寒葱沟水库取水塔微加热抗冰冻设计研究

2015-10-29常宗滨

黑龙江水利科技 2015年2期

常宗滨，何权

(1. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2. 黑龙江省水利厅，哈尔滨150001)

1 概述

寒葱沟水库取水塔为竖井塔式混凝土结构，和48 m长的检修桥相连接。前期设计是4.5 m混凝土桥通向坝顶。桥由排架支撑，一头搭接在取水塔上。由于冻胀等原因使桥面产生较大的倾斜，于2009年对其进行了设计修改，对桥面板部分换用钢结构，减载达到75%，加上对取水塔，桥基础采取人工破冰防冻措施，经过几年的连续观测显示基本控制住了继续变形。但是人工防冰危险极大，差点产生恶性的事故。为此黑龙江省水利水电勘测设计研究院对塔身提出了用超导热材料，用自动化控制的方式对这个建筑物进行加热保护的设计实施方案。通过加热使建筑物四周产生一条1 ～2 cm的水槽，切断由于冰冻产生的冰压力和冻胀力，达到保护建筑物目的。

2 基本理论分析

水工建筑物被动抗冰冻方法常用的有人工破冰法、压力空气法、油加热法等。近些年来由于有大量的超导热材料如热管、动力热管，碳纤维加热等出现，且均在国内外的寒区实地工程中运用［1］。本次设计就结合本项工程的特点采用先进超导热技术。比选了多个方案:压力空气法由于管路较长，冬季运行稍有故障停机1 h就容易冻死造成瘫痪事故;热管加热法的设备造价及制造维护难度均较大，且超导液体易泄露，所以均没有采用。采用的是碳纤维作为热源加热材料，面板状布置在取水口四周。

2.1 碳纤维加热原理

碳纤维在电场的作用下发热，发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，其电能与热能的转换率高达98%以上。碳分子的作用使电热板表面温度迅速升高，热能就会源源不断地均匀传递到冰块上。

2.2 面板型热源热板

热源为面状传递距离更短传递路径增加、更加安全可靠、使用寿命高。板状热板可根据工程实际需要作如下任意形状改变实心园柱型、空心园柱型、○型、□型、∩型等适应工程的各种型状(如图1)碳纤维沿着受热面布置。经过壳体材料迅速的传导到受热面。

2.3 碳纤维发热材料符合GB/T4654 －2008 标准，并通过国家红外及工业电热产品质量监督检验中心质检，在加速老化设备上测试:在发热温度＜300 ℃情况下，其使用寿命可达10 万h，中国国家标准规定:镍铬合金金属发热材料合格产品的使用寿命为3 000 h

图1 板型热源传导路径示意图

图2 加热时间和气温及受热体温度关系实测曲线

2.4 自动控制系统

由碳纤维加热的板状热板是有2 套控制系统控制。温度控制系统:是采用温度控制传感器采集信号传到集中控制箱。时间控制系统:根据防护期的时间周期确定设定加热周期内启动时间。这两套系统相互确定调整加热的时间位置及功率。

图2 的表格是西泉眼水库和本次寒葱沟水库现场实测的加热时间、功率对水温影响的实测表。以此为基本依据确定的环境温度和加热时间和有温控传感器自动控制加热时相符的。加热面板的功率也可由此表格参数复核确定。

3 取水塔热板防冰冻设计

3.1 基本条件

水塔 197.8 高程以上外围截面尺寸长8 700 mm，宽4 700 mm;当地最低气温:－41.5 ℃;最大冰度1 220 mm;水位变化区域10 m。预设水槽宽度2 cm，水温0 ～2 ℃。

3.2 设计方案

以水塔197.8 高程以下最外端截面为基准，预留50 mm间隙及混凝土浇筑误差，热板内侧尺寸为9100 × 5400，热板最大厚度200 mm，热板高度:1 300 mm;热板自重:W =7 500 mm，吊杆自重:G=12 580 kg，起重总重量:Q =9 620 kg，采用四部起重量为30 kN的电动葫芦同步起升。

3.3 热板设计

热板分片制造，片与片之间现场螺栓连接固定，控制箱置于水塔顶部，采用分区加热方式分3个区域，3个区域分配功率从冰面到结冰厚度梯次减少，每个区域分别控制加热，共计13.5 千瓦。整个冬天以180 d 计算用电量大约在20 000 kW·h～25 000 kW·h。

热板采用碳钢制造，钢板厚度6 mm，加热装置采用碳纤维，相比较金属电阻丝其使用寿命可提高30倍。热板底部设导向板，在197.8 高程以下能顺利进入变截面区域。热板发热高度1 300 mm，按照结冰厚度1 200 mm。

3.4 安装设计

在水塔启闭机安装平台高程217.5 设置4个480 ×300 的起吊孔;起吊孔上以膨胀螺栓固定安装基础埋件;在基础埋件上依次螺栓连接机架和立柱;立柱上面螺栓连接吊装电动葫芦;吊杆与吊杆之间、吊杆与电动葫芦之间、吊杆与热板之间以销轴连接。基础埋件将来自机架的力传递到牛腿上，机架正压力与牛腿支反力平衡，牛腿正压力、牛腿剪切力形成力偶与机架力偶达到平衡。