โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบสูบกลับสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยในพื้นที่ละติจูดสูงและเขตหนาวได้อย่างไร?

ตามหลักเกณฑ์การออกแบบโครงสร้างไฮดรอลิกป้องกันการแข็งตัว คอนกรีต F400 จะต้องใช้สำหรับส่วนต่างๆ ของโครงสร้างที่มีความสำคัญ เสี่ยงต่อการแข็งตัวอย่างรุนแรง และซ่อมแซมได้ยากในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัด (คอนกรีตต้องสามารถทนต่อวัฏจักรการแข็งตัวและการละลายได้ 400 รอบ) ตามข้อกำหนดนี้ คอนกรีต F400 จะต้องใช้สำหรับแผ่นพื้นด้านหน้าและแผ่นพื้นด้านล่างเหนือระดับน้ำนิ่งของเขื่อนหินถมหน้าอ่างเก็บน้ำตอนบนของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกว บริเวณที่ระดับน้ำผันผวนของทางเข้าและทางออกของอ่างเก็บน้ำตอนบน บริเวณที่ระดับน้ำผันผวนของทางเข้าและทางออกของอ่างเก็บน้ำตอนล่าง และส่วนอื่นๆ ก่อนหน้านี้ ยังไม่มีตัวอย่างการใช้งานคอนกรีต F400 ในอุตสาหกรรมพลังน้ำในประเทศมาก่อน เพื่อเตรียมคอนกรีต F400 ทีมงานก่อสร้างได้ศึกษาค้นคว้าสถาบันวิจัยในประเทศและผู้ผลิตสารผสมคอนกรีตในหลายด้าน มอบหมายให้บริษัทผู้เชี่ยวชาญดำเนินการวิจัยเฉพาะด้าน เตรียมคอนกรีต F400 โดยการเติมซิลิกาฟูม สารดักอากาศ สารลดน้ำประสิทธิภาพสูง และวัสดุอื่นๆ และนำไปใช้ในการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกว
นอกจากนี้ ในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัด หากคอนกรีตที่สัมผัสกับน้ำมีรอยแตกร้าวเล็กน้อย น้ำจะซึมเข้าไปในรอยแตกร้าวในฤดูหนาว และด้วยวัฏจักรการแข็งตัวและละลายอย่างต่อเนื่อง คอนกรีตจะค่อยๆ ถูกทำลายไป แผ่นคอนกรีตด้านหน้าของเขื่อนหลักในอ่างเก็บน้ำตอนบนของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับมีบทบาทในการกักเก็บน้ำและป้องกันการซึม หากมีรอยแตกร้าวจำนวนมาก ความปลอดภัยของเขื่อนจะลดลงอย่างมาก ทีมงานก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวได้พัฒนาคอนกรีตชนิดต้านทานรอยแตกร้าว โดยการเติมสารขยายตัวและเส้นใยโพลีโพรพีลีนลงในส่วนผสมคอนกรีต เพื่อลดการเกิดรอยแตกร้าวในคอนกรีตและเพิ่มความต้านทานต่อการแข็งตัวของแผ่นคอนกรีตด้านหน้าให้ดียิ่งขึ้น
จะทำอย่างไรหากมีรอยแตกร้าวบนพื้นผิวคอนกรีตของเขื่อน? ทีมงานก่อสร้างได้ติดตั้งชั้นป้องกันการแข็งตัวของน้ำบนพื้นผิวแผ่นคอนกรีต โดยใช้โพลียูเรียที่ขูดด้วยมือเป็นสารเคลือบป้องกัน โพลียูเรียที่ขูดด้วยมือสามารถตัดการสัมผัสระหว่างคอนกรีตกับน้ำ ชะลอการเกิดความเสียหายจากการแข็งตัวและการละลายของน้ำบนพื้นผิวคอนกรีต และยังป้องกันส่วนประกอบที่เป็นอันตรายอื่นๆ ในน้ำไม่ให้กัดกร่อนคอนกรีตได้อีกด้วย มีคุณสมบัติกันน้ำ ป้องกันการเสื่อมสภาพ ทนต่อการแข็งตัวและการละลายของน้ำ เป็นต้น
แผ่นคอนกรีตด้านหน้าของเขื่อนหินถมไม่ได้หล่อเสร็จในครั้งเดียว แต่สร้างเป็นส่วนๆ ทำให้เกิดรอยต่อโครงสร้างระหว่างแต่ละส่วน การป้องกันการรั่วซึมทั่วไปคือการปิดแผ่นยางบนรอยต่อโครงสร้างและยึดด้วยสลักเกลียวขยายตัว ในฤดูหนาวในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัด บริเวณอ่างเก็บน้ำจะมีน้ำแข็งเกาะหนาขึ้น และส่วนที่โผล่พ้นน้ำแข็งของสลักเกลียวขยายตัวจะแข็งตัวพร้อมกับชั้นน้ำแข็ง ทำให้เกิดความเสียหายจากการดึงน้ำแข็งออก โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวได้นำโครงสร้างแบบเคลือบที่บีบอัดได้มาประยุกต์ใช้ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาความเสียหายของรอยต่อโครงสร้างจากการดึงน้ำแข็งออก เมื่อวันที่ 20 ธันวาคม 2564 หน่วยแรกของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวได้เริ่มเดินเครื่องผลิตไฟฟ้า การใช้งานในฤดูหนาวได้พิสูจน์แล้วว่าโครงสร้างประเภทนี้สามารถป้องกันความเสียหายของรอยต่อโครงสร้างแผ่นที่เกิดจากการดึงน้ำแข็งออกหรือการอัดตัวจากการขยายตัวของน้ำแข็งได้
เพื่อที่จะดำเนินการก่อสร้างโครงการให้แล้วเสร็จโดยเร็วที่สุด ทีมงานก่อสร้างจึงพยายามดำเนินการก่อสร้างในช่วงฤดูหนาว แม้ว่าแทบจะไม่มีความเป็นไปได้เลยที่จะก่อสร้างกลางแจ้งในฤดูหนาว แต่โรงไฟฟ้าใต้ดิน อุโมงค์ส่งน้ำ และอาคารอื่นๆ ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับนั้นอยู่ใต้ดินลึกและมีสภาพที่สามารถก่อสร้างได้ แต่จะเทคอนกรีตในฤดูหนาวได้อย่างไร? ทีมงานก่อสร้างจึงติดตั้งประตูฉนวนกันความร้อนสำหรับช่องเปิดทั้งหมดที่เชื่อมต่อถ้ำใต้ดินกับภายนอก และติดตั้งพัดลมลมร้อนขนาด 35 กิโลวัตต์ไว้ภายในประตู ระบบผสมคอนกรีตถูกปิดสนิท และติดตั้งอุปกรณ์ทำความร้อนไว้ภายในอาคาร ก่อนการผสม ให้ล้างระบบผสมคอนกรีตด้วยน้ำร้อน คำนวณปริมาณหินกรวดและหินละเอียดในฤดูหนาวตามปริมาณงานดินที่ต้องเทคอนกรีตในฤดูหนาว และขนส่งไปยังอุโมงค์เพื่อจัดเก็บก่อนฤดูหนาว ทีมงานก่อสร้างยังให้ความร้อนแก่หินกรวดก่อนการผสม และใช้ผ้าฝ้ายบุรองรถผสมคอนกรีตทุกคันที่ขนส่งคอนกรีต เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิคงที่ระหว่างการขนส่งคอนกรีต หลังจากคอนกรีตเริ่มแข็งตัวแล้ว พื้นผิวคอนกรีตจะต้องคลุมด้วยผ้าห่มฉนวนกันความร้อน และหากจำเป็น ให้คลุมด้วยผ้าห่มไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความร้อน ด้วยวิธีนี้ ทีมงานก่อสร้างจึงสามารถลดผลกระทบของสภาพอากาศหนาวเย็นต่อการก่อสร้างโครงการได้

การรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัด
เมื่อโรงไฟฟ้าพลังน้ำสูบน้ำหรือผลิตกระแสไฟฟ้า ระดับน้ำในอ่างเก็บน้ำบนและล่างจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ในช่วงฤดูหนาวที่อากาศหนาวเย็น เมื่อโรงไฟฟ้าพลังน้ำสูบน้ำมีภารกิจการทำงานทุกวัน แผ่นน้ำแข็งลอยจะก่อตัวขึ้นตรงกลางอ่างเก็บน้ำ และจะมีวงแหวนน้ำแข็งบดก่อตัวขึ้นรอบนอก แผ่นน้ำแข็งนี้จะไม่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำสูบน้ำ แต่หากระบบไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้โรงไฟฟ้าพลังน้ำสูบน้ำเป็นเวลานาน อ่างเก็บน้ำบนและล่างอาจกลายเป็นน้ำแข็ง ในเวลานั้น แม้ว่าจะมีน้ำเพียงพอในอ่างเก็บน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำสูบน้ำ แต่เนื่องจากไม่สามารถเชื่อมต่อกับบรรยากาศได้ น้ำจึงไม่สามารถไหลเวียนได้ และการฝืนใช้งานจะนำมาซึ่งความเสี่ยงด้านความปลอดภัยต่อโครงสร้างการจ่ายน้ำ อุปกรณ์ และสิ่งอำนับความสะดวกต่างๆ
ทีมงานก่อสร้างได้ทำการศึกษาพิเศษเกี่ยวกับโหมดการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับในช่วงฤดูหนาว ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า การควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับในช่วงฤดูหนาว ในช่วงฤดูหนาวที่หนาวจัด อย่างน้อยหนึ่งหน่วยจะต้องผลิตกระแสไฟฟ้าหรือสูบน้ำเป็นเวลามากกว่า 8 ชั่วโมงทุกวัน ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เขื่อนเก็บน้ำกลายเป็นน้ำแข็งทั้งหมด เมื่อการควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าไม่เป็นไปตามเงื่อนไขข้างต้น จะต้องดำเนินการป้องกันและทำลายน้ำแข็ง
ในปัจจุบัน มาตรการป้องกันและทำลายน้ำแข็งหลักๆ สำหรับอ่างเก็บน้ำและประตูระบายน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับมีอยู่ 3 มาตรการ ได้แก่ การทำลายน้ำแข็งด้วยวิธีเทียม การอัดก๊าซแรงดันสูง และการทำลายน้ำแข็งด้วยการสูบน้ำโดยใช้ปั๊มน้ำ
วิธีการทำลายน้ำแข็งด้วยวิธีการประดิษฐ์นั้นมีต้นทุนต่ำ แต่ต้องใช้เวลาในการปฏิบัติงานของบุคลากรนาน ความเสี่ยงสูง และเกิดอุบัติเหตุทางความปลอดภัยได้ง่าย ส่วนวิธีการอัดอากาศแรงดันสูงนั้น ใช้แรงดันอากาศจากเครื่องอัดอากาศในน้ำลึกเพื่อพ่นน้ำอุ่นปริมาณมากออกมา ซึ่งสามารถละลายชั้นน้ำแข็งและป้องกันการก่อตัวของชั้นน้ำแข็งใหม่ได้ โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวใช้วิธีการสูบน้ำเพื่อชะล้างและทำลายน้ำแข็ง กล่าวคือ ใช้ปั๊มจุ่มสูบน้ำขึ้นมาจากน้ำลึก แล้วพ่นน้ำผ่านรูพ่นบนท่อพ่นน้ำอย่างต่อเนื่อง เพื่อป้องกันไม่ให้ผิวน้ำในบริเวณนั้นเกิดน้ำแข็งเกาะ
การที่น้ำแข็งลอยเข้าไปในทางเดินน้ำเป็นอีกหนึ่งความเสี่ยงของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับในช่วงฤดูหนาว ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับกังหันน้ำและอุปกรณ์กลอื่นๆ ในช่วงเริ่มต้นการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกว ได้มีการทดสอบแบบจำลอง และคำนวณความเร็ววิกฤตของน้ำแข็งลอยที่เข้าสู่ทางเดินน้ำได้เท่ากับ 1.05 เมตร/วินาที เพื่อลดความเร็วการไหล โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวจึงออกแบบส่วนทางเข้าและทางออกให้มีขนาดใหญ่เพียงพอ และติดตั้งจุดตรวจสอบความเร็วการไหลและอุณหภูมิไว้ที่ระดับความสูงต่างๆ ของทางเข้าและทางออก หลังจากตรวจสอบในช่วงฤดูหนาวแล้ว เจ้าหน้าที่ของโรงไฟฟ้าไม่พบน้ำแข็งลอยเข้าไปในทางเดินน้ำแต่อย่างใด

การเตรียมการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวเริ่มต้นในเดือนมกราคม พ.ศ. 2559 หน่วยแรกจะเริ่มเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าในวันที่ 20 ธันวาคม พ.ศ. 2564 และหน่วยสุดท้ายจะเริ่มเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าในวันที่ 29 มิถุนายน พ.ศ. 2565 ระยะเวลาก่อสร้างทั้งหมดของโครงการคือหกปีครึ่ง เมื่อเทียบกับโครงการโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับประเภทเดียวกันในประเทศจีน ระยะเวลาก่อสร้างของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวไม่ได้ล่าช้าแต่อย่างใด เนื่องจากตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวจัด หลังจากผ่านการทดสอบในฤดูหนาวที่หนาวจัดแล้ว โครงสร้างไฮดรอลิก อุปกรณ์ และสิ่งอำนวยความสะดวกทั้งหมดของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับหวงโกวก็ทำงานได้ตามปกติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การรั่วไหลสูงสุดด้านหลังเขื่อนหินถมหน้าคอนกรีตของอ่างเก็บน้ำด้านบนมีเพียง 4.23 ลิตร/วินาที ซึ่งดัชนีการรั่วไหลอยู่ในระดับชั้นนำในบรรดาเขื่อนหินถมขนาดเดียวกันในประเทศจีน หน่วยเดินเครื่องเริ่มทำงาน ตอบสนองอย่างรวดเร็ว และทำงานได้อย่างเสถียร หน่วยงานนี้รับผิดชอบภารกิจของระบบส่งไฟฟ้าภาคตะวันออกเฉียงเหนือ เพื่อรองรับปริมาณการใช้ไฟฟ้าสูงสุดในช่วงฤดูร้อน ฤดูหนาว และเทศกาลสำคัญต่างๆ และรับประกันการดำเนินงานที่ปลอดภัยและเสถียรของระบบส่งไฟฟ้าภาคตะวันออกเฉียงเหนือ