新疆地區長距離輸水渠道冬季防凍結技術試驗研究

哈 仙

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

水資源是制約社會經濟發展的重要因素，我國水資源總量是豐富的，但存在嚴重的空間不均情況[1]，為解決水資源分布均衡的問題，需要修建大量的長距離輸水渠道[2]，由于在西北地區，尤其是新疆地區冬季的低溫較低，難免會出現結冰現象，渠道中發生冰凍后，不僅會破壞水工建筑物，而且容易形成堵塞，減小斷面過流能力，嚴重影響渠道的輸水效率[3-5]。為了解決這一問題，常常采取定點爆破、機械破除、修建攔冰建筑物或者導冰建筑物等措施來減輕冬季結冰對渠道輸水效率的影響，但是效果均不是很好，定點定面的防凍效果始終難以滿足長距離輸水渠道的防凍要求[6-8]。

基于上述原因，本文提出利用電纜加熱技術對長距離輸水渠道進行防凍結試驗[9]，探討了在該方式下不同渠道斷面流速下的防凍效果，以期能為新疆地區長距離輸水渠道冬季防凍結工作提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 模型設計

渠道斷面型式為梯形，底面寬為40cm，頂面寬為1.4m，深度為50cm，斜壁坡坡比為1∶1，渠道壁面由內向外依次由骨架層(鋼板)、保溫層(塑料泡沫板)、防滲層(塑料薄膜)和襯砌層(麻面瓷磚)4個功能層組成。整個渠道模型為一個U型，順直段長度為1.5m，彎曲段外側半徑大小為1m，整個試驗系統除了渠道以外，還包括水泵、管道、水箱以及水槽等結構組成，水泵為變頻柜控制，主要功能為調節渠道內的水流流速大小。制冷系統主要由低溫試驗箱、壓縮機、溫度傳感器等組成，可實現-50～80℃的溫度控制。

電熱系統主要由發熱電纜(單相并聯恒功率)、控制終端以及溫度傳感器等結構組成，發熱電纜沿著渠道壁面和水箱一周進行布置，安裝位置位于行水線處，控制終端主要功能是調節發熱電纜的輸出功率(可調節0～140W/m的輸出功率)，同時在渠道內布置1個溫度傳感器斷面(S2)和2個散熱裝置斷面。試驗模型示意如圖1所示。

圖1 試驗模型示意

1.2 試驗方案

模型的試驗原理：通過加熱電纜向水域和大氣中散失熱量，使渠道行水線附近水溫增高防止渠道壁面出現冰凍現象，當渠壁附近水溫保持在0℃之上時(沒有結冰現象)，則認為渠道水面不會發生凍結。由于長距離輸水渠道需要鋪設大量的發熱電纜，為了節約電能消耗量，必須尋找最佳的電纜輸出功率。電纜輸出功率不僅與環境溫度有關，而且與渠道中水流的流速相關。本試驗中，根據新疆地區冬季日均最低氣溫統計情況，將環境溫度控制在-10℃，渠道水流流速設計0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3m/s。

在0.05m/s流速下，加熱電纜輸出功率為80、90、100W/m 三種工況；在0.1m/s流速下，加熱電纜輸出功率為70、80、90W/m 三種工況；在0.15m/s流速下，加熱電纜輸出功率為70、80、90、100W/m 四種工況；在0.2m/s流速下，加熱電纜輸出功率為50、60、70、80W/m 四種工況；在0.25m/s流速下，加熱電纜輸出功率為80、90W/m 兩種工況；在0.3m/s流速下，加熱電纜輸出功率為80、90、100W/m 三種工況。具體試驗工況見表1。

表1 試驗設計工況

1.3 試驗現象

工況1：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.05m/s，加熱電纜輸出功率為80W/m時，渠道內形成了冰蓋，而加熱電纜輸出功率為90、100W/m，渠道內無結冰現象；工況2：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.1m/s，加熱電纜輸出功率為70、80W/m時，渠道內形成冰蓋，而當輸出功率為90W/m時，渠道內無結冰現象；工況3：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.15m/s，加熱電纜輸出功率為70W/m時，渠道內有浮冰冰蓋現象，當加熱電纜輸出功率為80、90、100W/m時，渠道內無結冰現象；工況4：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.2m/s，加熱電纜輸出功率為50W/m時，渠道內有浮冰冰蓋現象，當加熱電纜輸出功率為60、70、80W/m時，渠道內無結冰現象；工況5：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.25m/s，加熱電纜輸出功率為80W/m時，渠道內形成岸冰、冰橋，當加熱電纜輸出功率為90W/m時，渠道內無結冰現象；工況6：當環境溫度為-10℃，渠道內平均斷面流速為0.3m/s，加熱電纜輸出功率為80W/m時，渠道內出現少許岸冰，當加熱電纜輸出功率為90、100W/m時，渠道內沒有出現結冰現象。

2 試驗結果分析

2.1 防凍結最小功率

通過室內試驗現象，總結得到不同渠道斷面平均流速下的防凍結最小功率情況見表2。從表2中可知：隨著渠道斷面平均流速的增大，防凍結最小功率呈先減小后增大的變化特征；當渠道斷面平均流速處于低位時，由于水流紊動較小，導致渠道內水面更容易結冰形成冰蓋，因而需要更大的功率來維持渠道壁面溫度，從而避免出現結冰現象，斷面平均流速為0.05～0.1m/s時，防凍結最小功率為80～90W/m；當渠道內斷面平均流速處于高位時，由于水流的紊動較大，快速流動的水流會帶走大量的熱量，因而也需要更大的功率來維持渠道壁面溫度，避免出現結冰現象，斷面平均流速為0.25～0.1m/s時，防凍結最小功率也為80～90W/m。綜上分析可知：當環境溫度基本保持不變的情況，渠道內的水流流速不應過小或者過大，當斷面平均流速為中位值時，可以形成一個相對平衡的狀態，防凍結的最小功率處于一個較低水平，當渠道斷面平均流速為0.15m/s時，防凍結最小功率為70～80W/m，當渠道斷面平均流速為0.2m/s時，防凍結最小功率僅為50～60W/m。

表2 防凍結最小功率統計結果

2.2 加熱干預前后凍結效果對比

不同斷面平均流速下電纜加熱干預前后冰蓋形成時間如圖2所示(均選擇不同工況下形成冰蓋的功率進行分析)。從圖2中可知：當不采取電纜加熱干預措施時，渠道內形成冰蓋的時間隨斷面平均流速的增大而逐漸增大，當采取電纜加熱干預措施時，渠道內形成冰蓋的時間隨斷面平均流速的增大呈先減小后增大的變化特征，當斷面平均流速為0.15m/s時，形成冰蓋的時間最短，僅為6h。相同斷面平均流速下，采取電纜加熱干預后，渠道內形成冰蓋的時間明顯大于不采取加熱措施，在0.05m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了64.7倍；在0.1m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了10.3倍；在0.15m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了5.6倍；在0.2m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了2倍；在0.25m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了2.8倍；在0.3m/s流速時，冰蓋形成時間較不加熱時延遲了3.6倍。

圖2 加熱干預前后冰蓋形成時間

2.3 冰蓋厚度增長率

不同斷面平均流速下的冰厚增長率情況如圖3所示。從圖3中可知：隨著斷面平均流速的增大，冰蓋厚度增長率呈線性減小的變化特征，這說明增大渠道內的水流流速，可以減小冰蓋厚度的增長幅度；相同斷面平均流速下，未采取加熱干預措施的冰蓋厚度增長率是采取加熱措施下的4～7倍，由此可見，采取電纜加熱干預措施對于預防渠道凍結的效果是顯著的。

圖3 冰蓋厚度增長率隨斷面平均流速的變化規律

3 結論

提出采用電纜加熱方式對新疆地區長距離輸水渠道進行凍結防凍，通過室內試驗，得出如下結論。

(1)最小防凍功率隨著渠道斷面平均流速的增大呈先減小后增大的變化特征，當斷面平均流速為0.2m/s時，防凍結最小功率最小，僅為50～60W/m，此時防凍成本最低。

(2)未采取加熱措施時，冰蓋形成時間隨流速增大而逐漸增大，采取加熱措施干預后，冰蓋形成時間隨流速增大呈先減小后增大變化特征，采取加熱措施后可明顯延長冰蓋的形成時間。

(3)冰蓋厚度增長率隨斷面平均流速增大而逐漸減小，相同斷面平均流速下，未采取加熱干預措施的冰蓋厚度增長率是采取加熱措施下的4～7倍。

(4)采用電纜加熱方式可有效延長渠道冰蓋形成時間，減輕冰凍對長距離輸水渠道的影響，同時在采取電熱加熱時，宜控制渠道斷面流速適中。