Metod- och energioptimering av isfrihållning på utskovsluckor vid kraftstationer

EXAMENSARBETE 2006:280 CIV Metod- och energioptimering av isfrihållning på utskovsluckor vid kraftstationer AUGUST SANDQVIST FREDRIK ÖHRVALL CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Arena jordens resurser Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Strömningslära 2006:280 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 06/280 - - SE

Sammanfattning Sammanfattning Syftet med detta examensarbete är att ge en rekommendation för hur isfrihållningen på Vattenfall AB Vattenkrafts utskovsluckor kan optimeras samt öka kunskapen inom området. Mycket energi går åt till isfrihållningen av utskovsluckor varje år och medför stora kostnader. Genom detta examensarbete har olika förslag tagits fram på hur isfrihållningen skulle kunna förbättras metodmässigt och energioptimeras. Rapporten behandlar även de olika isfrihållningsmetoderna som finns samt isens påverkan på en utskovslucka. Vatten skall av säkerhetsskäl alltid kunna avbördas från ett magasin vilket ställer stora krav på utskovsluckornas manövrerbarhet, även vintertid. Manövrerbarheten på en lucka kan hämmas av olika typer av istryck. Dessa kan uppstå vid termisk expansion av istäcket uppströms utskovsluckan eller vid ändringar av vattennivån i magasinet. Enligt RIDAS, kraftbolagens riktlinjer för dammsäkerhet, ges en norm för istrycket på 200 kn/m, men det har visat sig att vid extrema situationer kan detta uppgå till det dubbla. De flesta utskovsluckor är inte dimensionerade för att klara istryck, därför måste vakhållning finnas på utskovsluckorna. Till isfrihållning ingår hela det system som gör att en utskovslucka går att manövrera vintertid. I detta arbete har isfrihållningssystemet delats upp i fyra olika delsystem. - Vakhållning vid utskovslucka. Syftet med denna vak är att hindra isen att ge ett tryck mot luckan. Med hjälp av en matematisk modell utifrån luckans geometri och andra parametrar, kan storleken på denna vak beräknas. Den vanligaste metoden är cirkulering av vatten med hjälp av strömbildare, pumpar eller luftblåsning. - Bordläggningsvärme. Den används för att isen inte skall kunna frysa fast på luckan. Spalten som bildas mellan lucka och istäcke blir ett par millimeter bred. - Värme runt luckan. Detta används för att inte luckan skall kunna frysa fast runt om. Den inkluderar, fals- och tröskelvärme, värme i sidotätning samt sidoplåtar värms i de flesta fall med motståndsvärme med transformatorer, eller med vätskeburen värme. - Luckvärme. Värmen är i de flesta luckor hög samtidigt som isoleringen i vissa fall är dålig. Oftast är nedströmssidan mot luften isolerad men inte uppströmssidan mot vattnet, vilket ger stora värmeförluster. En fördjupningsuppgift i examensarbetet var att rekommendera en metod- och energioptimering för isfrihållning till utskovsluckorna vid Rusfors kraftstation i Umeälven. Vid byte av vakhållningsmetod, isolering av hela luckan samt minskning av värmen inne i luckan kan isfrihållningen förbättras och samtidigt ge stora energibesparingar. Flödet i älven vintertid är ofta stabilt och extrema variationer förekommer mycket sällan. En utskovslucka i Rusfors klarar utan problem att avbörda medelvattenföringen i älven med en viss marginal. Därför har ett förslag givits att prioritera en lucka för spill och optimera isfrihållningen med avseende på hur ofta den kommer att användas på den andra. Alla utskovsluckor på ett utskov har i dag samma grad av isfrihållning, trots att vissa troligtvis aldrig kommer att användas vintertid. Om en eller två luckor prioriteras för avbördning vintertid kan stora energibesparingar göras på övriga luckor. En upptäckt som gjorts vid fältmätningar visade att temperaturen i vattnet lokalt vid utskovsluckorna är 0 o C över hela djupet. Den skiljer sig endast marginellt mellan olika kraftstationer i Lule älv. Vakhållningen fungerar tack vare vattnets hastighet och turbulens vid ytan, inte på grund av att bottenvattnet eller luften som cirkuleras är varm.

Abstract Abstract The purpose of this master thesis is to recommend how the ice-free holding systems at the spillway gates of Vattenfall AB Vattenkraft can be optimized and to increase the knowledge in the area. Ice-free holding demands much energy and carry large costs for Vattenfall. In this thesis some suggestions to optimize the methods and the energy demand are given. It also consists descriptions of every ice-free holding method and the influence at the spillway gates. The gates are supposed to let access water pass the dam without endangering the safety of it. Because of that the manoeuvrability of the spillwaygates must be high even in the winter. If some kind of ice pressure affects the gate this manoeuvrability can be reduced. Thermal expansion and changes in the water level of the reservoir are examples leading to ice pressures on the gates. According to RIDAS, the dam owner s own guidelines for dam safety, the ice pressure is 200 kn/m, but according to some measurements it can be the double. In Sweden most of the gates are not designed to withstand the load due to ice pressure. Therefore, it is important to have ice-free holding systems. Ice-free holding is the whole system that keeps the ice of the gates and makes them manoeuvrable. In this thesis it is divided into four groups: - Open water area. The purpose is to keep the gate free from ice and prevent ice pressure. The most common method is circulation of water with pumps, air bubbles or propellers. IR-radiators are also used. - Heating the steel plate against the ice-sheet prevents the ice from freezing onto it. The distance between the ice-sheet and the gate is only a few millimeters. - In order to keep the gate warm towards the concrete, a low-voltage heating system is used. Another way is to circulate a warm medium in pipes, in the concrete around the gate. - Heat inside the gate. The temperature inside most gates is high and in some cases the insulation on the downstream side is bad. Often there is no insulation at the upstream side of the gate, against the cold water. This gives big heat losses. An assignment in this thesis was to make a recommendation and optimize the ice-free holding system at Rusfors power station in Ume älv. Insulation on both sides inside the gates, change of method for keeping the open water at the gates and for the heat inside the gates was recommended. This can make big energysavings. The flowrate in the winters are very stable and extremly high flows are very unusual. One spillway gate i Rusfors can discharge the medium flow rate in the river with some margin. Therefore it is recommended to prioritize one gate for the discharge and the ice-free holding system on the other gate can be optmized with respect to how often it will be used. Generally all the spillwaygates have the same amount of ice-free holding system, even if they probably never are going to be used in the winter. If one or two gates are prioritized for the discharge in the winters much energy for ice-free holding can be saved on the other gates. In the thesis some measurements of the water temperature at different gates in Lule älv were done. It showed that the temperature was around 0 o C and that there was almost no differences between surface and river bed temperatures. It also showed that there was no difference in water temperature between different power stations in Lule älv. The open water area upstreams the gate is therefore created by the movement of the water, not by differences in water temperature.

Förord Förord Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Rune Eliasson, Vattenfall AB Vattenkraft. Det omfattar 20 poäng och har utförts som avslutning på utbildningen till civilingenjör inom vattenkraftsteknik (Hydro Power University) på Arena jordens resurser, med inriktningen Uthålliga energisystem, vid Luleå tekniska universitet. Idén till examensarbetet uppkom hösten 2005, efter att Rune Eliasson konstaterat att: - Mycket energi går åt till att hålla borta isen, hålla utskovsluckorna varma och metoderna vi använder är inte alltid de bästa. Detta problem skulle vara perfekt för några studenter att titta närmare på. Dessa ord ledde vidare till detta examensarbete, som har haft många inblandade och berörda. Vi skulle vilja passa på att tacka alla inblandade personer på Vattenfall AB Vattenkraft, Vattenfall Service Nord, Skellefteå Energiunderhåll, Luleå tekniska universitet, Vattenfall Power Consultant, Vattenfall Utveckling AB, med flera, för god hjälp och ett hjärtligt bemötande. Speciellt vill vi tacka: Rune Eliasson på Vattenfall AB Vattenkraft, för att han orkat svarat på våra frågor om och om igen. Vår handledare Robert Bengtsson, Vattenfall Power Consultant, för att han varit en bra diskussionspartner och hjälpt till att genomföra detta arbete. Peter Viklander på Vattenfall AB Vattenkraft, som hjälpt till med det administrativa från Vattenfalls sida och granskat rapporten. Slutligen vill vi tacka vår examinator Michel Cervantes vid Luleå tekniska universitet, för hjälp med de teoretiska delarna. Luleå, augusti 2006 August Sandqvist Fredrik Öhrvall

Innehållsförteckning Innehållsförteckning 1 Inledning... 1 1.1 Syfte och mål... 1 1.2 Metod och avgränsningar... 1 1.3 Bakgrund... 1 1.3.1 Vattenkraft Sverige... 1 1.3.2 Vattnets kretslopp... 2 1.3.3 Avrinning och älvar... 3 1.3.4 Energiproduktion... 3 1.3.5 Effekt... 4 1.3.6 Utskov och olika typer av luckor... 4 2 Teori om is och islaster... 8 2.1 Allmänt om is... 8 2.2 Isläggning och istillväxt... 8 2.3 Isens egenskaper... 9 2.4 Isbildning vid ledning av kyla genom konstruktioner... 9 2.5 Islaster... 10 2.5.1 Allmänt om islast... 10 2.5.2 Islast mot utskovslucka och betongkonstruktion... 11 2.6 Diskussion om is och islaster... 14 3 Isfrihållningsmetoder... 16 3.1 Riktlinjer för isfrihållning... 16 3.2 Allmänt om isfrihållning... 17 3.3 Vakhållning av utskovsluckan... 17 3.3.1 Cirkulation av vatten... 17 3.3.2 IR-värmare... 31 3.3.3 Övriga vakhållningsmetoder... 33 3.4 Bordläggningsvärme... 33 3.4.1 Värmekabel... 34 3.4.2 Värmeelement... 35 3.4.3 Strålvärmare... 36 3.5 Värme runt luckan... 36 3.5.1 Fals och tröskelvärme... 37 3.5.2 Värme av botten- och topptätning... 38 3.5.3 Värme i sidotätning... 38 3.5.4 Värme i sidoplåtar... 38 3.6 Luckvärme... 39 3.6.1 Allmänt om luckvärme... 39 3.6.2 Värmesystem... 39 3.6.3 Avfuktare... 39 3.6.4 Isolering av utskovslucka... 40 4 Vattnets temperatur... 41 4.1 Temperaturmätningar... 41 4.2 Diskussion av temperaturmätningarna... 42 5 Beräkningsexempel, isolering av utskovslucka... 43 5.1 Värmeförlusten genom en oisolerad plåt mot vattnet... 44 5.2 Värmeförlusten genom isolering och plåt mot vatten... 45 5.3 Värmeförlusten genom isolering och plåt mot luft... 46 5.4 Diskussion om värmeförluster i utskovslucka... 47 i

Innehållsförteckning 6 Istäckets påverkan på utskovsluckor vid förändring av vattenyta... 49 6.1 Ytförändring uppströms utskovsluckan vid avbördning... 49 6.2 Beräkning av erforderlig vak vid nivåändring i magasinet... 60 6.3 Diskussion, istäckets påverkan på en utskovslucka vid förändring av vattenytan... 61 7 Energiförbrukning för isfrihållning... 63 7.1 Praktikfall Vittjärvs och Stornorrfors kraftstation... 63 7.2 Vittjärv... 63 7.3 Stornorrfors... 64 7.4 Diskussion om energiförbrukning... 64 8 Optimering av avbördningskapacitet vintertid med avseende på isfrihållning... 65 8.1 Avbördning sommartid... 65 8.2 Avbördning vintertid... 65 8.3 Optimering av avbördningskapacitet vintertid... 65 8.4 Exempel Vittjärv... 66 8.5 Diskussion om optimering av avbördningskapacitet... 68 9 Fördjupning Rusfors... 69 9.1 Allmän beskrivning av Rusfors kraftstation... 69 9.2 Befintlig isfrihållningsutrustning... 70 9.3 Åtgärdsförslag... 71 9.4 Optimering av avbördningskapacitet i Rusfors med avseende på isfrihållningen vintertid... 75 10 Diskussion... 77 11 Slutsatser... 82 12 Fortsatt arbete... 85 13 Referenser... 86 Bilaga 1: Sammanställning av vakhållningsmetoder... 88 Bilaga 2: Medelvattenföring Laxede... 89 Bilaga 3: Varaktighetsdiagram Laxede... 90 Bilaga 4: Medelvattenföring Grundfors... 91 Bilaga 5: Varaktighetsdiagram Grundfors... 92 ii

Inledning 1 Inledning 1.1 Syfte och mål Syftet med detta examensarbete är att arbeta fram en rekommendation för hur isfrihållningsmetoder på Vattenfall AB Vattenkrafts vattenkraftsstationer kan förbättras, samt att öka kunskapen inom området. Arbetet innehåller både förslag på metod- och energioptimering för att hålla utskovsluckorna isfria och för varmhållning av utskovsluckorna. De teoretiska delarna i detta arbete behandlar hur islaster och istryck kan påverka en utskovslucka, hur luckorna kan isoleras för att minska värmeförluster från luckan och hur en islast kan påverka en utskovslucka då vattennivån i magasinet ändras. Målet med arbetet är att hitta isfrihållningsmetoder som är ekonomiskt fördelaktiga för Vattenfall, optimera funktionen av isfrihållningen samt att öka säkerheten vid vattenkraftsstationerna. 1.2 Metod och avgränsningar Efter råd av vår handledare Robert Bengtsson, Vattenfall Power Consultant påbörjades en litteraturstudie inom området isfrihållning och is. En projektplan upprättades tillsammans med Rune Eliasson, Vattenfall AB Vattenkraft som är beställare av examensarbetet. Där bestämdes att en inventering av isfrihållningssystemen för varje enskild utskovslucka och den allmänna isfrihållningssituationen av Vattenfalls kraftstationer i Skellefteälv, Luleälv och Umeälv skulle göras. Vid dessa stationsbesök dokumenterades installerad effekt för isfrihållningen. Underhållspersonal samt personer insatta i ämnet isfrihållning har intervjuats för att få en bättre förståelse för isfrihållningen vid utskovsluckorna samt vilka problem som finns med olika isfrihållningsmetoder. Ordet isfrihållning är en sammanfattning av hela det system som finns för att hålla borta isen från utskovsluckorna. Vi har i detta examensarbete valt att dela upp isfrihållningen i fyra olika områden: - Vakhållning, vid utskovsluckan - Bordläggningsvärme - Värme runt luckan - Värme i luckan Detta examensarbete behandlar de metoder för isfrihållning som påträffats under de stationsbesök som gjorts. Dessa är de vanligaste metoderna för isfrihållning som används på stora utskovsluckor i norra Sverige. Det kan även finnas andra och mer ovanliga metoder som används på mindre utskovsluckor, men de behandlas inte i detta arbete. Isens påverkan i sidled på betongkonstruktionen runt utskovsluckan behandlas inte. Allt material har sammanställts och mynnat ut i denna skriftliga rapport. 1.3 Bakgrund 1.3.1 Vattenkraft Sverige År 1882 togs vattenkraftverket i Rydal i drift. Det var Sveriges första och den är fortfarande i drift efter ett flertal ombyggnader. De flesta större vattenkraftstationerna i Sverige byggdes i mitten av 1900 talet, Vattenfall [1]. Vattenkraften i Sverige har spelat en viktig roll för den svenska välfärdens utveckling, Svensk energi [2]. I dag är alla älvar utom fyra utbyggda med vattenkraft. De outbyggda älvarna som är skyddade av lag är Torne älv, Kalix älv, Pite älv och Vindelälven. 1

Inledning Det finns ungefär 1800 vattenkraftverk av varierande storlek i Sverige i dag. Av dessa är ungefär 200 vattenkraftverk så kallade storskaliga vattenkraftverk med en effekt på mer än 10 MW. Den resterande delen av vattenkraftverken med mindre effekt kallas småskalig vattenkraft. Dessa producerar tillsammans nästan hälften (46 %) av elproduktionen som används årligen i Sverige. Ett normalår kan vattenkraftsproduktionen variera mellan 50 TWh och 75 TWh. Ungefär 80 procent av vattenkraften produceras i Norrland och resterande del produceras i Götaland och Svealand, Svensk energi [3]. Sveriges årsförbrukning av el under 2005 var 147,3 TWh. Då producerade vattenkraften 72 TWh. Detta kan jämföras med kärnkraften som producerade cirka 70 TWh och vindkraftens produktion på 0,82 TWh, Svensk energi [4]. Världens elproduktion består till 18 % av vattenkraft och många olika projekt genomförs eller har just avslutats på olika håll. Exempel på stora vattenkraftsprojekt är Three Gorges i Kina, IFS world [5] och Karanhjukár på Island, Karahnjukar [6]. 1.3.2 Vattnets kretslopp Vattenkraften är en förnyelsebar energikälla driven av solens energi. Solstrålarna värmer marken och ytvattnet i sjöar och haven. Vattenånga avdunstar och förs med vindarna in över land där den tvingas uppåt över till exempel bergskedjor. Den fuktiga luften stiger och kyls ner av den omgivande kallare luften högre upp. Där kondenserar vattenångan till moln som sedan avger nederbörd i form av regn eller snö. Denna process kallas vattnets kretslopp och visas i Figur 1. Detta kretslopp gör att vatten rinner ner i älvar som sedan vattenkraftverken kan utvinna energi från, Vattenportalen [7]. Figur 1: Vattnets kretslopp, Vattenportalen [7]. 2

Inledning 1.3.3 Avrinning och älvar Avrinningsområdet definieras som den yta som lutar mot ett vattendrag och samlar nederbörden till en viss bäck, älv eller hav. Det avgränsas av vattendelare som tvingar vattnet åt olika håll, det kan t.ex. vara en ås eller en bergsrygg, se Figur 2. Figur 2: Visar ett avrinningsområde med vattendelare och nivåkurvor, Nationalencyklopedin [8]. Nederbörden samlas till en början i små bäckar eller lagras i snömagasin i väntan på våren. Bäckarna rinner ihop och bildar större älvar som på sin väg till havet används för att utvinna energi. Beroende på avrinningsområdets storlek och topografin samlas olika mycket vatten till de olika älvarna. Till exempel är Luleälvens avrinningsområde 25 245 km 2 och medelvattenföringen är cirka 515 m 3 /s, Nationalencyklopedin [8]. 1.3.4 Energiproduktion Vattenkraftverket utnyttjar vattnets fallhöjd för att utvinna energi. Vattnet strömmar från magasinet genom tunnlar ner till turbinen. Där omsätts rörelseenergin till mekanisk energi då turbinens löphjul börjar snurra. Löphjulet roterar turbinaxeln på vilken det sitter en generator som alstrar elektricitet. Transformatorn ökar spänningen och anpassar den till ledningsnätet så att den kan transporteras ut i landet. För att minska förlusterna under långa transporter ökas spänningen i vissa fall till 400 kv. Vattenkraften fungerar bra som reglerkraft, för att hålla frekvensen på 50 Hz, eftersom det snabbt går att justera produktionen i olika stationer efter den aktuella efterfrågan, Vattenfall [9]. Figur 3 visar hur produktionen av elektricitet i ett vattenkraftverk fungerar. 3

Inledning Figur 3: Visar vattenkraftverkets olika delar, 1. Vattenmagasin; 2. Turbin; 3. Generator; 4. Transformator, Vattenfall [10]. 1.3.5 Effekt Nettoeffekten för en turbin kan beräknas med ekvation (1). P=ρ g Q h η (1) ρ = Vattnets densitet [kg/m 3 ] g = Gravitationskonstanten [m/s 2 ] Q= Vattenflödet [m 3 /s] h = Fallhöjden [m] η = Turbinens verkningsgrad Verkningsgraden anger hur mycket av energin som överförs från vattnet till generatorn. Under optimala förhållanden i förhållande till varvtal och flöde kan en turbin ha en verkningsgrad på mellan 92 och 95 %. Turbinens effekt är beroende av hela systemet som leder vattnet mellan de olika nivåerna och fallhöjden h och beräknas som höjdskillnaden mellan nivåerna minus de hydrauliska förlusterna i vattenvägarna, Krivchenko [11]. 1.3.6 Utskov och olika typer av luckor Vatten däms upp med hjälp av dammar till magasin, vilket gör att energin kan utvinnas vid behov. Dammarna ger en högre övre vattenyta och därmed en högre fallhöjd som kan utnyttjas vid elproduktion i vattenkraftstationerna. Produktionen kan anpassas till variationer mellan årstider såväl som variationer under dygnet, Vattenfall [12]. På många dammar finns avbördningsanordningar eller utskovsluckor som de vanligtvis kallas, för att kunna reglera vattennivån i magasinet. Utskovsluckorna är byggda för att på ett säkert sätt kunna släppa överflödigt vatten förbi kraftstationen och dess funktion är mycket viktig sett ur dammsäkerhets synpunkt. Utskoven används för att undvika att nivån i dammen överstiger övre dämningsgränsen som är fastställd av vattendom och för att säkerställa dammens säkerhet. En damm har en eller flera utskovsluckor beroende på storlek på luckan och den 4

Inledning avbördningskapacitet som behövs. Placeringen av utskoven kan variera mellan olika dammar. Det finns både ytutskov där vattnets nivå ligger upp mot utskovsluckan och bottenutskov som ligger helt under vattenytan. En damm med utskov och en kraftstation behöver inte ligga bredvid varandra utan de kan vara placerade med flera kilometers avstånd ifrån varandra. Det finns ett antal olika lucktyper som kan öppnas på olika sätt, de vanligaste i Sverige är: - Segmentlucka - Sektorlucka - Planlucka - Spettlucka - Valslucka - Cylinderlucka Den vanligaste lucktypen vid större utskov är en radiell segmentlucka. Denna höjs uppåt vid avbördning och vattnet strömmar under luckan och ner i utskovskanalen. Denna passar som både yt- och bottenutskov. Den så kallade vaggtypen av segmentlucka är mindre vanlig och passar bäst som ytutskov i och med att den sänks ner och vattnet strömmar över den vid avbördning. Segmentluckorna visas i Figur 4. Figur 4:Två olika typer av segmentluckor. Till vänster visas en radiell lucka som höjs upp vid avbördning av vatten. Till höger visas en vagglucka som sänks ner vid avbördning av vatten, Elforsk [13]. Sektorluckan som visas i Figur 5 är en överströmningslucka som sänks ner i en grop när avbördning är nödvändigt. Den passar bäst som ytutskov. 5

Inledning Figur 5: En sektorlucka som nedsänks i en grop vid avbördning, Elforsk [13]. Planlucka som visas i Figur 6 används oftast vid mindre utskov. Den har en robust, plan stålkonstruktion och har oftast hjul eller glidlister i falsar på sidorna för att underlätta manövrering. Figur 6: Planlucka i frontprofil till vänster och planlucka i sidoprofil till höger, Elforsk [13]. Det finns även andra mer ovanliga luckor som används. Spettluckan är en typ planlucka som är uppdelad i olika vertikala sektioner, så kallade spett. Denna förekommer på mindre 6

Inledning dammar. Ursprungligen manövrerades de med spett, men nu finns hydrauliska domkrafter och motordrivna hasplar som sköter detta. Varje del är ofta inte bredare än en meter och därför är det vanligt med flera spettluckor bredvid varandra i ett utskov. De är ofta gjorda av trä och de är känsliga för drivgods och is. Valsluckan är en annan ovanlig lucktyp som är lämplig för breda öppningar. Denna lucktyp är driftsäker vintertid. Cylinderluckan är en typ av bottenutskov och ser ut som en stor plugg som dras ur vid avbördning av vatten. De flesta segmentluckor, sektorluckor och planluckor är inte dimensionerade för att klara olika typer av islast. Islast kan uppkomma av många olika faktorer och kan vara av varierande storlek på grund av olika yttre förutsättningar. Islast mot utskovsluckan kan skada eller hindra manövreringen och därigenom utsätta dammen för säkerhetsrisk. Därför kräver nästan alla lucktyper isfrihållning för att förhindra denna risk, Elforsk [13]. De olika metoderna för isfrihållning behandlas i kapitel 3. 7

Teori om is och islaster 2 Teori om is och islaster 2.1 Allmänt om is Is är ett material som har mycket varierande egenskaper. Detta på grund av att förhållandena på varje plats där is bildas är olika. Många undersökningar och rapporter som gjorts inom området is, isbildning och istryck är baserade på sjöars förhållande. Vid utskovsluckor kan förhållandena vara väldigt olika mellan olika kraftstationer. På vissa ställen ligger utskovsluckorna bara tiotalet meter ifrån vattenkraftverkets intag till turbinerna, vilket ger kraftiga strömningsförhållanden och i vissa fall en vak framför intag och utskovsluckor. På andra stationer är vattnet nästan helt stillastående och där kan samma förhållanden som i en sjö antas. Utskovskonstruktioner och utskovsluckor blir vid bland annat vattennivåändringar och temperaturväxlingar utsatta av olika typer av istryck. Betongkonstruktionen runt utskovsluckan är dimensionerad för att klara dessa tryck men det är inte de flesta utskovsluckor. 2.2 Isläggning och istillväxt När en sjö kyls ner på hösten kyls först ytvattnet. Detta blir tyngre och sjunker nedåt och skapar en cirkulation av djupare beläget vatten som stiger och kyls ner i sin tur. Sjön får allt lägre temperatur och så småningom har hela vattenmassan antagit en temperatur på +4 o C. Vid en fortsatt avkylning under +4 o C ligger det avkylda vattnet kvar över det varmare vattnet. Detta eftersom att vattnet har sin högsta densitet vid +4 o C. Oftast sker isläggningen på sjöar och älvar under lugna väderleksförhållanden under en klar och kall natt. Isen lägger sig när ytvattnet blivit nollgradigt. Vattnet som ligger direkt under isen har en temperatur på 0 o C, men längre under istäcket kan temperaturen vara +1-2 o C och mot botten +4 o C, Eklund [14]. Isbildning vid strömmande vatten eller flodis som det kallas ser något annorlunda ut. Isen bildas där istället av att underkylt vatten. Isbildningen börjar då det underkylda vattnet träffar stränderna. Efter det börjar issörja bildas och bygger ut från ständerna vilket till slut bildar ett istäcke, Ashton [15]. Det finns olika sorters is, till exempel kärnis och stöpis, där kärnisen växer uppifrån och ner och bildas vid lugnt och kallt väder. Stöpisen bildas när det snöar eller blåser och byggs upp av olika lager med olika struktur, Fransson [16]. En viktig faktor vid isläggning är vattnets hastighet vid det aktuella området. Vid fältundersökningar gjorda i Norge visade det sig att om vattenhastigheten understiger 0,6 m/s så växer istäcket relativt snabbt. Om hastigheten ligger mellan 0,6-1,2 m/s, försvåras isläggningen. Vid vattenhastigheter över 1,2 m/s bildas en vak. Vid intagen till kraftstationerna är vattenhastigheten ofta hög, vilket medför att det bildas en stor vak. Vatten cirkulerar då upp till ytan och kyls till minusgrader, då bildas så kallade kravispartiklar vilket är underkylda ispartiklar som fastnar på första föremål de träffar och börjar bygga is. Detta sker under vattenytan på till exempel isgrindar som förhindrar att skräp hamnar i turbinerna. Om utskovsluckor ligger nära intaget till kraftstationen finns en risk att dessa också drabbas av problem med kravisbildning, Andersson [17]. 8

Teori om is och islaster Många olika faktorer spelar in på hur isens tillväxt ser ut men lufttemperatur, luftfuktighet, vindhastighet, mängden snö på isen samt istjocklek är de viktigaste faktorerna. Vid kraftig vind gynnas istillväxten på grund av avkylning, Eklund [14]. 2.3 Isens egenskaper Värmeutvidgningen hos is är relativt stor. En jämförelse med stål visar att utvidgningen hos is är 5 gånger så stor. Ett exempel kan vara att om temperaturen sjunker 10 o C, fås en förkortning av istäcket på 5cm per 100 meter istäcke. Det skall dock sägas att den mesta av isens volymutvidgning sker i samma riktning som det termiska värmeflödet genom isen, det vill säga i vertikal riktning nedåt. Is är ett viskoelastiskt material. Det vill säga att töjningen vid en viss spänning är beroende av hur lång tid en belastning varar och hur snabbt en belastning förändras. Ett istäckes viskoelastiska beteende liknar metallers vid hög temperatur. Med detta menas att is varken är i fast eller flytande form, Fransson [18]. Vid belastning av en last på istäcket eller om vattenytan i ett magasin sänks vilket ger upphov till en last av istäckets egentyngd, uppstår olika elastiska deformationer som snabbt övergår till krypdeformationer. Med detta menas att deformationen går från en elastisk process som innebär att isen efter deformation kan gå tillbaka till dess ursprungliga form, till att den långsamt börjar tappa denna egenskap. Krypning betyder att det långsamt uppstår defekter i isgittrets gränser mellan iskristallerna. Det uppstår vid alla laster och belastas isen tillräckligt länge kommer den att gå till brott. I Figur 7 visas några av de vanligaste deformationsfallen som förekommer vid olika konstruktioner, Ekström [19]. Figur 7: Visualisering av de vanligaste deformationerna mot en konstruktion, Ekström [19]. 2.4 Isbildning vid ledning av kyla genom konstruktioner Ett fenomen som kan uppstå vid konstruktioner som inte varmhålls, är isbildning genom ledning av kyla. Detta uppstår genom att temperaturen vid gränszonen mellan konstruktionen och vattnet är så pass låg att is kan bildas. I ett fall har isbildning på uppströmssidan upptäckts av dykare under våren invid ett nödutskov, vid Stornorrfors kraftstation i Umeå älv. 9

Teori om is och islaster Nödutskovet har ingen utskovslucka, utan är en betongkonstruktion som tidigare var tänkt att avlägsnas i yttersta nödfall. Utskovet har ungefär 40 cm tjocka betongväggar och kan ses i Figur 8. Problemet beror på att kylan från luften leds genom betongen och gör att isbildning uppstår i vattnet mot betongen. Isen som bildades genom ledningen av kylan genom nödutskovet var ungefär 1,5 meter ut längs botten och 1,5 meter upp längs med nödutskovets vägg. Liknande isbildning kan uppkomma på uppströmssidan av en utskovslucka och medföra risk för fastfrysning av luckan. Speciellt om ingen värme finns inne i luckan, Eliasson [20]. Figur 8: Nödutskovet i vid Stornorrfors kraftstation, vintern 2006. Isen bildades innanför högra betongväggen. På bilden kan man se hur strålvärmare delar isen och på så sätt undviks istryck i sidled mot monolitern. (Foto: August Sandqvist, Fredrik Öhrvall). 2.5 Islaster 2.5.1 Allmänt om islast Islast mot en utskovslucka kan uppstå på många sätt. I Figur 9 visas olika parametrar som kan medföra istryck mot en utskovslucka vintertid. Parametrar som påverkar istrycket är istjockleken, mängden snö på isen, vind, termisk expansion på grund av uppflöde av vatten på isen eller temperaturväxlingar, mothåll mot strand, anliggning och knäckning på grund av vattenstångsändringar. Ligger det bruten is närmast utskovsluckan kan isblock glida i sneda sprickor, vilket ger en tryckavlastning, Löfquist [21]. 10

Teori om is och islaster Figur 9: Parametrar som påverkar islasten mot en utskovslucka eller betongkonstruktion, Ekström [19]. 2.5.2 Islast mot utskovslucka och betongkonstruktion För att det ska uppstå termisk expansion och därigenom spänning eller tryck mot ett objekt i horisontell riktning måste det först vara riktigt kallt en längre period för att kyla ner isen. Om det sedan uppstår en hastig höjning av temperaturen utomhus, eller om vatten flödar upp på isen, värms isen upp och expanderar. Detta ger tryck mot omkringliggande konstruktioner. Mest tryck blir det mellan två fasta objekt, som betongväggar eller dylikt. Till exempel mellan monoliterna, som finns uppströms utskovsluckorna, Löfquist [21]. Ett experiment för att bestämma de istryck som uppstår vid termisk expansion genomfördes vid Vittjärvs kraftstation i Luleälv mellan 1981 och 1985, av Lennart Fransson, Luleå tekniska universitet. Tre stycken spänningssensorer och en styv issensor (IRAD) installerades utanför en av utskovsluckorna, se Figur 10. Figur 10: Placeringen av spännings- och temperatursensorerna uppströms utskovslucka i Vittjärv, Fransson [22]. 11

Teori om is och islaster Sensorerna placerades på ett djup av 0,2 meter i istäcket. Temperaturen i isen varierade kraftigt under mätperioden, från 0 o C till ungefär 20 o C. Det högsta trycket som registrerades under de 84 dagar som mätningarna pågick var 800 kpa. Detta registrerades av den sensor som mäter trycket parallellt med dammen mellan betongväggarna. Trycket i sensorn som mäter vinkelrätt mot dammen, det vill säga mot utskovsluckan, uppgick som mest till 400 kpa. De höga trycken berodde på att 0 gradigt vatten sköljde upp på isen, som var -8 o C och värmde den till 0 o C. Trycket som uppstår mot luckan är dock ett reducerat värde på grund av den bordläggningsvärme som finns installerad i luckan. Denna smälter långsamt isen när den trycks mot luckans varma bordläggningsplåt. Om bordläggningsvärmen inte fungerar kommer luckan att utsättas för ett ännu högre tryck än det som uppmätts i detta experiment, Fransson [22]. Förloppet kan avläsas i Figur 11. Figur 11: Uppmätt tryck i de olika sensorerna där den övre av graferna visar trycket parallellt med dammen mellan betongväggarna i kanalen in mot utskovsluckan. Den nedre av graferna visar trycket vinkelrätt mot dammen och utskovsluckan, Fransson [22]. Ouppvärmda segmentluckor har ibland visat skador satta i samband med istryck. Översta delen av utskovsluckan har knuffats bakåt (nedströms) ett par centimeter och bordläggningsplåt har fått bucklor. Skulle det uppkomma bucklor i bordläggningsplåtens översta del är detta inte alltför allvarligt, på grund av det relativt låga vattentrycket som råder vid ytan. Problem kan uppkomma vid avbördning av vatten vintertid om isblock som bryts loss åker med spillvattnet. Dessa kan dyka, när de åker under luckan och vända sig 90 12

Teori om is och islaster grader från horisontellt, till vertikalt läge. Den bakre iskanten slår till bordläggningsplåtens nedre del med stor kraft, vilket kan orsaka bucklor. Dessa anses vara allvarligare än bucklor uppe vid ytan på utskovsluckan på grund av att det högsta vattentrycket finns längst ner på luckan, vid det största vattendjupet, Foberg [23]. Förutom buckling av bordläggningsplåt kan utvändiga spridarrör krökas och pumpar som används som isfrihållningsmetod för vakhållningen uppströms utskovsluckan rivas lös och spolas med vattnet. Så långt som möjligt undviks spill under islossningsperioden för att skona luckor och utrustning, Lindgren [24]. Ett farligt lastfall för en damm eller utskovspelare, kan vara när det existerar en isfri ränna mellan ett obrutet istäcke och om temperaturen höjs i det obrutna istäcket av vatten som strömmar upp. Detta trycker då mot utskovspelare intill de öppna utskoven där den isfria rännan finns. Delvis kan utskovspelarna tryckas i sin veka riktning, se Figur 12. Detta problem kan uppstå vid utskov nära kraftstationens intag, Ekström [19]. Figur 12: Islaster som kan uppkomma mot en damm och ett utskov. Ekström [19]. Vid korttidsreglering av magasin och älvar, påverkas istäcket genom att det bryts sönder mot hinder som bropelare eller mot konvexa utskovsluckor, vilket visas i Figur 13. Figur 13: Knäckning av is mellan två stöd på sidorna, på grund av en sänkning av vattenytan, Löfquist [21]. I utskovskonstruktioner som har vertikala väggar av betong kan isen och istrycket inte avlastas utan den knäcks och blir istället skiktad och kan byggas i flera lager till dubbel eller flerdubbel tjocklek, Löfquist [21]. Packis kan samlas på våren och tryck kan uppstå när isen 13

Teori om is och islaster rör sig mot en byggnad. Enligt kanadensiska normer ligger trycket av packis mellan 700 kpa- 2800 kpa, Vägverket [25]. När vattenståndet varierar kan vertikala krafter uppkomma om isen frusit fast i en konstruktion, vilket visas i Figur 14. Figur 14: Bilden visar den vertikala kraften som uppkommer vid till exempel fastfrysning. i v är den maximala lyftkraften i kn/m, Löfquist [21]. Ett exempel på detta problem uppstod vid Porsi kraftstation (omkring 1980), då en utskovslucka frös fast i istäcket och lyftes, när vattennivån i magasinet steg. Orsaken till detta tros ha varit att värmen i luckan slutade att fungera. Det ledde i sin tur till att ett rör eller en slang som tog in vatten till vakhållningsutrustningen frös sönder. Läckaget fyllde sedan luckan med vatten. Vakhållningen uppströms slutade fungera och isen frös fast i luckan. På morgonen efter såg servicepersonalen att det spillde vatten under utskovsluckan. Isen lyfte alltså den vattenfyllda luckan, Lindgren [24]. 2.6 Diskussion om is och islaster Isens egenskaper är svåra att bedöma för att dess egenskaper och struktur är mycket varierande från plats till plats. Detta gör att även islasternas påverkan på utskovsluckor och dess betongkonstruktion är svåra att bedöma. Variationen av isens egenskaper beror på många olika parametrar men de viktigaste är lufttemperatur, luftfuktighet, vindhastighet, strömningsförhållanden, mängden snö på isen, magasinets reglerhöjd samt istjocklek. Problemet med kravis på utskovsluckor är mycket sällsynt, men det är relativt vanligt att isgrindarna vid intaget till kraftverkets turbiner blir utsatta. Isen skapar fallförluster vid intaget och minskar då vattenflödet in till turbinerna. Detta gör att turbinerna löser ut och stannar. Är reglerhöjden i magasinet liten och dämningsgränsen för magasinet (DG) nås kommer utskovsluckorna att öppnas automatiskt av ett katastrofskydds system (KAS- system). På stationer med sådana förutsättningar är det extra viktigt med fungerande isfrihållning för att säkerställa avbördningen av vatten. Vid oisolerade betongväggar som är fallet vid nödutskovet i Stornorrfors kraftstation, finns risk för isbildning genom kylning av betongen. Detta är ett problem som bör beaktas vid utskovsluckor som kallställs vintertid. Det finns en risk att samma sak kan hända under utskovsluckan vid skibordet, om inte tröskelvärme finns vid luckan, eller om värmen är helt avslagen och temperaturen är under 0 o C inne i luckan. Isbildning genom ledning av kyla skulle kunna uppstå och därmed göra att utskovsluckan fryser fast. 14

Teori om is och islaster Den dimensionerande kraften för istryck enligt RIDAS (Kraftbolagens riktlinjer för dammsäkerhet), som beskrivs närmare i kapitel 3.1, är 200 kn/m i norra Sverige. Enheten på detta värde gäller vid en meters istjocklek och kan jämföras med värdena från experimentet vid en utskovslucka i Vittjärv, då lasten mot luckan uppgick till 400 kpa. Den egentliga kraften mot luckan var högre då den avlastades av bordläggningsvärmen, som smälte isen när den tryckte mot luckan. Detta visar att isfrihållning måste finnas för att undvika istryck mot luckan. Det finns fall där bordläggningsplåten på utskovsluckor bucklats, tryckts bakåt, frusit fast och lyfts upp på olika stationer. Borde isen påverkan på utskovsluckor tas på större allvar och prioriteras mer? En situation där luckan inte går att manövrera eller ett haveri på en lucka kan riskera hela dammens säkerhet och därmed få stora konsekvenser nedströms det drabbade utskovet. Ett dammbrott med alla dess påföljder skulle innebära stora konsekvenser för kraftbolagen och samhället i stort. Detta gör att isfrihållning är en viktig säkerhetsfråga på en dammanläggning. 15

Isfrihållningsmetoder 3 Isfrihållningsmetoder 3.1 Riktlinjer för isfrihållning RIDAS (Kraftbolagens riktlinjer för dammsäkerhet) är ett gemensamt dokument som framtagits av Sveriges kraftbolag. Den senaste versionen gavs ut 2002 och innehåller mål för kraftindustrins dammsäkerhetsriktlinjer. Dessa är: - Definiera krav och ange riktlinjer för god och enhetlig dammsäkerhet. - Utgöra en grund för enhetlig bedömning av dammsäkerheten och identifiera behov av dammsäkerhetshöjande åtgärder. - Kunna vara stöd för myndigheters dammsäkerhetstillsyn. De olika dammanläggningarna indelas i olika konsekvensklasser beroende på den skada ett dammhaveri kan få. Klasserna är: - 1A, som har en hög sannolikhet för mycket allvarlig skada på viktiga samhällsanläggningar, betydande miljövärde eller mycket stor ekonomisk skadegörelse. - 1B, som har en beaktansvärd sannolikhet för allvarlig skada på viktiga samhällanläggningar, betydande miljövärde eller hög sannolikhet för stor ekonomisk skadegörelse. - 2, som har en icke försumbar sannolikhet för beaktansvärd skada på samhällsanläggningar, miljövärde eller ekonomisk skadegörelse. - 3, som övergriper alla andra dammanläggningar. I avsnitt 3.4 i RIDAS, Avbördningsanordning och tillämpningsvägledning, beskrivs riktlinjer angående utskovsluckors avbördning och dess avbördningsanordningar. För att dessa skall fylla sin funktion måste krav ställas både på anordningarnas avbördningskapacitet och på dess tillförlitlighet. Vid en utvärdering av kapacitet och tillförlitlighet skall förhållanden som kan misstänkas påverka avbördningssystemet beaktas. Exempel på sådana förhållanden kopplade till is, istryck och isfrihållning kan vara: - Manöverbarhet vid olika omgivningsförhållanden, till exempel snö och is. - Andra förhållanden som reducerar avbördningskapaciteten, till exempel igensättningar uppströms eller nedströms i vattenvägarna. - Förändringar i de byggnadstekniska strukturerna, till exempel fastsättningen av falsar som kan påverka avbördningskapaciteten. Avbördningsanordningar skall fungera vid alla aktuella driftförhållanden och under dess livstid. När det gäller islast mot en konstruktion antas det horisontella istrycket uppgå till 50-200 kn/m beroende på geografiskt läge, höjd över havet samt lokala förhållanden vid dammen. Den högsta nivån på istryck (200 kn/m) gäller för nordligt belägna dammar vid större höjd över havet. Värdet 100 kn/m och 50 kn/m används för sydligt belägna dammar. Saknas isfrihållning framför dammluckorna utsätts de för samma istryck per meter lucka som dammen i övrigt. Istrycket antas angripa på en tredjedel av isens tjocklek räknat från isens överkant. Som riktvärde för istjocklek antas 1,0 meter för dammar belägna i norra Sverige och enheten blir då jämförbar med kpa. 16

Isfrihållningsmetoder När det gäller värme- och isfrihållningssystem, som behandlas i underavsnitt 3.4.2.11 i dokumentet står det att om en avbördningsanordning skall fungera på avsett sätt vintertid och alltid kunna manövreras, krävs erforderlig isfrihållning. Påfrysningar på luckan och i utskovsöppningen kan ge upphov till minskad avbördning, onormala laster samt påverka eller hindra manövreringen. Avbördningsanordningar som utsätts för infrysning och inte är dimensionerade för att klara islast kan behöva förses med någon form av uppvärmning för isfrihållning. Att öppna en lucka med påfrusen is, kan då isen lyfts upp ur vattnet, ge upphov till stora överbelastningar på luckan. Dessutom finns risk för att lyftanordningen inte orkar lyfta luckan. Lyftanordningen, lager och infästning kan då gå sönder eller att luckan dras snett och fastna. Vid vissa anläggningar kan det bli nödvändigt att såga upp en vak i isen framför luckan, när istrycket bedöms kunna skada anläggningen. Faktorer som skall beaktas vid val av isfrihållning är: - Vattnets temperatur - Omgivningens temperatur - Vattnets hastighet - Vattnets strömningsriktning (avståndet till kraftstationen) - Magasinets nivåvariationer - Luckans utformning Gemensamt för alla riktlinjer är att de inte är att beakta som en lag, föreskrift eller dylikt utan skall ses som ett stöd för kraftbolagen och dess arbete med dammsäkerhet. Den nivå på dammsäkerhet som föreskrivs skall följas men man är helt fri att använda andra metoder för att nå denna, RIDAS [26]. 3.2 Allmänt om isfrihållning Isfrihållningssystemet är hela det system som används för att hålla isfritt vid en utskovslucka. Det kan principiellt delas upp i fyra olika delsystem: - Vakhållning av utskovsluckan - Bordläggningsvärme - Värme runt luckan - Luckvärme Det finns ingen generell teknisk lösning som fungerar överallt, utan valet av isfrihållningsmetod måste bestämmas från fall till fall, Elforsk [13]. Enligt Burman [27], används mycket energi till isfrihållning. Isfrihållningssystemen och metoderna är gamla och kräver mer underhåll med tiden. I detta kapitel görs en ingående beskrivning av varje isfrihållningsmetod var för sig, visualiserade med bilder. Alla isfrihållningsmetoder är sammanfattade med åsikter om fördelar och nackdelar från de stationsbesök och intervjuer som gjorts och förslag på förbättringsåtgärder. 3.3 Vakhållning av utskovsluckan 3.3.1 Cirkulation av vatten Cirkulering av vatten är den vanligaste metoden för vakhållning av utskovsluckan i de tre älvarna som besökts. Vattnet sätts i rörelse vilket förhindrar isbildning vid ytan. 17

Isfrihållningsmetoder 3.3.1.1 Ringkompressor Denna typ av ringkompressorer, eller varmluftkompressor som de också kallas, jobbar med stort luftflöde och lågt tryck, Burman [27]. Luften från kompressorn leds till ett spridarrör med hål i, längs hela luckans bredd. Luftbubblorna stiger upp genom vattnet och bildar en bubbelridå framför luckans bordläggningsplåt. Hela vattenmassan framför utskovsluckan cirkuleras lokalt, vilket håller isen borta, se Figur 15. Dessa kompressorer värmer luften därav namnet varmluftskompressor, men det är inte värmen i luften som bildar vaken, utan rörelsen och turbulensen som uppkommer av bubblorna. Figur 15: Visar metoden med varmluftskompressor placerad inne i luckan med ett utvändigt spridarrör hängt längs luckan. (Figur: August Sandqvist, Fredrik Öhrvall). Varmluftskompressorns placering är olika vid olika utskov, oftast är den placerad i spelkuren eller inne i utskovsluckan. Fastsättningen av spridarröret skiljer sig också vid olika utskov. Vid placeringen av varmluftskompressor inne i spelkuren är spridarröret oftast nedhängt från brobanan, vilket gör att luckan kan manövreras utan problem, se Figur 15. Det kan även hängas ned längs luckans bordläggningsplåt i kedjor, men då behövs en rörlig slang mellan spelkuren och spridarröret på luckan, för att luckan skall kunna manövreras. Vid placering av varmluftskompressorn inne i luckan hängs spridarröret ner längs luckans bordläggningsplåt. Röret mellan varmluftskompressorn och spridarröret är isolerat för att hindra frysning av kondensvatten. Om röret fryser igen är det mycket besvärligt att åtgärda, då det måste värmas upp för att avlägsna isen, Lindgren [24]. 18

Isfrihållningsmetoder Det finns även invändiga spridarsystem där kompressorn är kopplad till ett spridarsystem som leder luften ut genom bordläggningsplåten via fastsvetsade munstycken. Vid installation borras hål genom bordläggningsplåten från insidan av luckan via en tätning i luckan med fullt vattentryck på uppströmssidan. I hålen sitter munstyckena med kulventil, för att förhindra att vatten tränger in då varmluftskompressorn ej är i drift. Munstyckena innehåller reglerbara avstängningsventiler som gör att ett jämnt luftflöde finns efter hela luckans bredd. Figur 18 i kapitel 3.3.1.2 visar munstycken använda i en annan vakhållningsmetod men det är likadana som används i denna. Problem har uppstått vid driftstopp i kallställda luckor där kondensvatten frusit i munstyckena. Detta har åtgärdats genom att värmekabel har lindats runt munstyckena och en bit upp på slangen, Wikström [28]. Denna vakhållningsmetod fungerar bäst vid reglerhöjder runt två meter och placeringen av spridarröret bör vara minst en meter under vattenytan. När denna metod installeras behöver ingen nålning av luckan genomföras. Nålningen innebär att en provisorisk vägg byggs på uppströmssidan av luckan. Vattnet mellan väggen och utskovsluckan pumpas sedan ut och planerat underhållsarbete kan genomföras på delar av luckan som vanligtvis ligger under vattnet. Nålning är relativt dyrt och kan kosta upp emot 100 000 kr, därför undviks detta i så stor utsträckning som möjligt. Det finns alltid en risk för att vatten kan tränga in genom hål som borrats i bordläggningsplåten. Vid dammsäkerhetsbesiktningar av luckor med denna vakhållningsmetod ges dock ingen anmärkning på grund av hålens ringa storlek. Längst ner i luckan finns ett antal dränagehål som skall klara av den vattenmängd som eventuellt kan komma in. Denna typ av hål anses därför inte kunna vattenfylla luckan, Eliasson [20]. På Vattenfalls utskovsluckor används en varmluftskompressor med utvändigt spridarrör. Effekten på dessa ligger på 7,5 kw per lucka och räcker till en vak på några meter, Lindgren [24]. Skellefteå kraft använder varmluftskompressorer med invändigtspridarsystem och där är den installerade effekten 3 kw per lucka, vilket genererar en vak på någon meter. Skillnaden i installerad effekt är alltså 4,5 kw, detta visar sig i skillnaden på vakens storlek. Större kompressor ger en större vak, Wikström [28]. Figur 16: Till vänster ses en av Vattenfalls varmluftskompressorer med en effekt på 7,5 kw. Denna är placerad inne i en spelkur vid Letsi kraftstation. Till höger visas det isolerade röret ut från spelkuren som förgrenas i två slangar ner till spridarröret som ligger under vattenytan. Man kan här se hur luftbubblorna skapar turbulens uppe vid ytan och genererar en vak på ungefär 2-3 meter. (Foto: August Sandqvist, Fredrik Öhrvall). 19

Isfrihållningsmetoder Varmluftskompressor, för- och nackdelar: + Varmluftskompressorn ger i de flesta fall en bra cirkulation på vattnet och en erfoderlig vak. + De mindre modellerna av varmluftskompressorerna är relativt energisnåla, men ger då istället en mindre vak medan de större modellerna tar mer energi. Men de större varmluftskompressorerna tar ändå relativt lite energi vid en jämförelse med till exempel vattenpump i lucka. + Vid installation behöver inte utskovsluckan nålas igen för placering av spridarrör, utan allt kan skötas med hjälp av upphängningsanordning. Detta gäller även det invändiga spridarsystemet där borrning genom bordläggningsplåten kan göras från insidan, med fullt vattentryck på uppströmssidan. + Vid placering av spridarrör invändigt luckan behöver spridarsystemet inte tas bort under islossning då detta sitter inne i luckan och är skyddat mot iskrafter. + Driftsäkra. - Problem med frysning av kondensvatten i slangen till spridarröret kan uppstå vid stopp i kompressorn vid t.ex. underhåll. Det är ofta besvärligt att åtgärda då isen i slangen måste värmas bort. - Det vanligaste mekaniska problem som stötts på med kompressorerna är lagerhaveri. Detta åtgärdas av underhållspersonalen och tar ungefär en dag att byta. - Varmluftskompressorerna är ganska högljudda och påverkar arbetsklimatet negativt där de är placerade. Det är nästan omöjligt att prata i närheten av dem. - När det gäller det invändiga spridarsystemet måste många hål tas i utskovsluckans bordläggningsplåt, vilket ger en risk att vatten kan läcka in i luckan. - När borrning av luckan sker utan nålning vid installation av det invändiga spridarsystemet, rostbehandlas inte utsidan vilket leder till korrosion efter en tid. 3.3.1.2 Membranpump Med denna vakhållningsmetod placeras en membranpump eller luftpump som de också kallas i luckan och pumpar luft genom ett invändigt spridarsystem monterat längs luckans hela bredd. Luften pumpas ut genom luckan och luftbubblorna stiger längs luckans bordläggningsplåt och ger cirkulation och turbulens av vattnet vid ytan. Metoden visas i Figur 17. 20