船閘檢修門門槽端部防冰設計

曹錫山

（黑龍江省航道局，哈爾濱 150026）

1 設計背景

松花江屬平原季節性冰凍河流，一般每年11月上旬開始流冰，冰厚一般約0.2 m，歷時20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封凍長達140 d，冰厚一般為0.5～1.0 m，最大冰厚可達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，隨著我國平原季節性封凍河流建設的首座航電樞紐工程——松花江大頂子山航電樞紐開工建設，標志著松花江渠化將要全面啟動。

在平原季節性冰凍河流上建設航電樞紐，若不對船閘采取防凍防冰措施，冬季船閘在冰凍作用下，其金屬結構會發生變形，嚴重冰凍可摧毀船閘;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，開江時間較天然狀態滯后，導致通航期縮短;流冰期的流冰可堵塞船閘、阻礙船閘的正常開閉，使船閘無法使用、過往船舶無法過閘。如不解決這些問題或解決的不好，都將影響到通航期、樞紐正常運行、引發各類事故、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臨時擋水用的閘門，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難題。

通過研究，我們提出采用油循環加熱防冰方法來防止檢修閘門門槽端部結冰。

2 油循環加熱防冰法的工作原理

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

3 檢修閘門門槽端部的防冰設計

3.1 檢修門埋件及加熱體結構

檢修門埋件及加熱體結構見圖1～3。

3.2 加熱器功率計算

加熱器是加熱油法的核心設備，其功率大小直接決定著防冰凍效果，功率過大，耗電大，防冰成本增加甚至可能造成浪費;功率小，防冰效果不理想，也可能達不到預期的效果。合理確定加熱器功率是研究中需要解決的關鍵問題。

計算加熱器功率時，參考了葉學群主編的《熱工理論與流體力學基礎》等資料[1]，計算過程如下：

3.2.1 求出口溫升

計算公式為：

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

說明在不考慮加熱損耗系數時，經計算用50 kW電功率，能把每小時流量5 000 kg油溫升18℃。

3.2.2 求電功率

已知總油量W=5 000 kg，進口溫度=-20℃，出口溫度=100℃，Cp=0.48 Kcal/Kg·℃，根據實際環境溫度和加熱體積，設定6 h加熱。

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

齒輪油泵外形尺寸、主要性能規格參數見表1～2。

圖1 油槽加熱系統平面圖

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格參數表

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，兩組獨立控制，可同時使用也可單獨使用。正常情況下使用50 kW，如加熱功率不夠時可全部投入使用，這樣即可防冰，又能達到節電目的。為有效保護加熱器，延長使用壽命，在加熱器接線倉中設有超溫保護控制器，當加熱器超過設定溫度時，自動切斷電源。

[1]葉學群.熱工理論與流體力學基礎[M].北京：中國商業出版社，1997.