多松多水电站冬季排冰运行措施探讨

赵天来

（华能甘肃水电开发有限公司多松多水电站，甘肃碌曲747202）

我国北方河流冬季常出现凌汛灾害[1]。冰情是我国北纬30°以北地区寒冷季节普遍存在的水文现象[2]。洮河上游位于北纬35°左右，属高寒阴湿地区，特别是甘南碌曲以上河段，海拔在2 700 m以上，无霜期短，冬季较长。近年来，洮河流域水电开发较快，上游河段水电站冬季水库运行中的冰凌灾害问题也随之显现[3]。水电站的冰害是一个复杂的问题，有待于实践中进一步摸索与探求[4]。多松多水电站通过库区冬季排冰运行进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，提升了电站发电量。

1 电站基本情况

多松多水电站位于甘南藏族自治州碌曲县双岔乡亚吉尔村洮河干流上，为洮河上游梯级开发建设的第五座水电站[5]，距上游大庄水电站约9.5 km。为低坝无调节引水式电站，枢纽无调节能力。总装机容量21 MW（3×7 MW），装有3台单机容量为7 MW的混流式水轮发电机组。电站最大水头36.51 m，最小水头27.79 m，加权平均水头32.73 m，额定水头29.6 m。额定引水流量 82 m3/s（3×27.33 m3/s），年利用小时4 336 h，多年平均发电量为9 106万kW·h[6]。

2 流域水文、气象、地质情况

多松多水电站库区地理坐标为东经102°46′～102°53′、北纬 34°31.5′～34°37′，水电站枢纽距离碌曲县城约60 km，距上游大庄水电站枢纽约12.5 km，距下游的峡村水电站枢约41 km。其枢纽在洮河碌曲水文站和下巴沟水文站之间，距上游碌曲水文站59 km，距下游洮河下巴沟水文站44 km，枢纽断面控制流域面积7 047 km2。

洮河为黄河上游较大的一级支流，发源于甘肃、青海两省交界处的西倾山东麓，流经碌曲、临潭、卓尼、岷县、临夏、东乡，在永靖县境内汇入黄河刘家峡水库。河流全长673.1 km，流域面积25 527 km2，河源高程4 260 m，河口处高程1 629 m，相对高差2 631 m，全河干流平均比降为2.8%。洮河上游地区为碌曲、夏河一带，河道高程在3000m以上，干流河谷狭窄，两岸地势高峻，河道平均比降达4.57%[6]。

当地气温高于-17℃，河水自身不产生冰屑[7]（漂浮在水面的初生冰团，疏松、多孔、容重小，但粘结力比冰大，俗称“麻浮”），河水中有少量上游河岸两侧结冰后的冰凌。当气温低于-17℃，河水自身产生冰屑，进入库区后集结在拦污栅前，随着时间推移冰凌集结体积增大，不断向上游逆推堆积。

3 造成排冰的几种情况

一是目前碌曲县境内已建成的4座电站均属引水式电站，无调节库容，多松多水电站是已建成的第四座水电站。现在运行中第一级是阿拉山电站库区拦截上游河道冰凌，当其库区积冰向上游逆推3 km，急需排泄库区积冰，下游电站联合排冰。

二是多松多泄冲闸是潜孔门，气温过低弧门面板结冰，弧门与门楣和两侧闸墩结合部位冻结，不能灵活开启关闭，遇有异常情况将无法开启弧门泄水。实践中发现当气温在-15～-17℃，需要每隔2天排冰1次，对弧门迎水面结冰进行清理凿除；当气温在-17℃以下，需要每天排冰，对弧门迎水面结冰进行清理凿除。

三是进水口拦污栅冰塞。水电站冬季运行，在正常气温情况下水中夹带的冰花和冰屑可以通过拦污栅经水轮机排往下游，但气温骤降，水温很低时，沿着栅条会先结上一层结晶冰，缩小栅条之间的面积，使大量冰花堵塞拦污栅，造成电站的水头损失[8]，影响过流，甚至产生冰塞[9]，封堵拦污栅，影响进水。此时需要库区排冰，开启泄冲闸弧门，通过压力泄水将拦污栅前积冰通过水力带走。

4 冬季排冰运行措施

多松多水电站2011年11月投入运行，经过9个冬季运行期，形成了一整套冬季运行措施，并提出“多频次排冰，低水位运行”[3]的冬季运行模式。进入冬季，气温下降低于-10℃时将溢流坝上叠梁门吊出，降低库区水位至2 912.5 m以下运行，起到了良好的作用。当气温高于-16℃，保持水头稳定负荷运行，水中夹带的冰花和冰屑可以从拦污栅通过，在小库区和隧洞水流冲刷下融化，并经水轮机组流向下游。当气温低于-17℃时，开启泄冲闸弧门水力排冰。

2019年12月，气温骤降至-17℃以下，库区结冰和河道流冰增加，拦污栅冰塞严重，2日开始，碌曲境内4座电站联合排冰。排冰过程中发现拦污栅前积冰很难通过水力下泄拉走，必须由工作人员通过软梯下到栅前冰面清理积冰，导致劳动强度大且有人身安全隐患。多松多枢纽布置3孔泄冲闸，后来通过试验调整#2、#3弧门开启顺序和时间，有效改善了排冰效果。

弧门开启顺序试验。上游大庄电站开启弧门后30 min再分阶段小开度开启多松多#2弧门，每次弧门开度50 cm，持续10 min，开度达到3 m时注意库区冰盖动态，这时导墙前段至泄洪闸之间范围的冰盖会逐步破损，保持此状态，待此范围冰盖排空后开启#3弧门，保持开度50 cm，观察到库区冰盖整体移动时立即关闭#3弧门，此时冰盖撞击进水闸上游边墩和岩石岸坡，将冰盖挤碎。待冰盖停止移动后再次开启#3弧门50 cm，让冰盖移动并挤碎，如此反复将库区冰盖排空，用时约90 min。当上游来水量小于20 m3/s时，水位下降较快，冰盖不易排空，需要关闭全部泄冲闸门蓄水，时长约30～40 min，水位达到2 912.5 m，重复泄洪闸门开启操作，将库区冰块和岸坡积冰同时拉动，逐步排空库区冰盖，一般此时上游西仓电站库区冰凌将到达多松多库区，全开泄冲闸#2、#3弧门，水位在挡砂坎（高程2 909.0 m）以下自然下泄。需要注意的是在整个排冰过程中，#3弧门只能辅助启闭，不能全开过流排冰，如果全开排冰将会使移动的冰凌堆积在3孔拦污栅处，这种堆积相当密实，能达到不渗水状态，水力排冰对其毫无作用，只能派人下到栅前冰面人工清理，此工况劳动强度大且有人身安全隐患，尽量避免此类情况发生。大庄水电站与多松多水电站排冰情况统计如表1所示。

表1 大庄水电站与多松多水电站排冰情况统计

为了确保潜孔弧门冬季开启正常，弧门需要配置加热装置。2019年多松多泄洪闸#3弧门作为高寒地区电加热除冰科研项目，将原弧门煤炉加热改造为发热电缆加热装置（#2弧门继续使用煤炉加热），发热电缆总功率为37 kW，根据现场实际分5个加热区，装置为Ⅰ、Ⅱ两个档。通过2019年冬季运行中调试，电缆发热设定在80℃，开启Ⅰ自动加热，Ⅱ备用，效果较好，只投入18.5 kW负荷，运行时间按10 h/d计算，每天费用约83元。#2弧门每天用煤330元，人工砸冰费用100元。相比较而言，电加热节约费用，并对人身安全有保障。

5 结束语

通过多松多水电站冬季运行实践，认识到在寒冷地区小水电站运行中要针对电站特点和自然条件不断探索和总结经验，提升冬季发电效率。一是加强气象观察，严密监视冰情。在运行中不断收集、调查研究电站区域的水文、气象资料，尤其是冰情资料，河道流冰的多少和生成的早晚与气温高低、天气好坏以及风力大小密切相关。进入冬季运行，电站通过县气象部门获悉当地气象资料，并在中国气象网站查询天气预报，经比照观测，气温低于-17℃是最危险的天气。适时进行分析研究，寻求适合于本电站合理的排冰方式。二是在各闸门和门槽设计或后期改造中应考虑冬季寒冷气候条件下的运行工况，尤其是对潜孔闸的门楣和两侧闸墩部位增设加热装置。根据国家倡导使用清洁能源和节约费用的需要，优先采用电加热装置。三是重视排冰工作，建立健全规章制度。适时的排冰频次是防止水库封冻的基本措施[10]。编制详细可行的冬季排冰运行规程，培训岗位工作人员，有组织、有步骤地开展冬季运行工作。四是冬季运行前对水工建筑、金属结构、机电设备、电站备用电源、输电线路及供电设备都应进行一次详细的检查，发现隐患及时处理，保证在冬季运行中设备完好率。