嚴寒區(qū)抽水蓄能電站碎冰球制備與性能評價

摘" 要：為消除嚴寒地區(qū)冬季大體積冰體對抽水蓄能電站的不良影響，該文設計、制備一種碎冰球，研究碎冰球表觀密度、直徑對碎冰效果的影響，以及表層材料水接觸角和吸水率對冰粘度強度的影響。結果表明，碎冰球表觀密度為0.88～0.96 g/cm3，直徑為冰層厚度1.2～2.0倍時，碎冰效果良好；碎冰球表層材料的水接觸角越大，其冰粘度附強度越低，在該試驗選用的表層材料范圍內，接觸角大于60°時的冰粘度強度小于0.15 MPa；為避免吸水率過高導致冰粘度強度增大，表層材料吸水率應小于0.1%。

關鍵詞：抽水蓄能電站；碎冰球；制備；直徑；密度

中圖分類號：TV41" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0055-04

Abstract： In order to eliminate the adverse effect of large volume ice body on pumped storage power station in severe cold area in winter， a kind of crushed ice ball was designed and prepared in this paper. The effects of apparent density and diameter of ice puck on ice crushing effect， and the effects of surface material water contact angle and water absorption on ice viscosity strength were studied. The results show that the ice crushing effect is good when the apparent density of the ice ball is 0.88～0.96 g/cm3 and the diameter is 1.2～2.0 times the thickness of the ice layer， the larger the water contact angle of the surface material of the ice ball is， the lower the ice viscosity strength is， and in the range of the surface material selected in this experiment， the ice viscosity strength is less than 0.15 MPa when the contact angle is more than 60°. In order to avoid the increase of ice viscosity strength caused by excessive water absorption， the water absorption of the surface material should be less than 0.1%.

Keywords： pumped storage power station; ice ball; preparation; diameter; density

抽水蓄能是水利發(fā)電的一種儲能模式，也是目前最成熟，使用最安全、最可靠，最具大規(guī)模開發(fā)潛力，經濟性最優(yōu)的儲能技術，能夠為電網提供調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等多種優(yōu)質輔助服務，維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[1-2]。在雙碳目標驅動下，我國抽水蓄能電站已進入建設高峰期，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出要加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規(guī)?；瘧肹3]。

對于在我國北方地區(qū)、西北地區(qū)和高原地區(qū)興建的抽水蓄能電站，例如黑龍江荒溝抽水蓄能電站[4]、遼寧清原抽水蓄能電站[5]等，冬季嚴寒天氣會導致水庫表面發(fā)生冰凍，當庫面形成完整冰蓋時，冰蓋與面板壩和水面的相對關系如圖1所示，冰蓋在抽水蓄能電站頻繁充放水過程中很容易發(fā)生破裂，形成體積較大的冰體漂浮在水面上，大體積冰體嚴重影響水利發(fā)電過程并對水工建筑物造成危害[6]，例如冰體堵塞取水口、影響閘門正常啟閉、破壞庫岸護坡和面板止水結構、侵占水庫有效庫容等[7-8]。上述冰害會貫穿整個冬季，降低抽水蓄能電站的發(fā)電量，嚴重影響抽水蓄能電站的發(fā)電效益[6]。因此，對于冬季嚴寒地區(qū)興建的抽水蓄能電站必須要設計和采取適宜的防冰和碎冰措施。

目前，常見的防冰措施有水流擾動、感應加熱、壓縮空氣吹氣和人工破冰等方式，綜合考慮安全性、工程技術成熟性和投資等因素，水流擾動是目前相對較適宜的防冰方式，在工程中也取得了一定的應用[7]。劉巖等[9]采用水泵擾動水流的方式除冰，在呼和浩特抽水蓄能電站實現(xiàn)了冰蓋與庫盆面板分離的防護效果，但對水泵安裝時間、破冰設施的布置有一定要求，尚未達到可規(guī)模推廣的成熟度?？梢钥闯?，上述方法均存在一定不足，人工破冰方法效率低，水流擾動、感應加熱和壓縮空氣吹氣均需要設置相應的裝置，例如布置結構復雜的管道、安裝水泵水流擾動系統(tǒng)等，增加了投資和系統(tǒng)的復雜性，不利于大規(guī)模工程應用。

鑒于此，本文針對嚴寒區(qū)抽水尋能電站實際破冰需求，設計了一種具有制備成本低、運營可靠、使用壽命長的碎冰球。該碎冰球充分利用抽水蓄能電站水位頻繁變化的特點，在充放水過程中實現(xiàn)碎冰，從而避免水庫表面形成大體積冰體，減少大體積冰體對水利發(fā)電過程的不利影響和水工建筑物的嚴重破壞。

1" 碎冰球結構和碎冰原理

碎冰球的結構示意圖如圖2所示?？梢钥闯?，碎冰球整體可以分為表層和芯部2個部分，芯部由泡沫材料和配重物中的至少一種組成。將碎冰球投放于抽水蓄能電站水庫水面，冬季冰層產生時，碎冰球分布于凍結冰層中，利用碎冰球表面的低冰黏附強度的特點，在碎冰球與冰體界面處易形成裂縫，當碎冰球直徑大于冰體厚度時，裂縫貫穿整個冰蓋，冰體強度已被明顯削弱，冰蓋平面結構處于失穩(wěn)狀態(tài)[10]，此時在抽水蓄能電站水位頻繁變化引起的沖擊作用下冰蓋發(fā)生破裂，從而實現(xiàn)碎冰效果，減小大體積冰體對庫區(qū)水工建筑造成沖擊、拖拽和膨脹剪切壓縮作用，從而降低對水利發(fā)電的不利影響。

2" 碎冰球制備

2.1" 一步法

一步法制備碎冰球是將表層和芯部在模具中一次成型，主要步驟如下：①清理模具，涂刷內表面脫模劑；②模具內固定位置放置配重料；③將流體原料澆注或者注射入模具；④原料在模具內發(fā)泡成型，固化后由液體成為固體；⑤打開模具，取出碎冰球制品；⑥碎冰球修邊整形，去除碎冰球合模線處的飛邊；⑦檢查碎冰球技術指標（幾何尺寸、重量和表層質量等），合格后進行包裝。

2.2" 二步法

二步法制備碎冰球是將表層和芯部分步成型，第一步成型碎冰球表層，第二步成型碎冰球芯部。具體步驟如下：①采購或制備球形殼體狀的碎冰球面層，所述碎冰球面層開設有填充口；②使碎冰球芯部材料經所述填充口充入所述碎冰球面層內部；③檢查碎冰球技術指標（幾何尺寸、重量和表層質量等），合格后進行包裝。

將配重物和液態(tài)泡沫材料填充至球形殼體狀內部空間時，液態(tài)泡沫材料經過固化和放熱過程，使球形殼體狀的碎冰球面層鼓起來，以緊密貼合于固化后泡沫材料和配重物。若碎冰球芯部材料為配重物，將配重物填充至球形殼體內部，然后封堵或密封填充口即可。相對于一步法，二步法易于批量化制備大直徑碎冰球，且具有效率高、成本低、壽命長和易修復等優(yōu)點。

3" 試驗方案與性能測試

3.1" 試驗方案

3.1.1" 密度和直徑對碎冰效果的影響

為探究碎冰球的表觀密度和直徑對碎冰效果的影響，選取了聚四氟乙烯、聚氨酯和聚乙烯3種材料制作碎冰球表層，控制碎冰球的表觀密度和直徑，測試其碎冰效果。試驗設計見表1。

3.1.2" 表層材料對冰黏附強度的影響

抽水蓄能電站庫區(qū)建筑物受到拉伸和沖擊的安全強度為0.15 MPa，因此，需要保證碎冰球的表層冰黏附強度小于0.15 MPa。為了驗證表層材料憎水性和吸水率對碎冰球冰黏度強度的影響，選用具有不同水接觸角和吸水率的材料制作碎冰球表層，具體設計方案見表2。

3.2" 性能測試

密度按照GB/T 6343—2009/ISO 4845：2006《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》進行測定。材料表面與水接觸角按照GB/T 30693—2014《塑料薄膜與水接觸角的測量》進行測試。吸水率按照GB/T 8810—2005《硬質泡沫塑料吸水率的測定》進行測試。冰黏附強度按照GB/T 5210—2006/ISO 4624：2002《色漆和清漆拉開法附著力試驗》進行測試。

4" 結果與討論

4.1" 碎冰球表觀密度和直徑對碎冰效果的影響

按表1所列材料，采用二步法制備碎冰球，在蓄水池內進行抽水蓄能電站工作模擬試驗，觀察并記錄結冰、碎冰情況，試驗結果見表3。

由表3可以看出，碎冰球表觀密度和直徑直接影響其碎冰效果。當碎冰球直徑過小時，如試驗序號4所示樣品，碎冰效果較差。這是由于當碎冰球的直徑小于冰層厚度時，在發(fā)生冰凍后，凍結所形成的冰層往往位于碎冰球的下方，或者隨著冰層厚度的增加將碎冰球包裹起來，形成連續(xù)的冰層。此時，在水位反復上漲-回落過程中，碎冰球碎冰效率降低，要么不能破冰，要么破冰后易形成大體積冰體。因此，碎冰球的直徑必須與所使用地區(qū)的冰層厚度相匹配，為庫面冰層最大厚度的1.2～2倍為宜。

由表3中試驗序號3和5可知，當碎冰球密度過大或過小時碎冰效果較差。水結冰后的密度為0.90～0.94 g/cm3，碎冰球的適宜的表觀密度為0.88～0.96 g/cm3。這是由于結冰過程中，控制碎冰球整體表觀密度與冰層密度接近，才能使碎冰球貫穿冰層，當密度過大或過小時，碎冰球往往位于冰層上方或下方，冰層反復凍結-破碎過程中，碎冰球不能貫穿冰層，冰層逐漸加厚，沒有碎冰效果。除此之外，投入水庫中的碎冰球的密度應盡量相同，以保證碎冰球處于冰層高度方向相同位置，能夠獲得更好的碎冰效果。

4.2" 水接觸角和吸水率對冰黏附強度的影響

碎冰球不同表層材質的冰黏附強度見表4。

由表4可以看出，隨著碎冰球表層材料水接觸角的增大，以及吸水率的逐漸減小，材料的冰黏附強度整體呈逐漸減小的趨勢，例如有機硅橡膠和聚偏氟乙烯的吸水率均為0，但前者的水接觸角較后者大10°，疏水性更強，因此，有機硅橡膠的冰黏附強度是聚偏氟乙烯的1/2左右。所以，為了提高碎冰球的碎冰效果，表層材料的冰黏附強度應盡可能小。由表4結果可知，相對于吸水率而言，水接觸角對冰黏附強度的影響更大。因此，碎冰球表層應選擇水接觸角大的材料。憎水材料的吸水率通常較低，碎冰球表層材料吸水率控制在0～0.1%即可，避免材料因吸水過多導致密度變化較大，進而增加冰黏附強度，降低碎冰效果。

5" 結論

本文設計、制備了一種滿足嚴寒區(qū)抽水蓄能電站防冰需求的碎冰球，能夠將水面分割成若干體積較小的區(qū)域，在冬季嚴寒發(fā)生冰凍時，利用充放水過程中水流的起伏沖擊實現(xiàn)碎冰效果，無需消耗額外能量，綠色環(huán)保。主要研究結論如下。

1）碎冰球表觀密度極大的影響碎冰效果，控制其表觀密度為0.88～0.96 g/cm3，使得碎冰球能夠貫穿冰層，有效發(fā)揮碎冰作用；在適宜的密度條件下，碎冰球的直徑應為庫面冰蓋厚度的1.2～2倍，此時碎冰球的碎冰效果較好。

2）碎冰球表層材料水接觸角越大，材料的憎水性越好，碎冰球表面冰黏附力越小，冰層越容易從碎冰球表面脫落，碎冰效果越好，綜合成本、加工難度等因素，表層選擇水接觸角大于60°、吸水率為0～0.1%的材料即可。

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基金項目：國網新源股份有限公司科技項目（SGXYKJ-2022-089）

第一作者簡介：張志偉（1972-），男，高級工程師。研究方向為水電工程管理。

*通信作者：姜志國（1965-），男，博士，研究員。研究方向為聚氨酯功能高分子材料。