一种抽水蓄能电站冰情监测装置及方法与流程

本发明涉及水电水利设备，特别是一种抽水蓄能电站冰情监测装置。

背景技术：

抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。对比常规水电站，抽水蓄能电站具有两个显著特点：一是水库库容一般比较小，水库水位涨落幅度大；二是抽水蓄能电站有发电与抽水两种主要运行方式，在正常情况下水库水位每天至少要经历一个水位涨落循环。

作为电网的一种专用调峰和备用电源，我国在北方寒冷地区同样规划了大量的抽水蓄能电站，这些抽水蓄能电站的规划设计、冰期运行都不同程度的遇到冰冻问题，冰情往往对电站的效益与安全产生非常严重的不利影响。

寒冷地区抽水蓄能电站水库冰冻侵占了一部分总库容，使库容减少，在一定程度上影响发电效益；若冬季运行方式不当，冰情对闸门、大坝等水工建筑物可能带来破坏作用。因此冰冻库容设计、水电站防排冰运行等是寒冷地区抽水蓄能电站存在的两个重要问题。

《水电水利工程水文计算规范》(dl/t5431-2009)中，针对抽水蓄能电站冰情分析计算的描述为：可分析“抽水蓄能电站上、下库结冰特性，冰盖的形成、破碎对库容和抽放水的影响”。但由于冰情特性的复杂性，现阶段研究的深度和广度严重不足，工程冰情的分析计算在理论基础和具体方法上均不成熟，有待结合实践研究完善。

抽水蓄能电站冰情分析计算中几个关键指标，如最大冰厚、冰冻库容、常规水电站下游最小不封冻距离(抽水蓄能电站上游常规水电站运行时)等，有部分经验公式可借鉴，但很不成熟且缺少验证。

目前国内外有关寒区水库(湖泊)冰情的研究成果主要为常规的静水冰生消过程，而电站冰期运行条件下的实际原型观测资料较少，作为与常规电站有明显差异的抽水蓄能电站，由于上库、下库的冰生消过程与库水位、环境温度、进/出水口位置、电站调度运行模式紧密相关，库面反复呈现“结冰--冰裂--融化--结冰”等状态，特别是离库岸几十米的区域其冰情状态更是时刻变化中，人为下库进行原型观测危险性极大，限于目前冰厚测量仪器发展水平，对于水库(尤其是薄冰区)冰厚测量还很不成熟，难以获取冰厚的精确数据，目前仅仅是停留在通过拍照、人工预估等手段进行直观的认识，离真实数据的获取还有非常大的距离。

最近几年发展起来的新技术，包括探地雷达探测冰厚、无人机航摄应急监测等，尽管有一些进步，一定程度上也能获取部分资料，但仍然存在很大的局限性，一是需要人工现场操作，且受天气影响严重，在夜晚更是不具备监测条件，监测数据不具备连续性；二是对于冰厚测量精度有限，特别是针对薄冰或者冰厚不大时，更是无能为力。

抽水蓄能电站上水库布置在山顶位置，水库水位变幅高达几十米，库盆边坡坡比通常为1:1.6左右；北方抽水蓄能电站为适应温度变化巨大的环境条件，其水库库盆面板、库盆库底的防渗处理是关键，电站建成后尖锐物体的撞击与划伤可能破坏防渗层，从而影响其防渗效果；北方抽水蓄能电站水库在冬季很容易结冰，库盆周边面板结冰后，当库水位上升或下降时，存在冰块撕裂或坍塌情况，从而对库盆面板防渗层存在较为明显的破坏；电站正常运行后，该情形是不允许发生的，通常需要通过电站调度或者其它辅助措施保障库盆周边保持几米宽的动水带或薄冰区，避免库盆形成整体冰盖。受风力、水库抽水/发电的影响，冬季库面浮冰往往处于漂移状态，顺风侧的浮冰很容易与面板接触并结冰，当水库保持相同水位时间较长时，严寒情况下结冰程度会显著加强，严重时可能破坏防渗面板。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种抽水蓄能电站冰情监测装置，该装置能够在水位变化超过50米、结冰厚度超过0.75米的工况下正常应用；该装置可搭载多种冰情监测传感器，实现多种测验原理的相互验证从而保证测验数据的有效性。

该装置安装平台采用塑料浮筒拼装而成，其周边采用高强度不锈钢方管整体焊接,安装平台承载能力超过1.5吨，同时能够承载超过0.5米厚的冰挤压力，锚系装置采用合适长度的尼龙绳与拖底锚链，满足抽水蓄能电站库水位变化大(超过50m)且剧烈的应用工况。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抽水蓄能电站冰情监测装置，包括：

设置于水面/冰面上的安装平台；

固定于安装平台上的安装支架，且该安装支架包括上部和下部，该上部位于水面/冰面上方，该下部自水面/冰面上方伸入水面/冰面下方；

固定于安装支架下部的水尺；

所述水尺的刻度两侧沿水尺长度分别设有多个电压感应点；

所述安装平台通过锚系装置与抽水蓄能电站水库底部连接，采用抛锚的方式固定该装置，可以很好地防止监测装置受风吹与水流影响发生较大的偏移。

所述安装平台与所述锚系装置之间接有悬浮件，当安装平台受风吹与水流影响发生漂移时，锚系装置拽紧悬浮件，然后通过悬浮件连接安装平台，从而减缓安装平台的倾斜度。

所述安装平台四个角落均设置有缓冲件；所述安装平台通过第一柔性件与所述悬浮件连接；第一柔性件与安装平台的连接点位于所述安装支架的对侧。缓冲件可以防止安装平台被风吹到库岸边时对水库沥青面板造成损伤。

所述安装平台上设有遥测机箱；所述遥测机箱内设置有遥测终端及与所述遥测终端电连接的无线通信模块；所述遥测终端与所述水尺、蓄电池电连接。

所述锚系装置包括与所述悬浮件连接的第三柔性连接件；所述第三柔性连接件与第二柔性件连接；所述第二柔性连接件接锚链。第三柔性连接件为不锈钢链，的作用是将第二柔性连接件压低至冰面一下，防止第二柔性件与冰面冻结在一起，铸铁拖底锚链主要是起到锚固安装平台的作用，当风力特别大超过其与库底的摩擦力时，允许其在库底拖动而尽量少的对库底防渗面板造成损坏。

所述安装平台上设有太阳能光板；所述太阳能光板与充电控制器电连接；所述充电控制器与蓄电池电连接。利用太阳能发电为用电设备供电，节约能源。

相应地，本发明还提供了另一种利用上述装置计算冰层厚度的方法，包括：

采集水尺上所有电压感应点的电压值；

根据所述电压值判断电压感应点所处位置，从而计算冰层厚度。

当为水尺提供3.3v的电压时，利用下列方法判断电压感应点的位置：

当某一电压感应点的电压值大于2.75v时，判定为该电压感应点位于水中；

当某一电压感应点的电压值介于0.33v和0.75v之间时，判定为该电压感应点位于冰层中；

当某一个电压感应点的电压值小于0.33v时，判定为该电压感应点位于空气中。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的装置能够在水位变化超过50米、结冰厚度超过0.75米的工况下正常应用；该装置可搭载多种冰情监测传感器，保证测验数据的有效性；

本发明采用可漂浮的浮筒平台搭载测冰水尺进行抽水蓄能电站水库结冰情况自动监测，其中测冰水尺的测量原理是检测空气-冰-水中的触点电压，通过触点电压值的差别判断冰层上、下表面，从而准确计算抽水蓄能电站水库结冰厚度。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明立体图；

图3为本发明水尺结构示意图。

具体实施方式

本装置安装在抽水蓄能电站水库(上库、下库)时，采用抛锚方式固定。锚绳的长度根据水位变幅(正常蓄水位-死水位)决定；为了保持监测装置平稳，锚系装置与安装平台之间增设中间浮子，减缓因锚绳拽紧作用而导致安装平台倾角偏大；锚系装置上部采用不锈钢链(长度5米)，中间段采用尼龙绳，底部采用铸铁拖底锚链(超过250公斤)；不锈钢链的作用是将尼龙绳压低至冰面一下，防止尼龙绳与冰面冻结在一起，铸铁拖底锚链主要是起到锚固安装平台的作用，当风力特别大超过其与库底的摩擦力时，允许其在库底拖动而尽量少的对库底防渗面板造成损坏。

本监测装置在库盆内的运行轨迹为：以抛投点为中心，以锚绳长度为半径的范围。库水位越低，其运行半径越大，随着库水位的升高，其运行半径变小，极限情况，水位上升至正常蓄水位时，监测装置基本位于抛投点的正上方。

抛投点选取：抛投点参照库盆坡脚线进行选取，以水位下降至死水位为极限，抛投点至少应远离库盆坡脚线x米，x＝(正常蓄水位-死水位)+预留风浪安全长度。

如图1和图2所示，本发明安装平台1采用4*4塑料浮筒10拼接，单个浮筒尺寸为500mm*500mm*400mm(长*宽*高),浮筒周边为不锈钢方框11，方框与浮筒采用螺栓紧固，不锈钢方框上焊接不锈钢防护栏，不锈钢方框采用麻绳缠绕、四角采用橡胶(即缓冲件7)包裹防撞。安装平台整体承载能力1600公斤。

中间浮筒(悬浮件7)是安装平台与锚链系统之间缓冲部件，当安装平台受风吹与水流影响发生漂移时，锚系装置拽紧本中间浮筒，然后通过中间浮筒连接安装平台，从而减缓安装平台的倾斜度。

第一柔性件12(尼龙绳)、第二柔性件14(尼龙绳)：第一柔性件12连接安装平台与中间浮筒，第二柔性件14连接中间浮筒下端的不锈钢链13与河(湖)底的铸铁拖底锚链装置。

不锈钢链13、锚链15：锚系装置上部采用不锈钢链(长度5米)，作用是将尼龙绳压低至冰面一下，防止尼龙绳与冰面冻结在一起，铸铁拖底锚链主要是起到锚固安装平台的作用，当风力特别大超过其与库底的摩擦力时，允许其在库底拖动而尽量少的对库底防渗面板造成损坏。

如图2，本发明还包括：

遥测装置(设置于遥测机箱8内)：包括遥测终端、无线通信模块、gps模块等，安装在不锈钢机箱内；

如图3，本发明冰(水)传感器水尺18(即水尺)：量程1米，集成电阻式测量方式。电阻式冰传感器(水尺上设置多个电压感应触点21)水尺分辨率为1厘米；水尺采用型钢为骨架，将电阻触点通过环氧树脂浇筑成一根整体水尺，接线17由水尺顶部引出；冰(水)传感器水尺18安装于安装支架2上；水尺正面设置刻度19。

太阳能供电系统：包括太阳能光板6、充电控制器、蓄电池；

辐射罩9与环境温度传感器：采用数字式温度计，温度计安装在辐射罩内；

本申请中，计算冰层厚度的方法包括以下步骤：

采集水尺上所有电压感应点的电压值；

根据所述电压值判断电压感应点所处位置，从而计算冰层厚度。

当为水尺提供3.3v的电压时，利用下列方法判断电压感应点的位置：

当某一电压感应点的电压值大于2.75v时，判定为该电压感应点位于水中；

当某一电压感应点的电压值介于0.33v和0.75v之间时，判定为该电压感应点位于冰层中；

当某一个电压感应点的电压值小于0.33v时，判定为该电压感应点位于空气中。