Типичным явлением в холодное время года, могущим целиком вывести из работы гидроэлектростанцию, является льдообразование.
Обычно лед появляется в воде в трех формах: поверхностный лед, игольчатый лед (шуга) и донный лед.
Поверхностный лед образуется в проточной воде, начиная от берега, путем срастания отдельных плавающих льдин, постепенно превращаясь в сплошную корку льда.
Шуга, в виде отдельных кристаллов льда (игольчатый лед), образуется в условиях открытого русла, без поверхностного ледяного покрова, в связи с явлением переохлаждения воды от соприкосновения с низкой температурой окружающего воздуха. Шуга, или игольчатый лед, вместе с переохлажденной водой опускается на дно русла и, постепенно нарастая на дне, образует массы донного льда.
Поверхностное льдообразование менее опасно для работы гидростанций, хотя иногда и забивает входные решетки. Необходимо только учитывать давление полей льда на подпорные сооружения.
Гораздо труднее защитить гидроустановки от появления шуги и донного льда, причем последствия появления их нередко приводят к остановкам станции. Лед настолько плотно нарастает на входных решетках, что доступ воды к турбинам резко уменьшается и даже полностью прекращается. Поэтому разработка наиболее эффективных профилактических мероприятий в каждом частном случае является совершенно необходимым первоочередным делом каждой гидростанции. Надо иметь в виду при этом, что образование шуги и донного льда может иметь место не только в северных районах СССР, но и в южных.
Способами борьбы с льдообразованием на решетках являются:
- обогревание решеток пропусканием горячей воды по трубам;
- электрическое обогревание решеток;
- продувание решеток сжатым воздухом;
- смывание льда с. решеток струей горячей воды;
- механическая чистка решеток.
Для борьбы с донным льдом целесообразнее всего, конечно, предотвращать появление последнего, следовательно, устранять основные причины его образования. Мероприятия по борьбе с донным льдом должны соответствовать в каждом отдельном случае местным условиям. При наличии поверхностного ледяного покрова в аванкамере станции и в верхнем бьефе реки шуга и донный лед уже не образуются. Поэтому на приплотинных гидростанциях стремятся форсировать образование ледяного покрова, начиная с того -момента, когда температура воды подходит к 0°. С этой целью, пользуясь осенним ледоходом, приплывающий поверхностный лед (помощью запани) задерживают в верхнем течении реки. Одновременно, для успокоения течения воды, временно снижают нагрузку станции. Опыт показал, что при удачном стечении обстоятельств ледостав может произойти в течение одной ночи.
Для форсировки сплошного ледостава можно применять искусственные меры в виде установки запаней, плавучих решеток и устранения остающихся полыней, так как открытая водяная поверхность и ветер благоприятствуют интенсивному перемешиванию верхних охлажденных слоев воды с нижними и тем самым образованию шуги и донного льда.
Наблюдение за температурой воды должно начинаться заблаговременно, причем, когда температура воды снижается до 1:2°, необходимо перейти на измерение температур воды при помощи микротермометров, чтобы не пропустить критического понижения температуры воды, так как небольшого ее переохлаждения уже достаточно для того, чтобы показались первые признаки образования донного льда. В этот период в воду на дно перед решетками бывает полезно опускать метлы, которые периодически следует поднимать вверх, чтобы не пропустить начало образования донного льда, если такового явления полностью избежать не удается. В последнем случае нагрузка на все машины снижается, и если донный лед все же начинает откладываться на решетках, должны быть приняты срочные меры для его удаления на отдельных решетках в последовательном порядке, чтобы не дать решеткам сильно забиться льдом. К этому моменту должны быть подготовлены все средства борьбы, что зависит от местных условий (обогрев решеток, наличие приспособлений для механизированной очистки решеток, наличие горячей воды или пара, готовность водолазных бригад на случай их привлечения для борьбы с донным льдом, наличие и готовность подъемных средств).
Из многочисленных примеров явления донного льда, приведших к полной остановке гидростанции, можно указать на катастрофическое образование льда на ГЭС Этсе в Скандинавии (рис. 94).
- В декабре на одной из гидростанций произошла закупорка донным льдом турбинных решеток, что вынудило остановить всю станцию на три дня, несмотря на экстренно принятые меры.
На рис. 95 изображена поднятая вверх решетка, покрытая толстым слоем льда, доходившим на отдельных решетках до 1,2 м толщины.
- Опыт эксплуатации одной из гидростанций показал, что наличие ледостава в деривационном канале избавляло станцию от опасности образования донного льда. При отсутствии надлежащего ледяного покрова в деривационном канале имело место образование донного льда на решетках напорного бассейна.
Рис. 94. Пример катастрофического образования льда на водосливной плотине
В порядке принятия профилактических мер решено было у каждого ребра решетки по всей ее длине приварить трубы, по которым должен был пропускаться пар от паровоза. Кроме того, вдоль канала был сосредоточен соответствующий лесоматериал, необходимый для форсирования ледостава и замораживания полыней в случае их появления.
- На речных гидростанциях могут иметь место случаи сильного примерзания щитов на плотине или водоспусках. Так, например, в первые годы эксплуатации одной из гидроэлектростанций выявилось сильное примерзание к пазам щитов на водоспуске. Лучшим средством борьбы оказалось устройство наружных тепляков, обогреваемых элементами водяного отопления. Температура внутри тепляков может поддерживаться невысокой, лишь немногим выше 0°.
- На одной из гидростанций в феврале, при контрольном сбросе щита 4-го трубопровода, с последним произошла авария. При осмотре трубопровода было обнаружено, что часть клепок в верхней части трубы, на расстоянии около 2,5 м от сальника,
провалилась внутрь трубопровода, образовав отверстие 55 X 410 см. Дальнейший осмотр показал, что воздушный колодец 4-го трубопровода промерз и в нем образовался слой льда.
Рис. 95. Донный лед на решетках гидростанции
Причина аварии заключалась в следующем. Турбина находилась в резерве и ее направляющие лопатки были закрыты. При сбросе щита в напорном бассейне, трубопровод оказался от него отсоединенным. Но так как фильтрация через направляющий аппарат оказалась теперь больше фильтрации через щит, напорный трубопровод начал опорожняться. Вследствие промерзания воздушного колодца, воздух не мог попасть в трубопровод и в последнем образовался вакуум, который и привел к аварии трубопровода. Примерзание воды к стенкам воздушного колодца произошло ввиду отсутствия обогрева колодца при больших морозах.
- Вскоре на той же турбине произошла другая авария, заключающаяся в том, что в крышке турбины появились трещины и лопнуло разрывное кольцо на одной из направляющих лопаток.
Причиной аварии явилось замерзание воды в отсеках крышки. Вода замерзла от того, что при ремонте трубопровода холодный воздух (—43°) проник под крышку турбины.
