水電站冬季運行遇到的問題及對策

吳小靜

( 新疆伊犁河流域開發建設管理局，烏魯木齊835400)

1 工程概況

某水電站是一條主要適用于冬季運行的水電站，利用主渠道冬季閑置的水流發電。水電站主要建筑物有分水閘、引水渠、排冰閘、壓力前池、溢流堰、泄水槽、壓力管道、電站廠房、尾水渠等建筑物組成。引水渠整體走向為東西向，前池及壓力鋼管走向為南北向，在渠道與前池銜接部位的彎道外側建排冰閘，工程為正向引水，彎道排冰。引水渠長6 209 m，尾水渠長2 375 m，壓力管道長2 020 m，電站壓力前池正常運行水位858．3 m，水電站工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。電站設計水頭154．3 m，裝機容量132 MW，年發電量6．68 億kW·h，年利用小時數5 061 h。

2 氣象條件

該工程所在區域屬大陸性溫帶氣候，表現為溫和濕潤、晝夜溫差大等特征。該工程附近有氣象站，設計主要依據氣象站觀測資料。經統計多年平均氣溫為7．4 ℃，極端最高氣溫為37．4 ℃，極端最低氣溫為－37． 6 ℃。多年平均降水量256．6 mm，多年平均水面蒸發量(20 cm 蒸發皿)1 422．5 mm，多年平均風速2． 1 m/s; 最大風速28． 0 m/s，相應風向為WNW。多年平均雷暴日數40．7 d，歷年最大積雪厚度41 cm，歷年最大凍土深度60 cm。

根據計算洪溝設計洪水的需要，本階段收集了附近氣象站1960 ～2006年的年最大1 d 降水量，多年平均為19．5 mm。附近水文站歷年(1956 ～2006年) 的月、日氣溫，多年平均氣溫為8．6 ℃，日平均最高氣溫為31．0 ℃，日平均最低氣溫為－24．6 ℃( 表1) 。

表1 附近水文站多年平均氣溫統計表 ℃

3 冬季運行情況

該電站首個冬季運行情況表明，自2011年12月21日起，當最低氣溫連續3 d 降至－15 ℃時，渠道開始出現冰情。12月23日最低氣溫降至－18 ℃，引水渠、分水閘、及渠系建筑物前開始出現大面積結冰，通過調配挖掘機等設備及時破冰、輸冰，并開啟排冰閘等措施尚且可將渠道浮冰排除。2012年1月18日開始，由于全球性寒潮入侵，氣溫降至－20 ℃以下，渠道全天開始產生大塊浮冰。1月19日氣溫驟降至－25 ℃，渠道出現冰蓋，連續長度約5 km，部分水位抬升。1月22日最低氣溫達到－29 ℃，冰蓋長度連續約25 km，部分水位超校核洪水位，冰情嚴重致使電站停產。

4 存在的問題

1) 渠道中渠系建筑物( 交通橋、渡槽、分水閘及節制閘等) 以及彎道處易出現流動冰凌壅塞現象，影響渠道安全運行。較大的冰凌通過彎道、橋、分水閘、節制閘以及渡槽等部位時易被建筑物阻擋形成冰塊擁堵，冰面向上游延伸，影響正常的輸水、輸冰。

2) 攔冰鎖易與冰凌凍結形成整體，造成冰凌逐漸擴展，影響排冰。攔冰鎖處過水斷面大，流速慢，在水流作用下形成順水流方向的凹面。冰凌在攔冰鎖處聚集，凍結并不斷擴大，氣溫驟降時，極易形成大面積冰蓋。

3) 通過攔污柵的冰絮狀物極易與柵格凍結形成冰簾，側軌易凍結，導致攔污柵無法正常運行，影響發電。當氣溫較低時，通過攔污柵的冰絮狀物及雜物，在水流作用下易附著在攔污柵上，形成冰簾。水位變化區攔污柵柵條與框架、攔污柵與側軌易凍結，無法啟動。

4) 溜冰槽雜物、碎冰堆積現象嚴重。由于溜冰槽水平段設計的坡度較小，清淤泵流量不足，無法將攔污柵撈出的碎冰、雜草及人工清除的冰簾等雜物沖走，必須通過人工進行清理，尤其到了春秋兩季雜草較多，給清理工作帶來很大的工作量。在氣溫較低的冬季清至溜冰陡槽后的雜物又會繼續堆積、凍結，并逐漸向上擴展，直至溜冰槽被雜物、冰塊淤滿，無法繼續排草、排冰。

5)排冰閘、事故閘門及排沙洞閘門易與導軌凍結，影響閘門動作。排冰閘、沖砂閘在氣溫較低時，由于門后滲水逐漸結冰導致門體與軌道凍結，排冰閘側軌加熱裝置融冰效果欠佳。事故閘門在氣溫較低時，水位變化區四周凍結，無法啟動。

6) 排沙洞閘門開啟泄流時，水流沖擊邊墻，漸至頂部。排沙洞水流流速高，出口泄流直接頂沖排冰排沙槽邊墻。

5 解決途徑

1) 長引水式電站防冰是水電工程中一項普遍性的問題，且各工程情況不一，解決難度較大，往往是隨工程運行逐漸總結，逐步完善。結合本工程情況，運行管理人員加強巡視，對渠系建筑物及彎道處的冰堵現象及時排除，如有條件，在橋柱混凝土表面及對應渠道一定范圍內的邊坡表面涂刷有利于冰與基層剝離的吸熱、憎水性涂料，根據目前掌握的情況，該涂料可采用改性瀝青瑪蹄脂涂層或高韌性環氧防護涂料，可涂刷不同廠家和不同品種的材料進行現場對比試驗，比較效果的好壞。對于橋柱防冰掛冰現象建議結合橋柱混凝土凍融損壞修補，在采用高韌性環氧砂漿修補的基礎上表層增加使用SK－EC 高韌性環氧防護涂層。對于冬季運行的渠道，建議交通橋、渡槽等跨渠建筑物宜設置成單跨，渠道轉彎半徑不宜設置過小。

2) 調整攔冰鎖的位置，增設破冰裝置，將凍結的攔冰鎖與冰分離。在冬季運行的引水渠道上，應優化排冰閘與電站進口的布置形式( 縮小排冰閘與電站進口間的過水斷面，保持水流與排冰閘方向一致，側向引水發電并設置攔冰墻) 。

3) 在前池增設能夠滿足區域供暖要求的加熱鍋爐，對攔污柵轉動區域內進行加熱，并且對前池攔污柵上部進行封閉，在其上增設一具備保溫、方便檢修的攔污柵輕型保溫房，房間配備采暖設施，以改善攔污柵的運行環境。保溫房下游側可直接利用電站進水口啟閉機房上游墻，其他墻體及房頂采用輕型板材結構，變速箱等輕型設備檢修時，可臨時拆除屋頂進行設備起吊。在保溫房內安裝暖氣，利用前池安裝一臺蒸汽鍋爐，對保溫房進行采暖加熱，提高回轉清污機周邊的環境溫度。在清污機上游側安裝噴蒸汽管道，需要時可直接對柵條水上部分噴蒸汽，防止柵條結冰。此方案能使回轉清污機運行環境和結冰情況得到改善，但因保溫房在水流進口和溜冰槽位置無法完全封閉，遇大風天氣，室內熱量會消散較快，因此還需要進一步完善。同時，對柵條直接噴蒸汽可能會導致屋內房頂及墻體形成冰滴或冰掛。

4) 對于溜冰槽排冰、排草不暢可采用增加清淤流量、揚程和改造溜冰槽兩種方案相互結合:①在現有清淤泵的位置增加兩臺大容量潛水泵互為備用;②采用黏土磚及砂漿抹面，局部填補溜冰槽下游側內凹處，束窄溜冰槽寬度，提高槽內水流單寬流量，提高水流沖污能力。對溜冰槽內壁涂刷高韌性環氧防護涂料，減小溜冰槽內壁糙率及與冰的粘結力。調整沖水管出口方向，使出口水流更有利于沖污。

5) 對于冬季氣溫較低時，沖沙洞出口增加棉簾保溫，電站進口閘房通氣孔延伸至戶外，閘房封閉，內設加熱裝置。事故閘門提起鎖定時應露出水面以上，通氣孔應設計在室外。

6) 當排沙洞水流流速過高，出口泄流直接頂沖排冰排沙槽邊墻時，水流存在折沖爬高現象，為避免水流濺出破壞排沙槽兩側回填土，可在排沙洞出口頂部增設混凝土蓋板，防止水體上岸，并連通左右岸交通，一舉兩得。

6 結 語

根據該冬季運行引水式電站的運行情況來看，冬季運行的渠道一旦出現冰凌、冰塊及冰蓋，就會影響渠道輸水能力，甚至導致壅塞，造成工程破壞、電站非正常解列。另外值得注意的是，上述所采取的輸冰、排冰措施是為保證電站冬季正常運行的被動手段，重點應是解決渠道生冰問題，對水體進行增溫，或增設機械破冰、排冰措施。同時建議在渠道一側增設監控設備及水位自動監測儀器，做到24 h 全天候監測，隨時監控渠道運行狀況，一旦發現水位升高等異常情況，及時進行處理，確保渠道運行安全。在冬季運行過程中，渠道兩側邊坡濕滑，應加強對當地群眾的安全宣傳工作，避免發生人身及財產損失，并應教育當地群眾，嚴禁向渠道內傾倒垃圾、拋雜物。

［1］朱永斌. 水電站冬季運行探討［J］. 中國水運: 下半月，2011(09) :144 －145.

［2］劉連希，吳吉才. 關于十三陵抽水蓄能電站上庫冬季運行結冰問題的探討［J］. 水利水電技術，2001(03) :33 －35.

［3］張娜，霍丙臣，王劍楠. 冰情危害及冬季明渠安全輸水探討［J］. 河南水利與南水北調，2010(11) :77 －78.