不同防冰冻技术在寒区水库的对比试验

张同军

(清原满族自治县水务事务服务中心，辽宁 抚顺 113300)

在我国东北、华北和西北等季节性寒冷地区，水库在冬季蓄水运行过程中，水面大面积冰冻封库[1]。寒区大中型水库区别于其他地区水库的特点，是冬季冰冻会对水库金属结构、混凝土结构等各类建筑物造成危害，导致破坏后果重、范围广、修复难，对水库发挥调蓄供水、兴利除害作用降低，危及下游城市、厂矿、企业及人民生命财产安全[2]。近年来，国内对水库冬季防冰冻取得一些研究成果[3-10]，但对防冰冻技术及其性能指标研究还较少，未能系统提出适合于东北寒区水库金属结构的最优防冰冻技术[11]。目前，国内水库冬季防冰冻应用较好的3种技术分别为风机吹泡法[12]、压缩空气吹泡法[13]和压力水射流法[14]，但各类技术在东北寒区水库防冰冻效果和性能上还未有对比研究。为了解东北地区寒区水库金属结构防冰冻措施的性价比，下文对国内应用的3种防冰冻技术进行效果对比。

1 水库防冰冻技术

1.1 压力水射流法

将水库底部较高温度的水体，通过水泵或潜水泵进行抽取是压力水射流法的主要防冻措施。水体在水工结构通过水泵时进行热交换，提升了水面温度从而防止结冰。压力水射流法具有较好的防冻效果，但是需要较大的设备投入成本。此外，在设备运行期间，由于连续作业，产生较高的电力成本。此法在大中型水库金属结构融冰措施中应用较为广泛。

1.2 压力空气吹泡法

压力空气吹泡法的主要工作原理，是在水工结构前的水面，利用空气压缩机进行空气输送。通过管路，把深水中的空气进行压缩，利用较高温度的水流，进行喷射，以便在水体表面或冰盖产生较大水流，从而对水库金属结构进行融冰。对压缩空气吹泡法防冰系统而言，消耗气流量一般取值0.03m3/(m·min)。通常情况下，需要2台压缩机，互为备用。闸门附近水体，会因吹气嘴距离闸门的距离过近而大量集聚，进而加速闸门锈蚀程度。相较而言，该技术原理和操作都较为简单，但气口调整较为困难，同时需要消耗较多的电力和较高的运行成本。

1.3 风机吹泡法

风机吹泡法防冰冻技术，是在压力空气吹泡法的基础上，对供气设备进行更换，由原来能耗大、风压高、出气量小的空气压缩机，更换为能耗低、风压适中、出气量大的风机。此法提高了防冰冻的效率，同时，可降低技术所需能耗。

2 试验方案

为验证技术的可行性与合理性，研究开展室内防冰冻试验，需要对比防冰冻技术。通过对3种防冰冻技术在室内防冰冻试验，验证防冰冻效果和能耗水平，作出比选。

2.1 试验条件

试验地点选择在辽宁省抚顺市的某冷库。试验场地位于冷库中部位置，场地尺寸为长度为3.8m，宽度为1.8m，高度为2.6m。试验区域中心布置水槽、温控系统和不同防冰冻设备。试验区域的温度可控制在-10～-18℃范围，用以模拟寒冷地区冬季的气温条件。

2.2 设备

(1)试验水槽。试验水槽尺寸为1.8m×0.8m×1.5m(长×宽×深)，水槽上方为敞口式，四周及底部采用双层苯板厚0.1m保温。在水槽内部装满淡水，淡水取自库区内天然地下水蓄水池。

(2)温控系统。试验水槽的水深为1.0m。在实况水库气候条件下，水库水面以下，水温随深度的增加逐渐升高，库底温度一般保持在4℃左右。因此，在室内防冰冻试验中水槽底部，即水面以下1.0m处，温度设定为-0.5～0℃。为保证槽底温度在此范围内，采用温控系统进行温度调控。该系统由加热器、温度传感器、智能温控仪组成。智能温控系统由温度传感器测量水槽底部温度，并由智能温控仪和加热器负责温度调节。当槽底温度低于-0.5℃时，智能温控仪输出“开”信号，接通加热电源，对槽底水加热。当槽底水温升至0℃时，智能温控仪输出“关”信号，断开加热器电源，停止加热。在试验进行过程中，智能温控系统始终保持工作，加热或停止，反复进行，以保证槽底温度在-0.5～0℃之间。

(3)防冰冻技术装置。气喷头型防冰冻装置，可用于压力空气吹泡法和风机吹泡法2种防冰冻技术的试验研究。不同之处在于：前者采用空气压缩机供给气体，后者采用普通风机供给气体。气喷头防冰冻装置由气喷头(喷管)、气体供给设备、热交换器、电度表组成。电度表用来计量空气压缩机或吹风机消耗的电量，由此推算出该装置工作时的实际功率。

3 结果对比

3.1 气喷头装置防冰冻效果

传统的压力空气吹泡法及研究提及的风机吹泡法，都属于以空气为介质的防冰冻方法，二者试验装置除气体供给设备不同之外，其他均相同。空气压缩机功率高，转速低，出风量小；离心式吹风机功率低，转速高，出风量大。2次试验所用的气体供给设备的性能参数对比，见表1。设定池底温度0～-0.5℃，试验区域温度-12.0℃，用以模拟寒冷地区冬季的气温条件。对比试验中喷管，选用直径为20mm的PVC管材。在试验水槽中布置1根喷管：长1.8m，气孔直径2mm，气孔间距0.3m。喷孔安装在水面以下0.2m处，将气喷管与气体供给设备连接。供气设备与电源之间装单相电能表，计量电能消耗量。每组试验水槽一侧布置喷管，另一侧不布置，作为对比观测，对比试验观测结果如表2所示。

表1 气体供给设备性能参数

表2 气喷头防冰冻试验功率和能耗

从表2可以看出，压缩空气吹泡法和风机吹泡法均能很好地起到防冰冻效果。但风机吹泡法在防冰冻功率和能耗上优势明显，防冰冻功率为压缩空气吹泡法的1/25，而实际能耗仅为压缩空气吹泡法的1/35。

3.2 风机吹泡法与压力射水法防冰冻效果

为比较风机吹泡法的气喷头防冰冻装置和压力射水法的水喷头防冰冻装置这2种不同原理的防冰冻方法的防冰冻性能，压力射水法采用低功率的微型水泵，功率为30W，与风机吹泡法的离心式吹风机功率保持一致，比较二者实际防冰冻效果。2种介质供给设备的性能参数，见表3。设定池底温度0～-0.5℃，试验区域温度-12℃，用以模拟寒冷地区冬季的气温条件。对比试验中水喷头每根喷管长度为1.8m，水槽内共布置1根喷管，采用φ20PVC管间隔0.3m制作水平水喷头，喷孔直径2mm，每根喷管布置水喷头5个，布置深度0.2m。介质供给设备与电源之间装单相电能表，计量电能消耗量。每组试验水槽一侧布置防冰冻装置，另一侧不布置作为对比侧，对比观测试验结果如表4所示。

表3 防冰冻介质供给设备性能参数

表4 防冰冻试验功率和能耗

从压力水射流法和风机吹泡法防冰冻试验能耗与效率对比结果可看出，2种方法均能起到防冰冻效果，且防冰冻功率相同，但风机吹泡法在实际能耗和稳定性上占据优势，实际能耗为压力水射流法的67.5%，且压力水射流法的喷头在介质水温较低的情况下可能会发生冻住的情况。

4 结论

(1)压缩空气吹泡法和风机吹泡法均能很好地起到防冰冻效果，但风机吹泡法在防冰冻功率和能耗上优势明显，防冰冻功率为压缩空气吹泡法的1/25，而实际能耗仅为压缩空气吹泡法的1/35。

(2)在3种防冻技术中，风机吹泡法的实际能耗为压力水射流法的67.5%，压力水射流法的喷头，在介质水温较低的情况下，可能发生冻住的情况，建议可推广使用。

(3)研究仅对3类寒区水库防冻技术的性能进行了对比分析，未对其具体造价成本进行研究，后续可把其性价比纳入考量，进行综合分析，以便确定更优的水库金属结构防冻技术。