水利水电工程防冻吹冰中压缩气应用

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摘要:以位于新疆喀什地区莎车县的Q水电站为例，在分析其机组进水口闸门和拦污栅、尾水闸门、溢流坝闸门等主要水工建筑物运行环境的基础上，仅针对尾水闸门进行压缩气防冻吹冰技术应用问题的分析探，具体包括压缩气在防冻吹冰中应用的可行性、防冻吹冰压缩空气系统图设计及应用要点等方面。分析结果表明，压缩气防冻除冰技术能充分利用冰面以下0－4℃的水温，通过压缩空气使温水流从冰面以下一定深度喷出，水流所到之处冰块溶化，并能避免新冰层结成，除冰效果十分显著。

关键词:水利水电;防冻吹冰;压缩气;应用

1问题的提出

水电能源因具有分布广泛、开发技术成熟、性能较稳定等优势，而成为目前最经济、获取最为便捷的一种能源。新疆地区独特的自然地理环境造就了其丰富的水能资源，全国水力资源复查成果显示，新疆水力资源及技术可开发量均位居全国首位，且当前新疆地区水电装机容量在其电力系统总容量中的占比在85%及以上。随着水电在电网中占比的增大，水电站安全稳定运行问题便显得愈加重要;受特殊气候的影响，新疆地区冬季严寒，水电站在冬季运行时必然面临十分严峻的冰冻问题。当前，水利水电工程水工建筑物防冻吹冰技术在我国西北、东北等严寒地区的实践经验十分丰富，尤其是新疆地区，其河流、冰清、气象及水电站型式均表现出典型的冰冻特征，且新疆年平均气温呈现出明显的区域和空间分布特征:南疆地区冬季(12月－次年2月)平均气温－10.4℃，北疆地区冬季(12月－次年2月)平均气温－16.2℃，西部地区冬季(12月－次年2月)平均气温－8.1℃，东部地区冬季(12月－次年2月)平均气温－7.5℃，总体表现为南疆高于北疆，东部高于西部，平原高于山区。就水电站型式而言，大多为引水式，引水渠道长度大，再生冰层较多。新疆高寒地区水电站冬季运行面临十分严酷的环境，且由于各方面原因的限制，并未充分掌握冬季冰冻规律及有效的放冰冻技术。为保证新疆高寒地区水电站水工建筑物安全稳定运行，必须充分结合冰情、水文、气象等初始资料，优化设计工程布置方案，并加强对防冰冻技术的研究与实践应用探讨。

2工程概况

Q水电站位于新疆喀什地区莎车县境内，是新疆叶尔羌河下游河道规划梯级开发中的第二级电站，并与上游阿尔塔什水电站联合运行。本项目主要负责发电引水闸、排冰闸、排漂闸、泄洪冲沙闸等闸段的拦污栅、闸门以及埋件的设计、制造及运输安装工作。根据实际运行情况，机组进水口闸门和拦污栅、尾水闸门、溢流坝闸门等水工建筑物均为防冻吹冰对象，且进水口闸门和拦污栅处结冰及受飘冰堵塞的情况十分常见。新疆地区江河来水时间及来水量存在较大差异，年内降水多集中在春夏季节，降雨占全降雨量的比约为70%。秋冬季节则进入枯水季，溢流坝闸门无需提闸泄洪，也不用考虑溢流坝闸门防冻吹冰。水电站机组在冬季枯水季内检修机会较多，检修过程中必须启闭尾水闸门，故尾水闸门防冻吹冰是重点需要考虑的问题。调压井运行时因水位持续波动，故不会发生结冰现象，仅长时期停运才会结冰，其是否进行防冻吹冰处理必须视情况而定。为此，文章仅针对尾水闸门进行其压缩气防冻吹冰技术应用问题的分析探讨。

3压缩气工程应用的可行性

压缩气具备一定弹性，并能储存压能，故通过其进行操作能源储备较为合适，同时也具有储存、输送及操作的便捷性，在水电站水工建筑物防冻吹冰实践中应用日益广泛。水库结冰后冰面以下水体温度随深度的增大而呈升高趋势，并在0－4℃区间内变动，防冻吹冰技术主要借助压缩空气使温水流从水体一定深度喷出，水流所到之处冰块溶化，并能避免新冰层凝结［1］。为保证压缩气防冻吹冰技术的成功应用，必须加强以下控制:1)压缩气干燥度。防冻吹冰压缩气供应管道通常为露天设置，为避免压缩气流经管道后在外界温度影响下接近、达到露点，喷嘴及管内结冰并堵塞，压缩气必须足够干燥。通常情况下应采用压力700－800kPa的空压机和储气罐结合减压阀，将压缩气气压降至300－400kPa的水平，达到热力干燥压缩气的目的。2)喷嘴出口压力。通常按照0.15MPa的水平控制喷嘴出口压力，对于所处水下较深位置的喷嘴必须提高压力。喷嘴出口处往往面临较高的流速，且降温较快，很容易结冰封锁;若压力过小，则温水流上升速度和压力又会受到影响，甚至无法触及到冰层。为此，必须严格控制喷嘴出口压力。3)喷嘴设置。吹气喷嘴必须设置在实际运行水位以下8－10m的位置，水温越低或水温随水深变化不大的水电站，喷嘴设置位置应越低。对于水位变化较大的情况，可以设置2排喷嘴，以便于在不同水位运行;相邻喷嘴间距应控制在2－3m，并应根据环境温度、水温进行调整;一般情况下，间距越小，水面所形成的波动越强，耗气量也越大。

4防冻吹冰压缩空气系统图设计

结合工程实践及Q水电站工程实际，通过管网将水轮发电机组用气设备、生产及储气设备、自动化元件等连接成气务系统，并通过规定符号绘制，便得到防冻吹冰压缩空气系统图，具体如图1所示。系统图设计的科学合理与否直接关系到设备能否安全高效运行及运维是否便捷，按照设计要求，必须连接明确、操作便捷、管道和阀门尽可能少，工作可靠，设计周密［2］。图1中的水电站防冻吹冰压缩空气系统主要包括2台空压机(1KY和2KY)，1个高压储气罐1QG和1个工作压力储气罐2QG，2个减压阀(1JYF和2JYF)，1个油水分离器，1个逆止阀，2个温度感应信号器(1WX和2WX)，4个压力信号器(1YX－4YX)，3个电磁阀(1DCF－3DCF)，管网及喷嘴集管。系统开始运行后，空压机排出压缩空气，并经油水分离器分离及逆止阀处理后随即进入高压储气罐，经减压阀后压力从700－800kPa降至300－400kPa，此后进入工作压力储气罐，压缩空气相对湿度将从100%骤降至50%;经热力充分干燥后经电磁阀，最后进入供气干管及各支管［3］。为保证Q水电站防冻吹冰压缩空气系统顺利运行，首先必须并联设置2台空压机，以满足供气量要求，2台空压机互相备用，用气量较少时只开1台，用气量多时，2台并联使用。油水分离器主要将压缩气内油分和水分分离，初步净化压缩气，以减轻对管道、用气设备等的污染和腐蚀。逆止阀则主要用于防止空压机吸气或停机后储罐内压缩气倒流，避免对正常供气的不利影响。水从喷嘴流入管道后会引发冰塞，即使系统停止供气，管道内还将存在100kPa左右的压力，导致喷嘴和管道处于充气状态，为有效解决这一问题，在该系统3DCF电磁阀处并联设置1个减压阀，电磁阀关闭后全压供气停止，100kPa的压缩空气则通过减压阀得到。为保证排水过程的顺利，还必须对压缩气供应管道设置一定坡度，管道端部增设放水阀和集水器。Q水电站防冻吹冰压缩空气系统完全自动化运行，1YX和2YX压力信号器主要用于空压机启停控制，3YX和4YX压力信号器则用于储气罐压力检测。1WX和2WX温度感应信号器则用于空压机排气温度检测;1DCF和2DCF电磁阀用于空压机空载启停时排污控制，3DCF电磁阀则用于给气吹冰控制。

5结论

综上所述，新疆高寒地区水电站机组进水口闸门和拦污栅、尾水闸门、溢流坝闸门等水工建筑物过去常采用人工破冰，费时费力且费用高昂，人工除冰工效低，且存在很大的人身安全隐患。实践证明，压缩空气吹气法主要借助空压机从水库深处喷出压缩气体，所形成的温水流能达到溶化表面冰层并避免新冰层形成的效果，保证水电站水工建筑物安全稳定运行。压缩空气防冻吹冰系统设计较为复杂，整体运行费用高，且空压机会源源不断消耗室内较高温度空气，故该防冻吹冰技术仅对于大型水电站较为适用，能取得一定的经济效益和社会效益。对于规模较小的水利水电工程，应考虑采用水热法、气热法、电热法等运行成本较低的防冻措施。

参考文献:

［1］卓玛穷达.压缩气在西藏高寒地区水电站防冻吹冰技术中的应用探讨［J］.西藏科技，2012(06):70－71，79.

［2］邸南思，高超.寒区水电站金属结构设备布置及防冻技术分析［J］.东北水利水电，2020，38(11):12－13，16.

［3］段立辉.寒冷地区水电站泄洪涵洞防冻保温设施的设计与安装［J］.中国水能及电气化，2013(11):48－51，4.

作者:李泽同 单位:水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院