張文偉

（貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

貴州地區(qū)是我國(guó)凝凍災(zāi)害發(fā)生頻繁的地區(qū)[1],幾乎每年有11 月中旬持續(xù)到來(lái)年2 月上旬[2-3]的凝凍偶發(fā)。持續(xù)的惡劣天氣給人民帶來(lái)極大的影響。灌溉渠道的水閘多處于城市郊區(qū)和山區(qū)林地,所處位置的天氣、環(huán)境條件普遍較差,配套生產(chǎn)設(shè)備缺乏維護(hù)。受凝凍天氣持續(xù)作用,易發(fā)生閘門(mén)凍結(jié)、面板變形和結(jié)構(gòu)銹蝕的現(xiàn)象,使水閘正常的功能失效[4]。

為了防止水閘覆冰影響啟閉運(yùn)行,除合理選擇水閘結(jié)構(gòu)材料外,還應(yīng)采取必要的除冰措施,如機(jī)械除冰、加熱除冰等[5]。凝凍主要由雨凇、霧凇和混合淞在物體表面形成覆冰層[6],且凝凍天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),覆冰始終處于融化和增長(zhǎng)的變化過(guò)程中,簡(jiǎn)單的除冰方法不能避免積冰再次發(fā)生。

1 伴熱帶防/除冰技術(shù)方案

1.1 電加熱除冰法

電熱除冰的原理是利用加熱元器件持續(xù)或周期性工作升高金屬部件溫度,使附著在結(jié)構(gòu)表面的積冰融化松動(dòng),在重力或外部載荷的作用下脫落[7]。主要由熱源系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和智能測(cè)控系統(tǒng)組成。

1.2 伴熱帶保溫

“伴熱帶”是電伴熱系統(tǒng)的重要組成部分,可以保持生產(chǎn)設(shè)備、工藝管線和液體容器所需要的工作溫度范圍,預(yù)防液體結(jié)冰的發(fā)生[8]。工業(yè)中主要使用的自控溫伴熱帶由鍍鋅軟銅導(dǎo)線、PTC 芯帶（發(fā)熱層）、絕緣層、金屬屏蔽層和外部絕緣層組成（見(jiàn)圖1）,可以根據(jù)周圍溫度的波動(dòng)調(diào)整發(fā)熱量,補(bǔ)償保溫設(shè)備熱量損耗,避免伴熱帶過(guò)熱。加熱電纜按照輸出功率可以分為低功率、中功率和大功率：小于35 W/m的為低功率線纜；35 W/m～65 W/m 的為中功率線纜；大于65 W/m 的為大功率線纜,加熱電纜大多支持多種供電方式。

圖1 自控溫伴熱帶

1.3 水閘防/除冰系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)技術(shù)按照“以防為先”的設(shè)計(jì)思想,重點(diǎn)保護(hù)圖2所示水閘移動(dòng)工作部件,在閘門(mén)后表面安裝電伴熱帶,分為如圖3 所示的外圍保溫區(qū)和中心加熱區(qū),實(shí)現(xiàn)防凍與融冰兩種工況。圖3 中電伴熱帶在實(shí)際應(yīng)用中連續(xù)盤(pán)繞安裝,分段繪制是為了標(biāo)明分布的范圍。系統(tǒng)依據(jù)凝凍天氣條件分區(qū)運(yùn)行。凝凍天氣高發(fā)季節(jié)“以防為先”,主動(dòng)開(kāi)啟圖3 沿閘門(mén)密封區(qū)域外圍伴熱帶,維持水閘密封連接部溫度在結(jié)冰點(diǎn)以上,避免水閘密封連接部?jī)鼋Y(jié)；惡劣天氣突發(fā),導(dǎo)致水閘凍結(jié)無(wú)法開(kāi)啟,此時(shí)啟動(dòng)全部伴熱帶融冰,實(shí)現(xiàn)脫冰提閘。按氣象條件和實(shí)際設(shè)備運(yùn)行的工況進(jìn)行分區(qū)域投入運(yùn)行可有效降低系統(tǒng)功耗。

圖2 水閘三維模型圖

圖3 伴熱帶閘門(mén)分區(qū)布置示意圖

2 水閘防/除冰系統(tǒng)工作傳熱特征

2.1 有限元模型

參照科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)水閘結(jié)構(gòu)參數(shù),在Ansys 中建立如圖4（a）所示的幾何模型,由門(mén)槽、閘門(mén)和電伴熱帶三部分組成。閘門(mén)尺寸為1.6 m×1.5 m×0.16 m,門(mén)槽尺寸為3.16 m×1.65 m×0.3 m。沿兩側(cè)邊布置三條伴熱帶,底部布置雙排伴熱帶,組成保溫“防冰”工作區(qū)。單條長(zhǎng)度約1.4 m,共計(jì)8 條,總長(zhǎng)約11.2 m。側(cè)邊與門(mén)槽間距約為100 mm,底部與門(mén)槽間距約為50 mm。在閘門(mén)保溫“防冰”工作區(qū)內(nèi)部,“橫向”間隔50 mm 布置28 條伴熱帶,長(zhǎng)度約1.4 m（同前）,與外圍防冰工作區(qū)共同組成加熱“融冰”工作區(qū),總長(zhǎng)約50.4 m。

圖4 水閘有限元模型（后視圖）

2.2 參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分

傳熱仿真分析主要考慮水閘結(jié)構(gòu)材料Q235 的熱導(dǎo)率,其常溫下的熱導(dǎo)率為60.5 W/（m·℃）。電伴熱帶功率為60 W/m,按照伴熱帶寬度12 mm 計(jì)算得到單位面積熱功率為5416 W/m2。設(shè)置水閘表面對(duì)流傳熱系數(shù)為10 W/（m2·℃）（可取值范圍0～25 W/（m2·℃）,取中等對(duì)流強(qiáng)度）。

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量會(huì)影響分析的速度和結(jié)果的精度。因水閘和電伴熱帶結(jié)構(gòu)尺寸相差很大,應(yīng)分區(qū)設(shè)置網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖4（b）,水閘整體網(wǎng)格尺寸為0.05 m,伴熱帶網(wǎng)格尺寸為0.005 m。

凝凍高發(fā)季節(jié)冰凍發(fā)生時(shí)的天氣溫度在-6℃～1℃范圍變化,為保證系統(tǒng)在廣大高原地區(qū)的系統(tǒng)運(yùn)行的適應(yīng)性,提高系統(tǒng)抵抗氣象條件波動(dòng)的能力,熱分析時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度為-10℃。

2.3 熱分析結(jié)果

2.3.1 保溫工作區(qū)電伴熱帶升溫特性

系統(tǒng)處于保溫“防冰”狀態(tài)運(yùn)行時(shí),經(jīng)ANSYS 仿真計(jì)算得到環(huán)境溫度-10℃水閘溫度分布。此時(shí)水閘溫度在-10℃～9.8℃之間變化,水閘前后表面電伴熱帶覆蓋區(qū)域溫度較高,閘門(mén)頂部門(mén)槽的溫度高于0℃,門(mén)槽支撐梁遠(yuǎn)離加熱區(qū),溫度接近環(huán)境溫度。

通過(guò)ANSYS 軟件內(nèi)置探針工具,觀察水閘前后表面,閘門(mén)和門(mén)槽密封連接處溫度分布。沿單側(cè)閘門(mén)從上到下均勻布置四個(gè)探針,得到前表面測(cè)點(diǎn)溫度分別為3.09℃、5.24℃、5.16℃和5.14℃,后表面溫度分別為5.08℃、5.84℃、9.21℃和6.99℃。在閘門(mén)底邊中心布置單個(gè)探針,得到前后表面底部溫度為3.74℃和7.29℃。

分析各測(cè)溫點(diǎn)探針溫度值,可知前表面密封連接區(qū)溫度在3℃～5℃左右,后表面密封連接部分的溫度在5℃～9℃。因此當(dāng)系統(tǒng)處于保溫“防冰”狀態(tài),可在環(huán)境溫度為-10℃時(shí),維持水閘密封接觸區(qū)域的溫度高于結(jié)冰溫度,實(shí)現(xiàn)保溫防冰的目的。

2.3.2 電伴熱帶全局加熱升溫特性

系統(tǒng)處于加熱“融冰”狀態(tài)時(shí),電伴熱帶全部工作,經(jīng)ANSYS 計(jì)算得到環(huán)境溫度-10℃水閘溫度分布。此條件下水閘溫度在-10℃～70.78℃之間變化,中心“橫向”布置伴熱帶顯著提高了閘門(mén)整體溫度,閘門(mén)頂部門(mén)槽的溫度高于16℃。水閘門(mén)槽支撐梁溫度基本保持在環(huán)境溫度。

通過(guò)ANSYS 軟件內(nèi)置探針工具,依據(jù)前述觀察方法,沿單側(cè)閘門(mén)從上到下均勻布置四個(gè)探針,得到前表面測(cè)點(diǎn)溫度分別為36.23℃、44.32℃、45.23℃和40.66℃,后表面溫度分別為41.99℃、49.32℃、47.09℃和44.14℃。在閘門(mén)底邊均布置三個(gè)探針,得到前表面底部溫度為43.59℃、50.03℃和47.74℃,后表面底部溫度為47.28℃、57.16℃和54.09℃

分析各測(cè)溫點(diǎn)探針溫度值,可知前表面密封連接處溫度在36℃～50℃左右,后表面密封連接部分的溫度在41℃～57℃。因此當(dāng)防/除冰系統(tǒng)處于加熱“融冰”狀態(tài),可在環(huán)境溫度為-10℃時(shí)保持閘門(mén)溫度,滿足解凍除冰的要求。

3 工業(yè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

在科研實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)輸水流道及量水控制研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),和開(kāi)展水閘升溫監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)選用平面直板漏頂鋼制閘門(mén)段,閘門(mén)材質(zhì)為Q235 鋼,閘板尺寸：寬1.5 m×高1.6 m,門(mén)體重量約0.5 t,閘門(mén)啟閉機(jī)選用DC48 V供電的LQ30 kN 的螺桿；輸水渠道為矩形明渠實(shí)驗(yàn)段水渠。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2021 年12 月,期間環(huán)境溫度在-5℃～-1 ℃內(nèi)變化。當(dāng)閘板與門(mén)槽開(kāi)始出現(xiàn)部分凍粘時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)分別記錄防/除冰系統(tǒng)工作在“防冰”和“融冰”狀態(tài)下的水閘溫度分布。溫度傳感器布置如圖5 所示,在水閘兩側(cè)分別布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn),共12 個(gè)測(cè)點(diǎn)。面向水閘前表面左側(cè)為1#～6#,右側(cè)為7#～8#,12 月13 日至12 月19 日期間系統(tǒng)以“防冰”狀態(tài)運(yùn)行,12 月20 日至12 月26 日系統(tǒng)以“融冰”狀態(tài)運(yùn)行,各狀態(tài)運(yùn)行期間,間隔兩小時(shí)采集水閘各測(cè)點(diǎn)溫度和環(huán)境溫度,得到溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間環(huán)境溫度在-4.90℃～0.99℃間變化。

圖5 溫度傳感器安裝位置

表1 測(cè)點(diǎn)溫度變化特征 單位：℃

3.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果分析

表1 統(tǒng)計(jì)了各測(cè)點(diǎn)在“防冰”和“融冰”狀態(tài)下監(jiān)測(cè)溫度變化的總體特征,可知電伴熱帶使水閘溫度總體高于環(huán)境溫度,1#和7#溫度測(cè)點(diǎn)位于水閘加熱區(qū)域邊緣,溫度較其他2#～6#和8#～12#溫度測(cè)點(diǎn)低。當(dāng)系統(tǒng)處于“防冰”狀態(tài)時(shí),各位置溫度隨環(huán)境溫度變化有明顯波動(dòng),1#和7#測(cè)點(diǎn)溫度均值分別為5.21℃和5.78℃,最低溫度大于0℃。2#～6#測(cè)點(diǎn)和8#～12#測(cè)點(diǎn)溫度均值如表1 所示,計(jì)算測(cè)點(diǎn)總體溫度均值為11.64℃。當(dāng)系統(tǒng)處于“融冰”狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)功率提升,2#～6#測(cè)點(diǎn)和8#～12#測(cè)點(diǎn)溫度傳感器監(jiān)測(cè)水閘核心加熱區(qū)域的溫度范圍在40℃～60℃,測(cè)點(diǎn)總體平均溫度為49.37℃。試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫度變化雖略有差異但數(shù)值基本穩(wěn)定,受環(huán)境溫度影響較小。1#和7#測(cè)點(diǎn)的溫度在19℃～30℃范圍內(nèi),平均溫度分別為23.71℃和23.59℃。

綜合上述分析,水閘防/除冰系統(tǒng)的保溫范圍高于結(jié)冰點(diǎn),融冰溫度穩(wěn)定,加熱核心區(qū)域的溫度可以滿足融冰的要求,因此項(xiàng)目研究提出方案可以實(shí)現(xiàn)保溫防凍和加熱融冰的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)傳熱特征理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,證明本文提出利用電伴熱帶建立水閘防/除冰系統(tǒng)是可行的,能夠滿足防范凝凍災(zāi)害的要求,在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）合理設(shè)計(jì)伴熱帶布置方式建立水閘防/除冰系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保溫防凍和加熱融冰,可適應(yīng)凝凍天氣持續(xù),積冰反復(fù)的特點(diǎn),保障水閘運(yùn)行。

（2）通過(guò)劃分保溫“防冰”和加熱“融冰”功能,可減少能耗損失,改善水閘啟閉機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性。