不同防冰凍技術(shù)在寒區(qū)水庫的對比試驗

張同軍

(清原滿族自治縣水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 撫順 113300)

在我國東北、華北和西北等季節(jié)性寒冷地區(qū)，水庫在冬季蓄水運行過程中，水面大面積冰凍封庫[1]。寒區(qū)大中型水庫區(qū)別于其他地區(qū)水庫的特點，是冬季冰凍會對水庫金屬結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等各類建筑物造成危害，導(dǎo)致破壞后果重、范圍廣、修復(fù)難，對水庫發(fā)揮調(diào)蓄供水、興利除害作用降低，危及下游城市、廠礦、企業(yè)及人民生命財產(chǎn)安全[2]。近年來，國內(nèi)對水庫冬季防冰凍取得一些研究成果[3-10]，但對防冰凍技術(shù)及其性能指標研究還較少，未能系統(tǒng)提出適合于東北寒區(qū)水庫金屬結(jié)構(gòu)的最優(yōu)防冰凍技術(shù)[11]。目前，國內(nèi)水庫冬季防冰凍應(yīng)用較好的3種技術(shù)分別為風機吹泡法[12]、壓縮空氣吹泡法[13]和壓力水射流法[14]，但各類技術(shù)在東北寒區(qū)水庫防冰凍效果和性能上還未有對比研究。為了解東北地區(qū)寒區(qū)水庫金屬結(jié)構(gòu)防冰凍措施的性價比，下文對國內(nèi)應(yīng)用的3種防冰凍技術(shù)進行效果對比。

1 水庫防冰凍技術(shù)

1.1 壓力水射流法

將水庫底部較高溫度的水體，通過水泵或潛水泵進行抽取是壓力水射流法的主要防凍措施。水體在水工結(jié)構(gòu)通過水泵時進行熱交換，提升了水面溫度從而防止結(jié)冰。壓力水射流法具有較好的防凍效果，但是需要較大的設(shè)備投入成本。此外，在設(shè)備運行期間，由于連續(xù)作業(yè)，產(chǎn)生較高的電力成本。此法在大中型水庫金屬結(jié)構(gòu)融冰措施中應(yīng)用較為廣泛。

1.2 壓力空氣吹泡法

壓力空氣吹泡法的主要工作原理，是在水工結(jié)構(gòu)前的水面，利用空氣壓縮機進行空氣輸送。通過管路，把深水中的空氣進行壓縮，利用較高溫度的水流，進行噴射，以便在水體表面或冰蓋產(chǎn)生較大水流，從而對水庫金屬結(jié)構(gòu)進行融冰。對壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)而言，消耗氣流量一般取值0.03m3/(m·min)。通常情況下，需要2臺壓縮機，互為備用。閘門附近水體，會因吹氣嘴距離閘門的距離過近而大量集聚，進而加速閘門銹蝕程度。相較而言，該技術(shù)原理和操作都較為簡單，但氣口調(diào)整較為困難，同時需要消耗較多的電力和較高的運行成本。

1.3 風機吹泡法

風機吹泡法防冰凍技術(shù)，是在壓力空氣吹泡法的基礎(chǔ)上，對供氣設(shè)備進行更換，由原來能耗大、風壓高、出氣量小的空氣壓縮機，更換為能耗低、風壓適中、出氣量大的風機。此法提高了防冰凍的效率，同時，可降低技術(shù)所需能耗。

2 試驗方案

為驗證技術(shù)的可行性與合理性，研究開展室內(nèi)防冰凍試驗，需要對比防冰凍技術(shù)。通過對3種防冰凍技術(shù)在室內(nèi)防冰凍試驗，驗證防冰凍效果和能耗水平，作出比選。

2.1 試驗條件

試驗地點選擇在遼寧省撫順市的某冷庫。試驗場地位于冷庫中部位置，場地尺寸為長度為3.8m，寬度為1.8m，高度為2.6m。試驗區(qū)域中心布置水槽、溫控系統(tǒng)和不同防冰凍設(shè)備。試驗區(qū)域的溫度可控制在-10～-18℃范圍，用以模擬寒冷地區(qū)冬季的氣溫條件。

2.2 設(shè)備

(1)試驗水槽。試驗水槽尺寸為1.8m×0.8m×1.5m(長×寬×深)，水槽上方為敞口式，四周及底部采用雙層苯板厚0.1m保溫。在水槽內(nèi)部裝滿淡水，淡水取自庫區(qū)內(nèi)天然地下水蓄水池。

(2)溫控系統(tǒng)。試驗水槽的水深為1.0m。在實況水庫氣候條件下，水庫水面以下，水溫隨深度的增加逐漸升高，庫底溫度一般保持在4℃左右。因此，在室內(nèi)防冰凍試驗中水槽底部，即水面以下1.0m處，溫度設(shè)定為-0.5～0℃。為保證槽底溫度在此范圍內(nèi)，采用溫控系統(tǒng)進行溫度調(diào)控。該系統(tǒng)由加熱器、溫度傳感器、智能溫控儀組成。智能溫控系統(tǒng)由溫度傳感器測量水槽底部溫度，并由智能溫控儀和加熱器負責溫度調(diào)節(jié)。當槽底溫度低于-0.5℃時，智能溫控儀輸出“開”信號，接通加熱電源，對槽底水加熱。當槽底水溫升至0℃時，智能溫控儀輸出“關(guān)”信號，斷開加熱器電源，停止加熱。在試驗進行過程中，智能溫控系統(tǒng)始終保持工作，加熱或停止，反復(fù)進行，以保證槽底溫度在-0.5～0℃之間。

(3)防冰凍技術(shù)裝置。氣噴頭型防冰凍裝置，可用于壓力空氣吹泡法和風機吹泡法2種防冰凍技術(shù)的試驗研究。不同之處在于：前者采用空氣壓縮機供給氣體，后者采用普通風機供給氣體。氣噴頭防冰凍裝置由氣噴頭(噴管)、氣體供給設(shè)備、熱交換器、電度表組成。電度表用來計量空氣壓縮機或吹風機消耗的電量，由此推算出該裝置工作時的實際功率。

3 結(jié)果對比

3.1 氣噴頭裝置防冰凍效果

傳統(tǒng)的壓力空氣吹泡法及研究提及的風機吹泡法，都屬于以空氣為介質(zhì)的防冰凍方法，二者試驗裝置除氣體供給設(shè)備不同之外，其他均相同。空氣壓縮機功率高，轉(zhuǎn)速低，出風量?。浑x心式吹風機功率低，轉(zhuǎn)速高，出風量大。2次試驗所用的氣體供給設(shè)備的性能參數(shù)對比，見表1。設(shè)定池底溫度0～-0.5℃，試驗區(qū)域溫度-12.0℃，用以模擬寒冷地區(qū)冬季的氣溫條件。對比試驗中噴管，選用直徑為20mm的PVC管材。在試驗水槽中布置1根噴管：長1.8m，氣孔直徑2mm，氣孔間距0.3m。噴孔安裝在水面以下0.2m處，將氣噴管與氣體供給設(shè)備連接。供氣設(shè)備與電源之間裝單相電能表，計量電能消耗量。每組試驗水槽一側(cè)布置噴管，另一側(cè)不布置，作為對比觀測，對比試驗觀測結(jié)果如表2所示。

表1 氣體供給設(shè)備性能參數(shù)

表2 氣噴頭防冰凍試驗功率和能耗

從表2可以看出，壓縮空氣吹泡法和風機吹泡法均能很好地起到防冰凍效果。但風機吹泡法在防冰凍功率和能耗上優(yōu)勢明顯，防冰凍功率為壓縮空氣吹泡法的1/25，而實際能耗僅為壓縮空氣吹泡法的1/35。

3.2 風機吹泡法與壓力射水法防冰凍效果

為比較風機吹泡法的氣噴頭防冰凍裝置和壓力射水法的水噴頭防冰凍裝置這2種不同原理的防冰凍方法的防冰凍性能，壓力射水法采用低功率的微型水泵，功率為30W，與風機吹泡法的離心式吹風機功率保持一致，比較二者實際防冰凍效果。2種介質(zhì)供給設(shè)備的性能參數(shù)，見表3。設(shè)定池底溫度0～-0.5℃，試驗區(qū)域溫度-12℃，用以模擬寒冷地區(qū)冬季的氣溫條件。對比試驗中水噴頭每根噴管長度為1.8m，水槽內(nèi)共布置1根噴管，采用φ20PVC管間隔0.3m制作水平水噴頭，噴孔直徑2mm，每根噴管布置水噴頭5個，布置深度0.2m。介質(zhì)供給設(shè)備與電源之間裝單相電能表，計量電能消耗量。每組試驗水槽一側(cè)布置防冰凍裝置，另一側(cè)不布置作為對比側(cè)，對比觀測試驗結(jié)果如表4所示。

表3 防冰凍介質(zhì)供給設(shè)備性能參數(shù)

表4 防冰凍試驗功率和能耗

從壓力水射流法和風機吹泡法防冰凍試驗?zāi)芎呐c效率對比結(jié)果可看出，2種方法均能起到防冰凍效果，且防冰凍功率相同，但風機吹泡法在實際能耗和穩(wěn)定性上占據(jù)優(yōu)勢，實際能耗為壓力水射流法的67.5%，且壓力水射流法的噴頭在介質(zhì)水溫較低的情況下可能會發(fā)生凍住的情況。

4 結(jié)論

(1)壓縮空氣吹泡法和風機吹泡法均能很好地起到防冰凍效果，但風機吹泡法在防冰凍功率和能耗上優(yōu)勢明顯，防冰凍功率為壓縮空氣吹泡法的1/25，而實際能耗僅為壓縮空氣吹泡法的1/35。

(2)在3種防凍技術(shù)中，風機吹泡法的實際能耗為壓力水射流法的67.5%，壓力水射流法的噴頭，在介質(zhì)水溫較低的情況下，可能發(fā)生凍住的情況，建議可推廣使用。

(3)研究僅對3類寒區(qū)水庫防凍技術(shù)的性能進行了對比分析，未對其具體造價成本進行研究，后續(xù)可把其性價比納入考量，進行綜合分析，以便確定更優(yōu)的水庫金屬結(jié)構(gòu)防凍技術(shù)。