寒蔥溝水庫(kù)取水塔微加熱抗冰凍設(shè)計(jì)研究

常宗濱，何 權(quán)

(1. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(kù)取水塔為豎井塔式混凝土結(jié)構(gòu)，和48 m長(zhǎng)的檢修橋相連接。前期設(shè)計(jì)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(chǎn)生較大的傾斜，于2009年對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改，對(duì)橋面板部分換用鋼結(jié)構(gòu)，減載達(dá)到75%，加上對(duì)取水塔，橋基礎(chǔ)采取人工破冰防凍措施，經(jīng)過(guò)幾年的連續(xù)觀測(cè)顯示基本控制住了繼續(xù)變形。但是人工防冰危險(xiǎn)極大，差點(diǎn)產(chǎn)生惡性的事故。為此黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)塔身提出了用超導(dǎo)熱材料，用自動(dòng)化控制的方式對(duì)這個(gè)建筑物進(jìn)行加熱保護(hù)的設(shè)計(jì)實(shí)施方案。通過(guò)加熱使建筑物四周產(chǎn)生一條1 ～2 cm的水槽，切斷由于冰凍產(chǎn)生的冰壓力和凍脹力，達(dá)到保護(hù)建筑物目的。

2 基本理論分析

水工建筑物被動(dòng)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(lái)由于有大量的超導(dǎo)熱材料如熱管、動(dòng)力熱管，碳纖維加熱等出現(xiàn)，且均在國(guó)內(nèi)外的寒區(qū)實(shí)地工程中運(yùn)用［1］。本次設(shè)計(jì)就結(jié)合本項(xiàng)工程的特點(diǎn)采用先進(jìn)超導(dǎo)熱技術(shù)。比選了多個(gè)方案:壓力空氣法由于管路較長(zhǎng)，冬季運(yùn)行稍有故障停機(jī)1 h就容易凍死造成癱瘓事故;熱管加熱法的設(shè)備造價(jià)及制造維護(hù)難度均較大，且超導(dǎo)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(chǎng)的作用下發(fā)熱，發(fā)熱體中的碳分子團(tuán)產(chǎn)生“布朗運(yùn)動(dòng)”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產(chǎn)生的熱能以遠(yuǎn)紅外輻射和對(duì)流的形式對(duì)外傳遞，其電能與熱能的轉(zhuǎn)換率高達(dá)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(huì)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(shí)際需要作如下任意形狀改變實(shí)心園柱型、空心園柱型、○型、□型、∩型等適應(yīng)工程的各種型狀(如圖1)碳纖維沿著受熱面布置。經(jīng)過(guò)殼體材料迅速的傳導(dǎo)到受熱面。

2.3 碳纖維發(fā)熱材料符合GB/T4654 －2008 標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)國(guó)家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心質(zhì)檢，在加速老化設(shè)備上測(cè)試:在發(fā)熱溫度＜300 ℃情況下，其使用壽命可達(dá)10 萬(wàn)h，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:鎳鉻合金金屬發(fā)熱材料合格產(chǎn)品的使用壽命為3 000 h

圖1 板型熱源傳導(dǎo)路徑示意圖

圖2 加熱時(shí)間和氣溫及受熱體溫度關(guān)系實(shí)測(cè)曲線

2.4 自動(dòng)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(hào)傳到集中控制箱。時(shí)間控制系統(tǒng):根據(jù)防護(hù)期的時(shí)間周期確定設(shè)定加熱周期內(nèi)啟動(dòng)時(shí)間。這兩套系統(tǒng)相互確定調(diào)整加熱的時(shí)間位置及功率。

圖2 的表格是西泉眼水庫(kù)和本次寒蔥溝水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的加熱時(shí)間、功率對(duì)水溫影響的實(shí)測(cè)表。以此為基本依據(jù)確定的環(huán)境溫度和加熱時(shí)間和有溫控傳感器自動(dòng)控制加熱時(shí)相符的。加熱面板的功率也可由此表格參數(shù)復(fù)核確定。

3 取水塔熱板防冰凍設(shè)計(jì)

3.1 基本條件

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

3.2 設(shè)計(jì)方案

以水塔197.8 高程以下最外端截面為基準(zhǔn)，預(yù)留50 mm間隙及混凝土澆筑誤差，熱板內(nèi)側(cè)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(dòng)葫蘆同步起升。

3.3 熱板設(shè)計(jì)

熱板分片制造，片與片之間現(xiàn)場(chǎng)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(gè)區(qū)域，3個(gè)區(qū)域分配功率從冰面到結(jié)冰厚度梯次減少，每個(gè)區(qū)域分別控制加熱，共計(jì)13.5 千瓦。整個(gè)冬天以180 d 計(jì)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(shè)導(dǎo)向板，在197.8 高程以下能順利進(jìn)入變截面區(qū)域。熱板發(fā)熱高度1 300 mm，按照結(jié)冰厚度1 200 mm。

3.4 安裝設(shè)計(jì)

在水塔啟閉機(jī)安裝平臺(tái)高程217.5 設(shè)置4個(gè)480 ×300 的起吊孔;起吊孔上以膨脹螺栓固定安裝基礎(chǔ)埋件;在基礎(chǔ)埋件上依次螺栓連接機(jī)架和立柱;立柱上面螺栓連接吊裝電動(dòng)葫蘆;吊桿與吊桿之間、吊桿與電動(dòng)葫蘆之間、吊桿與熱板之間以銷軸連接?；A(chǔ)埋件將來(lái)自機(jī)架的力傳遞到牛腿上，機(jī)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(jī)架力偶達(dá)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(jié) 論

通過(guò)2 a的運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，效果良好，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本項(xiàng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shè)計(jì)［J］．黑龍江水利科技，2001(01):77 －79．