馮熊

摘要：近年來全球極端氣候和重大自然災(zāi)害出現(xiàn)越來越頻繁，北方某水庫多次出現(xiàn)冬季氣溫驟降對水庫擋水閘門安全運(yùn)行造成了極大的安全隱患，該文主要將信息技術(shù)、傳感技術(shù)與傳統(tǒng)水利工程鋼閘門防冰凍相結(jié)合，利用先進(jìn)的PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)水利工程鋼閘門防冰凍智能化。此方法簡單、節(jié)能、高效，且安全性更高，有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鋼閘門 PLC控制器 防冰凍 傳感技術(shù) 自動控制

中圖分類號：TV698.26 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Design and Research of Gate Anti Freezing System Based on PLC Control

FENGXiong

（Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University， Lanzhou， Gansu Province， 730000 China）

Abstract： In recent years， global extreme climate and major natural disasters have become more and more frequent. The sudden drop of temperature in winter in a reservoir in the North has caused great potential safety hazards to the safe operation of the reservoir water retaining gate. This paper mainly combines information technology and sensing technology with the anti freezing of steel gate in traditional hydraulic engineering， and uses advanced PLC control program， Realize the anti freezing intelligence of steel gate in hydraulic engineering. This method is simple， energy-saving， efficient， and more safe， and has a good application prospect.

Key Words： Steel gate;PLC controller; Anti freezing;Sensing technology;Automatic control

1概述

北方某水庫總庫容1.278億m3，壩址位于黑河支流討賴河的夾山峽處，壩址以上流域面積12 439km2，多年平均年徑流量3.508億m3，為一座以灌溉為主、兼防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的大Ⅱ型水庫，現(xiàn)狀總庫容1.278億m3，主要攔蓄討賴河、洪水河、清水等三條季節(jié)性河流冬春雨水、調(diào)節(jié)夏季洪水。多年平均氣溫8.5 ℃，極端最低氣溫為-29.6 ℃。最早封凍期為11月28日，最晚解凍期3月25日，最大河心冰厚0.9 m。為解決溫度變化頻繁引起的閘門防冰凍問題，該文通過該水庫防冰凍系統(tǒng)研究，將信息技術(shù)、傳感技術(shù)用于傳統(tǒng)的鋼閘門防冰凍設(shè)施，實(shí)現(xiàn)集環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備故障排查、自動報警、自動啟停的智能化鋼閘門防冰凍系統(tǒng)，有效的提高閘門冬季擋水和開啟泄洪的時的安全性，減少人為操作失誤的安全風(fēng)險[1]。

2防冰凍系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定：“閘門不得承受冰的靜壓力。防止冰靜壓力的方法，應(yīng)根據(jù)氣溫及庫水位變化等條件，因地制宜地選用，一般采用潛水泵、壓縮空氣泡、開鑿冰溝或其他方法，使閘門與冰層隔開。當(dāng)遇特殊情況，可能承受部分冰靜壓力時，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。需要在冰凍期間操作的閘門，除其止水應(yīng)盡量嚴(yán)密外，尚應(yīng)采取保溫或加熱等措施，使閘門與門槽不致凍結(jié)。[2]”

該水庫溢流壩共設(shè)11扇泄洪工作閘門，采用電熱法進(jìn)行閘門防冰凍，當(dāng)日平均溫度低于-5 ℃時，開啟電熱系統(tǒng)對閘門和埋件進(jìn)行加熱除冰，經(jīng)多年運(yùn)行，發(fā)熱電纜老化，發(fā)熱效率低，多次出現(xiàn)因漏電導(dǎo)致發(fā)熱系統(tǒng)斷電，閘門因承受冰荷載造成永久變形，除冰系統(tǒng)出現(xiàn)故障后無法及時發(fā)現(xiàn)，對水庫冬季運(yùn)行造成了較大的安全隱患。

信息技術(shù)發(fā)展迅速，但傳統(tǒng)水利工程信息化、智能化程度仍較低，運(yùn)行管理多以人工巡視、檢查為主，年久失修的防冰凍系統(tǒng)也是水庫運(yùn)行管理中的一大風(fēng)險源[3]。

3除冰系統(tǒng)的選擇

根據(jù)防冰采用的能量類型不同，一般可分為機(jī)械除冰系統(tǒng)（如冰蓋開槽）、物理除冰系統(tǒng)（如表面防凍液）、熱防護(hù)系統(tǒng)（如電熱法），目前水利工程中采用的防冰方法主要包括壓力水射流法、電熱油箱法、門葉電熱法、冰蓋開槽法、冰蓋保溫法或其他方法，除冰蓋開槽法外，絕大多數(shù)是熱防護(hù)原理。

冰蓋保溫法是在閘門前水面覆蓋保溫材料，使閘門前水面不結(jié)冰，投資較低，但在嚴(yán)寒地區(qū)可靠性差，維護(hù)更換較為頻繁，采用較少;冰蓋開槽法是在閘門冰蓋上前鑿除一條冰溝，使庫面冰蓋不直接作用于閘門面板上，該方法操作難度大、需要反復(fù)鑿冰，工人站冰蓋上操作存在較大的安全風(fēng)險，新建工程采用較少。

電熱法主要是通過熱交換使閘門前水面溫度高于冰點(diǎn)，使水面一直處于液態(tài)的方法，主要是通過電能轉(zhuǎn)換成熱能傳遞至水面和埋件上，從而達(dá)到防冰凍的目的;此類方法是在閘門門葉背水面和埋件中設(shè)置發(fā)熱元件，利用發(fā)熱元件將熱量傳遞至埋件和門葉，使閘門及止水與水接觸部位形成液態(tài)，從而達(dá)到防冰凍的目的。但發(fā)熱元件熱效率會隨時間不斷衰減，壽命周期一般為5年，到期后更換起來較困難;且長時間運(yùn)行能耗較高，運(yùn)行費(fèi)用較高，發(fā)熱元件存在漏電的安全風(fēng)險;該方法目前水深較小的平原型水庫和水閘系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

壓力水射流法是將庫底水溫較高的水，通過潛水泵提升至庫水面與低溫水進(jìn)行熱交換，使閘門前形成一定寬度的液態(tài)水面，從而達(dá)到防冰凍的目的，該方法主要的思路是利用自然界熱源交換。但該方法不適用于庫水較淺的平原型水庫;壓力射水噴嘴會因?yàn)閹焖恋砦锒氯?若低溫季節(jié)來臨前未提前啟動潛水泵將水流動起來，有可能會造成管道內(nèi)水結(jié)冰，使管道堵塞而失效，優(yōu)點(diǎn)是能耗低，投資小、除冰效果好。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)比較采用水庫深水處高溫水熱交換的方法從經(jīng)濟(jì)上、能耗上均具有一定的優(yōu)勢，通過集成傳感技術(shù)、信息技術(shù)能夠有效的避免管道內(nèi)水結(jié)冰和噴嘴堵塞等缺點(diǎn)，該文研究的閘門除冰系統(tǒng)選擇壓力水射流法進(jìn)行閘門防冰凍[4]。

4壓力水射流法防冰凍系統(tǒng)設(shè)計

4.1防冰凍系統(tǒng)布置

壓力水射流法防冰凍系統(tǒng)主要由潛水泵、射流管道、噴嘴、電動提升器、PLC控制系統(tǒng)組成;該項目共11扇閘門，設(shè)一套防冰凍系統(tǒng)，每個閘墩上布設(shè)1臺電動提升器，電動提升器之間用聯(lián)軸器連接為整體，可使射流管同時升降;為防止管道堵塞，采用具有防倒流功能的逆止噴嘴，噴嘴間距布設(shè)間距為1.5 m，噴嘴朝上固定在射流管上，噴嘴的淹沒深度一般為2～5 m，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定該項目噴嘴淹沒深度為2.5 m;為確保潛水泵所取水溫滿足除冰要求（水溫不低于4 ℃），潛水泵淹沒深度為8 m，潛水泵利用鋼絲繩懸掛固定在射流管一端，根據(jù)庫水位變化與射流管整體調(diào)整其高程，為保證閘門止水處不結(jié)冰，射流管布置在距閘門面板1.5 m的距離處。該水庫防冰凍系統(tǒng)布置圖見圖1。

圖1防冰凍系統(tǒng)布置圖

4.2射流孔射流速度確定

射流速度V0（m/s）與淹沒深度、射流沖擊速度、射流孔直徑有關(guān)，并按下列公式計算：

V0=（0.16V_C h_g）/d

V0—射流孔的出口速度（m/s）Vc—射流沖擊速度（取大于0.3m/s）

hg—射流管淹沒深度（m）

d—射流孔直徑（m）

經(jīng)計算，該項目采用的射流速度為12m/s。

4.3潛水泵選擇

潛水泵選擇主要包括確定流量、揚(yáng)程、功率三個參數(shù)，潛水泵的流量和揚(yáng)程應(yīng)滿足閘門前融冰的要求;不凍水面寬度按射流管距閘門面板距離的2倍進(jìn)行考慮，且水泵揚(yáng)程不小于2倍潛水泵淹沒深度。

5防冰凍系統(tǒng)控制流程研究

閘門防冰凍控制系統(tǒng)由溫度監(jiān)測儀、水位計、PLC控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、電話報警系統(tǒng)等組成，形成一個閉環(huán)的監(jiān)測、控制系統(tǒng);防冰凍系統(tǒng)控制方式分為自動控制、手動控制兩種模式。

手動模式主要用于系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修后調(diào)試，通過控制面板上的切換按鈕，將控制模式切換至手動，操作人員可以通過水泵啟停按鈕和射流管升降按鈕控制除冰系統(tǒng)的運(yùn)行遠(yuǎn)程控制即為在水庫管理中心進(jìn)行控制操作，在極端天氣來臨前可啟動除冰系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性[5]。

水庫冬季運(yùn)行時，將除冰系統(tǒng)運(yùn)行模式切換至自動模式，由PLC控制器自主調(diào)整除冰系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行判斷自動啟停除冰系統(tǒng)。PLC控制通過溫度、水位傳感器采集信號，自主分析判斷。當(dāng)庫水位變幅超過0.5 m時，PLC控制器發(fā)出指令控制提升器相應(yīng)地降低（升高）射流管的高度，自動適應(yīng)水位的變幅，使射流管淹沒深度處于2.0 m～2.5 m范圍之內(nèi)。閘門主梁上設(shè)應(yīng)力計監(jiān)測主梁的應(yīng)力變化，當(dāng)應(yīng)力持續(xù)變化幅度大于5 MPa時，PLC控制器向中控室發(fā)出聲光報警信號，值班人員通過視頻監(jiān)控查看閘門前結(jié)冰情況，并通過遠(yuǎn)程操作啟動除冰系統(tǒng)，避免氣溫驟降門前形成較大的靜冰荷載。閘墩上設(shè)溫度監(jiān)測儀監(jiān)測環(huán)境溫度，當(dāng)氣溫低于-5 ℃持續(xù)時間超過2 h時，啟泵間隔時間設(shè)定為30 min，氣溫高于-5 ℃時，啟泵間隔時間設(shè)定為1 h，除冰系統(tǒng)每次運(yùn)行的時長為1 h。

為防止泄洪的過程中損壞除冰系統(tǒng)，通過PLC控制器將除冰系統(tǒng)與閘門啟閉系統(tǒng)設(shè)為互鎖狀態(tài)，當(dāng)提升器位于水面以上時，閘門控制系統(tǒng)才能開啟閘門，能夠有效避免了泄洪時對除冰系統(tǒng)的沖擊、損壞[6]。

6應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)

該項目采用了可以防止倒流的逆止噴嘴，能夠有效地防止水庫中泥沙的沉淀造成噴嘴堵塞，設(shè)置噴嘴提升卷揚(yáng)機(jī)，通過水位計測量水位，PLC控制器自動調(diào)整射流管淹沒深度，提高了防冰凍裝置的可靠性。將先進(jìn)的傳感技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)的相結(jié)合，形成了集環(huán)境溫度監(jiān)測、庫水位測量、除冰設(shè)備控制為一體的綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閘門控制與防冰凍裝置的互鎖，避免了人為操作失誤造成泄洪時對除冰設(shè)施的損壞。

7結(jié)語

通過傳統(tǒng)防冰凍裝置與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水庫閘門防冰凍的智能化，有效地減小水庫管理人員勞動強(qiáng)度，減少運(yùn)行管理費(fèi)用，提高了運(yùn)行管理水平，降低了水庫冬季運(yùn)行的安全風(fēng)險，該技術(shù)在高寒地區(qū)水庫建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得推廣應(yīng)用;同時該系統(tǒng)也可用于中、大型水庫大壩的防冰凍。

參考文獻(xiàn)

[1]徐志林.寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)新型防冰凍技術(shù)研究[J].人民長江，2019，50（11）：156-161.

[2]王培坤，呂睦，閆浩，等.基于PLC的南水北調(diào)中線西黑山排冰閘自控系統(tǒng)研究[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2019，42（4）：18-21.

[3]王豹，李欣，薛業(yè)章，等.閘門冰凍壓力消解氣囊在三河閘工程中的應(yīng)用[J].治淮，2020（1）：48-50.

[4]鄧雪松.溢流表孔弧形工作閘門設(shè)計和應(yīng)用[J].小水電，2020（6）：56-60.

[5]胡方田.南水北調(diào)中線工程水工鋼閘門防冰凍技術(shù)[J].河南水利與南水北調(diào)，2018，47（12）：68-69.

[6]王雪巖，李國寧，王文強(qiáng)，等.基于BIM的液壓頂推升降式翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2021（10）：117-123.