船闸检修门门槽端部防冰设计

曹锡山

（黑龙江省航道局，哈尔滨 150026）

1 设计背景

松花江属平原季节性冰冻河流，一般每年11月上旬开始流冰，冰厚一般约0.2 m，历时20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封冻长达140 d，冰厚一般为0.5～1.0 m，最大冰厚可达1.6 m，翌年4月上旬开江，开江前有10 d左右流冰期。2004年10月，随着我国平原季节性封冻河流建设的首座航电枢纽工程——松花江大顶子山航电枢纽开工建设，标志着松花江渠化将要全面启动。

在平原季节性冰冻河流上建设航电枢纽，若不对船闸采取防冻防冰措施，冬季船闸在冰冻作用下，其金属结构会发生变形，严重冰冻可摧毁船闸;在开江期，由于枢纽的拦蓄作用，船闸上游水流变缓、冰冻层变厚，开江时间较天然状态滞后，导致通航期缩短;流冰期的流冰可堵塞船闸、阻碍船闸的正常开闭，使船闸无法使用、过往船舶无法过闸。如不解决这些问题或解决的不好，都将影响到通航期、枢纽正常运行、引发各类事故、造成建筑物的损坏等。

检修闸门是供检修水工建筑物或工作闸门及其门槽时临时挡水用的闸门，正常情况下，检修闸门不起挡水作用。目前大顶子山航电枢纽采用船闸无水越冬方式，检修闸门也起到挡水阻冰的作用。因此，如何保证开江期检修闸门顺利升降成为亟待解决的技术难题。

通过研究，我们提出采用油循环加热防冰方法来防止检修闸门门槽端部结冰。

2 油循环加热防冰法的工作原理

检修闸门门槽端部可采用油循环加热防冰方法，这种方法的工作原理是在门槽内侧闸墙里面预先安装油泵，油泵设进油管和出油管，电加热器装配在法兰盖上插入需加热油内，在油泵压力作用下通过加热器时，均匀地带走发热元件所发出的大量热量，将电能转换成热能，提高加热介质油温度，加热油流动过程中不断吸收周围冷气，油温逐渐降低，流速变缓，随着新进入加热油不断推动，温度较低加热油最终通过出油管流出油槽进入油泵，从而完成一次循环过程。在加热油不断加热-遇冷-加热循环过程中，使得门槽端部钢板表面始终保持正温，钢板也是一种介质，具有良好的导热作用，因此此法能够保证检修闸门端部不被冰冻结。

3 检修闸门门槽端部的防冰设计

3.1 检修门埋件及加热体结构

检修门埋件及加热体结构见图1～3。

3.2 加热器功率计算

加热器是加热油法的核心设备，其功率大小直接决定着防冰冻效果，功率过大，耗电大，防冰成本增加甚至可能造成浪费;功率小，防冰效果不理想，也可能达不到预期的效果。合理确定加热器功率是研究中需要解决的关键问题。

计算加热器功率时，参考了叶学群主编的《热工理论与流体力学基础》等资料[1]，计算过程如下：

3.2.1 求出口温升

计算公式为：

式中：功率取250 kW;W=5 000 kg;t1出口温度，℃，t0进口温度 =-20℃;Cp=0.48 kcal/kg·℃;H=1 h。

说明在不考虑加热损耗系数时，经计算用50 kW电功率，能把每小时流量5 000 kg油温升18℃。

3.2.2 求电功率

已知总油量W=5 000 kg，进口温度=-20℃，出口温度=100℃，Cp=0.48 Kcal/Kg·℃，根据实际环境温度和加热体积，设定6 h加热。

根据公式（1）计算电功率为56 kW，考虑其它可能引起热量损失因素，取热损耗系数0.3，实际需要功率取75 kW。

齿轮油泵外形尺寸、主要性能规格参数见表1～2。

图1 油槽加热系统平面图

图2 B-B剖面图

图3 A-A剖面图

表1 齿轮油泵主要性能规格参数表

表2 齿轮油泵外形尺寸表 mm

为减少电力损耗，我们将单台75 kW加热器安装18支不锈钢外壳电热元件，每只电热元件功率4.17 kW，额定工作电压380 V，然后再把这些加热元件分成25 kW和50 kW两组，两组独立控制，可同时使用也可单独使用。正常情况下使用50 kW，如加热功率不够时可全部投入使用，这样即可防冰，又能达到节电目的。为有效保护加热器，延长使用寿命，在加热器接线仓中设有超温保护控制器，当加热器超过设定温度时，自动切断电源。

[1]叶学群.热工理论与流体力学基础[M].北京：中国商业出版社，1997.