一种新型溢洪道闸门防冻除冰装置的制作方法

本实用新型涉及水电站领域，具体而言，涉及一种新型溢洪道闸门防冻除冰装置。

背景技术：

近年来，我国的水电站建设取得了巨大成绩。然而在水电站的建设中，溢洪道闸门防冻除冰是高寒地区水电站设计的重点之一，高寒地区冬季溢洪道闸门的结冰问题，严重影响水利枢纽的正常运行。在高寒地区冰冻期，泄洪闸门前冰层厚度能达到在1～2米，冬季冰层产生的膨胀压力和水位变化时的剪切力会对闸门产生应力破坏，在极端情况下容易使闸门和闸墩产生永久破坏。目前高寒地区水电站多采用人工冰盖开槽法、压缩空气吹泡法、压力水射流法、门叶电热法来保证泄洪闸门越冬。

人工冰盖开槽法是人工在冰盖开槽，需要在冰盖达到一定的厚度，可以承载人员在冰上作业，才开始对冰盖进行处理，因此在冰封初期冰层对闸门的应力影响是不能消除的，同时在解冻前期，同样也不能提供保护。另外，采取人工破冰，人员在整个冰封期每天需要大强度的重复性劳作，在极寒条件下，每日的结冰量很大，同时人工成本逐年上升，人员安全隐患较大。

压缩空气吹泡法是使用空气压缩机并铺设空压管道至水面下2～5米，吹气嘴距离门叶大于3米。利用压缩空气在不同温度水层间形成对流环境，不断升起的气泡扰动水面，达到防止结冰的效果。为了适应水位的不断变化，保证喷嘴与水面的距离，管道设计复杂，所用设备较多，系统维护费用较大。

压力水射流法原理是将水下温度相对较高的水通过潜水泵和管路加压喷射在闸门前，通过水流搅动水体，会在闸门前形成一条不结冰的区域。该方法运行可靠、除冰防冻效果好，耗能较低。但是，控制器大多采用PLC，程序编写复杂，线路设置复杂，不易扩展，系统通用性差，自动化程度低，可推广难度大，系统维护复杂。

门叶电热法采用电热管、电热缆或电热板，三相负载分配相等，均匀地布置在门叶结构中间，门叶下游面全部采用保温板密封，通过电加热，使得闸门前水体温度大于冰点。该方法经济性较低，耗能较大。

技术实现要素：

本实用新型提供一种新型溢洪道闸门防冻除冰装置，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种新型溢洪道闸门防冻除冰装置，包括：控制器、结冰探测器、潜水泵、自动止回阀、连接水管、喷水管、浮力装置和悬索固定装置，其中：

所述结冰探测器和所述潜水泵设置在浮潜装置水域，所述潜水泵设置在浮潜装置水域的水面下，并由所述控制器读取当前状态信息；所述连接水管连接在所述潜水泵和所述喷水管之间，将所述潜水泵和所述喷水管连接到一起，所述喷水管利用所述潜水泵抽取上来的水在水面搅动水体；所述喷水管与所述浮力装置连接在一起，使所述喷水管跟随水位变化始终漂浮在水面，所述悬索固定装置将所述喷水管和所述浮力装置固定在设定区域内。

进一步地，所述潜水泵设置有两个，两个所述潜水泵交替工作，每个所述潜水泵上设置有自动止回阀，防止当前工作的潜水泵工作时倒流的水损坏停机潜水泵的叶片。

进一步地，所述控制器包括控制模块、手动/自动选择开关、显示屏和键盘、CAN总线、空气开关、启动/停止按键、潜水泵保护器和交流接触器，其中，所述手动/自动选择开关、所述显示屏和键盘、所述CAN总线、所述交流接触器和所述潜水泵保护器分别与所述控制模块相连接，所述潜水泵保护器还分别与所述交流接触器、所述空气开关相连接。

进一步地，所述结冰探测器包括处理器、电力线载波通信模块、温度传感器、偏心电机、三轴加速度传感器和电源模块，其中，所述电力线载波通信模块、所述温度传感器、所述偏心电机、所述三轴加速度传感器和所述电源模块分别与所述处理器相连接。

进一步地，所述浮力装置采用管道浮桶通过螺栓固定在所述喷水管上，使所述喷水管漂浮在水面，所述喷水管上的喷嘴露出水面的长度在设定范围内。

进一步地，所述悬索固定装置包括牵引缆绳和水泥墩，所述牵引缆绳一端固定在桥面上，另一端固定在水泥墩上，使用时，先将水泥墩投入水中，再把喷水管两端的D型安全销打开，将牵引缆绳套入D型安全销内，锁定安全销即可正常使用。

本实用新型的有益效果是传感器部分均安装在设备内部，可以忽略掉设备表面薄冰的存在，测量准确度大大提高，而且安装简单，容易实现，成本较低。

结冰探测器箱体、进出电缆端子以及电缆均采用防水等级IP68以及耐低温标准制作，可以长时间在低温和水中漂浮使用。利用电力线载波技术与控制器通信，减少了通信线路的安装，由于设备随着水位的变化而移动，线缆的减少大大降低了施工量，简化了安装过程，更易推广实现。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例的新型溢洪道闸门防冻除冰装置示意图；

图2为本实用新型一个实施例的新型溢洪道闸门防冻除冰装置俯视图；

图3为本实用新型一个实施例的控制器模块示意图；

图4为本实用新型一个实施例的结冰探测器示意图；

图5为本实用新型一个实施例的喷水管剖面图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型一个实施例的新型溢洪道闸门防冻除冰装置示意图；图2为本实用新型一个实施例的新型溢洪道闸门防冻除冰装置俯视图；图中，101为控制器，102为控制电缆，103为悬索固定装置，104为连接水管，105为浮力装置，106为自动止回阀，107为潜水泵，108为桥墩，109为喷水管，110为闸门，111为桥面，112为结冰探测器；如图所示，新型溢洪道闸门防冻除冰装置是根据压力水射流法原理专门为溢洪道闸门冬季正常运行设计的一款新型防冻除冰装置。新型溢洪道闸门防冻除冰装置包括控制器、结冰探测器、潜水泵、自动止回阀、连接水管、喷水管、浮力装置、悬索固定装置。

控制器完成潜水泵和结冰探测器的监控、管理以及报警，是新型溢洪道闸门防冻除冰装置的核心组成。结冰探测器的作用是探测浮潜装置附近水域是否结冰，并向控制器发送当前是否结冰的状态信息。潜水泵的作用是抽取水下温度较高的水，可以采用两个潜水泵交替工作，保证不间断运行。自动止回阀是防止当前潜水泵工作时倒流的水损坏停机潜水泵的叶片。连接水管将潜水泵和喷水管连接到一起。喷水管将潜水泵抽取上来的水在水面搅动水体。浮力装置使喷水管跟随水位变化始终漂浮在水面。悬索固定装置使喷水管和浮力装置始终工作在一定区域内。

以下对新型溢洪道闸门防冻除冰装置的各组成部分分别进行介绍。

(1)控制器

控制器是新型溢洪道闸门防冻除冰装置的核心组成，完成潜水泵和结冰探测器的监控、管理以及报警，并与远程终端的组网通信。控制器操作两台潜水泵交替工作，以保证潜水泵的不间断工作，并监测潜水泵运行状态以及水面结冰状态，以便在出现故障时发出报警信息，并与远程终端相互通信。

图3为一个实施例的控制器模块示意图；图中，201为控制模块，202为手动/自动选择开关，203为总线接口，204为空气开关，205为潜水泵保护器，206为启动/停止按键，207为交流接触器，208为显示器和键盘。如图所示，控制器包含控制模块、手动/自动选择开关、显示屏&键盘、CAN总线、空气开关、启动/停止按键、潜水泵保护器、交流接触器。控制模块的CPU选用意法半导体公司的STM32F103作为处理器。手动/自动选择开关是工作模式选择按钮，由用户控制，可选择手动模式或自动模式。显示屏&键盘模块用于查看数据和工作状态，键盘配合显示屏可以修改控制器的相应参数。CAN总线接口用于与其他设备的CAN总线组网通信。空气开关即可以由用户操作，手动切断控制箱内设备电源，也可以对控制箱内电气设备进行保护。启动/停止按键工作在手动模式下，由用户手动操作潜水泵的启、停机状态。潜水泵保护器用于给潜水泵电机全面的保护，在潜水泵电机出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损时，予以报警和保护的装置。交流接触器是一种中间控制元件，其优点是可频繁的通、断线路，以便控制模块可以控制潜水泵的启动和停止。

由于液晶显示屏制作工艺限制，液晶显示屏无法工作在零下20℃及以下温度和潮湿的工作环境。为了保证控制器冬季可以正常操作、运行，在控制器内安装了一个电柜除湿防潮加热器，保证控制器可以安全越冬。

(2)结冰探测器

结冰探测器用于检测浮潜装置附近水域是否结冰。如图4所示，结冰探测器包含处理器301、电力线载波通信模块306、温度传感器302、偏心电机305、三轴加速度传感器303和电源模块304。处理器选用意法半导体公司的STM32F103作为处理器。电力线载波通信模块利用电源线作为通信线路，与控制器进行数据通信。温度传感器测量结冰探测器所在位置的水面温度。三轴加速度传感器测量结冰探测器箱体的摆动强度。偏心电机的作用是当测得的摆动强度数据较低时，启动偏心电机，强行增加摆动强度。电源模块提供稳定可靠电源。

(3)机械设备浮潜部分

机械设备浮潜部分由浮力装置、悬索固定装置组成。

浮力装置采用管道浮桶通过螺栓固定到喷水管上，使喷水管刚好漂浮在水面，喷水管上的喷嘴刚好露出水面为最佳状态。

悬索固定装置由牵引缆绳和水泥墩组成。牵引缆绳一端固定在桥面上，另一端固定在水泥墩上。使用时，先将水泥墩投入水中，再把喷水管两端的D型安全销打开，将牵引缆绳套入D型安全销内，锁定好安全销即可正常使用。当浮潜部分漂浮在水面时，会沿着牵引缆绳的方向上下移动，而不会产生较大偏移。水泥墩的重量应较重，使浮力装置在水流的作用力下无法产生较大偏移。

(4)水系统均压均流

水系统均压均流由潜水泵、自动止回阀、连接水管和喷水管构成。潜水泵抽取水面下温度较高的水，通过水泵加压经由连接水管，从喷水管的喷嘴喷洒而出，在水面制造涌泉效果。自动止回阀配合潜水泵使用防止另外一个水泵工作时倒流的水损坏停机潜水泵的叶片。

图5为一个实施例的喷水管剖面图。喷水管采用分段设计，法兰连接，每间隔1米设置一组喷嘴，每组喷嘴包含三个喷嘴，位置如图5所示，正上方设置一个喷嘴，左右45°各设置一个。

以下结合图1-图5的结构图说明本实用新型的工作原理及优点：

(1)控制器

控制器是新型溢洪道闸门防冻除冰装置的核心组成，完成潜水泵和结冰探测器的监控、管理以及报警，并与远程终端的组网通信。控制器操作两台潜水泵交替工作，以保证潜水泵的不间断工作，并监测潜水泵运行状态以及水面结冰状态，以便在出现故障时发出报警信息，并与远程终端相互通信。

控制器的功能强大，可同时实现数据监测、逻辑控制、故障报警和组网通信功能；维护方便，采用模块化设计，每台潜水泵独立控制，便于维护；可远程设置工作参数，查看工作状态；存储功能，记录水泵运行时间及故障次数；控制功能，支持手动控制、自动控制、远程控制水泵的启停，控制模式可切换；人机界面，带有液晶显示屏和键盘，可以显示及修改监测数据和相关设备运行状态；通信功能，支持CAN总线、光纤、电力线载波等通信方式；报警功能，潜水泵故障、水面结冰等状况发生时，立即上报告警信息。

(2)结冰探测器

结冰探测器的作用是检测水体表面是否存在结冰情况，配合除冰控制器使用，方便用户查看当前水面情况。结冰探测器的测量原理是利用未结冰的水面波动引起的结冰探测器箱体的摇晃以及水面温度来判断当前水面是否存在结冰状态。结冰探测器内部带有一个三轴加速度传感器监测箱体摆动强度，当测得的强度小于设定值时，启动结冰探测器底部偏心电机，强行增加结冰探测器箱体的摆动强度，若此时检测的摆动强度仍旧小于设定值，说明结冰探测器被冰层冻住无法摆动，并且当前测得温度为零下时，此时认定测量点的水面情况为结冰状态。

目前检测结冰的方式主要有两种，一种是测量温度；另一种是使用专用结冰传感器测量。利用温度判断结冰状态，准确度较低，而市面上销售的结冰传感器只能测量物体表面结冰情况。由于结冰探测器漂浮在水面上，由喷水口形成的浪涌会拍打在设备表面，因此漂浮在水面以上部分的设备表面，可能形成一层薄冰，结冰传感器认为这种情况为结冰状态，所以这两种方式均无法准确的测定水面结冰状态。而本设计的好处是传感器部分均安装在设备内部，可以忽略掉设备表面薄冰的存在，测量准确度大大提高，而且安装简单，容易实现，成本较低。

结冰探测器箱体、进出电缆端子以及电缆均采用防水等级IP68以及耐低温标准制作，可以长时间在低温和水中漂浮使用。利用电力线载波技术与控制器通信，减少了通信线路的安装，由于设备随着水位的变化而移动，线缆的减少大大降低了施工量，简化了安装过程，更易推广实现。

(3)机械设备浮潜部分

机械设备浮潜部分由浮力装置、悬索固定装置组成。

浮力装置采用管道浮桶通过螺栓固定到喷水管上，利用管道浮桶的浮力，使喷水管漂浮在水面上。管道浮桶的优点是型号种类多可以根据实际情况选择，保证喷水管在水上漂浮；桔红色的外观颜色可作为警示标志，便于观察，方便查找；安装简便，缩短施工工期；减少维护费用。

悬索固定装置由牵引缆绳和水泥墩组成。在桥面上选择合适位置利用牵引缆绳悬挂水泥墩，利用重力的方向总是竖直向下原理，牵引缆绳始终垂直于水面，相当于一个稳定的垂直轨道，浮潜装置跟随水位变化上下移动，始终保持在同一水面位置。这种设计的好处是安装简便，实现容易，制作成本低。

(4)水系统均压均流

水系统均压均流由潜水泵、自动止回阀、连接水管和喷水管构成。

潜水泵采用油浸式潜水电泵，它的特点是电机内部充满机械油，使机械密封的工作条件改善，外界的水更不易进入电动机内部。油液将电动机内部的热量迅速传导出来，冷却效果较好，使电动机的温升大幅度下降，因而增加了潜水电泵的过载能力。另外，油浸式潜水电泵的轴承浸在油液中工作，润滑与冷却得到了保证，所以轴承寿命比其它型式的潜水电泵要长，效率更高。

自动止回阀采用蝶式止回阀，其作用是只允许介质向一个方向流动，阻止反方向流动。通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。其优点是防止回流，水泵故障或另一只水泵工作时在连接水管中的水就会产生回流。这种回流会反向推动转子，同时在潜水电机止推轴承上保持微小的推力，直到转子停止转动，这会导致电机止推轴承过多磨损，降低电机使用寿命；防止水锤的产生，水泵停止时水柱的重力作用会形成水击。这种水击会通过输送管破坏叶轮，对电机和水泵的止推轴承造成损伤。

喷水管采用分段式设计，使用法兰连接。这种设计的好处是制造简单，安装简便，减少加工及运输成本，喷嘴设置的角度可以扩大喷洒面积，增加不冻水区域。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。