss 400 Frost-Tau-Wechselzyklen standhalten). Laut dieser Spezifikation ist F400-Beton für die Orts- und Fußplatte oberhalb des Totwasserspiegels der Steinschüttdämme des oberen Stausees des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou, den Wasserspiegelschwankungsbereich des oberen und unteren Ein- und Auslaufs sowie weitere Bauteile einzusetzen. Zuvor gab es in der heimischen Wasserkraftindustrie keine vergleichbaren Anwendungen von F400-Beton. Zur Herstellung des F400-Betons recherchierte das Bauteam auf vielfältige Weise bei inländischen Forschungsinstituten und Herstellern von Betonzusatzmitteln, beauftragte Fachunternehmen mit der Durchführung spezieller Untersuchungen, stellte den F400-Beton durch Zugabe von Silicastaub, Luftporenbildnern, hocheffizienten Wasserreduktionsmitteln und anderen Materialien her und verwendete ihn beim Bau des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou.
In Regionen mit extremer Kälte dringt im Winter Wasser in selbst kleinste Risse im wasserberührten Beton ein. Durch den ständigen Frost-Tau-Wechsel wird der Beton allmählich zerstört. Die Betonoberfläche der Hauptstaumauer des oberen Speicherbeckens des Pumpspeicherkraftwerks dient der Wasserrückhaltung und verhindert das Eindringen von Sickerwasser. Bei einer hohen Anzahl von Rissen ist die Sicherheit der Staumauer stark beeinträchtigt. Das Bauteam des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou hat daher einen rissbeständigen Beton entwickelt. Durch die Zugabe von Treibmittel und Polypropylenfasern beim Mischen des Betons wird die Rissbildung reduziert und die Frostbeständigkeit der Betonoberfläche weiter verbessert.
Was passiert, wenn die Betonoberfläche des Damms Risse aufweist? Das Bauteam hat daher eine Frostschutzschicht auf der Oberfläche der Platten angelegt – eine Schutzbeschichtung aus handgeschabtem Polyurea. Dieses Polyurea unterbricht den Kontakt zwischen Beton und Wasser, verlangsamt die Entstehung von Frostschäden an der Betonoberfläche und schützt den Beton vor schädlichen Wasserinhaltsstoffen. Es bietet Schutz vor Wasser, Alterung und Frost.
Die Sichtbetonplatte eines Steinschüttdamms wird nicht in einem Arbeitsgang gegossen, sondern abschnittsweise errichtet. Dadurch entsteht eine Fuge zwischen den einzelnen Plattenabschnitten. Üblicherweise wird die Fuge mit einer Gummidichtung abgedeckt und mit Spreizdübeln fixiert, um ein Eindringen von Wasser zu verhindern. In Regionen mit strengen Wintern kommt es im Stausee zu starker Vereisung, wodurch die freiliegenden Spreizdübel zusammen mit der Eisschicht einfrieren und Schäden durch Eisausriss verursachen können. Das Pumpspeicherkraftwerk Huanggou verwendet hingegen eine innovative Konstruktion mit kompressibler Beschichtung, die dieses Problem der durch Eisausriss beschädigten Fugen löst. Am 20. Dezember 2021 ging die erste Einheit des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou in Betrieb. Der Winterbetrieb hat gezeigt, dass diese Bauweise Schäden an den Plattenfugen durch Eisausriss oder Frostausdehnung verhindert.
Um das Bauprojekt so schnell wie möglich abzuschließen, versuchte das Bauteam, die Arbeiten im Winter durchzuführen. Obwohl Bauarbeiten im Freien im Winter kaum möglich sind, bieten das unterirdische Kraftwerk, der Wasserleitungstunnel und andere Gebäude des Pumpspeicherkraftwerks, die tief unter der Erde liegen, die nötigen Voraussetzungen für Bauarbeiten. Doch wie lässt sich im Winter Beton gießen? Das Bauteam installierte Isoliertüren für alle Öffnungen, die die unterirdischen Hohlräume mit dem Außenbereich verbinden, und montierte 35-kW-Heißluftventilatoren in den Türen. Die Betonmischanlage wurde vollständig geschlossen und die Heizanlage im Inneren installiert. Vor dem Mischen wurde die Betonmischanlage mit heißem Wasser gespült. Die Menge an groben und feinen Zuschlagstoffen wurde entsprechend der für die Winterbetonarbeiten benötigten Erdbewegungsmenge berechnet und vor Wintereinbruch in den Tunnel transportiert und dort gelagert. Die Zuschlagstoffe wurden vor dem Mischen erwärmt, und alle Betonmischer wurden mit Watte ausgekleidet, um die Temperatur während des Transports zu halten. Nach dem ersten Abbinden des Betons wurde die Betonoberfläche mit einer Wärmedämmmatte und gegebenenfalls mit einer Heizdecke abgedeckt. Auf diese Weise minimierte das Bauteam die Auswirkungen der Kälte auf die Bauarbeiten.
Gewährleistung des sicheren Betriebs von Pumpspeicherkraftwerken in extrem kalten Regionen
Wenn ein Pumpspeicherkraftwerk Wasser pumpt oder Strom erzeugt, ändert sich der Wasserstand in den oberen und unteren Speicherbecken ständig. Im kalten Winter, wenn das Kraftwerk täglich in Betrieb ist, bildet sich in der Mitte des Beckens eine schwimmende Eisschicht und außen ein Ring aus Brucheis. Diese Eisdecke beeinträchtigt den Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks in der Regel nicht wesentlich. Wird das Kraftwerk jedoch längere Zeit nicht benötigt, können die oberen und unteren Speicherbecken vollständig zufrieren. In diesem Fall ist zwar noch ausreichend Wasser im Speicherbecken vorhanden, aber aufgrund der fehlenden Verbindung zur Atmosphäre kann das Wasser nicht fließen. Ein erzwungener Betrieb birgt dann Sicherheitsrisiken für die Wasserversorgungsanlagen und die Anlagen des Kraftwerks.
Das Bauteam führte eine Sonderstudie zum Winterbetrieb von Pumpspeicherkraftwerken durch. Die Untersuchung zeigt, dass die Netzsteuerung entscheidend für den sicheren Betrieb der Kraftwerke im Winter ist. In kalten Wintern muss mindestens eine Einheit täglich mehr als acht Stunden Strom erzeugen oder Wasser pumpen, um die Bildung einer vollständigen Eisschicht im Speicherbecken zu verhindern. Kann die Netzsteuerung diese Bedingungen nicht erfüllen, sind Maßnahmen zur Eisbekämpfung und zum Eisabbau zu ergreifen.
Derzeit gibt es drei Hauptmaßnahmen zur Eisbekämpfung und zum Eisbrechen in Stauseen und Förderbrunnen von Pumpspeicherkraftwerken: künstliches Eisbrechen, Hochdruckgasaufblähung und Eisbrechen durch Wasserpumpenspülung.
Die künstliche Eisbrechung ist zwar kostengünstig, erfordert jedoch einen hohen Personalaufwand, birgt ein hohes Risiko und birgt die Gefahr von Sicherheitsunfällen. Bei der Hochdruckgas-Inflationsmethode wird Druckluft aus einem Kompressor in tiefes Wasser geleitet, um einen starken Warmwasserstrom zu erzeugen, der die Eisschicht auftaut und die Neubildung von Eis verhindert. Das Pumpspeicherkraftwerk Huanggou nutzt hingegen die Methode der Wasserpumpen-Eisbrechung. Dabei wird das Wasser mit einer Tauchpumpe aus dem tiefen Wasser gepumpt und anschließend durch Düsenöffnungen in einem Strahlrohr ausgestoßen, um einen kontinuierlichen Wasserstrom zu erzeugen und so die lokale Eisbildung zu verhindern.
Treibeis im Strömungskanal stellt ein weiteres Risiko für Pumpspeicherkraftwerke im Winterbetrieb dar und kann Wasserturbinen und andere mechanische Anlagen beschädigen. Zu Beginn des Baus des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou wurden Modellversuche durchgeführt, bei denen die kritische Geschwindigkeit des Treibeises im Kanal mit 1,05 m/s berechnet wurde. Um die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren, wurden Ein- und Auslauf des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou ausreichend dimensioniert und Messstellen zur Überwachung von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur in unterschiedlichen Höhen an Ein- und Auslauf eingerichtet. Nach einer Winterüberwachung konnte das Kraftwerkspersonal kein Treibeis im Strömungskanal feststellen.
Die Vorbereitungsphase des Pumpspeicherkraftwerks Huanggou begann im Januar 2016. Die erste Einheit ging am 20. Dezember 2021 in Betrieb, die letzte am 29. Juni 2022. Die Bauzeit betrug insgesamt sechseinhalb Jahre. Im Vergleich zu ähnlichen Pumpspeicherkraftwerken in China konnte Huanggou trotz seiner Lage in einer Region mit strengen Kälteperioden schnell fertiggestellt werden. Nach einem erfolgreichen Wintertest funktionierten alle hydraulischen Anlagen und Ausrüstungen des Kraftwerks einwandfrei. Insbesondere die maximale Leckage hinter dem Steinschüttdamm des oberen Speicherbeckens betrug lediglich 4,23 l/s. Dieser Wert zählt zu den niedrigsten aller vergleichbaren Erdschüttdämme in China. Die Einheiten starteten schnell, reagierten prompt und arbeiteten stabil. Es übernimmt die Aufgaben des Stromnetzes im Nordosten, um den Spitzenbedarf im Sommer, Winter und bei wichtigen Feiertagen zu decken und den sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes im Nordosten zu gewährleisten.
Veröffentlichungsdatum: 17. November 2022
