Мөс ба хүйтэн бүсийн технологи /Ice formation and Cold region technology/

"Cruachan Power Station" Бэнкруачан боомт, Шотланд

Мөс ба хүйтэн бүсийн технологи

Мөс бол 0 ба түүнээс доош хэмтэй үеийн усны нэг төрлийн фаз юм. Тогтонги цэвэр ус 0 градуст хөлддөг бол урсгал ус түүнээс доош градуст хөлддөг боловч энэ талаар нарийн тогтоосон судалгаа байдаггүй. Физик талаас авч үзвэл мөс үүсэх үзэгдэл нь шингэн фазаас хатуу фазад шилжих үзэгдэл учраас молекулын бүтцийн хэмжээнд яригдах түвэгтэй асуудал юм. Байгаль дээр мөс нь гол мөрөн болон нууранд үүсэх ба үүний сөрөг талыг боомт, ус авах барилга, гүүр гэх мэт усны аливаа барилга байгууламж, мөн усан тээврийн хэрэгслүүд амсаж байдаг. Мөс хөлдөхдөө эзлэхүүнээ 1.2 дахин орчим тэлдэг бол урсгал голын хувьд 2 дахин хүртэл тэлдэг байна. Энэ нь голын эргээр бий болсон суурьшлын бүсэд нилээдгүй гарз учруулдаг талаар олон улсын судалгаа байдаг. Иймд “Олон улсын гидравлик судалгааны нийгэмлэг”-ээс (IAHR) 2 жилд нэг удаа Олон улсын мөсний консерциум (IAHR ICE) ыг зохион байгуулдаг. Энэ консерциумд эрдэмтэн судлаачид мөсний талаар хийсэн өөрсдийн судалгаа, хүйтэн бүсийн дэвшилтэт технологийг дэлхий нийтэд таниулан сурталчилдаг байна. 2008 онд болсон 19 дахь удаагын консерциумд Норвегийн (Эрчим хүчний 99% - ийг уснаас гаргадаг, жилд 192ТВт.цаг эрчим хүч үйлдвэрлэдэг) усан цахилгаан станц ба мөсний нөхцлийн хоорондын хамаарлын талаар 100 жилийн туршилагад тулгуурласан сонирхолтой өгүүлэл хэвлэгдсэн байна. Норвегид УЦС-ын түүх 1800 (1870оноос) оны сүүлчээр эхэлсэн ба 20-р зууныг бүхэлд нь УЦС-ын хөгжлийн алтан үе гэж хэлж болно.
Норвегид шинэ эрчим хүч усны нөөцийг нэмэгдүүлэх боомт барих боломжит хөндлүүрийн тоо бага байгаа учир байгаа цахилгаан станцын үр ашгийг дээшлүүлэх, жижиг голуудын нөөцийг нэмэгдүүлэхэд ихээхэн анхаарч ажиллаж байгаа юм байна. Үүний нэг нь усан сан ба боомтын доод хашицын голдиролд бий болох мөсний үзэгдлийг судлах, эрчим хүч үйлдвэрлэлтэнд нөлөөлөх мөсний нөлөөллийг багасгах асуудлууд юм. Норвегид мөс 11 сараас эхлэн жижиг голуудад бий болох ба ямар хэмжээний мөс үүсэж бий болох нь голын морфологийн шинж чанараас хамаардаг байна. Жижиг голоос тэжээгдэлтэй усан сангуудын хувьд 12 сараас эхлэн усан сангийн орлого тэглдэг ба энэ байдалд тохируулан урсац тохируулгыг хийх нь жижиг голуудын хувьд чухал асуудал юм. Мөс ханзрах үе нь 5 сарын сүүлчээр эхэлдэг ба энэ нь сүүлийн 100 жилийн уур амьсгалын өөрчлөлттэй холбоотойгоор хэлбэлзэж байгааг тэмдэглэсэн байна. Уур амьсгалын өөрчлөлт нь зөвхөн дулаарал биш гэдгийг ойлгох хэрэгтэй. Хойт урд туйл, уртраг өргөрөгийн байдал, газрын гадаргын өөр байдлаас хамаарч зарим газар олон жилийн дундаж дулаарч байхад зарим газар хүйтэрч байх жишээтэй. Боомт бүхий УЦС станцуудын хувьд усан сангийн мөсний үзэгдэл аюул учруулах нь бага боловч голдиролын УЦС – уудын хувьд ус авах барилгад нилээн асуудал үүсгэдэг. Тиймдээ ч хүйтэн бүсийн орнуудад голдиролын станц нь өвлийн нөхцөлд тохиромж муутай юм. Харин боомттой УЦС-ын хувьд доод хашиц талд үүсэх мөсний үзэгдэл цахилгаан станцад мөн доод хашицад орших барилга байгууламж суурьшлын бүсэд аюул учруулдаг байна. Норвегийн Эинунна, Оркла, Варду, Гломма зэрэг голуудад мөсөн хахаа, өвлийн үер гэх мэт үзэгдэл, түүний давтамж, мөсөн бүрхүүлийн урт зэрэг нь цаг уурын өөрчлөлт, гэнэтийн их цас, хүйтрэлтийн улмаар үүсдэг, өөрчлөгдсөн тухай энэ өгүүлэлд бичжээ.

Голд мөс үүсэх процесс нь тайлбарлахад энгийн боловч физикийн хувьд төвөгтэй, гидравликийн хувьд онцлогтой үзэгдэл юм. Температур болон орчны ялангуяа салхины нөлөөллөөр голын дунд хэсэгт мөсны элементар кристалл бий болох ба үүний эзлэхүүн томорч задрахааргүй бат бөх болсоныг фразил (Frazil) мөс гэж нэрлэнэ. Фразил мөс нь мөсөн бүрхүүл үүсгэх гол нэгж нь юм. Үүнээс гадна голын эрэг орчимд температурын хүчтэй нөлөөллөөс эргийн мөс (Shore/border ice) үүсэж эхэлдэг.

Figure 1. Голын эргийн мөс

Уснаас илүү дулаан дамжуулах чадвартай голын голдиролд байгаа чулууны гадаргад хөлдөлт бий болж улмаар тэлж мөсөн бүрхүүл бий болохыг анкер /anchor ice/ мөс гэж нэрлэнэ. Энэ нь гүехэн голуудад хөвж байгаа болон умбаж байгаа фразил мөсийг тогтоох, өөрийн эзлэхүүнээ хөдөлгөөнгүйгээр тэлдэг гэх мэт шалтгаанаар анкер гэж нэрлэгдсэн байна. Голын эргийн мөс дотогшоо болон гадагш тэлэх ба улмаар нэгдэж нийлсэн фразил мөснүүд цөн бий болгож эргийн мөсөнд тулж хуримтлагдан улмаар мөсөн бүрхүүл бий болдог.

Figure 2. Мөсөн бүрхүүл үүсэх процесс

Голдиролын байдлаас хамаарч хэвгий өөчлөгдөх хэсэгт мөсөн боомт бий болдог. Мөсөн бүрхүүл нь бий болсон цагаасаа эхлэн доошоо зузаанаа тэлж байдаг ба умбаж байгаа фразил мөснүүд мөсөн бүрхүүлийн ёроолд хуримтлагдан бэхжсэнээр мөсөн боомтыг бий болгодог.

Figure 3. Мөсөн боомт үүсэх процесс

Үүнээс гадна голын урсгалын хурд бага байгаагаас хамаарч мөсөн бүрхүүл эрчимтэй үүсдэг бол голын хурд их бол мөсөн хахаа эрчимтэй үүсдэг байна.

Figure 4. Нилсон голын мөсний байдал / KEEYASK GENERATION PROJECT STAGE IV STUDIES - PHYSICAL ENVIRONMENT EXISTING ENVIRONMENT ICE PROCESSES төслөөс авав./

Дээрхи үзэгдлүүдээс мөсөн хахаа болон мөсөн боомтын үзэгдлүүд нь тодорхойлох судлахад түвэгтэй асуудлууд бөгөөд голын мөсний сөрөг үр дагаварыг үүсгэж байдаг элементүүд нь юм. Голын мөсний үзэгдэл тэр дундаа мөсөн бүрхүүлийн тэлэлт, фразил мөсний тээвэрлэлт зэргийг загварчилсан олон судалгааны ажил байдаг боловч тэдгээрийн дутагдалтай тал нь мөс үүсэх процессыг загварчилж чадаагүйд оршдог юм. Судалгааны материал элбэгтэй голуудын хувьд мөс үүсэх процессын судалгаа нь ач холбогдол багатай боловч манай голууд шиг мэдээлэл хомс нөхцөлд ойролцоолсон загварчлал чухал үүрэгтэй юм.

Голын хөндлөн огтлол дахь усны биеийн дулааны балансыг тодорхойлох нь мөс үүсэх процессыг ойлгох үндсэн алхам нь юм. Хөндлөн огтлол дахь усны энергийн гол бүрдүүлэгчүүд нь:

-          Qai – орж ирж буй дулаан

-          Qao – гарч буй дулаан

-          Qsur – усны гадаргаас гадагшилж буй дулаан

-          Qas – хур тунадасаар ирж буй дулаан

-          Qst – дулааны нөөцийн өөрчлөлтөөс бий болох энерги

-          Qgw – газрын доорхи усны дулаан

-          Qg – голын ёроолын голдиролын дулаан

-          Qf – үрэлтээс бий болох дулаан

-          Qi – мөс үүссэнээс ялгарах дулаан гэх мэт байна.

Qstor = (Qai+Qg+Qgw+Qf+Qas+Qi)-(Qsur+Qao) Дулааны балансын тэгшитгэл.

Дулааны балансын тэгшитгэлд байх зарим бүрдүүлэгчийг тодорхойлоход түвэгтэй байдаг. Иймд энэ тэгшитгэлийг одоо хэр нь гүйцэт боловсруулж чадаагүйч 19-р зуунд Степан шингэн хатуу биед шилжих \хөлдөх\, хатуу бие шингэнд шилжих \хайлах\ үзэгдлийн математик загварчлалыг бичсэн нь өнөө үед физикчдийн дунд Степаны проблем гэж алдаршжээ. Чухамдаа яагаад проблем гэж нэртэй байна вэ гэвэл тэгшитгэлийн шийдлийг үнэн зөв тодорхойлоход бэрх, өөрөөр хэлбэл тэгшитгэл маань ерөнхий хэлбэртэйгээр өгөгдсөн гэсэн үг юм.

Голын мөсний динамик загварчлалыг олон эрдэмтэд судалж тоон загварчлалыг бий болгосон ба тэдгээрийн заримаас нь дурьдвал DynarIce, Syke болон CRISSP2D гэх мэтээс гадна төгсгөлөг элемент, төгсгөлөг ялгаварын аргаар судалж, үр дүнг нь хэмжилтийн мэдээлэлтай харьцуулан зохих зүгшрүүлэлтийг хийн практикт хэрэглэж байна. Гэвч эдгээр загварчлалын анхны нөхцлүүд нь нэгэнт үүссэн фразил мөс байх ба түүний концентраци нь гидрологийн хэмжилтийн мэдээнээс өгөгддөг юм.

Figure 5. DynarIce загварчлал дахь голын голдиролын өндөржилт ба 2 хэмжээст төгсгөлөг элементийн тор

Figure 6. Загварчлалын үр дүнгүүд

Энэхүү Слайр голын мөсны загварчлал нь 1984 болон 2009 онд болсон мөсөн хахааны үзэгдлийг тоон загварчлалын аргаар судлах, мөсөн хахааны улмаас дээд хашицад бий болох усны түвшний түрэгдэлтийг тодорхойлох, мөсны үзэгдлээс үүсэх голдиролын өөрчлөлтийг судлахад чиглэгдсэн ба загварчлалын үр дүн мөсний зузааны хувьд хамгийн их зөрөө нь 0.6м байсан нь тооцоолон бодох аргачлалын нарийвчлал сайн байгааг илтгэсэн байна. Иймд хүйтэн бүсэд мөсөн хахаанаас хамгаалах олон төрлийн барилга байгууламж судлагдаж байгаа ба мөн мөсний зузааныг хэмжих “Радар” төхөөрөмж, мөсний ачаалал буюу барилга байгууламжид үйлчлэх үйчлэлийг судлах, хамгаалах, мөсний тооцон бодох загвчарлал гэх мэт хүйтэн бүсээр овоглосон технологиуд хөгжсөөр байна.

Figure 7. Оросын технологи - эрчим хүчний хэрэглээгүй Гидро нэмэгдэлтэй Хамгаалах хаалт (Hydroplus Fusegate)

Манай орны хувьд Эрдэнэ бүрэнгийн УЦС – ын ус авах барилгын сараалжинд мөс дажин хөлдөж бөглөхөөс хамгаалан хуванцар савхи хийсэн нь ус авах хэсэгт мөс үүсэж бөглөхөөс сэргийлж чадсан талаар Монгол Менежмент компаний захирал Ц.Батбаяр ярьж байсан. Хүйтэн бүсийн технологи нь яах аргагүй манай орон зайлшгүй шаардлагатай зүйлийн нэг бөгөөд голын мөсний үзэгдэл нь мөн л судлахаас өөр аргагүй сэдэв юм. Одоо идэвхитэй ажиллаж буй Тайширын УЦС – д зарим нэг мөсний үзэгдэл нөлөөлөл үүсэж байгаа талаар Усны инженер н.Мягмарсүрэн ярьж байна. Усан санд мөс үүсэж хавар хайлахын үед дээд налууд байгаа мембраныг цоолох, урах гэх мэт мөснй сөрөг нөлөөлөл бий болж байгаа нь боомтын дотоод шүүрэлтийг ихэсгэх магадлалтай байгааг хэлж байв. Хэдий Тайширын УЦС нь үндсэн горимт ажилладаг боловч (өвлийн улиралд тогтмол жижиг турбин ажиллах) доод хашицад үүсэх мөсөн тошин, мөсөн бүрхүүлийн тэлэлт нь холгүй орших бетон гүүрний эдэлгээний хуцаанд сөрөг нөлөө үзүүлж байгааг ярьсан юм. 2012 онд гүүрний дам нурууны доод тулгуурт 0.5м – т мөсны түвшин ирж байсан бол 2013 онд дам нуруунаас доош 0.8м – т мөс ирж өмнөх жилээс даруй 0.6м – ээр ихэсэж мөс тогтсон байна.

Figure 8. Зүүн тал - 2012, Баруун тал - 2013 он

Үндсэн горимд буюу турбинаар гарах усны хэмжээ улирлын туршид тогтмол байхад доод хашицад бий болох мөсөн бүрхүүлийн тархалт өөр өөр байх нь тухайн жилийн цаг уураас шууд хамааралтай болж байна. Хэрэв мөсөн бүрхүүлийн зузаан ба бөх, түүний тэлэлт нь турбины зайлуулах хоолойруу хэт дөхөж ирвэл эрчим хүч үйлдвэрлэлтэнд сөрөг нөлөө үзүүлдэг тухай зарим судалгаанд дурьдагдсан байдаг. Иймд оргил ачаалалд ажиллах цахилгаан станцын доод хашиц талд бий болох мөсний судалгаа түүний загварчлал нэн чухал асуудал гэдгийг багш Н.Насанбаяр дурьдаж байлаа. Үндсэн горимд станц ажиллах үед нэмэх градустай ус турбинаар гарч ирэн улмаар урсаж (Q зарцуулга) байхдаа энергээ алдан мөс болно. Энэ горимд мөсөн бүрхүүл тогтсоны (мөсөн бүрхүүлийн доогуур Q зарцуулга v хурдтай өнгөрөх A хөндлөн огтлолын талбайтай байна) дараа оргил ачаалалд станц ажиллахад их хэмжээний ус (Q_o) доод хашицад орж ирэн анх тогтсон байсан мөсөн бүрхүүл дээгүүр илүүдэл (Qi=Qo-Q хэмжээний ус Qo – ийг өнгрөөх багтаамж байхгүй) болон хальж маш бага хугацаанд хөлдөж мөсөн овгорыг бий болгоно. Ингээд оргил ачаалал дууссаны дараа үндсэн горимд шилжихэд урсгал ба хурдны бууралтаас болж нэмэгдсэн мөсөн бүрхүүл хүрээгээ хялбархан тэлж эхэлнэ. Ийм процессын улмаар мөсөн бүрхүүл доод хашицад тулж ирэхэд станцын бүтээмжид тодорхой хэмжээгээр нөлөөлж ирдэг байна. Үндсэн болон оргил ачаалалд ажиллах ямар ч станцын хувьд өвлийн улиралд байгалийн урсацаас их урсацыг доод хашицад өгдөг учир мөсний үзэгдэл, түүний тархалт нь ердийн үеэс ямагт их байна. Өмнөх гидрологийн судалгааны үеийн мөсний үзэгдлийн хэмжилт нь үндсэн мэдээллийг өгөх боловч УЦС барьсаны дараах мөсний үзэглийн мөн чанарыг хэлэх боломжгүй юм.