كيف يمكن لمحطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بالتخزين بالضخ أن تعمل بأمان في المناطق الباردة وذات خطوط العرض العالية؟

وفقًا لقانون تصميم المنشآت الهيدروليكية المقاومة للتجمد، يُستخدم خرسانة F400 في الأجزاء الهامة من المنشآت التي تتعرض للتجمد الشديد ويصعب إصلاحها في المناطق شديدة البرودة (يجب أن تتحمل الخرسانة 400 دورة تجمد وذوبان). وبناءً على هذه المواصفات، تُستخدم خرسانة F400 في البلاطة الأمامية والخلفية فوق مستوى المياه الراكدة لسد ردم الصخور في الخزان العلوي لمحطة هوانغقو لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، ومنطقة تذبذب مستوى المياه عند مدخل ومخرج الخزان العلوي، ومنطقة تذبذب مستوى المياه عند مدخل ومخرج الخزان السفلي، وغيرها من الأجزاء. ولم يسبق استخدام خرسانة F400 في قطاع الطاقة الكهرومائية المحلي. من أجل إعداد خرسانة F400، قام فريق البناء بالبحث في معاهد البحوث المحلية ومصنعي إضافات الخرسانة بطرق عديدة، وعهد إلى شركات متخصصة بإجراء أبحاث خاصة، وقام بإعداد خرسانة F400 عن طريق إضافة غبار السيليكا، وعامل إدخال الهواء، وعامل تقليل المياه عالي الكفاءة، ومواد أخرى، وقام بتطبيقها في بناء محطة هوانغقو لتخزين الطاقة بالضخ.
بالإضافة إلى ذلك، في المناطق شديدة البرودة، إذا ظهرت تشققات طفيفة في الخرسانة الملامسة للماء، فسيتسرب الماء إلى هذه التشققات خلال فصل الشتاء. ومع دورة التجمد والذوبان المتكررة، ستتلف الخرسانة تدريجيًا. وتؤدي واجهة الخرسانة للسد الرئيسي للخزان العلوي لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية بالضخ دورًا هامًا في احتجاز المياه ومنع التسرب. وفي حال وجود تشققات كثيرة، سيتأثر أمان السد بشكل كبير. وقد طوّر فريق الإنشاء في محطة هوانغقو لتوليد الطاقة الكهرومائية بالضخ نوعًا من الخرسانة المقاومة للتشقق، وذلك بإضافة عامل تمدد وألياف البولي بروبيلين أثناء خلط الخرسانة للحد من حدوث التشققات وتحسين مقاومة واجهة الخرسانة للصقيع.
ماذا لو ظهرت تشققات على واجهة السد الخرسانية؟ قام فريق الإنشاء بتركيب طبقة مقاومة للصقيع على سطح اللوح، باستخدام البولي يوريا المقشرة يدويًا كطبقة واقية. تعمل هذه الطبقة على عزل الخرسانة عن الماء، وإبطاء تآكل سطح الخرسانة الناتج عن دورات التجمد والذوبان، كما تمنع المكونات الضارة الأخرى الموجودة في الماء من إتلاف الخرسانة. تتميز هذه الطبقة بخصائص مقاومة للماء، ومقاومة للشيخوخة، ومقاومة لدورات التجمد والذوبان، وغيرها.
لا تُصبّ الألواح الأمامية لسد ركامي ذي واجهة خرسانية دفعةً واحدة، بل تُبنى على مراحل. ينتج عن ذلك وصلة هيكلية بين كل قسم من الألواح. تتمثل المعالجة الشائعة لمنع التسرب في تغطية الوصلة الهيكلية بلوحة مطاطية وتثبيتها بمسامير تمدد. في فصل الشتاء، في المناطق شديدة البرودة، تتعرض منطقة الخزان لطبقة جليدية سميكة، ويتجمد الجزء المكشوف من مسمار التمدد مع طبقة الجليد، مما يُسبب تلفًا ناتجًا عن سحب الجليد. تتبنى محطة هوانغقو لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، بشكل مبتكر، هيكلًا من نوع الطلاء القابل للانضغاط، مما يحل مشكلة تلف الوصلات الهيكلية بسبب سحب الجليد. في 20 ديسمبر 2021، تم تشغيل الوحدة الأولى من محطة هوانغقو لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ لتوليد الطاقة. وقد أثبت التشغيل الشتوي أن هذا النوع من الهياكل قادر على منع تلف الوصلات الهيكلية للألواح الناتج عن سحب الجليد أو تمدد الصقيع.
سعياً لإنجاز مشروع البناء في أسرع وقت ممكن، حاول فريق العمل تنفيذ أعمال البناء خلال فصل الشتاء. ورغم استحالة البناء في الهواء الطلق شتاءً، إلا أن محطة توليد الطاقة الكهرومائية تحت الأرض، ونفق نقل المياه، وغيرها من مباني محطة تخزين الطاقة الكهرومائية، تقع على أعماق كبيرة تحت الأرض، مما يتيح إمكانية البناء. ولكن كيف يُمكن صب الخرسانة في الشتاء؟ قام فريق العمل بتركيب أبواب عازلة لجميع الفتحات التي تربط الأقبية بالخارج، وتركيب مراوح هواء ساخن بقدرة 35 كيلوواط داخل هذه الأبواب. كما تم إغلاق نظام خلط الخرسانة بالكامل، وتركيب وسائل التدفئة داخله. وقبل الخلط، تم غسل نظام الخلط بالماء الساخن. وتم حساب كمية الركام الخشن والناعم في الشتاء بناءً على كمية أعمال الحفر الخرسانية المطلوبة للصب الشتوي، ونقلها إلى النفق للتخزين قبل حلول الشتاء. وقام فريق العمل أيضاً بتسخين الركام قبل الخلط، ووضع أغطية قطنية على جميع شاحنات خلط الخرسانة لضمان الحفاظ على درجة الحرارة المناسبة أثناء النقل. بعد التصلب الأولي للخرسانة المصبوبة، تُغطى سطحها بغطاء عازل حراري، وإذا لزم الأمر، تُغطى ببطانية كهربائية للتدفئة. وبهذه الطريقة، قلل فريق البناء من تأثير الطقس البارد على سير العمل في المشروع.

ضمان التشغيل الآمن لمحطات الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ في المناطق شديدة البرودة
عندما تقوم محطة الطاقة الكهرومائية بتخزين المياه أو توليد الكهرباء، يتغير مستوى المياه في الخزانين العلوي والسفلي باستمرار. في فصل الشتاء البارد، ومع تشغيل المحطة يوميًا، تتشكل طبقة جليدية عائمة في وسط الخزان، وحلقة من الجليد المتكتل في الخارج. لا يؤثر الغطاء الجليدي بشكل كبير على تشغيل المحطة، ولكن إذا لم تكن هناك حاجة لتشغيلها لفترة طويلة، فقد يتجمد الخزانان. في هذه الحالة، ورغم وجود كمية كافية من المياه في الخزان، إلا أن تدفق المياه يتعذر بسبب عدم قدرتها على التفاعل مع الغلاف الجوي، مما يُشكل خطرًا على سلامة منشآت إمداد المياه ومعدات المحطة.
أجرى فريق الإنشاء دراسة خاصة حول نمط تشغيل محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية خلال فصل الشتاء. وأظهرت الدراسة أن عملية التشغيل المنسق هي المفتاح لضمان التشغيل الآمن لهذه المحطات في فصل الشتاء. ففي الشتاء البارد، يجب أن تعمل وحدة واحدة على الأقل لتوليد الكهرباء أو ضخ المياه لأكثر من ثماني ساعات يوميًا، مما يمنع تكوّن طبقة جليدية كاملة في الخزان. وعندما لا يفي نظام التشغيل المنسق بمتطلبات التشغيل المنسق، يجب اتخاذ تدابير لمنع تكون الجليد وكسره.
في الوقت الحاضر، هناك ثلاثة تدابير رئيسية لمكافحة الجليد وكسر الجليد للخزانات وآبار البوابات لمحطات الطاقة المخزنة بالضخ: كسر الجليد الاصطناعي، ونفخ الغاز عالي الضغط، وكسر الجليد عن طريق ضخ المياه.
تتميز طريقة كسر الجليد الاصطناعية بانخفاض تكلفتها، إلا أنها تتطلب وقتًا طويلاً من العاملين، وتزيد من المخاطر، وتزيد من احتمالية وقوع حوادث السلامة. أما طريقة نفخ الغاز عالي الضغط، فتعتمد على استخدام الهواء المضغوط المنبعث من ضاغط الهواء في المياه العميقة لضخ تيار قوي من الماء الدافئ، مما يُذيب طبقة الجليد ويمنع تكون طبقة جليدية جديدة. وتعتمد محطة هوانغقو لتخزين الطاقة بالضخ طريقة ضخ المياه وكسر الجليد، حيث تُستخدم مضخة غاطسة لضخ المياه العميقة، ثم تُضخ المياه عبر فتحة النفث في أنبوب النفث لتشكيل تدفق مستمر من الماء، وذلك لمنع تجمد سطح الماء في المنطقة.
يُعدّ دخول الجليد الطافي إلى قناة التدفق خطرًا آخر يهدد محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية بالضخ خلال فصل الشتاء، إذ قد يُلحق الضرر بالتوربينات الهيدروليكية وغيرها من المعدات الميكانيكية. في بداية إنشاء محطة هوانغقو للطاقة الكهرومائية التخزينية بالضخ، أُجريت اختبارات نموذجية، وحُسبت السرعة الحرجة لدخول الجليد الطافي إلى القناة بـ 1.05 متر/ثانية. وللحدّ من سرعة التدفق، صُممت مداخل ومخارج المحطة بحجمٍ كافٍ، ووُضعت نقاط مراقبة لسرعة التدفق ودرجة الحرارة على ارتفاعات مختلفة من المدخل والمخرج. وبعد مراقبة شتوية، لم يرصد فريق العمل أي دخول للجليد الطافي إلى قناة التدفق.

بدأت فترة التحضير لمحطة هوانغقو لتخزين الطاقة بالضخ في يناير 2016. وسيتم تشغيل الوحدة الأولى لتوليد الطاقة في 20 ديسمبر 2021، بينما سيتم تشغيل الوحدة الأخيرة في 29 يونيو 2022. تبلغ مدة الإنشاء الإجمالية للمشروع ست سنوات ونصف. وبالمقارنة مع مشاريع محطات تخزين الطاقة بالضخ المماثلة في الصين، لم تتأخر محطة هوانغقو عن غيرها في مدة الإنشاء، على الرغم من موقعها في منطقة شديدة البرودة. وبعد اجتيازها اختبار الشتاء البارد، تعمل جميع المنشآت والمعدات والتجهيزات الهيدروليكية في محطة هوانغقو لتخزين الطاقة بالضخ بشكل طبيعي. وعلى وجه الخصوص، يبلغ الحد الأقصى للتسرب خلف السد الصخري الخرساني للخزان العلوي 4.23 لتر/ثانية فقط، وهو معدل تسرب يُعد من بين الأفضل بين السدود الصخرية الترابية المماثلة في الصين. وقد بدأت الوحدة العمل فورًا، واستجابت بسرعة، وعملت بثبات. وتتولى مهام شبكة الطاقة الشمالية الشرقية لتلبية ذروة الطلب في الصيف والشتاء والمهرجانات المهمة، وتضمن التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الطاقة الشمالية الشرقية.