严寒地区抽水蓄能电站防冰害措施研究

杨子强，王 可，李 伟

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

目前，我国在严寒地区兴建抽水蓄能电站越来越多，这些电站在投运初期均不同程度地遇到过库面结冰问题。由于抽水蓄能电站库水位变化频繁且变幅大，库面结冰可能带来的冰害问题和防冰害措施与其他常规水电站差异较大。

本文通过对国内类似工程进行调研，明确了防冰害措施的研究方向，依据西龙池抽水蓄能电站上水库工程实际，进行冰情及机组运行方式观测，提出适合严寒地区抽水蓄能电站冬季机组运行最优方案。同时，针对机组停机检修等特殊情况，开展现场水流扰动试验，对该方法的应用进行实践研究，提出工程应用经验，为其他类似工程提供参照和借鉴。

1 工程概况

西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州市五台县滹沱河与清水河交汇处上游，是国内第一座在严寒地区修建的抽水蓄能电站，电站总装机容量为1 200 MW。电站上水库正常蓄水位1 492.50 m，死水位1 467.00 m，调节库容为4 135 100 m3。

工程地处北纬38°以北，上水库多年平均气温为4.7℃，最冷月平均气温为-11.1℃，极端最低气温-34.5℃，每年冬季都出现不同程度的冰情。根据工程所在地附近滹沱河的济胜桥站观测资料，该河段最长封冻期为93 d，最大冰厚为0.51 m。在电站运行初期，由于机组运行较少，时常发生上水库形成完整冰盖的现象，对工程正常运行造成不利影响。

2 防冰害措施研究

2.1 防冰害措施介绍

冰冻是我国北方地区普遍存在的自然现象，常见的水工建筑物冰害主要包括：冰体堵塞取水口首部、冰体破坏库岸护坡、冰体破坏面板止水结构、冰体影响闸门正常启闭等。针对上述情况，常见的防冰害措施有人工破冰法、水流扰动法、压缩空气吹气法、电加热法、热管法。上述方法中，人工破冰法最为原始，由于存在人身安全隐患，已不符合现代安全生产和自动化运行的要求；压缩空气吹气法和热管法均需要布置结构复杂的管道，不适用于大规模的工程措施；电加热法一般用于金属闸门或桥墩等小规模结构物，若用于坝面或库岸等较大范围的防冰害工程措施投资较高。水流扰动法工程技术成熟，已积累了一定的工程经验。考虑工程技术成熟性和投资等因素，水流扰动法是最佳的工程防冰害措施。

2.2 工程调研

为收集和掌握严寒地区抽水蓄能电站的冰情规律、冰害问题和解决冰害问题的具体措施，2013年～2014年和2014年～2015年两个冬季对十三陵、张河湾、西龙池、蒲石河、呼和浩特等抽水蓄能电站、哈拉沁水库(常规水库)和松江河电厂(常规水库)进行了工程调研。

通过调研成果分析，抽水蓄能电站正常运行时引起的水位变化对水库冰情有一定的缓解作用。其中，十三陵、张河湾、西龙池抽水蓄能电站保持正常运行，上水库均未出现大面积结冰情况，在库岸附近均有动水带。通过对比位于同一地理位置，具有相同气象条件的呼和浩特抽水蓄能电站下水库与相邻的哈拉沁水库(常规水库)的冰情，投入运行的呼蓄下水库靠近库岸存在宽约10～20 cm的动水带，冰盖最大厚度约20 cm，与下水库相邻的哈拉沁水库形成完整冰盖，冰厚约68 cm。

对于水位变化不大的常规电站，或者对防冰害要求较高的特殊部位(如：钢筋混凝土面板表层止水、钢闸门等)，均设置专用水流扰动设备。如：松江河电厂混凝土面板坝前和蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪建筑物闸门前均设置了水流扰动装置。

总结分析调研成果，严寒地区抽水蓄能电站防冰害措施研究应重点分析机组运行对冰情的影响，并针对特殊部位或特殊情况开展水流扰动试验验证融冰效果。

2.3 机组运行对冰情影响研究

通过收集西龙池抽水蓄能电站2012年～2013年、2013年～2014年、2014年～2015年冬季水库冰情监测数据，分析了气温、机组运行与冰情之间的关系。

2.3.1 气温特征

2012年～2013年度冬季最冷月为2012年12月，平均最高气温为-6.1℃，平均最低气温为-12.6℃，平均气温为-9.4℃；2013年～2014年度冬季最冷月为2014年2月，平均最高气温为-1.4℃，平均最低气温为-9.1℃，平均气温为-5.5℃；2014年～2015年度冬季最冷月为2014年12月，平均最高气温为-3.5℃，平均最低气温为-11.6℃，平均气温为-7.8℃。

2.3.2 机组运行情况

2012～2013年度、2013～2014年度、2014～2015年度冬季西龙池抽水蓄能电站机组运行情况如表1所示。其中运行次数为抽水次数和发电次数之和，运行时间包括抽水时间和发电时间。

表1 2012～2015年度冬季西龙池抽水蓄能电站机组运行情况统计

2.3.3 冰情特征

根据收集资料，2009～2010年度冬季西龙池抽水蓄能电站由于机组停运持续时间较长，上水库出现冰盖，最大厚度约40 cm。2012～2013年度冬季(2012年12月7日～2013年3月31日)电站上水库除进出水口外的库水面形成厚冰盖，冰盖边缘与库岸面板间有约0.1～2 m的动水带，最大冰厚发生在2013年1月26日～2月6日，冰盖厚约8～12 cm。2013～2014年度冬季(2013年12月26日～4月25日)电站上水库除进出水口外的库水面形成薄冰盖，冰盖边缘与库岸面板间有约0.5～2 m的动水带，2014年1月14日薄冰盖厚约1.5 cm。2014～2015年度冬季(2014年11月1日～2015年4月23日)上水库未结冰。

2.3.4 机组运行对冰情影响分析

本次对比分析的代表时间为各监测年最冷月。对比2012年12月与2014年2月可以看出，2012年12月平均气温较2014年2月偏低，并且机组平均每日运行时间也较低，造成2012年12月冰情较严重。

对比2014年2月与2014年12月可以看出，2014年2月平均气温较2014年12月偏高，但是冰情较2014年12月严重。初步分析原因为2014年2月机组平均每日运行时间较2014年12月短所致。

结合3个监测期最冷月的监测资料分析发现，随着各监测期最冷月机组平均每天运行时间逐年增加，上水库结冰情况为“全面结冰、厚冰盖→中心区域无冰、薄冰盖→无冰”，由此可见上水库冰情主要与机组运行时间相关，同时也受气温影响。

2.3.5 机组运行建议

由于冰情与气温及机组运行等要素之间的相互关系十分复杂，根据目前的监测数据无法准确演算，根据近3年的观测资料，选取最冷周2013年度1月1日～7日作为参照依据，数据统计见表2。上水库最低气温-22℃(2013年1月4日)，最冷周平均气温-15.4℃，机组平均每天抽水或发电3 h，上水库库面大面积结冰，但库岸附近冰层破裂，冰盖边缘与库岸面板间有动水带，不会对建筑物造成破坏。

表2 上水库结冰、气温、机组运行数据统计

2.4 水流扰动装置对冰情的影响

2.4.1 设计思路

水流扰动装置依据热能动力工程中的传质传热机理，利用库区水储存的大量热能，通过水泵抽取库区水面下较深层的温水送至建筑物与水面接触带，在动能和势能的驱动下将水流向两侧传输，水流在传输过程中释放热能，以补充水面的散热从而阻止水面封冻。

同时，考虑抽水蓄能电站水位频繁变化的特性，水泵装置需要随水位自动升降，即需设计承载水泵的滑车、收放泵车的卷扬机以及自动升降控制系统。自动升降控制系统由数字液位传感器测得导流管出口的水下深度，可将信号送到可编程控制器，通过与设定深度值比较，由可编程控制器给卷扬机发出正转和反转指令，实时调节滑车位置，始终跟踪水位的变化。

2.4.2 现场试验

经过现场勘查，试验地点选在西龙池抽水蓄能电站上水库南侧主坝西侧背阴坝面处。在2014年～2015年和2015年～2016年冬季进行了2个冬季的现场试验。通过本次现场水流扰动试验明确了水泵选型、喷口水下最佳深度、水流扰动区域等，具体如下：①水流扰动设备在随库水位变化的过程中能自动跟随水位变化。牵引装置的升降速度14 m/min适合运行要求。②试验中选择低扬程大流量轴流泵适合传质传热的要求。扬程1～4 m，流量200～400 m3/h符合工程安装和运行要求。③水泵在水面以下的工作深度以2 m左右为宜。导水管出口在水下65 cm分流效果最佳。④一个单元单泵(4 kW)运行，扰动范围可达70 m，双泵扰动长度约100 m，宽度2～4 m。

2.4.3 融冰效果验证

由于试验期内西龙池电站机组运行频繁，同时没有遇到极寒天气，整个冬季没有发生库区结冰问题，故没能观察到该装置的融冰效果。为进一步验证该装置的防冰害效果，对松江河发电有限公司的小山水电站和双沟水电站进行了调研。这两个电站均位于东北严寒地区，属于常规水电站，大坝为混凝土面板堆石坝，坝前均安装了水流扰动装置。该装置采用与西龙池现场试验装置相同原理——水流扰动传质传热机理。该装置已经于2014～2015年度和2015～2016年度运行了两个冬季，期间水库均形成了冰盖，但坝前形成动水带，扰动范围约3 m×70 m，融冰效果很好。

西龙池抽水蓄能电站上水库当地气温(-11.7℃)高于小山水电站(-18℃)，库区水温(7℃)也高于小山水电站(2℃)，故可推断，同样装置配置会达到更好的防冰害效果。

3 结论及展望

3.1 结论

本次研究通过对西龙池抽水蓄能电站上水库开展为期3年的冰情及电站运行观测，以及开展现场水流扰动试验，结合国内类似工程的调研成果，得出如下结论：

(1)抽水蓄能电站机组正常运行时引起的水位变化对水库冰情有较明显的缓解作用，而对防冰害要求较高的特殊部位(如：混凝土面板坝的止水、钢闸门等)，可设置专用水流扰动设备。

(2)严寒地区的抽水蓄能电站，在冬季应采取合理的冬季运行方案。建议当周平均气温在-15℃以上时，机组平均每天抽水或发电3 h，可保证冰盖边缘与库岸面板间有动水带，不会对建筑物造成破坏。但是冰情与气温及机组运行等要素之间的相互关系十分复杂，建议加强日常观测，及时调整运行方式以避免形成全面冰盖。

(3)若电站在冬季遇到库水位长时间处于静止状态的非常情况，为避免水库形成完整的冰盖进而对机组运行造成不利影响，可在水库部分区域内设置水流扰动设备。

3.2 展望

(1)受研究经费、时间等因素限制，完整的原型监测只进行了3个冬季，且存在资料不全现象，影响到资料的代表性和分析结果的适用性。建议后期继续开展抽水蓄能电站防冰害措施研究工作，确保资料系列有足够的长度，为今后进一步优化电站冬季运行要求提供可靠的资料依据。

(2)通过西龙池抽水蓄能电站上水库水流扰动试验及对松江河电厂小山水电站和双沟水电站大坝面板防冰冻装置的调研成果进行研究分析，水流扰动措施对于静水状态的防冰害效果显著。但抽水蓄能电站库水位变化迅速，本次现场试验没有直接验证水流扰动装置的动态融冰效果，建议后期继续从布置方案、设备参数等方面作进一步研究。