嚴(yán)寒地區(qū)小型水電站閘門冬季運(yùn)行措施的探討

劉 剛

（華能甘肅水電開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

嚴(yán)寒地區(qū)的河流，冬季河道封凍，水電站建筑物和設(shè)備設(shè)施凍害嚴(yán)重，影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中各類水工閘門冬季的正常運(yùn)行直接影響到電站的機(jī)組運(yùn)行、調(diào)節(jié)蓄水位、泄水排凌等重要操作，對(duì)事故防范有重要意義。我們通過(guò)在嚴(yán)寒地區(qū)的小型水電站閘門冬季運(yùn)行實(shí)例，探討閘門的防凍措施和運(yùn)行措施，有效保證水工閘門的冬季運(yùn)行安全。

1.1 電站基本情況

西北嚴(yán)寒地區(qū)某引水式小型水電站，高水頭混流式機(jī)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(fā)電、防洪度汛、控制水位、沖沙排凌等要求在樞紐、進(jìn)水口、前池、尾水渠等部位設(shè)置閘門控制水流，具體設(shè)施布置情況為：首部樞紐依次設(shè)有泄洪閘、排冰閘、沖沙閘，采用平板閘門，手動(dòng)螺桿啟閉機(jī)啟閉，在門槽埋件部位預(yù)埋箱式油加熱裝置，循環(huán)油箱內(nèi)設(shè)置高功率電加熱棒。運(yùn)行期為提高泄洪能力和解決冬季閘門提升困難問(wèn)題，通過(guò)技改在首部樞紐增加了一孔弧門，采取卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，在門槽埋件和門葉部位設(shè)置封閉式加熱電纜。進(jìn)水口部位設(shè)有進(jìn)水閘，采用平板閘門，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。前池部位設(shè)有排沙閘，采用平板閘門，螺桿啟閉機(jī)啟閉，在門槽部位預(yù)埋箱式油加熱裝置。

1.2 冬季運(yùn)行環(huán)境

河道冬季來(lái)水量小，平均流量在10 m3/s，河道內(nèi)冰凌嚴(yán)重，極端氣溫零下30 °C，冰期天數(shù)長(zhǎng)達(dá)124 d，河心冰厚1.5 m，岸坡冰厚1.0 m。因來(lái)水流量小、溫差使得庫(kù)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(jié)，閘門導(dǎo)軌在門槽內(nèi)無(wú)法正常滑動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法啟閉?；￠T的支鉸和門楣處會(huì)凍結(jié)，影響正常啟閉。

2 冬季運(yùn)行特點(diǎn)

2.1 運(yùn)行模式

電站冬季運(yùn)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(jìn)行除冰操作，來(lái)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(kù)區(qū)局部形成凍結(jié)冰蓋，電站前池、渠道大量壅冰，電站運(yùn)行需要根據(jù)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(kù)區(qū)、渠道前池出現(xiàn)冰凌擁堵情況，影響機(jī)組設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 運(yùn)行存在的問(wèn)題

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

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

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

（4）平板閘門冬季啟閉時(shí)，螺桿啟閉機(jī)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(huì)造成閘門和螺桿變形，給安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

3 主要防范措施和做法

冬季運(yùn)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(wèn)題，需要采取相應(yīng)的防凍除冰措施和運(yùn)行措施來(lái)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(qū)的閘壩，庫(kù)區(qū)水面形成冰蓋，門前冰壓力和門槽結(jié)冰會(huì)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(dòng)破冰法、循環(huán)油導(dǎo)熱法、電伴熱除冰法等。實(shí)踐運(yùn)行中可以結(jié)合閘門形式，多種辦法聯(lián)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(shí)段，操作簡(jiǎn)單，但是作業(yè)條件惡劣，安全隱患多，易發(fā)生事故，不建議采用。

壓縮空氣除冰法、水泵擾動(dòng)破冰法采用方法是利用空氣壓縮機(jī)或潛水泵定時(shí)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(duì)流，保證閘門處水面不會(huì)凍結(jié)。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(shè)備設(shè)施較簡(jiǎn)單。

循環(huán)油導(dǎo)熱法采取在門槽埋件部位設(shè)置油槽加熱裝置，在油槽內(nèi)設(shè)置電加熱棒，用防凍油、油泵、油槽組成油循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)熱傳導(dǎo)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(duì)加熱溫度實(shí)時(shí)控制，能對(duì)水封止水有效保護(hù)。

電熱除冰法是在閘門后部采用電伴熱帶，目前較多采用發(fā)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(shè)于兩側(cè)側(cè)軌內(nèi)，門葉加熱帶設(shè)于門葉背面梁格內(nèi)。在閘門門后梁格內(nèi)、上游面板敷設(shè)發(fā)熱電纜（需要根據(jù)實(shí)際除冰要求計(jì)算敷設(shè)電纜的發(fā)熱量），用5 mm 厚鋼板覆蓋形成空腔，鋼板上設(shè)計(jì)有可拆卸的檢修孔，檢修孔周邊設(shè)計(jì)橡膠水封。發(fā)熱電纜安裝后，覆蓋一層鋁箔反射膜，同時(shí)安裝聚氨酯保溫材料隔熱保溫。發(fā)熱電纜敷設(shè)時(shí)分層分組布置，使用時(shí)根據(jù)具體冰情分層、分組投入或全部投入使用。通電后發(fā)熱電纜產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)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(jié)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(huán)加熱方式，采用電加熱棒控制溫升，但是油循環(huán)裝置故障較多，影響除冰效果。弧門采取發(fā)熱電纜加熱方式，啟閉效果較好，對(duì)水封止水能有效保護(hù)。在樞紐閘門和壓力前池閘門前采取水泵擾動(dòng)破冰法，對(duì)平板閘門啟閉有一定的效果，但在極端氣溫和冰層較厚時(shí)作用有限。圖1 是本例電站門葉采用發(fā)熱電纜除冰示意圖。

圖1 門葉發(fā)熱敷設(shè)剖視圖

3.2 運(yùn)行措施

（1）掌握天氣氣溫變化情況，加強(qiáng)對(duì)河流水情、冰情的監(jiān)測(cè)，掌握冰凌進(jìn)入庫(kù)區(qū)情況和排凌時(shí)間，提前做好預(yù)控和準(zhǔn)備工作。

（2）冬季投運(yùn)前應(yīng)對(duì)各泄水閘門、啟閉設(shè)備、負(fù)荷電源及應(yīng)急電源等進(jìn)行全面檢查，確保設(shè)備可靠啟動(dòng)投退，對(duì)啟閉用的鋼絲繩、螺桿等重點(diǎn)部件進(jìn)行維護(hù)檢查，并定期小開度(10 cm)開啟閘門啟閉檢查。

（3）進(jìn)入冬季運(yùn)行期間，啟閉閘門操作提前投入閘門及門槽加熱裝置，啟動(dòng)時(shí)注意閘門兩側(cè)載重情況，防止支鉸失衡。加熱裝置根據(jù)冬季氣溫、河道結(jié)冰情況投退，門葉加熱裝置根據(jù)閘門前水位、冰層厚度選擇不同分區(qū)進(jìn)行加熱，確保閘門不承受靜冰荷載。

（4）采取潛水泵擾動(dòng)破冰方式時(shí)，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(dá)到破冰效果。

（5）對(duì)于潛孔閘門，要檢查水封止水特別是頂水封的效果，及時(shí)更換。合理控制冬季運(yùn)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(jié)冰影響。

4 結(jié)語(yǔ)

高寒高海拔地區(qū)小型水電站各類閘門的冬季運(yùn)行一直是難題，同時(shí)各電站設(shè)備、冰情水情和運(yùn)行模式不一，目前還沒(méi)有找到徹底有效的解決方法。閘門冬季的防凍措施和運(yùn)行策略是關(guān)鍵，需要結(jié)合設(shè)備運(yùn)行實(shí)踐，因地制宜，了解河流來(lái)冰規(guī)律，制訂切實(shí)可行、安全可靠的運(yùn)行模式和預(yù)防措施，最大程度減少冰害凍害對(duì)閘門正常運(yùn)行的影響，保證電站冬季安全運(yùn)行。