كيف يمكن لمحطات تخزين الطاقة أن تعمل بأمان في خطوط العرض المرتفعة والمناطق الباردة؟

وفقًا لمدونة تصميم الهياكل الهيدروليكية المقاومة للتجمد، تُستخدم خرسانة F400 في الأجزاء المهمة من الهياكل شديدة التجمد والتي يصعب إصلاحها في المناطق شديدة البرودة (يجب أن تتحمل الخرسانة 400 دورة تجمد وذوبان). ووفقًا لهذه المواصفة، تُستخدم خرسانة F400 في بلاطة الواجهة وبلاطة المقدمة فوق مستوى المياه الميتة لسد خزان المياه العلوي المملوء بالصخور في محطة هوانغو لتوليد الطاقة الكهربائية بالتخزين بالضخ، ومنطقة تذبذب مستوى المياه عند مدخل ومخرج الخزان العلوي، ومنطقة تذبذب مستوى المياه عند مدخل ومخرج الخزان السفلي، وأجزاء أخرى. قبل ذلك، لم تكن هناك سابقة لاستخدام خرسانة F400 في صناعة الطاقة الكهرومائية المحلية. من أجل إعداد الخرسانة F400، قام فريق البناء بالبحث في معاهد البحوث المحلية ومصنعي إضافات الخرسانة بعدة طرق، وعهد إلى شركات متخصصة بإجراء أبحاث خاصة، وأعد الخرسانة F400 عن طريق إضافة دخان السيليكا، وعامل احتجاز الهواء، وعامل اختزال الماء عالي الكفاءة ومواد أخرى، وتطبيقها على بناء محطة هوانجو لتوليد الطاقة بالتخزين والضخ.
بالإضافة إلى ذلك، في المناطق شديدة البرودة، إذا كانت الخرسانة الملامسة للماء بها شقوق طفيفة، فسوف يتسرب الماء إليها في الشتاء. ومع استمرار دورة التجمد والذوبان، ستتعرض الخرسانة للتلف تدريجيًا. تلعب بلاطة الواجهة الخرسانية للسد الرئيسي للخزان العلوي لمحطة تخزين الطاقة بالضخ دورًا في حجز المياه ومنع التسرب. في حال وجود شقوق كثيرة، ستنخفض سلامة السد بشكل كبير. وقد طور فريق البناء في محطة تخزين الطاقة بالضخ في هوانغغو نوعًا من الخرسانة المقاومة للتشققات، وذلك بإضافة عامل تمدد وألياف البولي بروبيلين عند خلط الخرسانة لتقليل حدوث الشقوق الخرسانية وتحسين مقاومة الصقيع لخرسانة الواجهة.
ماذا لو كانت هناك شقوق في الواجهة الخرسانية للسد؟ قام فريق البناء أيضًا بتركيب طبقة مقاومة للصقيع على سطح اللوح، باستخدام البولي يوريا المكشطة يدويًا كطبقة واقية. تعمل البولي يوريا المكشطة يدويًا على قطع اتصال الخرسانة بالماء، وإبطاء تطور أضرار التقشر الناتجة عن التجمد والذوبان في بلاطة الواجهة الخرسانية، كما تمنع المكونات الضارة الأخرى في الماء من تآكل الخرسانة. تتميز هذه الطبقة بخصائص مقاومة للماء، ومقاومة الشيخوخة، ومقاومة التجمد والذوبان، وغيرها.
لا تُصبّ بلاطة واجهة سد الخرسانة الصخري دفعةً واحدة، بل تُبنى على أجزاء. ينتج عن ذلك وصلة هيكلية بين كل قسم من أقسام اللوحة. وتتمثل المعالجة الشائعة لمنع التسرب في تغطية الوصلة الهيكلية بغطاء مطاطي وتثبيتها بمسامير تمدد. في الشتاء، وفي المناطق شديدة البرودة، تتعرض منطقة الخزان لطبقة جليدية أكثر سمكًا، ويتجمد الجزء المكشوف من مسمار التمدد مع طبقة الجليد مسببًا ضررًا ناتجًا عن سحب الجليد. تتبنى محطة هوانغغو لتوليد الطاقة باستخدام الضخ والتخزين هيكلًا مبتكرًا من نوع الطلاء القابل للضغط، مما يحل مشكلة تلف المفاصل الهيكلية بسبب سحب الجليد. في 20 ديسمبر 2021، سيتم تشغيل الوحدة الأولى من محطة هوانغغو لتوليد الطاقة باستخدام الضخ والتخزين لتوليد الطاقة. وقد أثبتت التجربة الشتوية أن هذا النوع من الهياكل قادر على منع تلف المفاصل الهيكلية للوحات الناتجة عن سحب الجليد أو بثق التمدد الناتج عن الصقيع.
من أجل إكمال بناء المشروع في أسرع وقت ممكن، حاول فريق البناء تنفيذ البناء الشتوي. وعلى الرغم من أنه لا توجد إمكانية تقريبًا للبناء الشتوي في الهواء الطلق، فإن محطة الطاقة تحت الأرض ونفق نقل المياه والمباني الأخرى لمحطة الطاقة المخزنة بالضخ مدفونة بعمق تحت الأرض ولها ظروف بناء. ولكن كيف يتم صب الخرسانة في الشتاء؟ يجب على فريق البناء وضع أبواب عازلة لجميع الفتحات التي تربط الكهوف تحت الأرض والخارج، وتركيب مراوح هواء ساخن بقوة 35 كيلو وات داخل الأبواب؛ نظام خلط الخرسانة مغلق تمامًا، ومرافق التدفئة موجودة في الداخل. قبل الخلط، اغسل نظام خلط الخرسانة بالماء الساخن؛ احسب كمية الركام الخشن والناعم في الشتاء وفقًا لكمية أعمال الحفر الخرسانية المطلوبة للصب الشتوي، وانقلها إلى النفق للتخزين قبل الشتاء. يقوم فريق البناء أيضًا بتسخين الركام قبل الخلط، ويضع "ملابس مبطنة بالقطن" على جميع شاحنات الخلاط التي تنقل الخرسانة لضمان الحفاظ على درجة الحرارة أثناء نقل الخرسانة؛ بعد صب الخرسانة، يُغطى سطحها بطبقة عازلة حرارية، وعند الحاجة، تُغطى ببطانية كهربائية للتدفئة. بهذه الطريقة، خفّف فريق البناء من تأثير الطقس البارد على بناء المشروع.

ضمان التشغيل الآمن لمحطات تخزين الطاقة المضخوخة في المناطق شديدة البرودة
عند ضخّ محطة الطاقة المائية أو توليد الكهرباء، يتغير مستوى الماء في الخزانين العلوي والسفلي باستمرار. في فصل الشتاء البارد، عندما تعمل المحطة يوميًا، تتشكل طبقة جليدية عائمة في وسط الخزان، ويتشكل حزام من الجليد المجروش خارجه. لن يؤثر هذا الغطاء الجليدي بشكل كبير على تشغيل المحطة، ولكن إذا لم يكن نظام الطاقة بحاجة إلى تشغيل المحطة لفترة طويلة، فقد يتجمد الخزانان العلوي والسفلي. في هذا الوقت، على الرغم من وجود كمية كافية من الماء في خزان المحطة، إلا أن تدفق الماء لا يمكن أن يحدث بسبب عدم القدرة على الاتصال بالغلاف الجوي، وسيؤدي التشغيل القسري إلى مخاطر أمنية على هياكل إمدادات المياه ومعدات الوحدات والمرافق.
أجرى فريق البناء دراسة خاصة حول آلية تشغيل محطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ خلال فصل الشتاء. وأظهرت الدراسة أن عملية التوزيع هي الأساس لضمان التشغيل الآمن لمحطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ خلال فصل الشتاء. ففي الشتاء البارد، تعمل وحدة واحدة على الأقل على توليد الكهرباء أو ضخ المياه لأكثر من 8 ساعات يوميًا، مما قد يمنع تشكل غطاء جليدي كامل في الخزان. وفي حال عدم استيفاء عملية التوزيع للشروط المذكورة أعلاه، يجب اتخاذ تدابير لمنع تكون الجليد وكسره.
في الوقت الحاضر، هناك ثلاثة إجراءات رئيسية لمكافحة الجليد وكسر الجليد في الخزانات وآبار البوابة لمحطات الطاقة التخزينية المضخوخة: كسر الجليد الاصطناعي، ونفخ الغاز عالي الضغط، وكسر الجليد عن طريق غسل مضخة المياه.
تكلفة طريقة كسر الجليد الاصطناعي منخفضة، لكن وقت تشغيل الموظفين طويل، والمخاطر عالية، وحوادث السلامة شائعة. تعتمد طريقة نفخ الغاز عالي الضغط على استخدام الهواء المضغوط الذي يُخرجه ضاغط الهواء في المياه العميقة لإخراج تدفق قوي من الماء الدافئ، مما يُذيب طبقة الجليد ويمنع تكون طبقة جليد جديدة. تعتمد محطة هوانغغو لتوليد الطاقة باستخدام الضخ والتخزين طريقة تنظيف مضخة المياه وكسر الجليد، أي استخدام مضخة غاطسة لضخ المياه العميقة، ثم يُخرج الماء عبر فتحة النفث في أنبوب النفث لتشكيل تدفق مستمر من الماء، وذلك لمنع تجمّد سطح الماء المحلي.
يُشكل دخول الجليد العائم إلى مجرى التدفق خطرًا آخر على محطة توليد الطاقة المُضخّة خلال فصل الشتاء، إذ قد يُلحق الضرر بالتوربينات الهيدروليكية وغيرها من المعدات الميكانيكية. في بداية إنشاء محطة هوانغغو لتوليد الطاقة المُضخّة، أُجريت اختبارات نموذجية، وحُسبت السرعة الحرجة لدخول الجليد العائم إلى القناة عند 1.05 متر/ثانية. ولخفض سرعة التدفق، صممت محطة هوانغغو لتوليد الطاقة المُضخّة قسمي الدخول والخروج بحيث يكونان كبيرين بما يكفي، وضبطت أقسام مراقبة سرعة التدفق ودرجة الحرارة على ارتفاعات مختلفة من المدخل والمخرج. بعد إجراء مراقبة شتوية، لم يعثر موظفو المحطة على أي جليد عائم يدخل إلى مجرى التدفق.

تبدأ فترة التحضير لمحطة هوانغو لتوليد الطاقة بالضخ والتخزين من يناير 2016. سيتم تشغيل الوحدة الأولى لتوليد الطاقة في 20 ديسمبر 2021، وسيتم تشغيل الوحدة الأخيرة لتوليد الطاقة في 29 يونيو 2022. تبلغ مدة البناء الإجمالية للمشروع ست سنوات ونصف. وبالمقارنة مع نفس النوع من مشاريع محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين في الصين، لم تتأخر فترة بناء محطة هوانغو لتوليد الطاقة بالضخ والتخزين لأنها تقع في مناطق شديدة البرودة. بعد تجربة اختبار الشتاء البارد، تعمل جميع الهياكل الهيدروليكية والمعدات والمرافق لمحطة هوانغو لتوليد الطاقة بالضخ والتخزين بشكل طبيعي. وعلى وجه الخصوص، يبلغ الحد الأقصى للتسرب خلف سد الصخور الخرساني للخزان العلوي 4.23 لتر/ثانية فقط، ومؤشر التسرب هو المستوى الرائد بين سدود الصخور الأرضية من نفس الحجم في الصين. تبدأ الوحدة بالإرسال، وتستجيب بسرعة، وتعمل بثبات. تتولى مهام شبكة كهرباء الشمال الشرقي لتلبية ذروة الطلب في الصيف والشتاء والمهرجانات المهمة، وتضمن التشغيل الآمن والمستقر لشبكة كهرباء الشمال الشرقي.