冬季弧形閘門自動(dòng)破冰裝置研究

王環(huán)東

（松江河發(fā)電廠，吉林撫松134500）

位于高寒地區(qū)的水電站，冬季冰凍期間，當(dāng)冰層達(dá)到一定厚度時(shí)，冰層的作用力可能對(duì)水工建筑物及水工閘門造成危害，如撕裂大壩面板止水、壓裂弧門鉸支座、撕裂弧門及閘門水封等。東北某電站曾發(fā)生過(guò)因弧門前結(jié)冰導(dǎo)致弧門被冰的上抬力開(kāi)啟的事故。因此冬季必須在結(jié)凍的弧門及閘門前進(jìn)行破冰，避免以上事故的發(fā)生。

1 弧門閘門防凍方法

1.1 防凍吹冰法

防凍吹冰是利用空壓機(jī)打出的壓縮空氣，通過(guò)供氣管路將壓縮空氣從水庫(kù)一定深度噴出，形成一股強(qiáng)烈的上升溫水流，它既能融化冰層，又能防止結(jié)成新冰層。防凍吹冰系統(tǒng)一般需兩臺(tái)空壓機(jī)、兩只貯氣罐、管網(wǎng)及控制元件等，整體費(fèi)用較高。

1.2 人工破冰法

人工破冰就是利用人為的方法，實(shí)時(shí)地將結(jié)冰的冰層打開(kāi)，防止結(jié)凍。人工破冰費(fèi)用比防凍吹冰系統(tǒng)費(fèi)用低得多，但人工破冰危險(xiǎn)程度太高，容易發(fā)生事故。

1.3 電伴熱法

利用電伴熱的手段在弧門上形成一個(gè)不凍的溫水區(qū)域。其缺點(diǎn)主要是電伴熱水下絕緣問(wèn)題的保證，一旦絕緣失效，勢(shì)必造成系統(tǒng)短路而造成事故擴(kuò)大。

1.4 潛水泵法

這種方法是利用潛水泵把水抽上來(lái)，經(jīng)過(guò)鋼管上的小孔在水中射出，從而形成連續(xù)不斷的水流，達(dá)到防止局部結(jié)冰的目的，目前寒冷地區(qū)大部分水電廠均采用此方法。而這種方法存在的問(wèn)題是水位變化時(shí)需人工進(jìn)行水泵入水深度的調(diào)整，一旦調(diào)整不及時(shí)，水面即會(huì)結(jié)冰。

2 松江河發(fā)電廠弧門破冰現(xiàn)狀

松江河發(fā)電廠位于長(zhǎng)白山區(qū)松花江支流上，冬季氣侯嚴(yán)寒，湖面結(jié)凍時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，湖面最深凍層達(dá)1.5 m，弧門前冰層厚度也達(dá)到了1.3 m。2003年開(kāi)始采用潛水泵涌浪的方法進(jìn)行弧門前的破冰工作。因系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理等原因，經(jīng)常出現(xiàn)潛水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行燒損、人工調(diào)節(jié)水泵入水深度不及時(shí)、電纜被冰拉斷等故障，嚴(yán)重影響弧門的安全運(yùn)行。

為了徹底解決系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，從裝置升降的自動(dòng)控制、電纜自動(dòng)伸縮等方面進(jìn)行了理論計(jì)算和專項(xiàng)研究。

3 設(shè)備選型

3.1 噴嘴的選擇

原破冰裝置噴嘴采用8只DN32的直管通過(guò)DN50主干管向水面涌水，此方法基本解決了水面結(jié)凍的問(wèn)題，但門槽兩側(cè)及電機(jī)電纜處經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，曾發(fā)生過(guò)電纜由于冰凌造成斷裂的事故。為此利用動(dòng)水的反作用力原理，將噴嘴改為斜向45°方向噴射，最外側(cè)噴嘴噴出的水流射到混凝土表面會(huì)發(fā)生反彈，在兩側(cè)混凝土墻體間區(qū)域形成一個(gè)自然的環(huán)流，達(dá)到擾動(dòng)的效果，其它噴嘴出口均與浮筒、電纜及鋼絲繩設(shè)置在一條直線上，這樣就有效杜絕了配套設(shè)施的結(jié)冰問(wèn)題。具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 噴嘴設(shè)置示意圖Fig.1 Layout of the nozzles

3.2 浮筒的選擇

系統(tǒng)采用兩臺(tái)水泵一主一備的設(shè)計(jì)方式，兩臺(tái)水泵總重量為90 kg，排水干管總長(zhǎng)度為8 m，重量為143 kg，出口逆止閥總重10 kg，浮筒固定支架重40 kg，總重283 kg。為保證受力均衡，采用雙浮筒方式，每個(gè)浮筒的承載力應(yīng)大于150 kg，這樣才能保證整個(gè)裝置浮于水面。根據(jù)裝置布置結(jié)構(gòu)，定制了單個(gè)承載能力為150 kg的不銹鋼圓形浮筒，與裝置本體采用環(huán)形卡套固定方式，這樣有利于以后的維修工作。

3.3 定位導(dǎo)向系統(tǒng)確定

雖然實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)升降功能，但沒(méi)有一套限位機(jī)構(gòu)勢(shì)必造成裝置的來(lái)回?cái)[動(dòng)，為此在排水干管兩側(cè)加裝了兩只導(dǎo)向環(huán)（?5 mm圓鋼）。導(dǎo)向環(huán)直徑為12 mm，之后門槽上部用槽鋼向下固定一根?8 mm的鋼絲繩，下部分別用一只80 kg的圓柱形重錘做牽引，重錘放至門槽底部做配重，用于拉緊鋼絲繩，鋼絲繩拉緊后就形成了一個(gè)導(dǎo)向滑道。至此定位導(dǎo)向系統(tǒng)就建立起來(lái)了。

3.4 控制系統(tǒng)的確定

為實(shí)時(shí)監(jiān)視弧門破冰裝置的運(yùn)行效果，在每個(gè)門槽內(nèi)安裝了一只攝像頭。攝像頭通過(guò)現(xiàn)地控制單元將信號(hào)傳輸至電站中央控制室，這樣運(yùn)行人員可隨時(shí)監(jiān)視弧門破冰裝置的運(yùn)行情況。同時(shí)專門為破冰裝置編制了一套具有自動(dòng)、手動(dòng)控制的PLC程序，并將控制信號(hào)通過(guò)光纖引至中央控制，運(yùn)行人員可根據(jù)湖面結(jié)冰情況隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季的運(yùn)行檢驗(yàn)，該套破冰系統(tǒng)破冰效果明顯、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，解決了弧門水封的漏水問(wèn)題，大大提高了弧門運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)弧門破冰自動(dòng)升降系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)解決了高寒地區(qū)弧門破冰無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的難題，為解決水工建筑物及弧門冰害問(wèn)題提供了借鑒，具有一定的推廣價(jià)值。■