中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：6月底，黑龍江省第一座大型抽水蓄能電站——荒溝抽水蓄能電站全面投產(chǎn)發(fā)電?；臏铣樗钅茈娬疚挥谀档そＡ质腥篮幼渔?zhèn)，是目前國(guó)內(nèi)緯度最高的在運(yùn)抽水蓄能電站。
荒溝抽水蓄能電站所在地屬于典型的嚴(yán)寒地區(qū)，歷史最低氣溫達(dá)零下45.2攝氏度，最大凍土深度1.91米，最大冰厚1.65米，室外工程年有效施工期不足6個(gè)月?；臏铣樗钅茈娬窘ㄔO(shè)者采取一系列創(chuàng)新舉措，應(yīng)對(duì)嚴(yán)寒氣候挑戰(zhàn)，保證了電站的建設(shè)質(zhì)量和安全穩(wěn)定運(yùn)行。
嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站難在哪
在荒溝抽水蓄能電站開(kāi)工前，我國(guó)尚無(wú)嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)大型抽水蓄能電站的先例。此前，我國(guó)抽水蓄能電站中，緯度最高的是位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼和浩特抽水蓄能電站，緯度第二高的是位于遼寧省丹東市的蒲石河抽水蓄能電站?；臏铣樗钅茈娬疚挥诒本?5度附近，所處地區(qū)的冬季氣候條件要比這兩座電站所在地惡劣得多。
在嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站，首先面臨的問(wèn)題是年有效施工期短。在年有效施工期較長(zhǎng)的南方，建設(shè)一座抽水蓄能電站的工期一般是6～8年，而在冬季漫長(zhǎng)的北國(guó)邊陲，建設(shè)一座抽水蓄能電站通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
抽水蓄能電站最重要的水工建筑物是擋水壩。冬季，擋水壩前會(huì)形成一層厚厚的冰蓋，在抽水蓄能電站運(yùn)行期間，水庫(kù)內(nèi)的冰蓋還會(huì)隨著水位變動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。如何保障擋水壩在冬季既不受到低溫影響，又不被庫(kù)內(nèi)形成的冰蓋破壞，也是建設(shè)者面臨的一道難題。
為了防止水淹廠房，抽水蓄能電站地下廠房的上游和下游都需要設(shè)置事故閘門(mén)。事故閘門(mén)應(yīng)具備緊急情況下切斷水流的功能。嚴(yán)寒地區(qū)的抽水蓄能電站還要防止事故閘門(mén)井內(nèi)的水面冰凍，以免事故閘門(mén)無(wú)法下閘。
荒溝抽水蓄能電站建設(shè)采取多項(xiàng)防凍措施
根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》，嚴(yán)寒地區(qū)結(jié)構(gòu)重要、受凍嚴(yán)重且難以檢修部位的混凝土應(yīng)采用F400混凝土（混凝土應(yīng)能承受凍融循環(huán)400次）。根據(jù)此規(guī)范，荒溝抽水蓄能電站的上水庫(kù)面板堆石壩死水位以上部位的面板和趾板、上水庫(kù)進(jìn)出水口水位變動(dòng)區(qū)、下水庫(kù)進(jìn)出水口水位變動(dòng)區(qū)等多處部位均應(yīng)采用F400混凝土。此前，國(guó)內(nèi)水電行業(yè)還沒(méi)有應(yīng)用F400混凝土的先例。為了配置出F400混凝土，建設(shè)團(tuán)隊(duì)多方調(diào)研國(guó)內(nèi)科研院所和混凝土外加劑生產(chǎn)廠家，委托專業(yè)公司開(kāi)展專題研究，通過(guò)添加硅粉、引氣劑、高效減水劑等材料配置出F400混凝土，并應(yīng)用于荒溝抽水蓄能電站建設(shè)。
此外，在嚴(yán)寒地區(qū)，與水接觸的混凝土如果出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，到了冬季，水會(huì)滲透到裂縫中。隨著不斷的凍融循環(huán)，混凝土?xí)饾u被破壞。抽水蓄能電站上水庫(kù)主壩面板混凝土起到擋水防滲的作用，如果有大量裂縫產(chǎn)生，會(huì)嚴(yán)重降低大壩的安全性。荒溝抽水蓄能電站建設(shè)團(tuán)隊(duì)研制出一種抗裂混凝土——在拌制混凝土?xí)r添加膨脹劑和聚丙烯纖維，減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高面板混凝土的抗凍能力。
如果大壩混凝土面板上還有裂縫產(chǎn)生怎么辦？建設(shè)團(tuán)隊(duì)在面板表面還設(shè)置了一道抗凍防線——將手刮聚脲作為防護(hù)涂料。手刮聚脲可以隔斷混凝土與水的接觸，減緩面板混凝土凍融剝蝕破壞的發(fā)展，還可阻止水中其他有害成分侵蝕混凝土，具有防水、抗老化、抗凍融等功能。
混凝土面板堆石壩的面板不是一次澆筑而成，而是分段施工的。這就導(dǎo)致每段面板之間有一道結(jié)構(gòu)縫。常見(jiàn)的防滲處理方式是在結(jié)構(gòu)縫上覆蓋一條橡膠蓋板，并用膨脹螺栓固定。嚴(yán)寒地區(qū)的冬季，庫(kù)區(qū)會(huì)出現(xiàn)較厚結(jié)冰，膨脹螺栓外露部分會(huì)與冰層凍結(jié)在一起發(fā)生冰拔破壞。荒溝抽水蓄能電站創(chuàng)新采用可壓縮涂覆型結(jié)構(gòu)型式，解決了結(jié)構(gòu)縫受冰拔破壞的問(wèn)題。2021年12月20日，荒溝抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。一個(gè)冬季的運(yùn)行證明，這種結(jié)構(gòu)型式可防止冰拔或冰凍脹擠壓引起的面板結(jié)構(gòu)縫破壞。
為了盡早完成工程建設(shè)，建設(shè)團(tuán)隊(duì)想方設(shè)法開(kāi)展冬季施工。雖然室外幾乎不存在冬季施工的可能性，但抽水蓄能電站的地下廠房、輸水隧道等建筑物深埋于地下，具備施工條件?？墒嵌驹趺礉仓炷?？建設(shè)團(tuán)隊(duì)給所有地下洞室與室外連通的洞口設(shè)置保溫門(mén)，門(mén)里側(cè)加裝35千瓦熱風(fēng)機(jī)；混凝土拌和系統(tǒng)全部封閉，室內(nèi)設(shè)置加熱設(shè)施，在拌和前用熱水沖洗混凝土拌和系統(tǒng)；根據(jù)冬季澆筑所需混凝土土方量，計(jì)算冬季粗、細(xì)骨料用量，在冬季來(lái)臨前運(yùn)至洞內(nèi)保存。建設(shè)團(tuán)隊(duì)還在拌和前對(duì)骨料進(jìn)行加熱處理，給運(yùn)輸混凝土的攪拌車(chē)全部穿上“棉衣”，保證混凝土運(yùn)輸途中保持溫度；混凝土澆筑初凝后，在混凝土表面覆蓋保溫被，必要時(shí)覆蓋電熱毯加熱。就這樣，建設(shè)團(tuán)隊(duì)將嚴(yán)寒氣候?qū)こ探ㄔO(shè)的影響降到了最小。
保障嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站安全運(yùn)行
抽水蓄能電站在抽水或發(fā)電時(shí)，上、下水庫(kù)的水位會(huì)不斷變化。在寒冷的冬季，當(dāng)抽水蓄能電站每天都有運(yùn)行任務(wù)時(shí)，庫(kù)中央會(huì)形成一塊浮動(dòng)的冰蓋，外圍還有一圈碎冰帶。冰蓋不會(huì)對(duì)抽水蓄能電站運(yùn)行有太大影響，但如果電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不需要抽水蓄能電站運(yùn)行，上、下水庫(kù)就有冰封的可能。這時(shí)，雖然抽水蓄能電站水庫(kù)里有足夠多的水，但是由于不能和大氣連通，水體無(wú)法流動(dòng)，強(qiáng)制運(yùn)行會(huì)給水工建筑物和機(jī)組設(shè)備設(shè)施帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。
建設(shè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了抽水蓄能電站冬季運(yùn)行方式專題研究。研究表明，調(diào)度運(yùn)行是保障抽水蓄能電站冬季安全運(yùn)行的關(guān)鍵，在寒冷的冬季，每天至少有1臺(tái)機(jī)組發(fā)電或抽水運(yùn)行8個(gè)小時(shí)以上，就可避免水庫(kù)形成完整冰蓋；當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度無(wú)法滿足上述條件時(shí)，則要采取防冰破冰措施。
目前，抽水蓄能電站水庫(kù)和閘門(mén)井防冰破冰的措施主要有三種：人工破冰法、高壓氣體充氣法、水泵沖水破冰法。
人工破冰法成本較低，但人員作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，且危險(xiǎn)性較高，易發(fā)生安全事故。高壓氣體充氣法是在深水處利用空壓機(jī)噴出的壓縮空氣，噴出一股強(qiáng)烈的上升溫水流，能融化冰層且防止新冰層形成?；臏铣樗钅茈娬静捎玫氖撬脹_水破冰法，即利用潛水泵將深層水抽上來(lái)，再通過(guò)射流管上的射流孔將水射出，形成連續(xù)不斷的水流，達(dá)到防止局部水面結(jié)冰的目的。
漂浮冰塊進(jìn)入流道是抽水蓄能電站冬季運(yùn)行的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，可能損傷水輪機(jī)等機(jī)械設(shè)備。荒溝抽水蓄能電站建設(shè)之初便開(kāi)展模型試驗(yàn)，計(jì)算出漂浮冰塊進(jìn)入流道的臨界流速為1.05米/秒。為了降低流速，荒溝抽水蓄能電站把進(jìn)出水口斷面設(shè)計(jì)得足夠大，并在進(jìn)出水口不同高程設(shè)置流速、溫度監(jiān)測(cè)斷面。電站工作人員經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季的監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)漂浮冰塊進(jìn)入流道的情況。
荒溝抽水蓄能電站工程準(zhǔn)備期始自2016年1月，2021年12月20日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2022年6月29日最后一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，工程總工期6年半。與全國(guó)同類型抽水蓄能電站工程相比，荒溝抽水蓄能電站建設(shè)工期未因處于嚴(yán)寒地區(qū)而滯后。在經(jīng)歷了一個(gè)寒冷冬季的考驗(yàn)后，荒溝抽水蓄能電站各水工建筑物和設(shè)備設(shè)施均運(yùn)行正常，特別是上水庫(kù)混凝土面板堆石壩壩后滲漏量最大值僅為4.23升/秒，滲漏指標(biāo)在全國(guó)同等規(guī)模土石壩中處于領(lǐng)先水平。機(jī)組隨調(diào)隨啟、快速響應(yīng)、運(yùn)行穩(wěn)定，承擔(dān)了東北電網(wǎng)迎峰度夏、迎峰度冬和重要節(jié)日保電任務(wù)，保障了東北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
（供圖及作者單位：國(guó)網(wǎng)新源黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司）
