冯熊

摘要：近年来全球极端气候和重大自然灾害出现越来越频繁，北方某水库多次出现冬季气温骤降对水库挡水闸门安全运行造成了极大的安全隐患，该文主要将信息技术、传感技术与传统水利工程钢闸门防冰冻相结合，利用先进的PLC控制程序，实现水利工程钢闸门防冰冻智能化。此方法简单、节能、高效，且安全性更高，有较好的应用前景。

关键词：钢闸门 PLC控制器 防冰冻 传感技术 自动控制

中图分类号：TV698.26   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Design and Research of Gate Anti Freezing System Based on PLC Control

FENGXiong

（Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University， Lanzhou， Gansu Province， 730000 China）

Abstract： In recent years， global extreme climate and major natural disasters have become more and more frequent. The sudden drop of temperature in winter in a reservoir in the North has caused great potential safety hazards to the safe operation of the reservoir water retaining gate. This paper mainly combines information technology and sensing technology with the anti freezing of steel gate in traditional hydraulic engineering， and uses advanced PLC control program， Realize the anti freezing intelligence of steel gate in hydraulic engineering. This method is simple， energy-saving， efficient， and more safe， and has a good application prospect.

Key Words： Steel gate;PLC controller; Anti freezing;Sensing technology;Automatic control

1概述

北方某水库总库容1.278亿m³，坝址位于黑河支流讨赖河的夹山峡处，坝址以上流域面积12 439km2，多年平均年径流量3.508亿m³，为一座以灌溉为主、兼防洪、发电、养殖等综合效益的大Ⅱ型水库，现状总库容1.278亿m³，主要拦蓄讨赖河、洪水河、清水等三條季节性河流冬春雨水、调节夏季洪水。多年平均气温8.5 ℃，极端最低气温为-29.6 ℃。最早封冻期为11月28日，最晚解冻期3月25日，最大河心冰厚0.9 m。为解决温度变化频繁引起的闸门防冰冻问题，该文通过该水库防冰冻系统研究，将信息技术、传感技术用于传统的钢闸门防冰冻设施，实现集环境监测、设备故障排查、自动报警、自动启停的智能化钢闸门防冰冻系统，有效的提高闸门冬季挡水和开启泄洪的时的安全性，减少人为操作失误的安全风险[1]。

2防冰冻系统现状分析

《水利水电工程钢闸门设计规范》明确规定：“闸门不得承受冰的静压力。防止冰静压力的方法，应根据气温及库水位变化等条件，因地制宜地选用，一般采用潜水泵、压缩空气泡、开凿冰沟或其他方法，使闸门与冰层隔开。当遇特殊情况，可能承受部分冰静压力时，应进行强度验算。需要在冰冻期间操作的闸门，除其止水应尽量严密外，尚应采取保温或加热等措施，使闸门与门槽不致冻结。[2]”

该水库溢流坝共设11扇泄洪工作闸门，采用电热法进行闸门防冰冻，当日平均温度低于-5 ℃时，开启电热系统对闸门和埋件进行加热除冰，经多年运行，发热电缆老化，发热效率低，多次出现因漏电导致发热系统断电，闸门因承受冰荷载造成永久变形，除冰系统出现故障后无法及时发现，对水库冬季运行造成了较大的安全隐患。

信息技术发展迅速，但传统水利工程信息化、智能化程度仍较低，运行管理多以人工巡视、检查为主，年久失修的防冰冻系统也是水库运行管理中的一大风险源[3]。

3除冰系统的选择

根据防冰采用的能量类型不同，一般可分为机械除冰系统（如冰盖开槽）、物理除冰系统（如表面防冻液）、热防护系统（如电热法），目前水利工程中采用的防冰方法主要包括压力水射流法、电热油箱法、门叶电热法、冰盖开槽法、冰盖保温法或其他方法，除冰盖开槽法外，绝大多数是热防护原理。

冰盖保温法是在闸门前水面覆盖保温材料，使闸门前水面不结冰，投资较低，但在严寒地区可靠性差，维护更换较为频繁，采用较少;冰盖开槽法是在闸门冰盖上前凿除一条冰沟，使库面冰盖不直接作用于闸门面板上，该方法操作难度大、需要反复凿冰，工人站冰盖上操作存在较大的安全风险，新建工程采用较少。

电热法主要是通过热交换使闸门前水面温度高于冰点，使水面一直处于液态的方法，主要是通过电能转换成热能传递至水面和埋件上，从而达到防冰冻的目的;此类方法是在闸门门叶背水面和埋件中设置发热元件，利用发热元件将热量传递至埋件和门叶，使闸门及止水与水接触部位形成液态，从而达到防冰冻的目的。但发热元件热效率会随时间不断衰减，寿命周期一般为5年，到期后更换起来较困难;且长时间运行能耗较高，运行费用较高，发热元件存在漏电的安全风险;该方法目前水深较小的平原型水库和水闸系统中应用较多。

压力水射流法是将库底水温较高的水，通过潜水泵提升至库水面与低温水进行热交换，使闸门前形成一定宽度的液态水面，从而达到防冰冻的目的，该方法主要的思路是利用自然界热源交换。但该方法不适用于库水较浅的平原型水库;压力射水喷嘴会因为库水沉淀物堵塞失效;若低温季节来临前未提前启动潜水泵将水流动起来，有可能会造成管道内水结冰，使管道堵塞而失效，优点是能耗低，投资小、除冰效果好。

上述方法各有优缺点，经比较采用水库深水处高温水热交换的方法从经济上、能耗上均具有一定的优势，通过集成传感技术、信息技术能够有效的避免管道内水结冰和喷嘴堵塞等缺点，该文研究的闸门除冰系统选择压力水射流法进行闸门防冰冻[4]。

4压力水射流法防冰冻系统设计

4.1防冰冻系统布置

压力水射流法防冰冻系统主要由潜水泵、射流管道、喷嘴、电动提升器、PLC控制系统组成;该项目共11扇闸门，设一套防冰冻系统，每个闸墩上布设1台电动提升器，電动提升器之间用联轴器连接为整体，可使射流管同时升降;为防止管道堵塞，采用具有防倒流功能的逆止喷嘴，喷嘴间距布设间距为1.5 m，喷嘴朝上固定在射流管上，喷嘴的淹没深度一般为2～5 m，经现场试验确定该项目喷嘴淹没深度为2.5 m;为确保潜水泵所取水温满足除冰要求（水温不低于4 ℃），潜水泵淹没深度为8 m，潜水泵利用钢丝绳悬挂固定在射流管一端，根据库水位变化与射流管整体调整其高程，为保证闸门止水处不结冰，射流管布置在距闸门面板1.5 m的距离处。该水库防冰冻系统布置图见图1。

图1防冰冻系统布置图

4.2射流孔射流速度确定

射流速度V0（m/s）与淹没深度、射流冲击速度、射流孔直径有关，并按下列公式计算：

V0=（0.16V_C h_g）/d

V0—射流孔的出口速度（m/s）Vc—射流冲击速度（取大于0.3m/s）

hg—射流管淹没深度（m）

d—射流孔直径（m）

经计算，该项目采用的射流速度为12m/s。

4.3潜水泵选择

潜水泵选择主要包括确定流量、扬程、功率三个参数，潜水泵的流量和扬程应满足闸门前融冰的要求;不冻水面宽度按射流管距闸门面板距离的2倍进行考虑，且水泵扬程不小于2倍潜水泵淹没深度。

5防冰冻系统控制流程研究

闸门防冰冻控制系统由温度监测仪、水位计、PLC控制器、视频监控系统、声光报警系统、电话报警系统等组成，形成一个闭环的监测、控制系统;防冰冻系统控制方式分为自动控制、手动控制两种模式。

手动模式主要用于系统出现故障或检修后调试，通过控制面板上的切换按钮，将控制模式切换至手动，操作人员可以通过水泵启停按钮和射流管升降按钮控制除冰系统的运行远程控制即为在水库管理中心进行控制操作，在极端天气来临前可启动除冰系统，验证系统的可靠性[5]。

水库冬季运行时，将除冰系统运行模式切换至自动模式，由PLC控制器自主调整除冰系统的运行参数，并根据设定条件进行判断自动启停除冰系统。PLC控制通过温度、水位传感器采集信号，自主分析判断。当库水位变幅超过0.5 m时，PLC控制器发出指令控制提升器相应地降低（升高）射流管的高度，自动适应水位的变幅，使射流管淹没深度处于2.0 m～2.5 m范围之内。闸门主梁上设应力计监测主梁的应力变化，当应力持续变化幅度大于5 MPa时，PLC控制器向中控室发出声光报警信号，值班人员通过视频监控查看闸门前结冰情况，并通过远程操作启动除冰系统，避免气温骤降门前形成较大的静冰荷载。闸墩上设温度监测仪监测环境温度，当气温低于-5 ℃持续时间超过2 h时，启泵间隔时间设定为30 min，气温高于-5 ℃时，启泵间隔时间设定为1 h，除冰系统每次运行的时长为1 h。

为防止泄洪的过程中损坏除冰系统，通过PLC控制器将除冰系统与闸门启闭系统设为互锁状态，当提升器位于水面以上时，闸门控制系统才能开启闸门，能够有效避免了泄洪时对除冰系统的冲击、损坏[6]。

6应用及优点

该项目采用了可以防止倒流的逆止喷嘴，能够有效地防止水库中泥沙的沉淀造成喷嘴堵塞，设置喷嘴提升卷扬机，通过水位计测量水位，PLC控制器自动调整射流管淹没深度，提高了防冰冻装置的可靠性。将先进的传感技术与PLC控制系统的相结合，形成了集环境温度监测、库水位测量、除冰设备控制为一体的综合控制系统，实现闸门控制与防冰冻装置的互锁，避免了人为操作失误造成泄洪时对除冰设施的损坏。

7结语

通过传统防冰冻装置与现代信息技术相结合，实现水库闸门防冰冻的智能化，有效地减小水库管理人员劳动强度，减少运行管理费用，提高了运行管理水平，降低了水库冬季运行的安全风险，该技术在高寒地区水库建设中具有广阔的应用前景，值得推广应用;同时该系统也可用于中、大型水库大坝的防冰冻。

参考文献

[1]徐志林.寒区水工结构新型防冰冻技术研究[J].人民长江，2019，50（11）：156-161.

[2]王培坤，吕睦，闫浩，等.基于PLC的南水北调中线西黑山排冰闸自控系统研究[J].水电站机电技术，2019，42（4）：18-21.

[3]王豹，李欣，薛业章，等.闸门冰冻压力消解气囊在三河闸工程中的应用[J].治淮，2020（1）：48-50.

[4]邓雪松.溢流表孔弧形工作闸门设计和应用[J].小水电，2020（6）：56-60.

[5]胡方田.南水北调中线工程水工钢闸门防冰冻技术[J].河南水利与南水北调，2018，47（12）：68-69.

[6]王雪岩，李国宁，王文强，等.基于BIM的液压顶推升降式翻板闸结构设计[J].水利规划与设计，2021（10）：117-123.