嚴寒地區(qū)抽水蓄能電站防冰害措施研究

楊子強，王 可，李 偉

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京100024)

目前，我國在嚴寒地區(qū)興建抽水蓄能電站越來越多，這些電站在投運初期均不同程度地遇到過庫面結(jié)冰問題。由于抽水蓄能電站庫水位變化頻繁且變幅大，庫面結(jié)冰可能帶來的冰害問題和防冰害措施與其他常規(guī)水電站差異較大。

本文通過對國內(nèi)類似工程進行調(diào)研，明確了防冰害措施的研究方向，依據(jù)西龍池抽水蓄能電站上水庫工程實際，進行冰情及機組運行方式觀測，提出適合嚴寒地區(qū)抽水蓄能電站冬季機組運行最優(yōu)方案。同時，針對機組停機檢修等特殊情況，開展現(xiàn)場水流擾動試驗，對該方法的應(yīng)用進行實踐研究，提出工程應(yīng)用經(jīng)驗，為其他類似工程提供參照和借鑒。

1 工程概況

西龍池抽水蓄能電站位于山西省忻州市五臺縣滹沱河與清水河交匯處上游，是國內(nèi)第一座在嚴寒地區(qū)修建的抽水蓄能電站，電站總裝機容量為1 200 MW。電站上水庫正常蓄水位1 492.50 m，死水位1 467.00 m，調(diào)節(jié)庫容為4 135 100 m3。

工程地處北緯38°以北，上水庫多年平均氣溫為4.7℃，最冷月平均氣溫為-11.1℃，極端最低氣溫-34.5℃，每年冬季都出現(xiàn)不同程度的冰情。根據(jù)工程所在地附近滹沱河的濟勝橋站觀測資料，該河段最長封凍期為93 d，最大冰厚為0.51 m。在電站運行初期，由于機組運行較少，時常發(fā)生上水庫形成完整冰蓋的現(xiàn)象，對工程正常運行造成不利影響。

2 防冰害措施研究

2.1 防冰害措施介紹

冰凍是我國北方地區(qū)普遍存在的自然現(xiàn)象，常見的水工建筑物冰害主要包括：冰體堵塞取水口首部、冰體破壞庫岸護坡、冰體破壞面板止水結(jié)構(gòu)、冰體影響閘門正常啟閉等。針對上述情況，常見的防冰害措施有人工破冰法、水流擾動法、壓縮空氣吹氣法、電加熱法、熱管法。上述方法中，人工破冰法最為原始，由于存在人身安全隱患，已不符合現(xiàn)代安全生產(chǎn)和自動化運行的要求；壓縮空氣吹氣法和熱管法均需要布置結(jié)構(gòu)復雜的管道，不適用于大規(guī)模的工程措施；電加熱法一般用于金屬閘門或橋墩等小規(guī)模結(jié)構(gòu)物，若用于壩面或庫岸等較大范圍的防冰害工程措施投資較高。水流擾動法工程技術(shù)成熟，已積累了一定的工程經(jīng)驗。考慮工程技術(shù)成熟性和投資等因素，水流擾動法是最佳的工程防冰害措施。

2.2 工程調(diào)研

為收集和掌握嚴寒地區(qū)抽水蓄能電站的冰情規(guī)律、冰害問題和解決冰害問題的具體措施，2013年～2014年和2014年～2015年兩個冬季對十三陵、張河灣、西龍池、蒲石河、呼和浩特等抽水蓄能電站、哈拉沁水庫(常規(guī)水庫)和松江河電廠(常規(guī)水庫)進行了工程調(diào)研。

通過調(diào)研成果分析，抽水蓄能電站正常運行時引起的水位變化對水庫冰情有一定的緩解作用。其中，十三陵、張河灣、西龍池抽水蓄能電站保持正常運行，上水庫均未出現(xiàn)大面積結(jié)冰情況，在庫岸附近均有動水帶。通過對比位于同一地理位置，具有相同氣象條件的呼和浩特抽水蓄能電站下水庫與相鄰的哈拉沁水庫(常規(guī)水庫)的冰情，投入運行的呼蓄下水庫靠近庫岸存在寬約10～20 cm的動水帶，冰蓋最大厚度約20 cm，與下水庫相鄰的哈拉沁水庫形成完整冰蓋，冰厚約68 cm。

對于水位變化不大的常規(guī)電站，或者對防冰害要求較高的特殊部位(如：鋼筋混凝土面板表層止水、鋼閘門等)，均設(shè)置專用水流擾動設(shè)備。如：松江河電廠混凝土面板壩前和蒲石河抽水蓄能電站下水庫泄洪建筑物閘門前均設(shè)置了水流擾動裝置。

總結(jié)分析調(diào)研成果，嚴寒地區(qū)抽水蓄能電站防冰害措施研究應(yīng)重點分析機組運行對冰情的影響，并針對特殊部位或特殊情況開展水流擾動試驗驗證融冰效果。

2.3 機組運行對冰情影響研究

通過收集西龍池抽水蓄能電站2012年～2013年、2013年～2014年、2014年～2015年冬季水庫冰情監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了氣溫、機組運行與冰情之間的關(guān)系。

2.3.1 氣溫特征

2012年～2013年度冬季最冷月為2012年12月，平均最高氣溫為-6.1℃，平均最低氣溫為-12.6℃，平均氣溫為-9.4℃；2013年～2014年度冬季最冷月為2014年2月，平均最高氣溫為-1.4℃，平均最低氣溫為-9.1℃，平均氣溫為-5.5℃；2014年～2015年度冬季最冷月為2014年12月，平均最高氣溫為-3.5℃，平均最低氣溫為-11.6℃，平均氣溫為-7.8℃。

2.3.2 機組運行情況

2012～2013年度、2013～2014年度、2014～2015年度冬季西龍池抽水蓄能電站機組運行情況如表1所示。其中運行次數(shù)為抽水次數(shù)和發(fā)電次數(shù)之和，運行時間包括抽水時間和發(fā)電時間。

表1 2012～2015年度冬季西龍池抽水蓄能電站機組運行情況統(tǒng)計

2.3.3 冰情特征

根據(jù)收集資料，2009～2010年度冬季西龍池抽水蓄能電站由于機組停運持續(xù)時間較長，上水庫出現(xiàn)冰蓋，最大厚度約40 cm。2012～2013年度冬季(2012年12月7日～2013年3月31日)電站上水庫除進出水口外的庫水面形成厚冰蓋，冰蓋邊緣與庫岸面板間有約0.1～2 m的動水帶，最大冰厚發(fā)生在2013年1月26日～2月6日，冰蓋厚約8～12 cm。2013～2014年度冬季(2013年12月26日～4月25日)電站上水庫除進出水口外的庫水面形成薄冰蓋，冰蓋邊緣與庫岸面板間有約0.5～2 m的動水帶，2014年1月14日薄冰蓋厚約1.5 cm。2014～2015年度冬季(2014年11月1日～2015年4月23日)上水庫未結(jié)冰。

2.3.4 機組運行對冰情影響分析

本次對比分析的代表時間為各監(jiān)測年最冷月。對比2012年12月與2014年2月可以看出，2012年12月平均氣溫較2014年2月偏低，并且機組平均每日運行時間也較低，造成2012年12月冰情較嚴重。

對比2014年2月與2014年12月可以看出，2014年2月平均氣溫較2014年12月偏高，但是冰情較2014年12月嚴重。初步分析原因為2014年2月機組平均每日運行時間較2014年12月短所致。

結(jié)合3個監(jiān)測期最冷月的監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，隨著各監(jiān)測期最冷月機組平均每天運行時間逐年增加，上水庫結(jié)冰情況為“全面結(jié)冰、厚冰蓋→中心區(qū)域無冰、薄冰蓋→無冰”，由此可見上水庫冰情主要與機組運行時間相關(guān)，同時也受氣溫影響。

2.3.5 機組運行建議

由于冰情與氣溫及機組運行等要素之間的相互關(guān)系十分復雜，根據(jù)目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)無法準確演算，根據(jù)近3年的觀測資料，選取最冷周2013年度1月1日～7日作為參照依據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。上水庫最低氣溫-22℃(2013年1月4日)，最冷周平均氣溫-15.4℃，機組平均每天抽水或發(fā)電3 h，上水庫庫面大面積結(jié)冰，但庫岸附近冰層破裂，冰蓋邊緣與庫岸面板間有動水帶，不會對建筑物造成破壞。

表2 上水庫結(jié)冰、氣溫、機組運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.4 水流擾動裝置對冰情的影響

2.4.1 設(shè)計思路

水流擾動裝置依據(jù)熱能動力工程中的傳質(zhì)傳熱機理，利用庫區(qū)水儲存的大量熱能，通過水泵抽取庫區(qū)水面下較深層的溫水送至建筑物與水面接觸帶，在動能和勢能的驅(qū)動下將水流向兩側(cè)傳輸，水流在傳輸過程中釋放熱能，以補充水面的散熱從而阻止水面封凍。

同時，考慮抽水蓄能電站水位頻繁變化的特性，水泵裝置需要隨水位自動升降，即需設(shè)計承載水泵的滑車、收放泵車的卷揚機以及自動升降控制系統(tǒng)。自動升降控制系統(tǒng)由數(shù)字液位傳感器測得導流管出口的水下深度，可將信號送到可編程控制器，通過與設(shè)定深度值比較，由可編程控制器給卷揚機發(fā)出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指令，實時調(diào)節(jié)滑車位置，始終跟蹤水位的變化。

2.4.2 現(xiàn)場試驗

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，試驗地點選在西龍池抽水蓄能電站上水庫南側(cè)主壩西側(cè)背陰壩面處。在2014年～2015年和2015年～2016年冬季進行了2個冬季的現(xiàn)場試驗。通過本次現(xiàn)場水流擾動試驗明確了水泵選型、噴口水下最佳深度、水流擾動區(qū)域等，具體如下：①水流擾動設(shè)備在隨庫水位變化的過程中能自動跟隨水位變化。牽引裝置的升降速度14 m/min適合運行要求。②試驗中選擇低揚程大流量軸流泵適合傳質(zhì)傳熱的要求。揚程1～4 m，流量200～400 m3/h符合工程安裝和運行要求。③水泵在水面以下的工作深度以2 m左右為宜。導水管出口在水下65 cm分流效果最佳。④一個單元單泵(4 kW)運行，擾動范圍可達70 m，雙泵擾動長度約100 m，寬度2～4 m。

2.4.3 融冰效果驗證

由于試驗期內(nèi)西龍池電站機組運行頻繁，同時沒有遇到極寒天氣，整個冬季沒有發(fā)生庫區(qū)結(jié)冰問題，故沒能觀察到該裝置的融冰效果。為進一步驗證該裝置的防冰害效果，對松江河發(fā)電有限公司的小山水電站和雙溝水電站進行了調(diào)研。這兩個電站均位于東北嚴寒地區(qū)，屬于常規(guī)水電站，大壩為混凝土面板堆石壩，壩前均安裝了水流擾動裝置。該裝置采用與西龍池現(xiàn)場試驗裝置相同原理——水流擾動傳質(zhì)傳熱機理。該裝置已經(jīng)于2014～2015年度和2015～2016年度運行了兩個冬季，期間水庫均形成了冰蓋，但壩前形成動水帶，擾動范圍約3 m×70 m，融冰效果很好。

西龍池抽水蓄能電站上水庫當?shù)貧鉁?-11.7℃)高于小山水電站(-18℃)，庫區(qū)水溫(7℃)也高于小山水電站(2℃)，故可推斷，同樣裝置配置會達到更好的防冰害效果。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié)論

本次研究通過對西龍池抽水蓄能電站上水庫開展為期3年的冰情及電站運行觀測，以及開展現(xiàn)場水流擾動試驗，結(jié)合國內(nèi)類似工程的調(diào)研成果，得出如下結(jié)論：

(1)抽水蓄能電站機組正常運行時引起的水位變化對水庫冰情有較明顯的緩解作用，而對防冰害要求較高的特殊部位(如：混凝土面板壩的止水、鋼閘門等)，可設(shè)置專用水流擾動設(shè)備。

(2)嚴寒地區(qū)的抽水蓄能電站，在冬季應(yīng)采取合理的冬季運行方案。建議當周平均氣溫在-15℃以上時，機組平均每天抽水或發(fā)電3 h，可保證冰蓋邊緣與庫岸面板間有動水帶，不會對建筑物造成破壞。但是冰情與氣溫及機組運行等要素之間的相互關(guān)系十分復雜，建議加強日常觀測，及時調(diào)整運行方式以避免形成全面冰蓋。

(3)若電站在冬季遇到庫水位長時間處于靜止狀態(tài)的非常情況，為避免水庫形成完整的冰蓋進而對機組運行造成不利影響，可在水庫部分區(qū)域內(nèi)設(shè)置水流擾動設(shè)備。

3.2 展望

(1)受研究經(jīng)費、時間等因素限制，完整的原型監(jiān)測只進行了3個冬季，且存在資料不全現(xiàn)象，影響到資料的代表性和分析結(jié)果的適用性。建議后期繼續(xù)開展抽水蓄能電站防冰害措施研究工作，確保資料系列有足夠的長度，為今后進一步優(yōu)化電站冬季運行要求提供可靠的資料依據(jù)。

(2)通過西龍池抽水蓄能電站上水庫水流擾動試驗及對松江河電廠小山水電站和雙溝水電站大壩面板防冰凍裝置的調(diào)研成果進行研究分析，水流擾動措施對于靜水狀態(tài)的防冰害效果顯著。但抽水蓄能電站庫水位變化迅速，本次現(xiàn)場試驗沒有直接驗證水流擾動裝置的動態(tài)融冰效果，建議后期繼續(xù)從布置方案、設(shè)備參數(shù)等方面作進一步研究。