中國儲能網(wǎng)訊：對于高寒地區(qū)的抽水蓄能電站，冬季冰凍期是嚴(yán)峻的考驗。
撫順市是遼寧冬季最寒冷的城市之一，而位于山區(qū)的清原縣尤其寒冷，最低氣溫曾達(dá)到零下37攝氏度。
氣泡防冰裝置示意圖 國網(wǎng)新源集團(tuán)供圖
1月16日，東北地區(qū)最大的抽水蓄能電站——國網(wǎng)新源遼寧清原抽水蓄能電站全面投產(chǎn)發(fā)電。春節(jié)假期期間，清原縣普降大到暴雪，氣溫降至零下30攝氏度。清原抽水蓄能電站上、下水庫庫面大部分區(qū)域結(jié)成了30至50厘米厚的冰層，上面覆蓋著厚厚的白雪。然而，水庫進(jìn)出水口周圍卻是清水潺潺，波光粼粼。這其中的奧秘就在于該站應(yīng)用了氣泡防冰技術(shù)。
冰凍會破壞抽水蓄能電站水工建筑物和機(jī)組
在高寒地區(qū)，冰凍可能會通過三種形式對抽水蓄能電站的水工建筑物和機(jī)組產(chǎn)生破壞。
一是冰蓋。高寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫水溫較低，庫區(qū)結(jié)冰速度快，易形成封閉水面的冰蓋。當(dāng)機(jī)組處于抽水工況時，上水庫的冰蓋會對機(jī)組產(chǎn)生額外阻力，下水庫的冰蓋形成負(fù)壓；當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電工況時，下水庫的冰蓋會對機(jī)組產(chǎn)生額外阻力，上水庫的冰蓋形成負(fù)壓。這兩種情況都會影響機(jī)組的工作效率和使用年限。
二是靜冰壓力。靜冰壓力是指在水庫水位沒有太大變化的情況下，冰層膨脹遇到約束后產(chǎn)生的壓力。這就像一瓶水放到冰箱里冷凍，水在變成冰的過程中會對瓶子造成擠壓，進(jìn)而破壞瓶壁。冰的力學(xué)特性十分復(fù)雜，影響因素很多，溫度膨脹力的估算存在很多不確定因素。冰層會隨著溫度變化而膨脹或收縮，膨脹力足夠大時甚至可能毀壞庫區(qū)的水工建筑物。
三是冰拔力。冰拔力是指冰層和水工建筑物凍結(jié)在一起時，隨著水庫水位變化，對水工建筑物形成的額外作用力。尤其是當(dāng)水工建筑物的表面比較粗糙時，其與冰層的粘接強(qiáng)度更大，冰拔力也更大，更易對水工建筑物產(chǎn)生破壞。在靜冰壓力與冰拔力的聯(lián)合作用下，伸縮縫間的止水部件、面板、護(hù)坡表面、拱壩、重力壩保溫體系、庫區(qū)內(nèi)的混凝土排架等可能會被破壞。
清原抽水蓄能電站創(chuàng)新應(yīng)用氣泡防冰技術(shù)
2021年年底，清原抽水蓄能電站技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊綜合考慮該站的地理位置、氣候條件及自身特點，聯(lián)合參建單位反復(fù)研究論證，在上、下水庫蓄水前完成了具體的防冰蓋封閉設(shè)計方案：在不增加、不改變抽水蓄能電站原有建筑物的基礎(chǔ)上，在上、下水庫創(chuàng)新應(yīng)用氣泡防冰技術(shù)。
氣泡防冰技術(shù)是基于什么原理提出的？從理論上講是“動水不凍”，通俗點說，就是通過氣泡不停地擾動讓水庫進(jìn)出水口的水面不結(jié)冰。
清原抽水蓄能電站上、下水庫的氣泡防冰蓋封閉裝置分別由兩臺螺桿式空氣壓縮機(jī)、一個壓縮氣罐、一臺干燥機(jī)、一臺電氣控制柜和9條輸氣管路及水下防冰工作裝置組成。氣泡防冰蓋封閉裝置在水下形成符合流場要求的連續(xù)氣泡群。氣泡群在浮力作用下，帶動周圍水體向上流動，形成局部環(huán)流的流場。流場內(nèi)流動的水不易生成結(jié)晶體，且能破壞掉已生成的結(jié)晶體，沒有結(jié)晶體的水即使在過冷狀態(tài)下也不會結(jié)冰，這樣就解決了冰凍帶來的問題。
氣泡防冰蓋封閉裝置在自動運行情況下，當(dāng)冬季環(huán)境溫度低于0攝氏度時，主空氣壓縮機(jī)自動啟動，氣壓達(dá)0.65兆帕?xí)r干燥機(jī)開啟。9條輸氣管路設(shè)有電調(diào)閥，可以根據(jù)溫度自動調(diào)節(jié)電調(diào)閥開度控制給氣量，形成連續(xù)氣泡群，以達(dá)到最佳除冰效果。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)5攝氏度及以上時，主空氣壓縮機(jī)自動停機(jī)。
經(jīng)過兩個冬季的考驗，技術(shù)應(yīng)用效果顯著
與傳統(tǒng)的人工刨冰方式相比，氣泡防冰技術(shù)消除了惡劣天氣環(huán)境下人工作業(yè)存在的安全隱患。與潛水泵、電熱融冰等方式相比，氣泡防冰技術(shù)可清除冰蓋的面積更大，防冰效果更好，對工程的適應(yīng)性更強(qiáng)，可靠性增加，檢修維護(hù)工作量更小，節(jié)省能源80％以上。同時，氣泡防冰技術(shù)實現(xiàn)了從被動除冰到主動防冰的轉(zhuǎn)變，屬于事前預(yù)防。可靈活布置的水下防冰工作裝置對抽水蓄能電站建筑物結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有任何影響，適應(yīng)抽水蓄能電站水溫低、水位變化幅度大、抽水與發(fā)電工況頻繁轉(zhuǎn)換等特點。
氣泡防冰技術(shù)在清原抽水蓄能電站應(yīng)用以來，經(jīng)過2023年和2024年兩個冬季的考驗，防冰蓋效果顯著，上、下水庫進(jìn)出水口排污柵周圍無冰區(qū)分別達(dá)3000平方米以上。運行人員只需利用中控室監(jiān)控電腦就可對氣泡防冰蓋封閉裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停操作和安全巡檢。在多次寒潮天氣中，該站沒有受到影響，機(jī)組運行工況與無冰時無差別。
應(yīng)用氣泡防冰技術(shù)帶來的效益是多方面的。從安全性來看，該技術(shù)消除了冰拔力對進(jìn)出水口建筑物、大壩面板等造成的破壞，也消除了冰蓋破碎后碎冰下潛至進(jìn)出水口影響機(jī)組運行的風(fēng)險，保障清原抽水蓄能電站冬季安全可靠運行；從經(jīng)濟(jì)效益來看，通過提高發(fā)電效率進(jìn)一步增加了發(fā)電效益；從社會效益來看，為全國更多高寒地區(qū)的抽水蓄能電站冬季防冰蓋封閉提供了參考。目前，氣泡防冰蓋封閉裝置已在國網(wǎng)新源新疆阜康抽水蓄能電站應(yīng)用。
