磁河节制闸融冰装置控制参数研究

摘 要：为验证以埋件表面温度作为闸门槽融冰装置控制参数的可行性，在南水北调中线工程京石段磁河节制闸建立试验平台，分别以埋件腔内温度和表面温度作为不同闸门融冰装置控制参数，对采集的温度数据进行对比，从埋件温度变化、热量损耗、能耗等方面进行分析。结果表明：埋件表面温度控制方案可满足融冰需要，且5 ℃为最佳控制基准温度;与原控制方案相比，具有明显经济性的同时，温度传感器安装简便，控制精确，电伴热带加热频率低、时间短，使用寿命得到大幅度延长。

关键词：融冰装置;控制参数;温度数据;埋件;南水北调中线工程

中图分类号：TV663 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.024

引用格式：朱志伟.磁河节制闸融冰装置控制参数研究[J].人民黄河，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

南水北调中线工程京石段纬度较高，冬季最低气温可下降至-20 ℃，全年结冰期约100 d[1-2]。总干渠采取定水位运行方式，闸门启闭频繁，融冰装置的稳定可靠是保证输水安全的重要前提[3-4]。京石段初期采用热油融冰，因其故障率较高，故后期对融冰装置进行升级改造。

改造工程在埋件原有导热油循环空腔内共植入10根电伴热带（20VPL2-CT），将埋件腔内温度作为融冰装置控制参数。在实际运行后发现温度传感器在腔内位置不能精确设置，所测数值可能与其在腔内所处位置有关，以此作为融冰装置控制参数会产生一定偏差。在同类改造工程中，大多采用将融冰装置基准控制温度提高10 ℃的方法，虽融冰效果得到保证，但能耗显著增加[5-6]。在埋件腔内精确设置传感器位置工程量巨大，为保证融冰效果可靠且具有最佳经济性，有必要将埋件表面温度作为融冰装置控制参数展开相关研究[7]。

1 融冰装置温度控制方案

在南水北调中线工程京石段磁河节制闸建立试验平台，对2018年2月2日至3月11日共计38 d的埋件温度数据进行采集。磁河节制闸共计3孔弧形工作閘门，1#闸门埋件融冰装置采用原控制方案，即埋件腔内温度控制方案，2#、3#闸门埋件融冰装置采用埋件表面温度控制方案。

1.1 温度控制方案

1#闸门埋件融冰装置控制基准温度为90 ℃，控制范围为90 ℃±10 ℃;2#、3#闸门埋件融冰装置控制基准温度分别为5 ℃和8 ℃，控制范围分别为5 ℃±2 ℃和8 ℃±2 ℃。具体控制参数见表1。

当环境温度下降到0 ℃以下时，融冰装置进入工作状态，环境温度回升到5 ℃以上时，融冰装置停止工作。当传感器测量数值低于开始加热温度时，融冰装置进入满功率加热状态;测量数值达到控制基准温度时，切除40%（功率）电伴热带，60%（功率）电伴热带继续工作;测量数值低于开始加热温度时，切除的40%（功率）电伴热带重新投入工作;测量数值达到停止加热温度时，电伴热带全部停止工作。

1.2 埋件表面温度传感器布置方案

经测量，埋件加热区域表面温度场呈不均匀分布，故在埋件表面上、中、下三个位置布设贴片式温度传感器（编号1～3号）。2号温度传感器设置于埋件表面加热区域中心位置，距上、下边界均为1 084.5 mm;1号、3号温度传感器分别设置于距上、下边界450 mm处，所在位置分别为加热区域上、下部温度最低处（2018年1月31日预试验测量得出），传感器具体分布如图1所示（图1中箭头所指为传感器布置位置），以2号温度传感器测量数值作为融冰装置控制信号。

2 埋件温度数据采集方案

温度传感器输出的RTD信号，由PLC模拟量输入模块接收后，经A/D转换为温度数据[8]，存储在PLC数据缓存区内，并随着PLC扫描周期进行刷新[9-10]。调用PLC数据日志功能，将温度数据存放在数据存储器中，以报表形式（.CSV文件）被读取，其系统架构如图2所示。

3 埋件温度数据分析

在试验过程中，融冰装置只有在2月2—11日期间为全天运行状态，运行状态见表2。根据磁河节制闸环境温度（如图3所示），2月4日、5日及6日闸站所处环境温度为试验期间最低，最低温度分别为-8、-9、-9 ℃，与同年当地冬季最低环境温度接近，故对这3 d的埋件温度数据进行分析。一孔闸门两侧埋件的温度数据基本相同，且2月4日、5日及6日温度数据相差不大，故以1#闸门右侧埋件、2#闸门左侧埋件和3#闸门右侧埋件2月5日温度数据作为主要分析对象，下文简称为1#～3#埋件。

3.1 埋件温度数据分析

如图4所示，1#埋件腔内上、下部温度在同一时间段变化规律不一致，表现在同一时间点温度略有差异，这可能是传感器在腔内位置不能精确设置所致;埋件表面各部位温度波动规律一致，数值较稳定，日温差均为2.5 ℃左右，但温度场不同导致上、中、下部的温度值不同，分别维持在30、43、38 ℃左右，故原控制方案可满足融冰需要。1#埋件温度特征值见表3。

传热方程为[11]

式中：Q为传热速率;K为总传热系数;A为传热面积;Δtm为平均温度差。

由式（1）可知，传热速率Q与总传热系数K、传热面积A、平均温度差Δtm有关。试验期间，总传热系数K、传热面积A变化很小，假设为恒定值，而平均温度差Δtm与埋件温度和环境温度有关[12]。

1#埋件表面温度远高于5 ℃（融冰装置停止工作所需环境温度）且相对恒定，因而埋件表面与环境平均温度差值较大，传热速率较快，推断原控制方案会产生极大的非必要功率损耗与散热损耗[13-14]。

根据融冰装置加热规律，将融冰装置满功率加热、降功率加热以及无功率散热所经历的一次循环设为一个加热周期。由图4可知，1#埋件融冰装置一个加热周期中只存在满功率与降功率加热时期，且满功率与降功率加热时间在不同加热周期中无明显变化，另外埋件各部位温度特征值几乎无变化，故认为使用原控制方式时，埋件腔内与表面温度受环境温度影响极小，可忽略不计。

为与原控制方案传感器安装方式进行对比，2#、3#埋件腔内温度传感器采用精确定位安装方式。如图5所示，2#埋件腔内上、下部温度变化规律表现一致，同一时间点温度接近，故原控制方案腔内温度传感器设置方式会产生温度偏差;埋件表面温度随腔内温度变化而变化，波动范围与控制参数相符，但上下存在轻微浮动，为热延迟原因所致，其中埋件表面上、中、下部温度均符合融冰需要[15]。2#埋件温度特征值见表4。

试验期间，融冰装置在不同加热周期中满功率与降功率加热时间均保持在10 min与5 min左右，故融冰装置处于加热状态时，热传递所产生的散热损耗对埋件内能影响较小。但可以看出，环境温度变化能够对加热周期产生明显影响，主要发生在无功率散热时期，此时融冰装置停止加热，埋件自然散热，当环境温度发生变化时，平均温度差值发生变化，从而影响传热速率，故无功率散热时间改变。

如图6所示，3#埋件与2#埋件温度变化规律基本相同。

3#埋件融冰装置在不同加热周期中满功率与降功率加热时间均保持在10 min与5 min左右，与2#埋件相差不大，推断可能是温度基准参数相差较小引起的，但与2#埋件相比，加热周期明显缩短，故基准温度的提高使埋件表面与环境平均温度差值增大，导致传热速率加快，缩短了埋件无功率散热时间，推断3#埋件融冰装置耗电量明显高于2#埋件融冰装置的。此外，埋件表面上、中、下部温度均符合融冰需要。3#埋件温度特征值见表5。

3.2 融冰装置加热数据分析

融冰装置加热数据见表6，1#埋件融冰装置加热次数与耗电量分别为2#埋件融冰装置的34.09倍、20.11倍，3#埋件融冰装置加热次数与耗电量分别为2#埋件融冰装置的3.00倍、3.75倍，可知原控制方案加热次数与耗电量明显高于埋件表面温度控制方案的。采用埋件表面温度控制方案，控制基准温度设为5～8 ℃时，融冰装置加热次数、耗电量随基准温度上升而上升，所得结果验证了前文推断。

根据相关研究可知，電伴热带加热次数、使用时长的减少能有效延长其使用寿命[15];此外，采用埋件表面温度控制方案，埋件表面温度监控直接，无需经导热环节推算，可实际反映融冰效果，控制更加精准。

由表4、表5可知，埋件表面实际温度平均值接近控制基准温度，控制基准温度越低，与环境平均温度差值越小，此时散热损耗越小，但埋件表面温度会与控制参数稍有偏差，为保证融冰效果，根据控制参数设定方法，控制基准温度不宜低于5 ℃，故选定5 ℃为埋件表面温度控制方案的控制基准温度。综合各方面因素可知，2#埋件融冰装置控制方案表现最佳。

4 结 语

研究表明，埋件表面温度控制方案可满足融冰需要，且能在低温环境中稳定运行。原控制方案会造成明显温度测量偏差，且会产生大量非必要功率损耗及散热损耗，与其相比，埋件表面温度控制方案具有明显经济效益。

原控制方案融冰装置加热次数与时长明显大于埋件表面温度控制方案的，故埋件表面温度控制方案有利于延长电伴热带使用寿命。

采用埋件表面温度控制方案，埋件表面温度无需经导热环节推算，控制更加精准;同时，埋件表面温度传感器易安装，位置可控，不受埋件结构所限制。

对于埋件表面温度控制方案，随控制基准温度的提高，电伴热带加热次数、加热时间、耗电量明显提高，综合得出5 ℃为最佳控制基准温度，在保证融冰效果的同时，可使散热损耗最小。

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【责任编辑 张华岩】