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這座抽水蓄能電站 為什么不怕冰凍?

作者:李明鈺 劉豪男 韓冰 來源:國家電網(wǎng)報(bào) 發(fā)布時(shí)間:2025-03-18 瀏覽:

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(yàn)。

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(shí),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(shí),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(shí)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(shí),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(shí),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(duì)綜合考慮該站的地理位置、氣候條件及自身特點(diǎn),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(jì)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(diǎn)說,就是通過氣泡不停地?cái)_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(gè)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(yùn)行情況下,當(dāng)冬季環(huán)境溫度低于0攝氏度時(shí),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(shí),主空氣壓縮機(jī)自動停機(jī)。

經(jīng)過兩個(gè)冬季的考驗(yàn),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(shí),氣泡防冰技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從被動除冰到主動防冰的轉(zhuǎn)變,屬于事前預(yù)防??伸`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(diǎn)。

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(gè)冬季的考驗(yàn),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(yùn)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(yùn)行工況與無冰時(shí)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(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),保障清原抽水蓄能電站冬季安全可靠運(yùn)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。

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