某水利水電工程防凍吹冰中壓縮氣應(yīng)用的可行性分析

李澤同

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 問(wèn)題的提出

水電能源因具有分布廣泛、開(kāi)發(fā)技術(shù)成熟、性能較穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，而成為目前最經(jīng)濟(jì)、獲取最為便捷的一種能源。新疆地區(qū)獨(dú)特的自然地理環(huán)境造就了其豐富的水能資源，全國(guó)水力資源復(fù)查成果顯示，新疆水力資源及技術(shù)可開(kāi)發(fā)量均位居全國(guó)首位，且當(dāng)前新疆地區(qū)水電裝機(jī)容量在其電力系統(tǒng)總?cè)萘恐械恼急仍?5%及以上。隨著水電在電網(wǎng)中占比的增大，水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題便顯得愈加重要；受特殊氣候的影響，新疆地區(qū)冬季嚴(yán)寒，水電站在冬季運(yùn)行時(shí)必然面臨十分嚴(yán)峻的冰凍問(wèn)題。

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

就水電站型式而言，大多為引水式，引水渠道長(zhǎng)度大，再生冰層較多。新疆高寒地區(qū)水電站冬季運(yùn)行面臨十分嚴(yán)酷的環(huán)境，且由于各方面原因的限制，并未充分掌握冬季冰凍規(guī)律及有效的放冰凍技術(shù)。為保證新疆高寒地區(qū)水電站水工建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須充分結(jié)合冰情、水文、氣象等初始資料，優(yōu)化設(shè)計(jì)工程布置方案，并加強(qiáng)對(duì)防冰凍技術(shù)的研究與實(shí)踐應(yīng)用探討。

2 工程概況

Q水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣境內(nèi)，是新疆葉爾羌河下游河道規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第二級(jí)電站，并與上游阿爾塔什水電站聯(lián)合運(yùn)行。本項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)發(fā)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(shè)計(jì)、制造及運(yùn)輸安裝工作。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，機(jī)組進(jìn)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(duì)象，且進(jìn)水口閘門和攔污柵處結(jié)冰及受飄冰堵塞的情況十分常見(jiàn)。

新疆地區(qū)江河來(lái)水時(shí)間及來(lái)水量存在較大差異，年內(nèi)降水多集中在春夏季節(jié)，降雨占全降雨量的比約為70%。秋冬季節(jié)則進(jìn)入枯水季，溢流壩閘門無(wú)需提閘泄洪，也不用考慮溢流壩閘門防凍吹冰。水電站機(jī)組在冬季枯水季內(nèi)檢修機(jī)會(huì)較多，檢修過(guò)程中必須啟閉尾水閘門，故尾水閘門防凍吹冰是重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題。調(diào)壓井運(yùn)行時(shí)因水位持續(xù)波動(dòng)，故不會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，僅長(zhǎng)時(shí)期停運(yùn)才會(huì)結(jié)冰，其是否進(jìn)行防凍吹冰處理必須視情況而定。為此，文章僅針對(duì)尾水閘門進(jìn)行其壓縮氣防凍吹冰技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題的分析探討。

3 壓縮氣工程應(yīng)用的可行性

壓縮氣具備一定彈性，并能儲(chǔ)存壓能，故通過(guò)其進(jìn)行操作能源儲(chǔ)備較為合適，同時(shí)也具有儲(chǔ)存、輸送及操作的便捷性，在水電站水工建筑物防凍吹冰實(shí)踐中應(yīng)用日益廣泛。水庫(kù)結(jié)冰后冰面以下水體溫度隨深度的增大而呈升高趨勢(shì)，并在0-4℃區(qū)間內(nèi)變動(dòng)，防凍吹冰技術(shù)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(jié)[1]。為保證壓縮氣防凍吹冰技術(shù)的成功應(yīng)用，必須加強(qiáng)以下控制：

1)壓縮氣干燥度。防凍吹冰壓縮氣供應(yīng)管道通常為露天設(shè)置，為避免壓縮氣流經(jīng)管道后在外界溫度影響下接近、達(dá)到露點(diǎn)，噴嘴及管內(nèi)結(jié)冰并堵塞，壓縮氣必須足夠干燥。通常情況下應(yīng)采用壓力700-800kPa的空壓機(jī)和儲(chǔ)氣罐結(jié)合減壓閥，將壓縮氣氣壓降至300-400kPa的水平，達(dá)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(duì)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(jié)冰封鎖；若壓力過(guò)小，則溫水流上升速度和壓力又會(huì)受到影響，甚至無(wú)法觸及到冰層。為此，必須嚴(yán)格控制噴嘴出口壓力。

3)噴嘴設(shè)置。吹氣噴嘴必須設(shè)置在實(shí)際運(yùn)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(shè)置位置應(yīng)越低。對(duì)于水位變化較大的情況，可以設(shè)置2排噴嘴，以便于在不同水位運(yùn)行；相鄰噴嘴間距應(yīng)控制在2-3m，并應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、水溫進(jìn)行調(diào)整；一般情況下，間距越小，水面所形成的波動(dòng)越強(qiáng)，耗氣量也越大。

4 防凍吹冰壓縮空氣系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)踐及Q水電站工程實(shí)際，通過(guò)管網(wǎng)將水輪發(fā)電機(jī)組用氣設(shè)備、生產(chǎn)及儲(chǔ)氣設(shè)備、自動(dòng)化元件等連接成氣務(wù)系統(tǒng)，并通過(guò)規(guī)定符號(hào)繪制，便得到防凍吹冰壓縮空氣系統(tǒng)圖，具體如圖1所示。系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)的科學(xué)合理與否直接關(guān)系到設(shè)備能否安全高效運(yùn)行及運(yùn)維是否便捷，按照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)周密[2]。圖1中的水電站防凍吹冰壓縮空氣系統(tǒng)主要包括2臺(tái)空壓機(jī)(1KY和2KY)，1個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐1QG和1個(gè)工作壓力儲(chǔ)氣罐2QG，2個(gè)減壓閥(1JYF和2JYF)，1個(gè)油水分離器，1個(gè)逆止閥，2個(gè)溫度感應(yīng)信號(hào)器(1WX和2WX)，4個(gè)壓力信號(hào)器(1YX-4YX)，3個(gè)電磁閥(1DCF-3DCF)，管網(wǎng)及噴嘴集管。

圖1 防凍吹冰壓縮空氣系統(tǒng)圖

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，空壓機(jī)排出壓縮空氣，并經(jīng)油水分離器分離及逆止閥處理后隨即進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐，經(jīng)減壓閥后壓力從700-800kPa降至300-400kPa，此后進(jìn)入工作壓力儲(chǔ)氣罐，壓縮空氣相對(duì)濕度將從100%驟降至50%；經(jīng)熱力充分干燥后經(jīng)電磁閥，最后進(jìn)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(tǒng)順利運(yùn)行，首先必須并聯(lián)設(shè)置2臺(tái)空壓機(jī)，以滿足供氣量要求，2臺(tái)空壓機(jī)互相備用，用氣量較少時(shí)只開(kāi)1臺(tái)，用氣量多時(shí)，2臺(tái)并聯(lián)使用。油水分離器主要將壓縮氣內(nèi)油分和水分分離，初步凈化壓縮氣，以減輕對(duì)管道、用氣設(shè)備等的污染和腐蝕。逆止閥則主要用于防止空壓機(jī)吸氣或停機(jī)后儲(chǔ)罐內(nèi)壓縮氣倒流，避免對(duì)正常供氣的不利影響。水從噴嘴流入管道后會(huì)引發(fā)冰塞，即使系統(tǒng)停止供氣，管道內(nèi)還將存在100kPa左右的壓力，導(dǎo)致噴嘴和管道處于充氣狀態(tài)，為有效解決這一問(wèn)題，在該系統(tǒng)3DCF電磁閥處并聯(lián)設(shè)置1個(gè)減壓閥，電磁閥關(guān)閉后全壓供氣停止，100kPa的壓縮空氣則通過(guò)減壓閥得到。為保證排水過(guò)程的順利，還必須對(duì)壓縮氣供應(yīng)管道設(shè)置一定坡度，管道端部增設(shè)放水閥和集水器。

Q水電站防凍吹冰壓縮空氣系統(tǒng)完全自動(dòng)化運(yùn)行，1YX和2YX壓力信號(hào)器主要用于空壓機(jī)啟?？刂疲?YX和4YX壓力信號(hào)器則用于儲(chǔ)氣罐壓力檢測(cè)。1WX和2WX溫度感應(yīng)信號(hào)器則用于空壓機(jī)排氣溫度檢測(cè)；1DCF和2DCF電磁閥用于空壓機(jī)空載啟停時(shí)排污控制，3DCF電磁閥則用于給氣吹冰控制。

5 結(jié) 論

綜上所述，新疆高寒地區(qū)水電站機(jī)組進(jìn)水口閘門和攔污柵、尾水閘門、溢流壩閘門等水工建筑物過(guò)去常采用人工破冰，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用高昂，人工除冰工效低，且存在很大的人身安全隱患。實(shí)踐證明，壓縮空氣吹氣法主要借助空壓機(jī)從水庫(kù)深處噴出壓縮氣體，所形成的溫水流能達(dá)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(wěn)定運(yùn)行。壓縮空氣防凍吹冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，整體運(yùn)行費(fèi)用高，且空壓機(jī)會(huì)源源不斷消耗室內(nèi)較高溫度空氣，故該防凍吹冰技術(shù)僅對(duì)于大型水電站較為適用，能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于規(guī)模較小的水利水電工程，應(yīng)考慮采用水熱法、氣熱法、電熱法等運(yùn)行成本較低的防凍措施。