某水利水電工程防凍吹冰中壓縮氣應用的可行性分析

李澤同

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 問題的提出

水電能源因具有分布廣泛、開發技術成熟、性能較穩定等優勢，而成為目前最經濟、獲取最為便捷的一種能源。新疆地區獨特的自然地理環境造就了其豐富的水能資源，全國水力資源復查成果顯示，新疆水力資源及技術可開發量均位居全國首位，且當前新疆地區水電裝機容量在其電力系統總容量中的占比在85%及以上。隨著水電在電網中占比的增大，水電站安全穩定運行問題便顯得愈加重要；受特殊氣候的影響，新疆地區冬季嚴寒，水電站在冬季運行時必然面臨十分嚴峻的冰凍問題。

當前，水利水電工程水工建筑物防凍吹冰技術在我國西北、東北等嚴寒地區的實踐經驗十分豐富，尤其是新疆地區，其河流、冰清、氣象及水電站型式均表現出典型的冰凍特征，且新疆年平均氣溫呈現出明顯的區域和空間分布特征：南疆地區冬季(12月-次年2月)平均氣溫-10.4℃，北疆地區冬季(12月-次年2月)平均氣溫-16.2℃，西部地區冬季(12月-次年2月)平均氣溫-8.1℃，東部地區冬季(12月-次年2月)平均氣溫-7.5℃，總體表現為南疆高于北疆，東部高于西部，平原高于山區。

就水電站型式而言，大多為引水式，引水渠道長度大，再生冰層較多。新疆高寒地區水電站冬季運行面臨十分嚴酷的環境，且由于各方面原因的限制，并未充分掌握冬季冰凍規律及有效的放冰凍技術。為保證新疆高寒地區水電站水工建筑物安全穩定運行，必須充分結合冰情、水文、氣象等初始資料，優化設計工程布置方案，并加強對防冰凍技術的研究與實踐應用探討。

2 工程概況

Q水電站位于新疆喀什地區莎車縣境內，是新疆葉爾羌河下游河道規劃梯級開發中的第二級電站，并與上游阿爾塔什水電站聯合運行。本項目主要負責發電引水閘、排冰閘、排漂閘、泄洪沖沙閘等閘段的攔污柵、閘門以及埋件的設計、制造及運輸安裝工作。根據實際運行情況，機組進水口閘門和攔污柵、尾水閘門、溢流壩閘門等水工建筑物均為防凍吹冰對象，且進水口閘門和攔污柵處結冰及受飄冰堵塞的情況十分常見。

新疆地區江河來水時間及來水量存在較大差異，年內降水多集中在春夏季節，降雨占全降雨量的比約為70%。秋冬季節則進入枯水季，溢流壩閘門無需提閘泄洪，也不用考慮溢流壩閘門防凍吹冰。水電站機組在冬季枯水季內檢修機會較多，檢修過程中必須啟閉尾水閘門，故尾水閘門防凍吹冰是重點需要考慮的問題。調壓井運行時因水位持續波動，故不會發生結冰現象，僅長時期停運才會結冰，其是否進行防凍吹冰處理必須視情況而定。為此，文章僅針對尾水閘門進行其壓縮氣防凍吹冰技術應用問題的分析探討。

3 壓縮氣工程應用的可行性

壓縮氣具備一定彈性，并能儲存壓能，故通過其進行操作能源儲備較為合適，同時也具有儲存、輸送及操作的便捷性，在水電站水工建筑物防凍吹冰實踐中應用日益廣泛。水庫結冰后冰面以下水體溫度隨深度的增大而呈升高趨勢，并在0-4℃區間內變動，防凍吹冰技術主要借助壓縮空氣使溫水流從水體一定深度噴出，水流所到之處冰塊溶化，并能避免新冰層凝結[1]。為保證壓縮氣防凍吹冰技術的成功應用，必須加強以下控制：

1)壓縮氣干燥度。防凍吹冰壓縮氣供應管道通常為露天設置，為避免壓縮氣流經管道后在外界溫度影響下接近、達到露點，噴嘴及管內結冰并堵塞，壓縮氣必須足夠干燥。通常情況下應采用壓力700-800kPa的空壓機和儲氣罐結合減壓閥，將壓縮氣氣壓降至300-400kPa的水平，達到熱力干燥壓縮氣的目的。

2)噴嘴出口壓力。通常按照0.15MPa的水平控制噴嘴出口壓力，對于所處水下較深位置的噴嘴必須提高壓力。噴嘴出口處往往面臨較高的流速，且降溫較快，很容易結冰封鎖；若壓力過小，則溫水流上升速度和壓力又會受到影響，甚至無法觸及到冰層。為此，必須嚴格控制噴嘴出口壓力。

3)噴嘴設置。吹氣噴嘴必須設置在實際運行水位以下8-10m的位置，水溫越低或水溫隨水深變化不大的水電站，噴嘴設置位置應越低。對于水位變化較大的情況，可以設置2排噴嘴，以便于在不同水位運行；相鄰噴嘴間距應控制在2-3m，并應根據環境溫度、水溫進行調整；一般情況下，間距越小，水面所形成的波動越強，耗氣量也越大。

4 防凍吹冰壓縮空氣系統圖設計

結合工程實踐及Q水電站工程實際，通過管網將水輪發電機組用氣設備、生產及儲氣設備、自動化元件等連接成氣務系統，并通過規定符號繪制，便得到防凍吹冰壓縮空氣系統圖，具體如圖1所示。系統圖設計的科學合理與否直接關系到設備能否安全高效運行及運維是否便捷，按照設計要求，必須連接明確、操作便捷、管道和閥門盡可能少，工作可靠，設計周密[2]。圖1中的水電站防凍吹冰壓縮空氣系統主要包括2臺空壓機(1KY和2KY)，1個高壓儲氣罐1QG和1個工作壓力儲氣罐2QG，2個減壓閥(1JYF和2JYF)，1個油水分離器，1個逆止閥，2個溫度感應信號器(1WX和2WX)，4個壓力信號器(1YX-4YX)，3個電磁閥(1DCF-3DCF)，管網及噴嘴集管。

圖1 防凍吹冰壓縮空氣系統圖

系統開始運行后，空壓機排出壓縮空氣，并經油水分離器分離及逆止閥處理后隨即進入高壓儲氣罐，經減壓閥后壓力從700-800kPa降至300-400kPa，此后進入工作壓力儲氣罐，壓縮空氣相對濕度將從100%驟降至50%；經熱力充分干燥后經電磁閥，最后進入供氣干管及各支管[3]。

為保證Q水電站防凍吹冰壓縮空氣系統順利運行，首先必須并聯設置2臺空壓機，以滿足供氣量要求，2臺空壓機互相備用，用氣量較少時只開1臺，用氣量多時，2臺并聯使用。油水分離器主要將壓縮氣內油分和水分分離，初步凈化壓縮氣，以減輕對管道、用氣設備等的污染和腐蝕。逆止閥則主要用于防止空壓機吸氣或停機后儲罐內壓縮氣倒流，避免對正常供氣的不利影響。水從噴嘴流入管道后會引發冰塞，即使系統停止供氣，管道內還將存在100kPa左右的壓力，導致噴嘴和管道處于充氣狀態，為有效解決這一問題，在該系統3DCF電磁閥處并聯設置1個減壓閥，電磁閥關閉后全壓供氣停止，100kPa的壓縮空氣則通過減壓閥得到。為保證排水過程的順利，還必須對壓縮氣供應管道設置一定坡度，管道端部增設放水閥和集水器。

Q水電站防凍吹冰壓縮空氣系統完全自動化運行，1YX和2YX壓力信號器主要用于空壓機啟?？刂疲?YX和4YX壓力信號器則用于儲氣罐壓力檢測。1WX和2WX溫度感應信號器則用于空壓機排氣溫度檢測；1DCF和2DCF電磁閥用于空壓機空載啟停時排污控制，3DCF電磁閥則用于給氣吹冰控制。

5 結 論

綜上所述，新疆高寒地區水電站機組進水口閘門和攔污柵、尾水閘門、溢流壩閘門等水工建筑物過去常采用人工破冰，費時費力且費用高昂，人工除冰工效低，且存在很大的人身安全隱患。實踐證明，壓縮空氣吹氣法主要借助空壓機從水庫深處噴出壓縮氣體，所形成的溫水流能達到溶化表面冰層并避免新冰層形成的效果，保證水電站水工建筑物安全穩定運行。壓縮空氣防凍吹冰系統設計較為復雜，整體運行費用高，且空壓機會源源不斷消耗室內較高溫度空氣，故該防凍吹冰技術僅對于大型水電站較為適用，能取得一定的經濟效益和社會效益。對于規模較小的水利水電工程，應考慮采用水熱法、氣熱法、電熱法等運行成本較低的防凍措施。