曹錫山

（黑龍江省航道局，哈爾濱 150026）

1 設(shè)計(jì)背景

松花江屬平原季節(jié)性冰凍河流，一般每年11月上旬開始流冰，冰厚一般約0.2 m，歷時(shí)20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封凍長(zhǎng)達(dá)140 d，冰厚一般為0.5～1.0 m，最大冰厚可達(dá)1.6 m，翌年4月上旬開江，開江前有10 d左右流冰期。2004年10月，隨著我國(guó)平原季節(jié)性封凍河流建設(shè)的首座航電樞紐工程——松花江大頂子山航電樞紐開工建設(shè)，標(biāo)志著松花江渠化將要全面啟動(dòng)。

在平原季節(jié)性冰凍河流上建設(shè)航電樞紐，若不對(duì)船閘采取防凍防冰措施，冬季船閘在冰凍作用下，其金屬結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，嚴(yán)重冰凍可摧毀船閘;在開江期，由于樞紐的攔蓄作用，船閘上游水流變緩、冰凍層變厚，開江時(shí)間較天然狀態(tài)滯后，導(dǎo)致通航期縮短;流冰期的流冰可堵塞船閘、阻礙船閘的正常開閉，使船閘無(wú)法使用、過(guò)往船舶無(wú)法過(guò)閘。如不解決這些問(wèn)題或解決的不好，都將影響到通航期、樞紐正常運(yùn)行、引發(fā)各類事故、造成建筑物的損壞等。

檢修閘門是供檢修水工建筑物或工作閘門及其門槽時(shí)臨時(shí)擋水用的閘門，正常情況下，檢修閘門不起擋水作用。目前大頂子山航電樞紐采用船閘無(wú)水越冬方式，檢修閘門也起到擋水阻冰的作用。因此，如何保證開江期檢修閘門順利升降成為亟待解決的技術(shù)難題。

通過(guò)研究，我們提出采用油循環(huán)加熱防冰方法來(lái)防止檢修閘門門槽端部結(jié)冰。

2 油循環(huán)加熱防冰法的工作原理

檢修閘門門槽端部可采用油循環(huán)加熱防冰方法，這種方法的工作原理是在門槽內(nèi)側(cè)閘墻里面預(yù)先安裝油泵，油泵設(shè)進(jìn)油管和出油管，電加熱器裝配在法蘭蓋上插入需加熱油內(nèi)，在油泵壓力作用下通過(guò)加熱器時(shí)，均勻地帶走發(fā)熱元件所發(fā)出的大量熱量，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，提高加熱介質(zhì)油溫度，加熱油流動(dòng)過(guò)程中不斷吸收周圍冷氣，油溫逐漸降低，流速變緩，隨著新進(jìn)入加熱油不斷推動(dòng)，溫度較低加熱油最終通過(guò)出油管流出油槽進(jìn)入油泵，從而完成一次循環(huán)過(guò)程。在加熱油不斷加熱-遇冷-加熱循環(huán)過(guò)程中，使得門槽端部鋼板表面始終保持正溫，鋼板也是一種介質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱作用，因此此法能夠保證檢修閘門端部不被冰凍結(jié)。

3 檢修閘門門槽端部的防冰設(shè)計(jì)

3.1 檢修門埋件及加熱體結(jié)構(gòu)

檢修門埋件及加熱體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～3。

3.2 加熱器功率計(jì)算

加熱器是加熱油法的核心設(shè)備，其功率大小直接決定著防冰凍效果，功率過(guò)大，耗電大，防冰成本增加甚至可能造成浪費(fèi);功率小，防冰效果不理想，也可能達(dá)不到預(yù)期的效果。合理確定加熱器功率是研究中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

計(jì)算加熱器功率時(shí)，參考了葉學(xué)群主編的《熱工理論與流體力學(xué)基礎(chǔ)》等資料[1]，計(jì)算過(guò)程如下：

3.2.1 求出口溫升

計(jì)算公式為：

式中：功率取250 kW;W=5 000 kg;t1出口溫度，℃，t0進(jìn)口溫度 =-20℃;Cp=0.48 kcal/kg·℃;H=1 h。

說(shuō)明在不考慮加熱損耗系數(shù)時(shí)，經(jīng)計(jì)算用50 kW電功率，能把每小時(shí)流量5 000 kg油溫升18℃。

3.2.2 求電功率

已知總油量W=5 000 kg，進(jìn)口溫度=-20℃，出口溫度=100℃，Cp=0.48 Kcal/Kg·℃，根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度和加熱體積，設(shè)定6 h加熱。

根據(jù)公式（1）計(jì)算電功率為56 kW，考慮其它可能引起熱量損失因素，取熱損耗系數(shù)0.3，實(shí)際需要功率取75 kW。

齒輪油泵外形尺寸、主要性能規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1～2。

圖1 油槽加熱系統(tǒng)平面圖

圖2 B-B剖面圖

圖3 A-A剖面圖

表1 齒輪油泵主要性能規(guī)格參數(shù)表

表2 齒輪油泵外形尺寸表 mm

為減少電力損耗，我們將單臺(tái)75 kW加熱器安裝18支不銹鋼外殼電熱元件，每只電熱元件功率4.17 kW，額定工作電壓380 V，然后再把這些加熱元件分成25 kW和50 kW兩組，兩組獨(dú)立控制，可同時(shí)使用也可單獨(dú)使用。正常情況下使用50 kW，如加熱功率不夠時(shí)可全部投入使用，這樣即可防冰，又能達(dá)到節(jié)電目的。為有效保護(hù)加熱器，延長(zhǎng)使用壽命，在加熱器接線倉(cāng)中設(shè)有超溫保護(hù)控制器，當(dāng)加熱器超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)切斷電源。

[1]葉學(xué)群.熱工理論與流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)商業(yè)出版社，1997.