小沙湾水厂是当地集团工业生产用水的重要水源地，位于黄河干流“托万”段。在每年11月下旬左右，随着气温的下降，黄河由于其特殊的地理位置和河流走向，在水面会产生冰凌至整个水面结冰。目前国内外常用的破冰方式主要为人工破冰、爆破破冰和机械破冰等，蒸汽融冰是近几年新兴的一种除冰方式。WEN等[1]探究了喷嘴与冰面间距离、喷嘴出口速度、喷嘴数量及喷嘴直径等参数对蒸汽融冰效果的影响，该实验数据及结果对于高效除冰机的设计具有指导意义。范欣宇等[2]根据水的三相变化原理，利用蒸汽融冰技术对橡胶坝工程进行除冰，经过实验验证，融冰效果较好，具有推广使用价值。朱从云等[3]为了解蒸汽除冰过程中喷嘴的几何参数对除冰效果的影响进行了仿真分析，结果表明当喷嘴圆锥角为15°、长径比为1时除冰效率较高。黄盼许等[4]利用蒸汽射流技术对飞机机身进行除冰并优化蒸汽喷头的结构，通过仿真分析发现三弧形喷头除冰效率最高。卢珊等[5]针对现有除冰雪装置的不足，设计了一种道路表面除冰的蒸汽除冰装置，装置结构均可拆卸，用于清扫路面有较强的实用性。许红飞等[6]通过实验研究冰雪厚度、作业速度、锅炉蒸发量3个因素对蒸汽式除雪车除雪率、除冰率的影响，结果表明蒸汽量和热传导效率是关键影响因素。由于独特的地理位置及地形环境，融冰工作十分困难，近年来多次尝试各种融冰方法均未能实现有效融冰，因此本研究针对泵车轨道及斜坡预期设计了一套蒸汽融冰系统，利用蒸汽进行持续融冰，达到快速、高效、低能耗、安全融冰的目的。1问题及可行性分析1.1小沙湾水厂泵车轨道除冰问题分析小沙湾水厂位于内蒙古自治区准格尔旗薛家湾镇东21 km的黄河西岸，是国家能源集团准格尔能源有限责任公司重要的地表水水源基地。小沙湾水厂取水任务主要由一级泵站和二级泵站完成，冬季来临时水位下降，河面结冰，此时由一级泵站进行取水。一级泵站取水通过4台移动泵车完成，当需要取水时，牵引绳牵引泵车由等待区沿斜坡轨道牵引至取水区域进行取水工作。冬季气温下降，泵车轨道上常结有冰凌，泵车移动时易出现打滑甚至侧翻现象，对泵车安全和取水工作造成严重影响。目前对于斜坡轨道的除冰采取人工破冰加高压水枪冲洗方式，人工除冰不仅效率较低，而且斜坡结冰后较滑，除冰工人易出现滑倒等问题，严重影响工人生命安全，所以小沙湾水厂亟须一种高效、安全的泵车轨道除冰装置。1.2蒸汽融冰可行性分析本文参考热力学相关理论及建立的融冰方面数学模型[7]，得出可以利用热辐射原理进行水蒸汽融冰。通过蒸汽输送管道，将额定温度193 ℃的水蒸汽输送到冰面，利用蒸汽温度融冰。小沙湾水厂冬季泵车轨道及泵车前部的冻冰直接影响泵车下河取水。小沙湾水厂为解决冬季供暖问题，建有燃气蒸汽锅炉，该蒸汽锅炉额定出口压力1.25 MPa、额定蒸汽温度193 ℃。经过理论计算，在蒸汽温度180 ℃、蒸汽压力0.2 MPa、室外温度-10 ℃、冰体积100 m3、蒸汽输送管道管径DN100 mm的条件下，融化泵车轨道及取水区域（18 m×36 m）冰凌所需时间9 h，蒸汽融冰所需的蒸汽量有限，不会对厂区正常供暖产生影响。通过模拟实验和理论计算，使用蒸汽融冰对于泵车轨道融冰除凌可行。2蒸汽融冰系统设计针对现有技术和方法的不足，设计出一种远程控制可升降轨道蒸汽融冰装置。该装置以具有一定温度的水蒸汽作为热交换源，将水泵等扰动源放置在水下融冰，通过分汽缸、蒸汽管道、蒸汽喷管、丝杠升降机及融冰控制柜等组成远程控制可升降轨道蒸汽融冰装置，利用蒸汽与冰进行热交换能量转换，消融结冰。2.1蒸汽管道结构蒸汽管道结构由蒸汽输送主管路、蒸汽输送支路及相关紧固件组成，主要作用是将蒸汽从蒸汽锅炉输送至蒸汽融冰装置内进行融冰。泵车融冰系统蒸汽管路如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.022.F001图1泵车融冰系统蒸汽管路/mm2.2分汽缸结构分汽缸结构主要由分汽缸、温压一体化变送器及安全阀等组成，主要作用是将蒸汽分流、保障蒸汽能够稳定地输送至每个蒸汽喷头处。分汽缸结构如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.022.F002图2分汽缸结构2.3蒸汽融冰装置蒸汽融冰装置由蒸汽喷头组、涡轮丝杠升降机及相关管道线路组成。蒸汽喷头组的主要作用是将蒸汽喷射至冰面，融化轨道上的冰层；涡轮丝杠升降机主要作用是调整蒸汽喷头的位置和喷射角度，针对不同地形、不同冰层厚度进行调整，确保蒸汽融冰处于最佳位置和最高效率的状态。蒸汽融冰装置如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.022.F003图3蒸汽融冰装置丝杠升降机安装平台焊接在两根吸水管间距管口1.5、3.0、4.5 m处，丝杠收缩方向与吸水管平行，4~5个DN20 mm蒸汽喷头均安装在分支管路上，电动控制涡轮丝杠升降杆升降，分支管路随涡轮丝杠升降，蒸汽喷头在水面10~30 mm以下，喷射方向与水面平行呈扇面喷射。连接蒸汽管道的涡轮丝杠可以通过遥控进行升降，蒸汽喷头始终保持在水面10~30 mm以下，完成融冰作业；随着部分取水水域冰凌的清除，泵车可以垂直于河岸向前移动，扩大融冰的作业面。2.4融冰控制系统融冰控制柜的主要作用是控制分汽缸上电磁阀的开启和闭合，进而控制蒸汽喷头喷射蒸汽量和时间；控制融冰装置丝杠升降机的升降，调整蒸汽喷头的位置和角度，保证喷管接触冰面进行融冰。融冰控制柜控制系统如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.022.F004图4融冰控制柜控制系统融冰控制柜控制系统在丝杠升降机处安装了遥控器，可通过遥控器远程控制丝杠升降杆升降，进而带动蒸汽管道的升降，调整喷管所在的位置，控制喷管接触冰面进行融冰，因此可以适应取水水域不同的冰层厚度情况。融冰控制柜控制系统的融冰控制柜可以实现本地控制，通过触摸屏幕按钮，手动控制蒸汽喷射管路电动阀的开关，也可以通过外部实现对该装置的控制。该装置融冰控制柜的数据物联网可以上传至融冰平台，在现场可以通过遥控器就地控制或者手机App远程手动分别控制对象，远程操作能够减少工人接近运动、高温的机械设备，保障了融冰人员的安全，达到高效、节能、安全完成泵车轨道和取水水域融冰目的。3融冰效果分析3.1融冰准备完成1~4号泵车喷射管路，喷头，清扫机，电控系统，1号、3号泵车涡轮升降机等设施的安装调试工作。3.21号、3号泵车同时进行轨道融冰融冰区域970.5~980.0 m，泵车融冰行进距离25~26 m。视轨道结冰情况，可远程同时或分别开启侧1、侧2、正面喷射管路，实现对轨道结冰区域的精准融冰。随着泵车的移动，清扫机实时清扫融冰后轨道上的碎冰，防止轨道二次结冰，本阶段融冰过程大约1.5 h。轨道经过蒸汽融冰后泵车轨道上的冰凌已全部融化，移动泵车在轨道上能够正常移动，取水区域融冰后可正常完成取水工作。泵车轨道蒸汽融冰前后对比如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.022.F005图5泵车轨道蒸汽融冰前后对比4结语本设计可升降轨道蒸汽融冰系统，通过蒸汽带来的热辐射融化冰层，配合升降装置，快速消除泵车轨道及斜坡上的冰凌。同时为该设备配备了远程控制系统，在系统外部实现对该装置的控制，在一定程度上保障了融冰人员的安全。该装置能够高效、节能、安全地完成泵车轨道融冰及取水区域融冰目的。