冬季弧形闸门自动破冰装置研究

王环东

（松江河发电厂，吉林抚松134500）

位于高寒地区的水电站，冬季冰冻期间，当冰层达到一定厚度时，冰层的作用力可能对水工建筑物及水工闸门造成危害，如撕裂大坝面板止水、压裂弧门铰支座、撕裂弧门及闸门水封等。东北某电站曾发生过因弧门前结冰导致弧门被冰的上抬力开启的事故。因此冬季必须在结冻的弧门及闸门前进行破冰，避免以上事故的发生。

1 弧门闸门防冻方法

1.1 防冻吹冰法

防冻吹冰是利用空压机打出的压缩空气，通过供气管路将压缩空气从水库一定深度喷出，形成一股强烈的上升温水流，它既能融化冰层，又能防止结成新冰层。防冻吹冰系统一般需两台空压机、两只贮气罐、管网及控制元件等，整体费用较高。

1.2 人工破冰法

人工破冰就是利用人为的方法，实时地将结冰的冰层打开，防止结冻。人工破冰费用比防冻吹冰系统费用低得多，但人工破冰危险程度太高，容易发生事故。

1.3 电伴热法

利用电伴热的手段在弧门上形成一个不冻的温水区域。其缺点主要是电伴热水下绝缘问题的保证，一旦绝缘失效，势必造成系统短路而造成事故扩大。

1.4 潜水泵法

这种方法是利用潜水泵把水抽上来，经过钢管上的小孔在水中射出，从而形成连续不断的水流，达到防止局部结冰的目的，目前寒冷地区大部分水电厂均采用此方法。而这种方法存在的问题是水位变化时需人工进行水泵入水深度的调整，一旦调整不及时，水面即会结冰。

2 松江河发电厂弧门破冰现状

松江河发电厂位于长白山区松花江支流上，冬季气侯严寒，湖面结冻时间长达5个月，湖面最深冻层达1.5 m，弧门前冰层厚度也达到了1.3 m。2003年开始采用潜水泵涌浪的方法进行弧门前的破冰工作。因系统设计不合理等原因，经常出现潜水泵长时间运行烧损、人工调节水泵入水深度不及时、电缆被冰拉断等故障，严重影响弧门的安全运行。

为了彻底解决系统存在的诸多问题，经过多方调研，从装置升降的自动控制、电缆自动伸缩等方面进行了理论计算和专项研究。

3 设备选型

3.1 喷嘴的选择

原破冰装置喷嘴采用8只DN32的直管通过DN50主干管向水面涌水，此方法基本解决了水面结冻的问题，但门槽两侧及电机电缆处经常出现结冰现象，曾发生过电缆由于冰凌造成断裂的事故。为此利用动水的反作用力原理，将喷嘴改为斜向45°方向喷射，最外侧喷嘴喷出的水流射到混凝土表面会发生反弹，在两侧混凝土墙体间区域形成一个自然的环流，达到扰动的效果，其它喷嘴出口均与浮筒、电缆及钢丝绳设置在一条直线上，这样就有效杜绝了配套设施的结冰问题。具体情况见图1。

图1 喷嘴设置示意图Fig.1 Layout of the nozzles

3.2 浮筒的选择

系统采用两台水泵一主一备的设计方式，两台水泵总重量为90 kg，排水干管总长度为8 m，重量为143 kg，出口逆止阀总重10 kg，浮筒固定支架重40 kg，总重283 kg。为保证受力均衡，采用双浮筒方式，每个浮筒的承载力应大于150 kg，这样才能保证整个装置浮于水面。根据装置布置结构，定制了单个承载能力为150 kg的不锈钢圆形浮筒，与装置本体采用环形卡套固定方式，这样有利于以后的维修工作。

3.3 定位导向系统确定

虽然实现了装置的自动升降功能，但没有一套限位机构势必造成装置的来回摆动，为此在排水干管两侧加装了两只导向环（ϕ5 mm圆钢）。导向环直径为12 mm，之后门槽上部用槽钢向下固定一根ϕ8 mm的钢丝绳，下部分别用一只80 kg的圆柱形重锤做牵引，重锤放至门槽底部做配重，用于拉紧钢丝绳，钢丝绳拉紧后就形成了一个导向滑道。至此定位导向系统就建立起来了。

3.4 控制系统的确定

为实时监视弧门破冰装置的运行效果，在每个门槽内安装了一只摄像头。摄像头通过现地控制单元将信号传输至电站中央控制室，这样运行人员可随时监视弧门破冰装置的运行情况。同时专门为破冰装置编制了一套具有自动、手动控制的PLC程序，并将控制信号通过光纤引至中央控制，运行人员可根据湖面结冰情况随时对系统进行操作，大大降低了系统的运行费用。

4 结语

经过一个冬季的运行检验，该套破冰系统破冰效果明显、运行稳定可靠，解决了弧门水封的漏水问题，大大提高了弧门运行的稳定性。同时弧门破冰自动升降系统的实现解决了高寒地区弧门破冰无法实现自动调节的难题，为解决水工建筑物及弧门冰害问题提供了借鉴，具有一定的推广价值。■