恒功率電伴熱系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)用

杜小剛

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，北京 100162）

0 引言

地鐵設(shè)備系統(tǒng)管道（消防水管道、給排水管道、空調(diào)水管道等）在車站出入口、車站風(fēng)井、區(qū)間洞口、區(qū)間豎井、折返線、車輛段等地方直接跟室外環(huán)境接觸，介質(zhì)流速緩慢或靜流速不能放空的管段，冬季低溫環(huán)境下有凍裂隱患。目前利用電伴熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱交換補(bǔ)充被伴熱管道的熱量損失，使管道內(nèi)介質(zhì)溫度保持恒定，防止管道封凍、開裂。電伴熱具有熱效率高、節(jié)約能源、設(shè)計(jì)簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長、能實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

1 電保溫系統(tǒng)的特點(diǎn)及組成

電伴熱系統(tǒng)主要分為自限溫和恒功率兩種。自限溫伴熱帶隨溫度升高、電阻變大、功率變小，輸出功率隨溫度的上升而減小，隨溫度的下降而增加，其啟動(dòng)時(shí)電流較大，長期使用有功率衰減趨向。恒功率型電伴熱帶在通電后功率輸出是恒定的，不存在啟動(dòng)電流，不會隨外界環(huán)境、保溫材料、伴熱材質(zhì)變化而變化。自限溫電伴熱帶最長使用長度為100 m，而恒功率電伴熱帶長度150 m 到1500 m。地鐵中需保溫的單根管段大多數(shù)長度大于100 m，所以恒功率被更多的應(yīng)用。兩種電伴熱重要特點(diǎn)如表1所示。電伴熱系統(tǒng)主要由控制箱、伴熱纜、傳感器及傳輸線纜組成。從低壓動(dòng)照箱引出電源，經(jīng)電源箱分配至伴熱終端，傳感器采集溫度信號，控制箱接收溫度信號，依照設(shè)定程序參數(shù)控制終端啟停，數(shù)據(jù)經(jīng)BAS 系統(tǒng)反饋上級控制端（中控室）。安裝施工是其能否正常工作的關(guān)鍵，分析恒功率電保溫在地鐵工程中的問題進(jìn)行，并就其處理措施進(jìn)行探討和共享。

2 恒功率電伴熱在地鐵工程應(yīng)用中的問題總結(jié)及處理措施

2.1 伴熱帶或伴熱纜未能完全傳遞熱量

電伴熱是由電伴熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱交換補(bǔ)充被伴熱管道的熱量損失，使管道內(nèi)介質(zhì)溫度保持恒定。電能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能再進(jìn)行傳遞，依據(jù)“熱力學(xué)第二定律”，必要的熱量損失不可避免。被加熱介質(zhì)（水）依據(jù)其熱力學(xué)公式：Q=C×M×Δt（C代表比熱，M 代表質(zhì)量，Δt 代表加熱前后的溫差），都為目標(biāo)值，特定環(huán)境溫度下其值為特定值。伴熱纜到介質(zhì)的熱量需要通過管道壁進(jìn)行熱傳導(dǎo)：Q=λ×Δt×A/b（λ 代表導(dǎo)熱系數(shù)，Δt 代表加熱前后的溫差，A 代表接觸面積，b 代表壁厚）。所以，減少熱量損失的主要措施有提高熱能傳遞效率和減少不必要的二次熱損失。

提高熱能轉(zhuǎn)換效率的方法有：①采用電熱轉(zhuǎn)換效率更高的新材料做為伴熱纜的發(fā)熱材料，如碳素纖維發(fā)熱電纜、電熱膜、電熱箔等，新型材料的應(yīng)用需要更多的技術(shù)創(chuàng)新去試驗(yàn)，需要工程實(shí)踐去驗(yàn)證；②加大傳熱溫差Δt，加大換熱器傳熱溫差Δt 是加強(qiáng)換熱器換熱效果常用的措施之一。增加換熱器傳熱溫差Δt 是有一定限度的，在特定環(huán)境中，管道壁和介質(zhì)溫度環(huán)境溫度相同，理想條件是增加伴熱纜的溫度，但是必須考慮其纜芯保護(hù)層絕緣層的耐溫極限、保溫層的防火等級，它不能把它作為增強(qiáng)換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中應(yīng)該考慮到實(shí)際工藝或設(shè)備條件上是否允許；③擴(kuò)展傳熱面積F 是增加傳熱效果使用最多、最簡單的一種方法，現(xiàn)在已經(jīng)淘汰，更合適的方法的是通過合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積來達(dá)到增強(qiáng)傳熱效果的目的。

表1 自限溫和恒功率電伴熱的特點(diǎn)

使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波紋管、板翅傳熱面等材料，會增加管道流體輸送阻力、提升輸送動(dòng)力揚(yáng)程功率，且地鐵中應(yīng)用的設(shè)備管道是已經(jīng)經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行專業(yè)選型的，此方法顯然不適合?？梢圆捎迷黾影闊崂|與管道壁換熱面積的方法來提升換熱效率，增加換熱面積不能簡單的堆積，應(yīng)按照設(shè)計(jì)原則布設(shè)伴熱纜，其主要規(guī)則有：①平行敷設(shè)時(shí)將伴熱電纜平整地緊貼在管道或設(shè)備上（禁止發(fā)熱電纜懸空），為達(dá)到最佳的傳熱效果，應(yīng)將伴熱電纜盡可能沿管道水平方向，向下呈45°鋪設(shè)，伴熱電纜應(yīng)纏繞在容器中下部，通常不超過2/3，如圖1 所示；②設(shè)計(jì)要求為纏繞敷設(shè)時(shí)，伴熱電纜則應(yīng)按設(shè)計(jì)的纏繞螺距均勻纏繞鋪設(shè)；③敷設(shè)恒功率伴熱電纜時(shí)，伴熱電纜不能相互交叉、重疊，兩線之間的最小距離≥60 mm；④在施工中彎頭、閥門、三通處，應(yīng)預(yù)留管外徑2 倍量的伴熱電纜，在法蘭、直接伸縮縫處，應(yīng)預(yù)留管外徑1 倍量的伴熱電纜，以便于管道檢修，如圖2 所示。增加伴熱纜與管道壁換熱面積可將垂直于伴熱纜的鋁箔膠帶旋轉(zhuǎn)90°平行滿鋪在伴熱纜上增加伴熱纜與管道壁接觸面積。

圖1 發(fā)熱電纜平行敷設(shè)示意

圖2 發(fā)熱電纜閥門敷設(shè)示意

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)公式Q=Δt/（b/λA）=Δt/R，減少不必要的熱量損失主要體現(xiàn)在多層換熱間會出現(xiàn)多余換熱層（如空氣層）。如果伴熱纜懸空或與管道貼合不緊密，其首先會跟間隙中的空氣換熱再傳遞給管道壁。所以保證伴熱纜與管道壁、鋁箔膠帶與管道壁中間貼合緊密、不留縫隙，這樣即可保證熱量傳遞，也可避免管道或設(shè)備在無伴熱纜處降溫凝結(jié)，伴熱纜也能及時(shí)傳遞發(fā)熱量而不被燒壞。

2.2 溫度數(shù)據(jù)的采集不準(zhǔn)確

地鐵中的管道系統(tǒng)通常集中分布。溫度傳感器的設(shè)置原則為：每套控制箱設(shè)1 個(gè)回路用于環(huán)境傳感器，1 臺控制箱設(shè)8～20 個(gè)回路用于溫度傳感器，每根管道設(shè)置2 個(gè)回路溫度傳感器，放置于整個(gè)管道的相對不利點(diǎn)，控制柜內(nèi)含1 臺溫控器控制其投入切除工作狀態(tài)（溫控器控制交流接觸器，接觸器下口連接多路漏電保護(hù)器）。這樣就形成“一對多”的局面，環(huán)境傳感器只能檢測到1 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，環(huán)境溫度反饋至控制箱，溫控器會同時(shí)將供電回路投入或者切除（分路溫度傳感器探測到某管道高溫點(diǎn)只切除其單個(gè)控制）。當(dāng)環(huán)境傳感器監(jiān)測點(diǎn)在某高溫點(diǎn)（設(shè)在溫度高的管道或設(shè)備上），溫度達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí)溫控器控制所有回路停止工作，未達(dá)到溫度設(shè)定值或溫度低的管道其加熱回路也被切除，失去了加熱功效；反之當(dāng)環(huán)境傳感器監(jiān)測點(diǎn)在某低溫點(diǎn)（設(shè)在溫度低的管道或設(shè)備上），溫控器控制投入所有回路工作，將會導(dǎo)致個(gè)別溫度高的回路不能及時(shí)切除而繼續(xù)加熱（只有環(huán)境傳感器所在的回路溫度達(dá)到設(shè)定值后才整體切除），造成不必要的能源浪費(fèi)。因此，只有在每個(gè)回路適宜的位置設(shè)置環(huán)境溫度監(jiān)測點(diǎn)，對每個(gè)回路單獨(dú)控制；嚴(yán)禁一條伴熱纜為不同設(shè)備和管道提供保溫，要避免一條伴熱纜穿越不同的管道或設(shè)備。盡量使使用同一伴熱纜的設(shè)備或管道其物理性能（介質(zhì)種類、溫度等）相同，實(shí)現(xiàn)同時(shí)加熱運(yùn)行或停止。這是從設(shè)計(jì)方面的分析和處理措施。

從施工方面的分析，末端溫度探測器感應(yīng)元件要盡量貼緊管道壁，環(huán)境傳感器感應(yīng)元件要盡量貼緊保溫保護(hù)層里壁，保證其探測到最貼近介質(zhì)真實(shí)溫度和外環(huán)境溫度的值。其安裝和配線需要按照相應(yīng)規(guī)則實(shí)施，應(yīng)遵循的重要規(guī)則有：①用于溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|必須選用有屏蔽層的優(yōu)質(zhì)電纜；②溫度傳感器的3 根引線必須分別與傳輸電纜的零線、火線、屏蔽層牢固連接，最好采用焊錫處理；③強(qiáng)弱電纜不能鋪設(shè)在同一線槽內(nèi)，傳輸電纜必須單獨(dú)走穿線管，不能靠近強(qiáng)電電纜；④不可將與高溫物體接觸，不能與伴熱纜同步鋪設(shè)在保溫層里面?？刂葡鋬?nèi)溫控器要根據(jù)工程實(shí)際參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)在箱內(nèi)的傳輸線纜屏蔽層也需要可靠連接，否則影響其傳輸穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

電伴熱是地鐵設(shè)備管道在冬季低溫環(huán)境運(yùn)行的保證措施，關(guān)系到地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行。只有可靠的設(shè)計(jì)施工管理措施才是電伴熱的質(zhì)量保證，才能保證電伴熱系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行，確保工程的可靠性、安全性。