磁河節制閘融冰裝置控制參數研究

摘 要：為驗證以埋件表面溫度作為閘門槽融冰裝置控制參數的可行性，在南水北調中線工程京石段磁河節制閘建立試驗平臺，分別以埋件腔內溫度和表面溫度作為不同閘門融冰裝置控制參數，對采集的溫度數據進行對比，從埋件溫度變化、熱量損耗、能耗等方面進行分析。結果表明：埋件表面溫度控制方案可滿足融冰需要，且5 ℃為最佳控制基準溫度;與原控制方案相比，具有明顯經濟性的同時，溫度傳感器安裝簡便，控制精確，電伴熱帶加熱頻率低、時間短，使用壽命得到大幅度延長。

關鍵詞：融冰裝置;控制參數;溫度數據;埋件;南水北調中線工程

中圖分類號：TV663 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.024

引用格式：朱志偉.磁河節制閘融冰裝置控制參數研究[J].人民黃河，2022，44（2）：121-124，128.

Abstract： In this research， the surface temperature of imbed parts was used as the control parameter of the ice melting device in the gate slot. In order to verify the feasibility of this study， an experimental platform was established for the Cihe control gate in Jingshi section of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project. Taking the temperature in the cavity and the surface of the imbed parts as the control parameters of different gate ice melting devices， the collected temperature data were compared， and the change of imbed parts temperature value， thermal losses and power consumption were analyzed and discussed. The results show that the surface temperature control scheme of imbed parts can meet the needs of ice melting and 5 ℃ is the best control reference temperature. Compared with the original control method， it has obvious economy. At the same time， the temperature sensor has simple installation and precise control. The heating time and power consumption of electric tracing band are reduced. The service life is greatly extended. The results provide some reference for the improvement of gate slot ice melting device technology in the future.

Key words： ice melting device;control parameter;temperature data;imbed parts;South-to-North Water Diversion Middle Route Project

南水北調中線工程京石段緯度較高，冬季最低氣溫可下降至-20 ℃，全年結冰期約100 d[1-2]。總干渠采取定水位運行方式，閘門啟閉頻繁，融冰裝置的穩定可靠是保證輸水安全的重要前提[3-4]。京石段初期采用熱油融冰，因其故障率較高，故后期對融冰裝置進行升級改造。

改造工程在埋件原有導熱油循環空腔內共植入10根電伴熱帶（20VPL2-CT），將埋件腔內溫度作為融冰裝置控制參數。在實際運行后發現溫度傳感器在腔內位置不能精確設置，所測數值可能與其在腔內所處位置有關，以此作為融冰裝置控制參數會產生一定偏差。在同類改造工程中，大多采用將融冰裝置基準控制溫度提高10 ℃的方法，雖融冰效果得到保證，但能耗顯著增加[5-6]。在埋件腔內精確設置傳感器位置工程量巨大，為保證融冰效果可靠且具有最佳經濟性，有必要將埋件表面溫度作為融冰裝置控制參數展開相關研究[7]。

1 融冰裝置溫度控制方案

在南水北調中線工程京石段磁河節制閘建立試驗平臺，對2018年2月2日至3月11日共計38 d的埋件溫度數據進行采集。磁河節制閘共計3孔弧形工作閘門，1#閘門埋件融冰裝置采用原控制方案，即埋件腔內溫度控制方案，2#、3#閘門埋件融冰裝置采用埋件表面溫度控制方案。

1.1 溫度控制方案

1#閘門埋件融冰裝置控制基準溫度為90 ℃，控制范圍為90 ℃±10 ℃;2#、3#閘門埋件融冰裝置控制基準溫度分別為5 ℃和8 ℃，控制范圍分別為5 ℃±2 ℃和8 ℃±2 ℃。具體控制參數見表1。

當環境溫度下降到0 ℃以下時，融冰裝置進入工作狀態，環境溫度回升到5 ℃以上時，融冰裝置停止工作。當傳感器測量數值低于開始加熱溫度時，融冰裝置進入滿功率加熱狀態;測量數值達到控制基準溫度時，切除40%（功率）電伴熱帶，60%（功率）電伴熱帶繼續工作;測量數值低于開始加熱溫度時，切除的40%（功率）電伴熱帶重新投入工作;測量數值達到停止加熱溫度時，電伴熱帶全部停止工作。

1.2 埋件表面溫度傳感器布置方案

經測量，埋件加熱區域表面溫度場呈不均勻分布，故在埋件表面上、中、下三個位置布設貼片式溫度傳感器（編號1～3號）。2號溫度傳感器設置于埋件表面加熱區域中心位置，距上、下邊界均為1 084.5 mm;1號、3號溫度傳感器分別設置于距上、下邊界450 mm處，所在位置分別為加熱區域上、下部溫度最低處（2018年1月31日預試驗測量得出），傳感器具體分布如圖1所示（圖1中箭頭所指為傳感器布置位置），以2號溫度傳感器測量數值作為融冰裝置控制信號。

2 埋件溫度數據采集方案

溫度傳感器輸出的RTD信號，由PLC模擬量輸入模塊接收后，經A/D轉換為溫度數據[8]，存儲在PLC數據緩存區內，并隨著PLC掃描周期進行刷新[9-10]。調用PLC數據日志功能，將溫度數據存放在數據存儲器中，以報表形式（.CSV文件）被讀取，其系統架構如圖2所示。

3 埋件溫度數據分析

在試驗過程中，融冰裝置只有在2月2—11日期間為全天運行狀態，運行狀態見表2。根據磁河節制閘環境溫度（如圖3所示），2月4日、5日及6日閘站所處環境溫度為試驗期間最低，最低溫度分別為-8、-9、-9 ℃，與同年當地冬季最低環境溫度接近，故對這3 d的埋件溫度數據進行分析。一孔閘門兩側埋件的溫度數據基本相同，且2月4日、5日及6日溫度數據相差不大，故以1#閘門右側埋件、2#閘門左側埋件和3#閘門右側埋件2月5日溫度數據作為主要分析對象，下文簡稱為1#～3#埋件。

3.1 埋件溫度數據分析

如圖4所示，1#埋件腔內上、下部溫度在同一時間段變化規律不一致，表現在同一時間點溫度略有差異，這可能是傳感器在腔內位置不能精確設置所致;埋件表面各部位溫度波動規律一致，數值較穩定，日溫差均為2.5 ℃左右，但溫度場不同導致上、中、下部的溫度值不同，分別維持在30、43、38 ℃左右，故原控制方案可滿足融冰需要。1#埋件溫度特征值見表3。

傳熱方程為[11]

式中：Q為傳熱速率;K為總傳熱系數;A為傳熱面積;Δtm為平均溫度差。

由式（1）可知，傳熱速率Q與總傳熱系數K、傳熱面積A、平均溫度差Δtm有關。試驗期間，總傳熱系數K、傳熱面積A變化很小，假設為恒定值，而平均溫度差Δtm與埋件溫度和環境溫度有關[12]。

1#埋件表面溫度遠高于5 ℃（融冰裝置停止工作所需環境溫度）且相對恒定，因而埋件表面與環境平均溫度差值較大，傳熱速率較快，推斷原控制方案會產生極大的非必要功率損耗與散熱損耗[13-14]。

根據融冰裝置加熱規律，將融冰裝置滿功率加熱、降功率加熱以及無功率散熱所經歷的一次循環設為一個加熱周期。由圖4可知，1#埋件融冰裝置一個加熱周期中只存在滿功率與降功率加熱時期，且滿功率與降功率加熱時間在不同加熱周期中無明顯變化，另外埋件各部位溫度特征值幾乎無變化，故認為使用原控制方式時，埋件腔內與表面溫度受環境溫度影響極小，可忽略不計。

為與原控制方案傳感器安裝方式進行對比，2#、3#埋件腔內溫度傳感器采用精確定位安裝方式。如圖5所示，2#埋件腔內上、下部溫度變化規律表現一致，同一時間點溫度接近，故原控制方案腔內溫度傳感器設置方式會產生溫度偏差;埋件表面溫度隨腔內溫度變化而變化，波動范圍與控制參數相符，但上下存在輕微浮動，為熱延遲原因所致，其中埋件表面上、中、下部溫度均符合融冰需要[15]。2#埋件溫度特征值見表4。

試驗期間，融冰裝置在不同加熱周期中滿功率與降功率加熱時間均保持在10 min與5 min左右，故融冰裝置處于加熱狀態時，熱傳遞所產生的散熱損耗對埋件內能影響較小。但可以看出，環境溫度變化能夠對加熱周期產生明顯影響，主要發生在無功率散熱時期，此時融冰裝置停止加熱，埋件自然散熱，當環境溫度發生變化時，平均溫度差值發生變化，從而影響傳熱速率，故無功率散熱時間改變。

如圖6所示，3#埋件與2#埋件溫度變化規律基本相同。

3#埋件融冰裝置在不同加熱周期中滿功率與降功率加熱時間均保持在10 min與5 min左右，與2#埋件相差不大，推斷可能是溫度基準參數相差較小引起的，但與2#埋件相比，加熱周期明顯縮短，故基準溫度的提高使埋件表面與環境平均溫度差值增大，導致傳熱速率加快，縮短了埋件無功率散熱時間，推斷3#埋件融冰裝置耗電量明顯高于2#埋件融冰裝置的。此外，埋件表面上、中、下部溫度均符合融冰需要。3#埋件溫度特征值見表5。

3.2 融冰裝置加熱數據分析

融冰裝置加熱數據見表6，1#埋件融冰裝置加熱次數與耗電量分別為2#埋件融冰裝置的34.09倍、20.11倍，3#埋件融冰裝置加熱次數與耗電量分別為2#埋件融冰裝置的3.00倍、3.75倍，可知原控制方案加熱次數與耗電量明顯高于埋件表面溫度控制方案的。采用埋件表面溫度控制方案，控制基準溫度設為5～8 ℃時，融冰裝置加熱次數、耗電量隨基準溫度上升而上升，所得結果驗證了前文推斷。

根據相關研究可知，電伴熱帶加熱次數、使用時長的減少能有效延長其使用壽命[15];此外，采用埋件表面溫度控制方案，埋件表面溫度監控直接，無需經導熱環節推算，可實際反映融冰效果，控制更加精準。

由表4、表5可知，埋件表面實際溫度平均值接近控制基準溫度，控制基準溫度越低，與環境平均溫度差值越小，此時散熱損耗越小，但埋件表面溫度會與控制參數稍有偏差，為保證融冰效果，根據控制參數設定方法，控制基準溫度不宜低于5 ℃，故選定5 ℃為埋件表面溫度控制方案的控制基準溫度。綜合各方面因素可知，2#埋件融冰裝置控制方案表現最佳。

4 結 語

研究表明，埋件表面溫度控制方案可滿足融冰需要，且能在低溫環境中穩定運行。原控制方案會造成明顯溫度測量偏差，且會產生大量非必要功率損耗及散熱損耗，與其相比，埋件表面溫度控制方案具有明顯經濟效益。

原控制方案融冰裝置加熱次數與時長明顯大于埋件表面溫度控制方案的，故埋件表面溫度控制方案有利于延長電伴熱帶使用壽命。

采用埋件表面溫度控制方案，埋件表面溫度無需經導熱環節推算，控制更加精準;同時，埋件表面溫度傳感器易安裝，位置可控，不受埋件結構所限制。

對于埋件表面溫度控制方案，隨控制基準溫度的提高，電伴熱帶加熱次數、加熱時間、耗電量明顯提高，綜合得出5 ℃為最佳控制基準溫度，在保證融冰效果的同時，可使散熱損耗最小。

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【責任編輯 張華巖】