多松多水電站冬季排冰運行措施探討

趙天來

（華能甘肅水電開發(fā)有限公司多松多水電站，甘肅碌曲747202）

我國北方河流冬季常出現(xiàn)凌汛災害[1]。冰情是我國北緯30°以北地區(qū)寒冷季節(jié)普遍存在的水文現(xiàn)象[2]。洮河上游位于北緯35°左右，屬高寒陰濕地區(qū)，特別是甘南碌曲以上河段，海拔在2 700 m以上，無霜期短，冬季較長。近年來，洮河流域水電開發(fā)較快，上游河段水電站冬季水庫運行中的冰凌災害問題也隨之顯現(xiàn)[3]。水電站的冰害是一個復雜的問題，有待于實踐中進一步摸索與探求[4]。多松多水電站通過庫區(qū)冬季排冰運行進一步探索更加行之有效的方法，把凌汛的危害性降到最低程度，提升了電站發(fā)電量。

1 電站基本情況

多松多水電站位于甘南藏族自治州碌曲縣雙岔鄉(xiāng)亞吉爾村洮河干流上，為洮河上游梯級開發(fā)建設的第五座水電站[5]，距上游大莊水電站約9.5 km。為低壩無調節(jié)引水式電站，樞紐無調節(jié)能力?？傃b機容量21 MW（3×7 MW），裝有3臺單機容量為7 MW的混流式水輪發(fā)電機組。電站最大水頭36.51 m，最小水頭27.79 m，加權平均水頭32.73 m，額定水頭29.6 m。額定引水流量 82 m3/s（3×27.33 m3/s），年利用小時4 336 h，多年平均發(fā)電量為9 106萬kW·h[6]。

2 流域水文、氣象、地質情況

多松多水電站庫區(qū)地理坐標為東經102°46′～102°53′、北緯 34°31.5′～34°37′，水電站樞紐距離碌曲縣城約60 km，距上游大莊水電站樞紐約12.5 km，距下游的峽村水電站樞約41 km。其樞紐在洮河碌曲水文站和下巴溝水文站之間，距上游碌曲水文站59 km，距下游洮河下巴溝水文站44 km，樞紐斷面控制流域面積7 047 km2。

洮河為黃河上游較大的一級支流，發(fā)源于甘肅、青海兩省交界處的西傾山東麓，流經碌曲、臨潭、卓尼、岷縣、臨夏、東鄉(xiāng)，在永靖縣境內匯入黃河劉家峽水庫。河流全長673.1 km，流域面積25 527 km2，河源高程4 260 m，河口處高程1 629 m，相對高差2 631 m，全河干流平均比降為2.8%。洮河上游地區(qū)為碌曲、夏河一帶，河道高程在3000m以上，干流河谷狹窄，兩岸地勢高峻，河道平均比降達4.57%[6]。

當?shù)貧鉁馗哂?17℃，河水自身不產生冰屑[7]（漂浮在水面的初生冰團，疏松、多孔、容重小，但粘結力比冰大，俗稱“麻浮”），河水中有少量上游河岸兩側結冰后的冰凌。當氣溫低于-17℃，河水自身產生冰屑，進入庫區(qū)后集結在攔污柵前，隨著時間推移冰凌集結體積增大，不斷向上游逆推堆積。

3 造成排冰的幾種情況

一是目前碌曲縣境內已建成的4座電站均屬引水式電站，無調節(jié)庫容，多松多水電站是已建成的第四座水電站。現(xiàn)在運行中第一級是阿拉山電站庫區(qū)攔截上游河道冰凌，當其庫區(qū)積冰向上游逆推3 km，急需排泄庫區(qū)積冰，下游電站聯(lián)合排冰。

二是多松多泄沖閘是潛孔門，氣溫過低弧門面板結冰，弧門與門楣和兩側閘墩結合部位凍結，不能靈活開啟關閉，遇有異常情況將無法開啟弧門泄水。實踐中發(fā)現(xiàn)當氣溫在-15～-17℃，需要每隔2天排冰1次，對弧門迎水面結冰進行清理鑿除；當氣溫在-17℃以下，需要每天排冰，對弧門迎水面結冰進行清理鑿除。

三是進水口攔污柵冰塞。水電站冬季運行，在正常氣溫情況下水中夾帶的冰花和冰屑可以通過攔污柵經水輪機排往下游，但氣溫驟降，水溫很低時，沿著柵條會先結上一層結晶冰，縮小柵條之間的面積，使大量冰花堵塞攔污柵，造成電站的水頭損失[8]，影響過流，甚至產生冰塞[9]，封堵攔污柵，影響進水。此時需要庫區(qū)排冰，開啟泄沖閘弧門，通過壓力泄水將攔污柵前積冰通過水力帶走。

4 冬季排冰運行措施

多松多水電站2011年11月投入運行，經過9個冬季運行期，形成了一整套冬季運行措施，并提出“多頻次排冰，低水位運行”[3]的冬季運行模式。進入冬季，氣溫下降低于-10℃時將溢流壩上疊梁門吊出，降低庫區(qū)水位至2 912.5 m以下運行，起到了良好的作用。當氣溫高于-16℃，保持水頭穩(wěn)定負荷運行，水中夾帶的冰花和冰屑可以從攔污柵通過，在小庫區(qū)和隧洞水流沖刷下融化，并經水輪機組流向下游。當氣溫低于-17℃時，開啟泄沖閘弧門水力排冰。

2019年12月，氣溫驟降至-17℃以下，庫區(qū)結冰和河道流冰增加，攔污柵冰塞嚴重，2日開始，碌曲境內4座電站聯(lián)合排冰。排冰過程中發(fā)現(xiàn)攔污柵前積冰很難通過水力下泄拉走，必須由工作人員通過軟梯下到柵前冰面清理積冰，導致勞動強度大且有人身安全隱患。多松多樞紐布置3孔泄沖閘，后來通過試驗調整#2、#3弧門開啟順序和時間，有效改善了排冰效果。

弧門開啟順序試驗。上游大莊電站開啟弧門后30 min再分階段小開度開啟多松多#2弧門，每次弧門開度50 cm，持續(xù)10 min，開度達到3 m時注意庫區(qū)冰蓋動態(tài)，這時導墻前段至泄洪閘之間范圍的冰蓋會逐步破損，保持此狀態(tài)，待此范圍冰蓋排空后開啟#3弧門，保持開度50 cm，觀察到庫區(qū)冰蓋整體移動時立即關閉#3弧門，此時冰蓋撞擊進水閘上游邊墩和巖石岸坡，將冰蓋擠碎。待冰蓋停止移動后再次開啟#3弧門50 cm，讓冰蓋移動并擠碎，如此反復將庫區(qū)冰蓋排空，用時約90 min。當上游來水量小于20 m3/s時，水位下降較快，冰蓋不易排空，需要關閉全部泄沖閘門蓄水，時長約30～40 min，水位達到2 912.5 m，重復泄洪閘門開啟操作，將庫區(qū)冰塊和岸坡積冰同時拉動，逐步排空庫區(qū)冰蓋，一般此時上游西倉電站庫區(qū)冰凌將到達多松多庫區(qū)，全開泄沖閘#2、#3弧門，水位在擋砂坎（高程2 909.0 m）以下自然下泄。需要注意的是在整個排冰過程中，#3弧門只能輔助啟閉，不能全開過流排冰，如果全開排冰將會使移動的冰凌堆積在3孔攔污柵處，這種堆積相當密實，能達到不滲水狀態(tài)，水力排冰對其毫無作用，只能派人下到柵前冰面人工清理，此工況勞動強度大且有人身安全隱患，盡量避免此類情況發(fā)生。大莊水電站與多松多水電站排冰情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 大莊水電站與多松多水電站排冰情況統(tǒng)計

為了確保潛孔弧門冬季開啟正常，弧門需要配置加熱裝置。2019年多松多泄洪閘#3弧門作為高寒地區(qū)電加熱除冰科研項目，將原弧門煤爐加熱改造為發(fā)熱電纜加熱裝置（#2弧門繼續(xù)使用煤爐加熱），發(fā)熱電纜總功率為37 kW，根據(jù)現(xiàn)場實際分5個加熱區(qū)，裝置為Ⅰ、Ⅱ兩個檔。通過2019年冬季運行中調試，電纜發(fā)熱設定在80℃，開啟Ⅰ自動加熱，Ⅱ備用，效果較好，只投入18.5 kW負荷，運行時間按10 h/d計算，每天費用約83元。#2弧門每天用煤330元，人工砸冰費用100元。相比較而言，電加熱節(jié)約費用，并對人身安全有保障。

5 結束語

通過多松多水電站冬季運行實踐，認識到在寒冷地區(qū)小水電站運行中要針對電站特點和自然條件不斷探索和總結經驗，提升冬季發(fā)電效率。一是加強氣象觀察，嚴密監(jiān)視冰情。在運行中不斷收集、調查研究電站區(qū)域的水文、氣象資料，尤其是冰情資料，河道流冰的多少和生成的早晚與氣溫高低、天氣好壞以及風力大小密切相關。進入冬季運行，電站通過縣氣象部門獲悉當?shù)貧庀筚Y料，并在中國氣象網站查詢天氣預報，經比照觀測，氣溫低于-17℃是最危險的天氣。適時進行分析研究，尋求適合于本電站合理的排冰方式。二是在各閘門和門槽設計或后期改造中應考慮冬季寒冷氣候條件下的運行工況，尤其是對潛孔閘的門楣和兩側閘墩部位增設加熱裝置。根據(jù)國家倡導使用清潔能源和節(jié)約費用的需要，優(yōu)先采用電加熱裝置。三是重視排冰工作，建立健全規(guī)章制度。適時的排冰頻次是防止水庫封凍的基本措施[10]。編制詳細可行的冬季排冰運行規(guī)程，培訓崗位工作人員，有組織、有步驟地開展冬季運行工作。四是冬季運行前對水工建筑、金屬結構、機電設備、電站備用電源、輸電線路及供電設備都應進行一次詳細的檢查，發(fā)現(xiàn)隱患及時處理，保證在冬季運行中設備完好率。