寒蔥溝水庫取水塔微加熱抗冰凍設計研究

常宗濱，何 權

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 黑龍江省水利廳，哈爾濱150001)

1 概 述

寒蔥溝水庫取水塔為豎井塔式混凝土結構，和48 m長的檢修橋相連接。前期設計是4.5 m混凝土橋通向壩頂。橋由排架支撐，一頭搭接在取水塔上。由于凍脹等原因使橋面產生較大的傾斜，于2009年對其進行了設計修改，對橋面板部分換用鋼結構，減載達到75%，加上對取水塔，橋基礎采取人工破冰防凍措施，經(jīng)過幾年的連續(xù)觀測顯示基本控制住了繼續(xù)變形。但是人工防冰危險極大，差點產生惡性的事故。為此黑龍江省水利水電勘測設計研究院對塔身提出了用超導熱材料，用自動化控制的方式對這個建筑物進行加熱保護的設計實施方案。通過加熱使建筑物四周產生一條1 ～2 cm的水槽，切斷由于冰凍產生的冰壓力和凍脹力，達到保護建筑物目的。

2 基本理論分析

水工建筑物被動抗冰凍方法常用的有人工破冰法、壓力空氣法、油加熱法等。近些年來由于有大量的超導熱材料如熱管、動力熱管，碳纖維加熱等出現(xiàn)，且均在國內外的寒區(qū)實地工程中運用［1］。本次設計就結合本項工程的特點采用先進超導熱技術。比選了多個方案:壓力空氣法由于管路較長，冬季運行稍有故障停機1 h就容易凍死造成癱瘓事故;熱管加熱法的設備造價及制造維護難度均較大，且超導液體易泄露，所以均沒有采用。采用的是碳纖維作為熱源加熱材料，面板狀布置在取水口四周。

2.1 碳纖維加熱原理

碳纖維在電場的作用下發(fā)熱，發(fā)熱體中的碳分子團產生“布朗運動”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產生的熱能以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞，其電能與熱能的轉換率高達98%以上。碳分子的作用使電熱板表面溫度迅速升高，熱能就會源源不斷地均勻傳遞到冰塊上。

2.2 面板型熱源熱板

熱源為面狀傳遞距離更短傳遞路徑增加、更加安全可靠、使用壽命高。板狀熱板可根據(jù)工程實際需要作如下任意形狀改變實心園柱型、空心園柱型、○型、□型、∩型等適應工程的各種型狀(如圖1)碳纖維沿著受熱面布置。經(jīng)過殼體材料迅速的傳導到受熱面。

2.3 碳纖維發(fā)熱材料符合GB/T4654 －2008 標準，并通過國家紅外及工業(yè)電熱產品質量監(jiān)督檢驗中心質檢，在加速老化設備上測試:在發(fā)熱溫度＜300 ℃情況下，其使用壽命可達10 萬h，中國國家標準規(guī)定:鎳鉻合金金屬發(fā)熱材料合格產品的使用壽命為3 000 h

圖1 板型熱源傳導路徑示意圖

圖2 加熱時間和氣溫及受熱體溫度關系實測曲線

2.4 自動控制系統(tǒng)

由碳纖維加熱的板狀熱板是有2 套控制系統(tǒng)控制。溫度控制系統(tǒng):是采用溫度控制傳感器采集信號傳到集中控制箱。時間控制系統(tǒng):根據(jù)防護期的時間周期確定設定加熱周期內啟動時間。這兩套系統(tǒng)相互確定調整加熱的時間位置及功率。

圖2 的表格是西泉眼水庫和本次寒蔥溝水庫現(xiàn)場實測的加熱時間、功率對水溫影響的實測表。以此為基本依據(jù)確定的環(huán)境溫度和加熱時間和有溫控傳感器自動控制加熱時相符的。加熱面板的功率也可由此表格參數(shù)復核確定。

3 取水塔熱板防冰凍設計

3.1 基本條件

水塔 197.8 高程以上外圍截面尺寸長8 700 mm，寬4 700 mm;當?shù)刈畹蜌鉁?－41.5 ℃;最大冰度1 220 mm;水位變化區(qū)域10 m。預設水槽寬度2 cm，水溫0 ～2 ℃。

3.2 設計方案

以水塔197.8 高程以下最外端截面為基準，預留50 mm間隙及混凝土澆筑誤差，熱板內側尺寸為9100 × 5400，熱板最大厚度200 mm，熱板高度:1 300 mm;熱板自重:W =7 500 mm，吊桿自重:G=12 580 kg，起重總重量:Q =9 620 kg，采用四部起重量為30 kN的電動葫蘆同步起升。

3.3 熱板設計

熱板分片制造，片與片之間現(xiàn)場螺栓連接固定，控制箱置于水塔頂部，采用分區(qū)加熱方式分3個區(qū)域，3個區(qū)域分配功率從冰面到結冰厚度梯次減少，每個區(qū)域分別控制加熱，共計13.5 千瓦。整個冬天以180 d 計算用電量大約在20 000 kW·h～25 000 kW·h。

熱板采用碳鋼制造，鋼板厚度6 mm，加熱裝置采用碳纖維，相比較金屬電阻絲其使用壽命可提高30倍。熱板底部設導向板，在197.8 高程以下能順利進入變截面區(qū)域。熱板發(fā)熱高度1 300 mm，按照結冰厚度1 200 mm。

3.4 安裝設計

在水塔啟閉機安裝平臺高程217.5 設置4個480 ×300 的起吊孔;起吊孔上以膨脹螺栓固定安裝基礎埋件;在基礎埋件上依次螺栓連接機架和立柱;立柱上面螺栓連接吊裝電動葫蘆;吊桿與吊桿之間、吊桿與電動葫蘆之間、吊桿與熱板之間以銷軸連接。基礎埋件將來自機架的力傳遞到牛腿上，機架正壓力與牛腿支反力平衡，牛腿正壓力、牛腿剪切力形成力偶與機架力偶達到平衡。

3.5 總體布置

圖3 取水塔加熱體系總體布置圖

4 結 論

通過2 a的運行，設備運行平穩(wěn)，效果良好，經(jīng)濟指標完全符合設計預期，達到了設計要求。本項設計與實驗測試開創(chuàng)了高寒地區(qū)水工建筑物的一條新思路。

［1］徐志昌，朱樹亮，王艷君，吳慶福．順利河水電站引水渠道抗冰凍設計［J］．黑龍江水利科技，2001(01):77 －79．