摘" 要：為消除嚴(yán)寒地區(qū)冬季大體積冰體對(duì)抽水蓄能電站的不良影響，該文設(shè)計(jì)、制備一種碎冰球，研究碎冰球表觀密度、直徑對(duì)碎冰效果的影響，以及表層材料水接觸角和吸水率對(duì)冰粘度強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，碎冰球表觀密度為0.88～0.96 g/cm3，直徑為冰層厚度1.2～2.0倍時(shí)，碎冰效果良好；碎冰球表層材料的水接觸角越大，其冰粘度附強(qiáng)度越低，在該試驗(yàn)選用的表層材料范圍內(nèi)，接觸角大于60°時(shí)的冰粘度強(qiáng)度小于0.15 MPa；為避免吸水率過(guò)高導(dǎo)致冰粘度強(qiáng)度增大，表層材料吸水率應(yīng)小于0.1%。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；碎冰球；制備；直徑；密度

中圖分類號(hào)：TV41" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0055-04

Abstract： In order to eliminate the adverse effect of large volume ice body on pumped storage power station in severe cold area in winter， a kind of crushed ice ball was designed and prepared in this paper. The effects of apparent density and diameter of ice puck on ice crushing effect， and the effects of surface material water contact angle and water absorption on ice viscosity strength were studied. The results show that the ice crushing effect is good when the apparent density of the ice ball is 0.88～0.96 g/cm3 and the diameter is 1.2～2.0 times the thickness of the ice layer， the larger the water contact angle of the surface material of the ice ball is， the lower the ice viscosity strength is， and in the range of the surface material selected in this experiment， the ice viscosity strength is less than 0.15 MPa when the contact angle is more than 60°. In order to avoid the increase of ice viscosity strength caused by excessive water absorption， the water absorption of the surface material should be less than 0.1%.

Keywords： pumped storage power station; ice ball; preparation; diameter; density

抽水蓄能是水利發(fā)電的一種儲(chǔ)能模式，也是目前最成熟，使用最安全、最可靠，最具大規(guī)模開發(fā)潛力，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的儲(chǔ)能技術(shù)，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等多種優(yōu)質(zhì)輔助服務(wù)，維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。在雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)抽水蓄能電站已進(jìn)入建設(shè)高峰期，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出要加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用[3]。

對(duì)于在我國(guó)北方地區(qū)、西北地區(qū)和高原地區(qū)興建的抽水蓄能電站，例如黑龍江荒溝抽水蓄能電站[4]、遼寧清原抽水蓄能電站[5]等，冬季嚴(yán)寒天氣會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)表面發(fā)生冰凍，當(dāng)庫(kù)面形成完整冰蓋時(shí)，冰蓋與面板壩和水面的相對(duì)關(guān)系如圖1所示，冰蓋在抽水蓄能電站頻繁充放水過(guò)程中很容易發(fā)生破裂，形成體積較大的冰體漂浮在水面上，大體積冰體嚴(yán)重影響水利發(fā)電過(guò)程并對(duì)水工建筑物造成危害[6]，例如冰體堵塞取水口、影響閘門正常啟閉、破壞庫(kù)岸護(hù)坡和面板止水結(jié)構(gòu)、侵占水庫(kù)有效庫(kù)容等[7-8]。上述冰害會(huì)貫穿整個(gè)冬季，降低抽水蓄能電站的發(fā)電量，嚴(yán)重影響抽水蓄能電站的發(fā)電效益[6]。因此，對(duì)于冬季嚴(yán)寒地區(qū)興建的抽水蓄能電站必須要設(shè)計(jì)和采取適宜的防冰和碎冰措施。

目前，常見的防冰措施有水流擾動(dòng)、感應(yīng)加熱、壓縮空氣吹氣和人工破冰等方式，綜合考慮安全性、工程技術(shù)成熟性和投資等因素，水流擾動(dòng)是目前相對(duì)較適宜的防冰方式，在工程中也取得了一定的應(yīng)用[7]。劉巖等[9]采用水泵擾動(dòng)水流的方式除冰，在呼和浩特抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)了冰蓋與庫(kù)盆面板分離的防護(hù)效果，但對(duì)水泵安裝時(shí)間、破冰設(shè)施的布置有一定要求，尚未達(dá)到可規(guī)模推廣的成熟度?？梢钥闯?，上述方法均存在一定不足，人工破冰方法效率低，水流擾動(dòng)、感應(yīng)加熱和壓縮空氣吹氣均需要設(shè)置相應(yīng)的裝置，例如布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管道、安裝水泵水流擾動(dòng)系統(tǒng)等，增加了投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于大規(guī)模工程應(yīng)用。

鑒于此，本文針對(duì)嚴(yán)寒區(qū)抽水尋能電站實(shí)際破冰需求，設(shè)計(jì)了一種具有制備成本低、運(yùn)營(yíng)可靠、使用壽命長(zhǎng)的碎冰球。該碎冰球充分利用抽水蓄能電站水位頻繁變化的特點(diǎn)，在充放水過(guò)程中實(shí)現(xiàn)碎冰，從而避免水庫(kù)表面形成大體積冰體，減少大體積冰體對(duì)水利發(fā)電過(guò)程的不利影響和水工建筑物的嚴(yán)重破壞。

1" 碎冰球結(jié)構(gòu)和碎冰原理

碎冰球的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。可以看出，碎冰球整體可以分為表層和芯部2個(gè)部分，芯部由泡沫材料和配重物中的至少一種組成。將碎冰球投放于抽水蓄能電站水庫(kù)水面，冬季冰層產(chǎn)生時(shí)，碎冰球分布于凍結(jié)冰層中，利用碎冰球表面的低冰黏附強(qiáng)度的特點(diǎn)，在碎冰球與冰體界面處易形成裂縫，當(dāng)碎冰球直徑大于冰體厚度時(shí)，裂縫貫穿整個(gè)冰蓋，冰體強(qiáng)度已被明顯削弱，冰蓋平面結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)狀態(tài)[10]，此時(shí)在抽水蓄能電站水位頻繁變化引起的沖擊作用下冰蓋發(fā)生破裂，從而實(shí)現(xiàn)碎冰效果，減小大體積冰體對(duì)庫(kù)區(qū)水工建筑造成沖擊、拖拽和膨脹剪切壓縮作用，從而降低對(duì)水利發(fā)電的不利影響。

2" 碎冰球制備

2.1" 一步法

一步法制備碎冰球是將表層和芯部在模具中一次成型，主要步驟如下：①清理模具，涂刷內(nèi)表面脫模劑；②模具內(nèi)固定位置放置配重料；③將流體原料澆注或者注射入模具；④原料在模具內(nèi)發(fā)泡成型，固化后由液體成為固體；⑤打開模具，取出碎冰球制品；⑥碎冰球修邊整形，去除碎冰球合模線處的飛邊；⑦檢查碎冰球技術(shù)指標(biāo)（幾何尺寸、重量和表層質(zhì)量等），合格后進(jìn)行包裝。

2.2" 二步法

二步法制備碎冰球是將表層和芯部分步成型，第一步成型碎冰球表層，第二步成型碎冰球芯部。具體步驟如下：①采購(gòu)或制備球形殼體狀的碎冰球面層，所述碎冰球面層開設(shè)有填充口；②使碎冰球芯部材料經(jīng)所述填充口充入所述碎冰球面層內(nèi)部；③檢查碎冰球技術(shù)指標(biāo)（幾何尺寸、重量和表層質(zhì)量等），合格后進(jìn)行包裝。

將配重物和液態(tài)泡沫材料填充至球形殼體狀內(nèi)部空間時(shí)，液態(tài)泡沫材料經(jīng)過(guò)固化和放熱過(guò)程，使球形殼體狀的碎冰球面層鼓起來(lái)，以緊密貼合于固化后泡沫材料和配重物。若碎冰球芯部材料為配重物，將配重物填充至球形殼體內(nèi)部，然后封堵或密封填充口即可。相對(duì)于一步法，二步法易于批量化制備大直徑碎冰球，且具有效率高、成本低、壽命長(zhǎng)和易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。

3" 試驗(yàn)方案與性能測(cè)試

3.1" 試驗(yàn)方案

3.1.1" 密度和直徑對(duì)碎冰效果的影響

為探究碎冰球的表觀密度和直徑對(duì)碎冰效果的影響，選取了聚四氟乙烯、聚氨酯和聚乙烯3種材料制作碎冰球表層，控制碎冰球的表觀密度和直徑，測(cè)試其碎冰效果。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

3.1.2" 表層材料對(duì)冰黏附強(qiáng)度的影響

抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)建筑物受到拉伸和沖擊的安全強(qiáng)度為0.15 MPa，因此，需要保證碎冰球的表層冰黏附強(qiáng)度小于0.15 MPa。為了驗(yàn)證表層材料憎水性和吸水率對(duì)碎冰球冰黏度強(qiáng)度的影響，選用具有不同水接觸角和吸水率的材料制作碎冰球表層，具體設(shè)計(jì)方案見表2。

3.2" 性能測(cè)試

密度按照GB/T 6343—2009/ISO 4845：2006《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。材料表面與水接觸角按照GB/T 30693—2014《塑料薄膜與水接觸角的測(cè)量》進(jìn)行測(cè)試。吸水率按照GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。冰黏附強(qiáng)度按照GB/T 5210—2006/ISO 4624：2002《色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試。

4" 結(jié)果與討論

4.1" 碎冰球表觀密度和直徑對(duì)碎冰效果的影響

按表1所列材料，采用二步法制備碎冰球，在蓄水池內(nèi)進(jìn)行抽水蓄能電站工作模擬試驗(yàn)，觀察并記錄結(jié)冰、碎冰情況，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以看出，碎冰球表觀密度和直徑直接影響其碎冰效果。當(dāng)碎冰球直徑過(guò)小時(shí)，如試驗(yàn)序號(hào)4所示樣品，碎冰效果較差。這是由于當(dāng)碎冰球的直徑小于冰層厚度時(shí)，在發(fā)生冰凍后，凍結(jié)所形成的冰層往往位于碎冰球的下方，或者隨著冰層厚度的增加將碎冰球包裹起來(lái)，形成連續(xù)的冰層。此時(shí)，在水位反復(fù)上漲-回落過(guò)程中，碎冰球碎冰效率降低，要么不能破冰，要么破冰后易形成大體積冰體。因此，碎冰球的直徑必須與所使用地區(qū)的冰層厚度相匹配，為庫(kù)面冰層最大厚度的1.2～2倍為宜。

由表3中試驗(yàn)序號(hào)3和5可知，當(dāng)碎冰球密度過(guò)大或過(guò)小時(shí)碎冰效果較差。水結(jié)冰后的密度為0.90～0.94 g/cm3，碎冰球的適宜的表觀密度為0.88～0.96 g/cm3。這是由于結(jié)冰過(guò)程中，控制碎冰球整體表觀密度與冰層密度接近，才能使碎冰球貫穿冰層，當(dāng)密度過(guò)大或過(guò)小時(shí)，碎冰球往往位于冰層上方或下方，冰層反復(fù)凍結(jié)-破碎過(guò)程中，碎冰球不能貫穿冰層，冰層逐漸加厚，沒有碎冰效果。除此之外，投入水庫(kù)中的碎冰球的密度應(yīng)盡量相同，以保證碎冰球處于冰層高度方向相同位置，能夠獲得更好的碎冰效果。

4.2" 水接觸角和吸水率對(duì)冰黏附強(qiáng)度的影響

碎冰球不同表層材質(zhì)的冰黏附強(qiáng)度見表4。

由表4可以看出，隨著碎冰球表層材料水接觸角的增大，以及吸水率的逐漸減小，材料的冰黏附強(qiáng)度整體呈逐漸減小的趨勢(shì)，例如有機(jī)硅橡膠和聚偏氟乙烯的吸水率均為0，但前者的水接觸角較后者大10°，疏水性更強(qiáng)，因此，有機(jī)硅橡膠的冰黏附強(qiáng)度是聚偏氟乙烯的1/2左右。所以，為了提高碎冰球的碎冰效果，表層材料的冰黏附強(qiáng)度應(yīng)盡可能小。由表4結(jié)果可知，相對(duì)于吸水率而言，水接觸角對(duì)冰黏附強(qiáng)度的影響更大。因此，碎冰球表層應(yīng)選擇水接觸角大的材料。憎水材料的吸水率通常較低，碎冰球表層材料吸水率控制在0～0.1%即可，避免材料因吸水過(guò)多導(dǎo)致密度變化較大，進(jìn)而增加冰黏附強(qiáng)度，降低碎冰效果。

5" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、制備了一種滿足嚴(yán)寒區(qū)抽水蓄能電站防冰需求的碎冰球，能夠?qū)⑺娣指畛扇舾审w積較小的區(qū)域，在冬季嚴(yán)寒發(fā)生冰凍時(shí)，利用充放水過(guò)程中水流的起伏沖擊實(shí)現(xiàn)碎冰效果，無(wú)需消耗額外能量，綠色環(huán)保。主要研究結(jié)論如下。

1）碎冰球表觀密度極大的影響碎冰效果，控制其表觀密度為0.88～0.96 g/cm3，使得碎冰球能夠貫穿冰層，有效發(fā)揮碎冰作用；在適宜的密度條件下，碎冰球的直徑應(yīng)為庫(kù)面冰蓋厚度的1.2～2倍，此時(shí)碎冰球的碎冰效果較好。

2）碎冰球表層材料水接觸角越大，材料的憎水性越好，碎冰球表面冰黏附力越小，冰層越容易從碎冰球表面脫落，碎冰效果越好，綜合成本、加工難度等因素，表層選擇水接觸角大于60°、吸水率為0～0.1%的材料即可。

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基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)新源股份有限公司科技項(xiàng)目（SGXYKJ-2022-089）

第一作者簡(jiǎn)介：張志偉（1972-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樗姽こ坦芾怼?/p>

*通信作者：姜志國(guó)（1965-），男，博士，研究員。研究方向?yàn)榫郯滨スδ芨叻肿硬牧稀?/p>