新疆地区长距离输水渠道冬季防冻结技术试验研究

哈 仙

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

水资源是制约社会经济发展的重要因素，我国水资源总量是丰富的，但存在严重的空间不均情况[1]，为解决水资源分布均衡的问题，需要修建大量的长距离输水渠道[2]，由于在西北地区，尤其是新疆地区冬季的低温较低，难免会出现结冰现象，渠道中发生冰冻后，不仅会破坏水工建筑物，而且容易形成堵塞，减小断面过流能力，严重影响渠道的输水效率[3-5]。为了解决这一问题，常常采取定点爆破、机械破除、修建拦冰建筑物或者导冰建筑物等措施来减轻冬季结冰对渠道输水效率的影响，但是效果均不是很好，定点定面的防冻效果始终难以满足长距离输水渠道的防冻要求[6-8]。

基于上述原因，本文提出利用电缆加热技术对长距离输水渠道进行防冻结试验[9]，探讨了在该方式下不同渠道断面流速下的防冻效果，以期能为新疆地区长距离输水渠道冬季防冻结工作提供借鉴。

1 试验概况

1.1 模型设计

渠道断面型式为梯形，底面宽为40cm，顶面宽为1.4m，深度为50cm，斜壁坡坡比为1∶1，渠道壁面由内向外依次由骨架层(钢板)、保温层(塑料泡沫板)、防渗层(塑料薄膜)和衬砌层(麻面瓷砖)4个功能层组成。整个渠道模型为一个U型，顺直段长度为1.5m，弯曲段外侧半径大小为1m，整个试验系统除了渠道以外，还包括水泵、管道、水箱以及水槽等结构组成，水泵为变频柜控制，主要功能为调节渠道内的水流流速大小。制冷系统主要由低温试验箱、压缩机、温度传感器等组成，可实现-50～80℃的温度控制。

电热系统主要由发热电缆(单相并联恒功率)、控制终端以及温度传感器等结构组成，发热电缆沿着渠道壁面和水箱一周进行布置，安装位置位于行水线处，控制终端主要功能是调节发热电缆的输出功率(可调节0～140W/m的输出功率)，同时在渠道内布置1个温度传感器断面(S2)和2个散热装置断面。试验模型示意如图1所示。

图1 试验模型示意

1.2 试验方案

模型的试验原理：通过加热电缆向水域和大气中散失热量，使渠道行水线附近水温增高防止渠道壁面出现冰冻现象，当渠壁附近水温保持在0℃之上时(没有结冰现象)，则认为渠道水面不会发生冻结。由于长距离输水渠道需要铺设大量的发热电缆，为了节约电能消耗量，必须寻找最佳的电缆输出功率。电缆输出功率不仅与环境温度有关，而且与渠道中水流的流速相关。本试验中，根据新疆地区冬季日均最低气温统计情况，将环境温度控制在-10℃，渠道水流流速设计0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3m/s。

在0.05m/s流速下，加热电缆输出功率为80、90、100W/m 三种工况；在0.1m/s流速下，加热电缆输出功率为70、80、90W/m 三种工况；在0.15m/s流速下，加热电缆输出功率为70、80、90、100W/m 四种工况；在0.2m/s流速下，加热电缆输出功率为50、60、70、80W/m 四种工况；在0.25m/s流速下，加热电缆输出功率为80、90W/m 两种工况；在0.3m/s流速下，加热电缆输出功率为80、90、100W/m 三种工况。具体试验工况见表1。

表1 试验设计工况

1.3 试验现象

工况1：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.05m/s，加热电缆输出功率为80W/m时，渠道内形成了冰盖，而加热电缆输出功率为90、100W/m，渠道内无结冰现象；工况2：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.1m/s，加热电缆输出功率为70、80W/m时，渠道内形成冰盖，而当输出功率为90W/m时，渠道内无结冰现象；工况3：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.15m/s，加热电缆输出功率为70W/m时，渠道内有浮冰冰盖现象，当加热电缆输出功率为80、90、100W/m时，渠道内无结冰现象；工况4：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.2m/s，加热电缆输出功率为50W/m时，渠道内有浮冰冰盖现象，当加热电缆输出功率为60、70、80W/m时，渠道内无结冰现象；工况5：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.25m/s，加热电缆输出功率为80W/m时，渠道内形成岸冰、冰桥，当加热电缆输出功率为90W/m时，渠道内无结冰现象；工况6：当环境温度为-10℃，渠道内平均断面流速为0.3m/s，加热电缆输出功率为80W/m时，渠道内出现少许岸冰，当加热电缆输出功率为90、100W/m时，渠道内没有出现结冰现象。

2 试验结果分析

2.1 防冻结最小功率

通过室内试验现象，总结得到不同渠道断面平均流速下的防冻结最小功率情况见表2。从表2中可知：随着渠道断面平均流速的增大，防冻结最小功率呈先减小后增大的变化特征；当渠道断面平均流速处于低位时，由于水流紊动较小，导致渠道内水面更容易结冰形成冰盖，因而需要更大的功率来维持渠道壁面温度，从而避免出现结冰现象，断面平均流速为0.05～0.1m/s时，防冻结最小功率为80～90W/m；当渠道内断面平均流速处于高位时，由于水流的紊动较大，快速流动的水流会带走大量的热量，因而也需要更大的功率来维持渠道壁面温度，避免出现结冰现象，断面平均流速为0.25～0.1m/s时，防冻结最小功率也为80～90W/m。综上分析可知：当环境温度基本保持不变的情况，渠道内的水流流速不应过小或者过大，当断面平均流速为中位值时，可以形成一个相对平衡的状态，防冻结的最小功率处于一个较低水平，当渠道断面平均流速为0.15m/s时，防冻结最小功率为70～80W/m，当渠道断面平均流速为0.2m/s时，防冻结最小功率仅为50～60W/m。

表2 防冻结最小功率统计结果

2.2 加热干预前后冻结效果对比

不同断面平均流速下电缆加热干预前后冰盖形成时间如图2所示(均选择不同工况下形成冰盖的功率进行分析)。从图2中可知：当不采取电缆加热干预措施时，渠道内形成冰盖的时间随断面平均流速的增大而逐渐增大，当采取电缆加热干预措施时，渠道内形成冰盖的时间随断面平均流速的增大呈先减小后增大的变化特征，当断面平均流速为0.15m/s时，形成冰盖的时间最短，仅为6h。相同断面平均流速下，采取电缆加热干预后，渠道内形成冰盖的时间明显大于不采取加热措施，在0.05m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了64.7倍；在0.1m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了10.3倍；在0.15m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了5.6倍；在0.2m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了2倍；在0.25m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了2.8倍；在0.3m/s流速时，冰盖形成时间较不加热时延迟了3.6倍。

图2 加热干预前后冰盖形成时间

2.3 冰盖厚度增长率

不同断面平均流速下的冰厚增长率情况如图3所示。从图3中可知：随着断面平均流速的增大，冰盖厚度增长率呈线性减小的变化特征，这说明增大渠道内的水流流速，可以减小冰盖厚度的增长幅度；相同断面平均流速下，未采取加热干预措施的冰盖厚度增长率是采取加热措施下的4～7倍，由此可见，采取电缆加热干预措施对于预防渠道冻结的效果是显著的。

图3 冰盖厚度增长率随断面平均流速的变化规律

3 结论

提出采用电缆加热方式对新疆地区长距离输水渠道进行冻结防冻，通过室内试验，得出如下结论。

(1)最小防冻功率随着渠道断面平均流速的增大呈先减小后增大的变化特征，当断面平均流速为0.2m/s时，防冻结最小功率最小，仅为50～60W/m，此时防冻成本最低。

(2)未采取加热措施时，冰盖形成时间随流速增大而逐渐增大，采取加热措施干预后，冰盖形成时间随流速增大呈先减小后增大变化特征，采取加热措施后可明显延长冰盖的形成时间。

(3)冰盖厚度增长率随断面平均流速增大而逐渐减小，相同断面平均流速下，未采取加热干预措施的冰盖厚度增长率是采取加热措施下的4～7倍。

(4)采用电缆加热方式可有效延长渠道冰盖形成时间，减轻冰冻对长距离输水渠道的影响，同时在采取电热加热时，宜控制渠道断面流速适中。