嚴寒地區小型水電站閘門冬季運行措施的探討

劉 剛

（華能甘肅水電開發有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

嚴寒地區的河流，冬季河道封凍，水電站建筑物和設備設施凍害嚴重，影響電站安全穩定運行。其中各類水工閘門冬季的正常運行直接影響到電站的機組運行、調節蓄水位、泄水排凌等重要操作，對事故防范有重要意義。我們通過在嚴寒地區的小型水電站閘門冬季運行實例，探討閘門的防凍措施和運行措施，有效保證水工閘門的冬季運行安全。

1.1 電站基本情況

西北嚴寒地區某引水式小型水電站，高水頭混流式機組，海拔約2 800 m～3 000 m。電站主要建筑物包括首部樞紐、引水暗渠、壓力前池、壓力鋼管、廠房、尾水渠等。

電站因引水發電、防洪度汛、控制水位、沖沙排凌等要求在樞紐、進水口、前池、尾水渠等部位設置閘門控制水流，具體設施布置情況為：首部樞紐依次設有泄洪閘、排冰閘、沖沙閘，采用平板閘門，手動螺桿啟閉機啟閉，在門槽埋件部位預埋箱式油加熱裝置，循環油箱內設置高功率電加熱棒。運行期為提高泄洪能力和解決冬季閘門提升困難問題，通過技改在首部樞紐增加了一孔弧門，采取卷揚式啟閉機啟閉，在門槽埋件和門葉部位設置封閉式加熱電纜。進水口部位設有進水閘，采用平板閘門，卷揚式啟閉機啟閉。前池部位設有排沙閘，采用平板閘門，螺桿啟閉機啟閉，在門槽部位預埋箱式油加熱裝置。

1.2 冬季運行環境

河道冬季來水量小，平均流量在10 m3/s，河道內冰凌嚴重，極端氣溫零下30 °C，冰期天數長達124 d，河心冰厚1.5 m，岸坡冰厚1.0 m。因來水流量小、溫差使得庫岸和河道形成冰水交替分層的混合物，在閘門附近水面形成較厚冰蓋。平板閘門前部形成冰墻，閘門后部和門槽凍結，閘門導軌在門槽內無法正常滑動，嚴重時無法啟閉。弧門的支鉸和門楣處會凍結，影響正常啟閉。

2 冬季運行特點

2.1 運行模式

電站冬季運行期，在每年10 月至11 月底的初冰期，冰層較薄，在閘門部分門葉和門槽處進行除冰操作，來保證閘門正常啟閉。在每年12 月至翌年2 月的盛冰期，渠首庫區局部形成凍結冰蓋，電站前池、渠道大量壅冰，電站運行需要根據冰凌量的多少，采取防凍除冰措施保證定期啟閉閘門，泄水排凌，避免庫區、渠道前池出現冰凌擁堵情況，影響機組設備正常運行。

2.2 運行存在的問題

（1）水工閘門設施，包括渠首、前池、尾水部位的各類進泄水閘、排沙排冰閘等會被冰封凍，門槽凍結，閘門不能靈活啟閉，同時易破壞閘門水封止水。

（2）冬季運行期間，閘門止水封閉不嚴存在漏水的，會在閘門后部形成大體積地堅硬冰塊，限制閘門提升。另外閘室為開敞式時，工作閘門關閉時門后部為臨空面，溫度散失較快，閘門前部會形成30～40 cm厚的冰墻，造成閘門提起后也無法正常泄水。

（3）冬季電站運行排沙次數減少，閘門開啟頻率降低，因氣候寒冷會使閘門前淤積的泥沙與門凍結一體，影響閘門開啟。

（4）平板閘門冬季啟閉時，螺桿啟閉機啟閉速度慢，平板閘門門前直接承受冰壓力，冰層巨大推力會造成閘門和螺桿變形，給安全運行帶來嚴重威脅。

3 主要防范措施和做法

冬季運行要避免冰面壓力直接作用在閘門表面，要合理解決水工閘門和門槽的冰凍問題，需要采取相應的防凍除冰措施和運行措施來保證閘門開啟不受冰阻礙作用影響。

3.1 防凍除冰措施

寒冷地區的閘壩，庫區水面形成冰蓋，門前冰壓力和門槽結冰會影響閘門正常啟閉。常用的防凍除冰方法有：人工除冰法、壓縮空氣除冰法、水泵擾動破冰法、循環油導熱法、電伴熱除冰法等。實踐運行中可以結合閘門形式，多種辦法聯合使用，取得較好的防凍除冰效果。

人工除冰使用除冰工具人工鑿冰，將閘門前后或門槽積冰清除，使閘門本體與冰面分離。適用于除冰工作量小的時段，操作簡單，但是作業條件惡劣，安全隱患多，易發生事故，不建議采用。

壓縮空氣除冰法、水泵擾動破冰法采用方法是利用空氣壓縮機或潛水泵定時送入壓縮空氣或壓力水，在閘門前使溫度較高的深層水和溫度較低的淺層水形成對流，保證閘門處水面不會凍結。這種方式在閘門尺寸較小、冰層不厚的部位較適用，使用的設備設施較簡單。

循環油導熱法采取在門槽埋件部位設置油槽加熱裝置，在油槽內設置電加熱棒，用防凍油、油泵、油槽組成油循環系統，通過熱傳導作用，將門槽和閘門門體加熱。主要用于門槽和底坎等部位加熱，對加熱溫度實時控制，能對水封止水有效保護。

電熱除冰法是在閘門后部采用電伴熱帶，目前較多采用發熱電纜。電伴熱帶包括埋件部分和門葉部分，埋件加熱帶敷設于兩側側軌內，門葉加熱帶設于門葉背面梁格內。在閘門門后梁格內、上游面板敷設發熱電纜（需要根據實際除冰要求計算敷設電纜的發熱量），用5 mm 厚鋼板覆蓋形成空腔，鋼板上設計有可拆卸的檢修孔，檢修孔周邊設計橡膠水封。發熱電纜安裝后，覆蓋一層鋁箔反射膜，同時安裝聚氨酯保溫材料隔熱保溫。發熱電纜敷設時分層分組布置，使用時根據具體冰情分層、分組投入或全部投入使用。通電后發熱電纜產生熱量傳導至閘門面板上，可在門前形成融冰間隙，防止冰凍直接與閘門接觸粘連，影響閘門啟閉。冬季閘門開啟前提前投入，融化門槽部位和門前凍結冰，效果較好。

在本例水電站中，平板閘門門槽埋件采取油循環加熱方式，采用電加熱棒控制溫升，但是油循環裝置故障較多，影響除冰效果。弧門采取發熱電纜加熱方式，啟閉效果較好，對水封止水能有效保護。在樞紐閘門和壓力前池閘門前采取水泵擾動破冰法，對平板閘門啟閉有一定的效果，但在極端氣溫和冰層較厚時作用有限。圖1 是本例電站門葉采用發熱電纜除冰示意圖。

圖1 門葉發熱敷設剖視圖

3.2 運行措施

（1）掌握天氣氣溫變化情況，加強對河流水情、冰情的監測，掌握冰凌進入庫區情況和排凌時間，提前做好預控和準備工作。

（2）冬季投運前應對各泄水閘門、啟閉設備、負荷電源及應急電源等進行全面檢查，確保設備可靠啟動投退，對啟閉用的鋼絲繩、螺桿等重點部件進行維護檢查，并定期小開度(10 cm)開啟閘門啟閉檢查。

（3）進入冬季運行期間，啟閉閘門操作提前投入閘門及門槽加熱裝置，啟動時注意閘門兩側載重情況，防止支鉸失衡。加熱裝置根據冬季氣溫、河道結冰情況投退，門葉加熱裝置根據閘門前水位、冰層厚度選擇不同分區進行加熱，確保閘門不承受靜冰荷載。

（4）采取潛水泵擾動破冰方式時，需要掌握閘前冰層厚度，保證水泵入水深度、出水口的高度以及水泵開啟頻率的合理性，達到破冰效果。

（5）對于潛孔閘門，要檢查水封止水特別是頂水封的效果，及時更換。合理控制冬季運行水位，減少閘門漏水量，減少閘門后部支鉸或密閉加熱裝置的結冰影響。

4 結語

高寒高海拔地區小型水電站各類閘門的冬季運行一直是難題，同時各電站設備、冰情水情和運行模式不一，目前還沒有找到徹底有效的解決方法。閘門冬季的防凍措施和運行策略是關鍵，需要結合設備運行實踐，因地制宜，了解河流來冰規律，制訂切實可行、安全可靠的運行模式和預防措施，最大程度減少冰害凍害對閘門正常運行的影響，保證電站冬季安全運行。