本實用新型涉及水電站領域，具體而言，涉及一種新型溢洪道閘門防凍除冰裝置。

背景技術：

近年來，我國的水電站建設取得了巨大成績。然而在水電站的建設中，溢洪道閘門防凍除冰是高寒地區水電站設計的重點之一，高寒地區冬季溢洪道閘門的結冰問題，嚴重影響水利樞紐的正常運行。在高寒地區冰凍期，泄洪閘門前冰層厚度能達到在1～2米，冬季冰層產生的膨脹壓力和水位變化時的剪切力會對閘門產生應力破壞，在極端情況下容易使閘門和閘墩產生永久破壞。目前高寒地區水電站多采用人工冰蓋開槽法、壓縮空氣吹泡法、壓力水射流法、門葉電熱法來保證泄洪閘門越冬。

人工冰蓋開槽法是人工在冰蓋開槽，需要在冰蓋達到一定的厚度，可以承載人員在冰上作業，才開始對冰蓋進行處理，因此在冰封初期冰層對閘門的應力影響是不能消除的，同時在解凍前期，同樣也不能提供保護。另外，采取人工破冰，人員在整個冰封期每天需要大強度的重復性勞作，在極寒條件下，每日的結冰量很大，同時人工成本逐年上升，人員安全隱患較大。

壓縮空氣吹泡法是使用空氣壓縮機并鋪設空壓管道至水面下2～5米，吹氣嘴距離門葉大于3米。利用壓縮空氣在不同溫度水層間形成對流環境，不斷升起的氣泡擾動水面，達到防止結冰的效果。為了適應水位的不斷變化，保證噴嘴與水面的距離，管道設計復雜，所用設備較多，系統維護費用較大。

壓力水射流法原理是將水下溫度相對較高的水通過潛水泵和管路加壓噴射在閘門前，通過水流攪動水體，會在閘門前形成一條不結冰的區域。該方法運行可靠、除冰防凍效果好，耗能較低。但是，控制器大多采用PLC，程序編寫復雜，線路設置復雜，不易擴展，系統通用性差，自動化程度低，可推廣難度大，系統維護復雜。

門葉電熱法采用電熱管、電熱纜或電熱板，三相負載分配相等，均勻地布置在門葉結構中間，門葉下游面全部采用保溫板密封，通過電加熱，使得閘門前水體溫度大于冰點。該方法經濟性較低，耗能較大。

技術實現要素：

本實用新型提供一種新型溢洪道閘門防凍除冰裝置，用以克服現有技術中存在的至少一個問題。

為達到上述目的，本實用新型提供了一種新型溢洪道閘門防凍除冰裝置，包括：控制器、結冰探測器、潛水泵、自動止回閥、連接水管、噴水管、浮力裝置和懸索固定裝置，其中：

所述結冰探測器和所述潛水泵設置在浮潛裝置水域，所述潛水泵設置在浮潛裝置水域的水面下，并由所述控制器讀取當前狀態信息；所述連接水管連接在所述潛水泵和所述噴水管之間，將所述潛水泵和所述噴水管連接到一起，所述噴水管利用所述潛水泵抽取上來的水在水面攪動水體；所述噴水管與所述浮力裝置連接在一起，使所述噴水管跟隨水位變化始終漂浮在水面，所述懸索固定裝置將所述噴水管和所述浮力裝置固定在設定區域內。

進一步地，所述潛水泵設置有兩個，兩個所述潛水泵交替工作，每個所述潛水泵上設置有自動止回閥，防止當前工作的潛水泵工作時倒流的水損壞停機潛水泵的葉片。

進一步地，所述控制器包括控制模塊、手動/自動選擇開關、顯示屏和鍵盤、CAN總線、空氣開關、啟動/停止按鍵、潛水泵保護器和交流接觸器，其中，所述手動/自動選擇開關、所述顯示屏和鍵盤、所述CAN總線、所述交流接觸器和所述潛水泵保護器分別與所述控制模塊相連接，所述潛水泵保護器還分別與所述交流接觸器、所述空氣開關相連接。

進一步地，所述結冰探測器包括處理器、電力線載波通信模塊、溫度傳感器、偏心電機、三軸加速度傳感器和電源模塊，其中，所述電力線載波通信模塊、所述溫度傳感器、所述偏心電機、所述三軸加速度傳感器和所述電源模塊分別與所述處理器相連接。

進一步地，所述浮力裝置采用管道浮桶通過螺栓固定在所述噴水管上，使所述噴水管漂浮在水面，所述噴水管上的噴嘴露出水面的長度在設定范圍內。

進一步地，所述懸索固定裝置包括牽引纜繩和水泥墩，所述牽引纜繩一端固定在橋面上，另一端固定在水泥墩上，使用時，先將水泥墩投入水中，再把噴水管兩端的D型安全銷打開，將牽引纜繩套入D型安全銷內，鎖定安全銷即可正常使用。

本實用新型的有益效果是傳感器部分均安裝在設備內部，可以忽略掉設備表面薄冰的存在，測量準確度大大提高，而且安裝簡單，容易實現，成本較低。

結冰探測器箱體、進出電纜端子以及電纜均采用防水等級IP68以及耐低溫標準制作，可以長時間在低溫和水中漂浮使用。利用電力線載波技術與控制器通信，減少了通信線路的安裝，由于設備隨著水位的變化而移動，線纜的減少大大降低了施工量，簡化了安裝過程，更易推廣實現。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型一個實施例的新型溢洪道閘門防凍除冰裝置示意圖；

圖2為本實用新型一個實施例的新型溢洪道閘門防凍除冰裝置俯視圖；

圖3為本實用新型一個實施例的控制器模塊示意圖；

圖4為本實用新型一個實施例的結冰探測器示意圖；

圖5為本實用新型一個實施例的噴水管剖面圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

圖1為本實用新型一個實施例的新型溢洪道閘門防凍除冰裝置示意圖；圖2為本實用新型一個實施例的新型溢洪道閘門防凍除冰裝置俯視圖；圖中，101為控制器，102為控制電纜，103為懸索固定裝置，104為連接水管，105為浮力裝置，106為自動止回閥，107為潛水泵，108為橋墩，109為噴水管，110為閘門，111為橋面，112為結冰探測器；如圖所示，新型溢洪道閘門防凍除冰裝置是根據壓力水射流法原理專門為溢洪道閘門冬季正常運行設計的一款新型防凍除冰裝置。新型溢洪道閘門防凍除冰裝置包括控制器、結冰探測器、潛水泵、自動止回閥、連接水管、噴水管、浮力裝置、懸索固定裝置。

控制器完成潛水泵和結冰探測器的監控、管理以及報警，是新型溢洪道閘門防凍除冰裝置的核心組成。結冰探測器的作用是探測浮潛裝置附近水域是否結冰，并向控制器發送當前是否結冰的狀態信息。潛水泵的作用是抽取水下溫度較高的水，可以采用兩個潛水泵交替工作，保證不間斷運行。自動止回閥是防止當前潛水泵工作時倒流的水損壞停機潛水泵的葉片。連接水管將潛水泵和噴水管連接到一起。噴水管將潛水泵抽取上來的水在水面攪動水體。浮力裝置使噴水管跟隨水位變化始終漂浮在水面。懸索固定裝置使噴水管和浮力裝置始終工作在一定區域內。

以下對新型溢洪道閘門防凍除冰裝置的各組成部分分別進行介紹。

(1)控制器

控制器是新型溢洪道閘門防凍除冰裝置的核心組成，完成潛水泵和結冰探測器的監控、管理以及報警，并與遠程終端的組網通信。控制器操作兩臺潛水泵交替工作，以保證潛水泵的不間斷工作，并監測潛水泵運行狀態以及水面結冰狀態，以便在出現故障時發出報警信息，并與遠程終端相互通信。

圖3為一個實施例的控制器模塊示意圖；圖中，201為控制模塊，202為手動/自動選擇開關，203為總線接口，204為空氣開關，205為潛水泵保護器，206為啟動/停止按鍵，207為交流接觸器，208為顯示器和鍵盤。如圖所示，控制器包含控制模塊、手動/自動選擇開關、顯示屏&鍵盤、CAN總線、空氣開關、啟動/停止按鍵、潛水泵保護器、交流接觸器。控制模塊的CPU選用意法半導體公司的STM32F103作為處理器。手動/自動選擇開關是工作模式選擇按鈕，由用戶控制，可選擇手動模式或自動模式。顯示屏&鍵盤模塊用于查看數據和工作狀態，鍵盤配合顯示屏可以修改控制器的相應參數。CAN總線接口用于與其他設備的CAN總線組網通信。空氣開關即可以由用戶操作，手動切斷控制箱內設備電源，也可以對控制箱內電氣設備進行保護。啟動/停止按鍵工作在手動模式下，由用戶手動操作潛水泵的啟、停機狀態。潛水泵保護器用于給潛水泵電機全面的保護，在潛水泵電機出現過載、缺相、堵轉、短路、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過熱、軸承磨損時，予以報警和保護的裝置。交流接觸器是一種中間控制元件，其優點是可頻繁的通、斷線路，以便控制模塊可以控制潛水泵的啟動和停止。

由于液晶顯示屏制作工藝限制，液晶顯示屏無法工作在零下20℃及以下溫度和潮濕的工作環境。為了保證控制器冬季可以正常操作、運行，在控制器內安裝了一個電柜除濕防潮加熱器，保證控制器可以安全越冬。

(2)結冰探測器

結冰探測器用于檢測浮潛裝置附近水域是否結冰。如圖4所示，結冰探測器包含處理器301、電力線載波通信模塊306、溫度傳感器302、偏心電機305、三軸加速度傳感器303和電源模塊304。處理器選用意法半導體公司的STM32F103作為處理器。電力線載波通信模塊利用電源線作為通信線路，與控制器進行數據通信。溫度傳感器測量結冰探測器所在位置的水面溫度。三軸加速度傳感器測量結冰探測器箱體的擺動強度。偏心電機的作用是當測得的擺動強度數據較低時，啟動偏心電機，強行增加擺動強度。電源模塊提供穩定可靠電源。

(3)機械設備浮潛部分

機械設備浮潛部分由浮力裝置、懸索固定裝置組成。

浮力裝置采用管道浮桶通過螺栓固定到噴水管上，使噴水管剛好漂浮在水面，噴水管上的噴嘴剛好露出水面為最佳狀態。

懸索固定裝置由牽引纜繩和水泥墩組成。牽引纜繩一端固定在橋面上，另一端固定在水泥墩上。使用時，先將水泥墩投入水中，再把噴水管兩端的D型安全銷打開，將牽引纜繩套入D型安全銷內，鎖定好安全銷即可正常使用。當浮潛部分漂浮在水面時，會沿著牽引纜繩的方向上下移動，而不會產生較大偏移。水泥墩的重量應較重，使浮力裝置在水流的作用力下無法產生較大偏移。

(4)水系統均壓均流

水系統均壓均流由潛水泵、自動止回閥、連接水管和噴水管構成。潛水泵抽取水面下溫度較高的水，通過水泵加壓經由連接水管，從噴水管的噴嘴噴灑而出，在水面制造涌泉效果。自動止回閥配合潛水泵使用防止另外一個水泵工作時倒流的水損壞停機潛水泵的葉片。

圖5為一個實施例的噴水管剖面圖。噴水管采用分段設計，法蘭連接，每間隔1米設置一組噴嘴，每組噴嘴包含三個噴嘴，位置如圖5所示，正上方設置一個噴嘴，左右45°各設置一個。

以下結合圖1-圖5的結構圖說明本實用新型的工作原理及優點：

(1)控制器

控制器是新型溢洪道閘門防凍除冰裝置的核心組成，完成潛水泵和結冰探測器的監控、管理以及報警，并與遠程終端的組網通信。控制器操作兩臺潛水泵交替工作，以保證潛水泵的不間斷工作，并監測潛水泵運行狀態以及水面結冰狀態，以便在出現故障時發出報警信息，并與遠程終端相互通信。

控制器的功能強大，可同時實現數據監測、邏輯控制、故障報警和組網通信功能；維護方便，采用模塊化設計，每臺潛水泵獨立控制，便于維護；可遠程設置工作參數，查看工作狀態；存儲功能，記錄水泵運行時間及故障次數；控制功能，支持手動控制、自動控制、遠程控制水泵的啟停，控制模式可切換；人機界面，帶有液晶顯示屏和鍵盤，可以顯示及修改監測數據和相關設備運行狀態；通信功能，支持CAN總線、光纖、電力線載波等通信方式；報警功能，潛水泵故障、水面結冰等狀況發生時，立即上報告警信息。

(2)結冰探測器

結冰探測器的作用是檢測水體表面是否存在結冰情況，配合除冰控制器使用，方便用戶查看當前水面情況。結冰探測器的測量原理是利用未結冰的水面波動引起的結冰探測器箱體的搖晃以及水面溫度來判斷當前水面是否存在結冰狀態。結冰探測器內部帶有一個三軸加速度傳感器監測箱體擺動強度，當測得的強度小于設定值時，啟動結冰探測器底部偏心電機，強行增加結冰探測器箱體的擺動強度，若此時檢測的擺動強度仍舊小于設定值，說明結冰探測器被冰層凍住無法擺動，并且當前測得溫度為零下時，此時認定測量點的水面情況為結冰狀態。

目前檢測結冰的方式主要有兩種，一種是測量溫度；另一種是使用專用結冰傳感器測量。利用溫度判斷結冰狀態，準確度較低，而市面上銷售的結冰傳感器只能測量物體表面結冰情況。由于結冰探測器漂浮在水面上，由噴水口形成的浪涌會拍打在設備表面，因此漂浮在水面以上部分的設備表面，可能形成一層薄冰，結冰傳感器認為這種情況為結冰狀態，所以這兩種方式均無法準確的測定水面結冰狀態。而本設計的好處是傳感器部分均安裝在設備內部，可以忽略掉設備表面薄冰的存在，測量準確度大大提高，而且安裝簡單，容易實現，成本較低。

結冰探測器箱體、進出電纜端子以及電纜均采用防水等級IP68以及耐低溫標準制作，可以長時間在低溫和水中漂浮使用。利用電力線載波技術與控制器通信，減少了通信線路的安裝，由于設備隨著水位的變化而移動，線纜的減少大大降低了施工量，簡化了安裝過程，更易推廣實現。

(3)機械設備浮潛部分

機械設備浮潛部分由浮力裝置、懸索固定裝置組成。

浮力裝置采用管道浮桶通過螺栓固定到噴水管上，利用管道浮桶的浮力，使噴水管漂浮在水面上。管道浮桶的優點是型號種類多可以根據實際情況選擇，保證噴水管在水上漂浮；桔紅色的外觀顏色可作為警示標志，便于觀察，方便查找；安裝簡便，縮短施工工期；減少維護費用。

懸索固定裝置由牽引纜繩和水泥墩組成。在橋面上選擇合適位置利用牽引纜繩懸掛水泥墩，利用重力的方向總是豎直向下原理，牽引纜繩始終垂直于水面，相當于一個穩定的垂直軌道，浮潛裝置跟隨水位變化上下移動，始終保持在同一水面位置。這種設計的好處是安裝簡便，實現容易，制作成本低。

(4)水系統均壓均流

水系統均壓均流由潛水泵、自動止回閥、連接水管和噴水管構成。

潛水泵采用油浸式潛水電泵，它的特點是電機內部充滿機械油，使機械密封的工作條件改善，外界的水更不易進入電動機內部。油液將電動機內部的熱量迅速傳導出來，冷卻效果較好，使電動機的溫升大幅度下降，因而增加了潛水電泵的過載能力。另外，油浸式潛水電泵的軸承浸在油液中工作，潤滑與冷卻得到了保證，所以軸承壽命比其它型式的潛水電泵要長，效率更高。

自動止回閥采用蝶式止回閥，其作用是只允許介質向一個方向流動，阻止反方向流動。通常這種閥門是自動工作的，在一個方向流動的流體壓力作用下，閥瓣打開；流體反方向流動時，由流體壓力和閥瓣的自重合閥瓣作用于閥座，從而切斷流動。其優點是防止回流，水泵故障或另一只水泵工作時在連接水管中的水就會產生回流。這種回流會反向推動轉子，同時在潛水電機止推軸承上保持微小的推力，直到轉子停止轉動，這會導致電機止推軸承過多磨損，降低電機使用壽命；防止水錘的產生，水泵停止時水柱的重力作用會形成水擊。這種水擊會通過輸送管破壞葉輪，對電機和水泵的止推軸承造成損傷。

噴水管采用分段式設計，使用法蘭連接。這種設計的好處是制造簡單，安裝簡便，減少加工及運輸成本，噴嘴設置的角度可以擴大噴灑面積，增加不凍水區域。

本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本實用新型所必須的。

本領域普通技術人員可以理解：實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和范圍。