嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站防冰害措施研究

楊子強(qiáng)，王 可，李 偉

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

目前，我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)興建抽水蓄能電站越來(lái)越多，這些電站在投運(yùn)初期均不同程度地遇到過庫(kù)面結(jié)冰問題。由于抽水蓄能電站庫(kù)水位變化頻繁且變幅大，庫(kù)面結(jié)冰可能帶來(lái)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(duì)國(guó)內(nèi)類似工程進(jìn)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(kù)工程實(shí)際，進(jìn)行冰情及機(jī)組運(yùn)行方式觀測(cè)，提出適合嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站冬季機(jī)組運(yùn)行最優(yōu)方案。同時(shí)，針對(duì)機(jī)組停機(jī)檢修等特殊情況，開展現(xiàn)場(chǎng)水流擾動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)該方法的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐研究，提出工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(tái)縣滹沱河與清水河交匯處上游，是國(guó)內(nèi)第一座在嚴(yán)寒地區(qū)修建的抽水蓄能電站，電站總裝機(jī)容量為1 200 MW。電站上水庫(kù)正常蓄水位1 492.50 m，死水位1 467.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為4 135 100 m3。

工程地處北緯38°以北，上水庫(kù)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(jì)勝橋站觀測(cè)資料，該河段最長(zhǎng)封凍期為93 d，最大冰厚為0.51 m。在電站運(yùn)行初期，由于機(jī)組運(yùn)行較少，時(shí)常發(fā)生上水庫(kù)形成完整冰蓋的現(xiàn)象，對(duì)工程正常運(yùn)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(guó)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(kù)岸護(hù)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(duì)上述情況，常見的防冰害措施有人工破冰法、水流擾動(dòng)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(dòng)化運(yùn)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(fù)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(kù)岸等較大范圍的防冰害工程措施投資較高。水流擾動(dòng)法工程技術(shù)成熟，已積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)?？紤]工程技術(shù)成熟性和投資等因素，水流擾動(dòng)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(yán)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(gè)冬季對(duì)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(kù)(常規(guī)水庫(kù))和松江河電廠(常規(guī)水庫(kù))進(jìn)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(yùn)行時(shí)引起的水位變化對(duì)水庫(kù)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(yùn)行，上水庫(kù)均未出現(xiàn)大面積結(jié)冰情況，在庫(kù)岸附近均有動(dòng)水帶。通過對(duì)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(kù)與相鄰的哈拉沁水庫(kù)(常規(guī)水庫(kù))的冰情，投入運(yùn)行的呼蓄下水庫(kù)靠近庫(kù)岸存在寬約10～20 cm的動(dòng)水帶，冰蓋最大厚度約20 cm，與下水庫(kù)相鄰的哈拉沁水庫(kù)形成完整冰蓋，冰厚約68 cm。

對(duì)于水位變化不大的常規(guī)電站，或者對(duì)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(dòng)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(kù)泄洪建筑物閘門前均設(shè)置了水流擾動(dòng)裝置。

總結(jié)分析調(diào)研成果，嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站防冰害措施研究應(yīng)重點(diǎn)分析機(jī)組運(yùn)行對(duì)冰情的影響，并針對(duì)特殊部位或特殊情況開展水流擾動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證融冰效果。

2.3 機(jī)組運(yùn)行對(duì)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(kù)冰情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了氣溫、機(jī)組運(yùn)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(jī)組運(yùn)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(jī)組運(yùn)行情況如表1所示。其中運(yùn)行次數(shù)為抽水次數(shù)和發(fā)電次數(shù)之和，運(yùn)行時(shí)間包括抽水時(shí)間和發(fā)電時(shí)間。

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

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(jī)組停運(yùn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，上水庫(kù)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(kù)除進(jìn)出水口外的庫(kù)水面形成厚冰蓋，冰蓋邊緣與庫(kù)岸面板間有約0.1～2 m的動(dòng)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(kù)除進(jìn)出水口外的庫(kù)水面形成薄冰蓋，冰蓋邊緣與庫(kù)岸面板間有約0.5～2 m的動(dòng)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(kù)未結(jié)冰。

2.3.4 機(jī)組運(yùn)行對(duì)冰情影響分析

本次對(duì)比分析的代表時(shí)間為各監(jiān)測(cè)年最冷月。對(duì)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(jī)組平均每日運(yùn)行時(shí)間也較低，造成2012年12月冰情較嚴(yán)重。

對(duì)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(yán)重。初步分析原因?yàn)?014年2月機(jī)組平均每日運(yùn)行時(shí)間較2014年12月短所致。

結(jié)合3個(gè)監(jiān)測(cè)期最冷月的監(jiān)測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，隨著各監(jiān)測(cè)期最冷月機(jī)組平均每天運(yùn)行時(shí)間逐年增加，上水庫(kù)結(jié)冰情況為“全面結(jié)冰、厚冰蓋→中心區(qū)域無(wú)冰、薄冰蓋→無(wú)冰”，由此可見上水庫(kù)冰情主要與機(jī)組運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，同時(shí)也受氣溫影響。

2.3.5 機(jī)組運(yùn)行建議

由于冰情與氣溫及機(jī)組運(yùn)行等要素之間的相互關(guān)系十分復(fù)雜，根據(jù)目前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確演算，根據(jù)近3年的觀測(cè)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(jì)見表2。上水庫(kù)最低氣溫-22℃(2013年1月4日)，最冷周平均氣溫-15.4℃，機(jī)組平均每天抽水或發(fā)電3 h，上水庫(kù)庫(kù)面大面積結(jié)冰，但庫(kù)岸附近冰層破裂，冰蓋邊緣與庫(kù)岸面板間有動(dòng)水帶，不會(huì)對(duì)建筑物造成破壞。

表2 上水庫(kù)結(jié)冰、氣溫、機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.4 水流擾動(dòng)裝置對(duì)冰情的影響

2.4.1 設(shè)計(jì)思路

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

同時(shí)，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(dòng)升降，即需設(shè)計(jì)承載水泵的滑車、收放泵車的卷?yè)P(yáng)機(jī)以及自動(dòng)升降控制系統(tǒng)。自動(dòng)升降控制系統(tǒng)由數(shù)字液位傳感器測(cè)得導(dǎo)流管出口的水下深度，可將信號(hào)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?yè)P(yáng)機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指令，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)滑車位置，始終跟蹤水位的變化。

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，試驗(yàn)地點(diǎn)選在西龍池抽水蓄能電站上水庫(kù)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(jìn)行了2個(gè)冬季的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過本次現(xiàn)場(chǎng)水流擾動(dòng)試驗(yàn)明確了水泵選型、噴口水下最佳深度、水流擾動(dòng)區(qū)域等，具體如下：①水流擾動(dòng)設(shè)備在隨庫(kù)水位變化的過程中能自動(dòng)跟隨水位變化。牽引裝置的升降速度14 m/min適合運(yùn)行要求。②試驗(yàn)中選擇低揚(yáng)程大流量軸流泵適合傳質(zhì)傳熱的要求。揚(yáng)程1～4 m，流量200～400 m3/h符合工程安裝和運(yùn)行要求。③水泵在水面以下的工作深度以2 m左右為宜。導(dǎo)水管出口在水下65 cm分流效果最佳。④一個(gè)單元單泵(4 kW)運(yùn)行，擾動(dòng)范圍可達(dá)70 m，雙泵擾動(dòng)長(zhǎng)度約100 m，寬度2～4 m。

2.4.3 融冰效果驗(yàn)證

由于試驗(yàn)期內(nèi)西龍池電站機(jī)組運(yùn)行頻繁，同時(shí)沒有遇到極寒天氣，整個(gè)冬季沒有發(fā)生庫(kù)區(qū)結(jié)冰問題，故沒能觀察到該裝置的融冰效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的防冰害效果，對(duì)松江河發(fā)電有限公司的小山水電站和雙溝水電站進(jìn)行了調(diào)研。這兩個(gè)電站均位于東北嚴(yán)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(dòng)裝置。該裝置采用與西龍池現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置相同原理——水流擾動(dòng)傳質(zhì)傳熱機(jī)理。該裝置已經(jīng)于2014～2015年度和2015～2016年度運(yùn)行了兩個(gè)冬季，期間水庫(kù)均形成了冰蓋，但壩前形成動(dòng)水帶，擾動(dòng)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(kù)當(dāng)?shù)貧鉁?-11.7℃)高于小山水電站(-18℃)，庫(kù)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(huì)達(dá)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(duì)西龍池抽水蓄能電站上水庫(kù)開展為期3年的冰情及電站運(yùn)行觀測(cè)，以及開展現(xiàn)場(chǎng)水流擾動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)合國(guó)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(jī)組正常運(yùn)行時(shí)引起的水位變化對(duì)水庫(kù)冰情有較明顯的緩解作用，而對(duì)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(dòng)設(shè)備。

(2)嚴(yán)寒地區(qū)的抽水蓄能電站，在冬季應(yīng)采取合理的冬季運(yùn)行方案。建議當(dāng)周平均氣溫在-15℃以上時(shí)，機(jī)組平均每天抽水或發(fā)電3 h，可保證冰蓋邊緣與庫(kù)岸面板間有動(dòng)水帶，不會(huì)對(duì)建筑物造成破壞。但是冰情與氣溫及機(jī)組運(yùn)行等要素之間的相互關(guān)系十分復(fù)雜，建議加強(qiáng)日常觀測(cè)，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式以避免形成全面冰蓋。

(3)若電站在冬季遇到庫(kù)水位長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)的非常情況，為避免水庫(kù)形成完整的冰蓋進(jìn)而對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成不利影響，可在水庫(kù)部分區(qū)域內(nèi)設(shè)置水流擾動(dòng)設(shè)備。

3.2 展望

(1)受研究經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等因素限制，完整的原型監(jiān)測(cè)只進(jìn)行了3個(gè)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(zhǎng)度，為今后進(jìn)一步優(yōu)化電站冬季運(yùn)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(kù)水流擾動(dòng)試驗(yàn)及對(duì)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(jìn)行研究分析，水流擾動(dòng)措施對(duì)于靜水狀態(tài)的防冰害效果顯著。但抽水蓄能電站庫(kù)水位變化迅速，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沒有直接驗(yàn)證水流擾動(dòng)裝置的動(dòng)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(jìn)一步研究。