寒區(qū)公路隧道電伴熱系統(tǒng)經(jīng)濟性和耐久性分析.doc

寒區(qū)公路隧道電伴熱系統(tǒng)經(jīng)濟性和耐久性分析摘 要：本文主要介紹了電伴熱系統(tǒng)在寒區(qū)隧道的應(yīng)用，指出了其突出優(yōu)勢，并從經(jīng)濟性和耐久性方面進行分析，說明了電伴熱系統(tǒng)在寒區(qū)隧道工程使用的可行性。關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道，電伴熱系統(tǒng)，經(jīng)濟性，耐久性0引言：隨著我國西部大開發(fā)政策的不斷深入，在寒區(qū)修建的公路也越來越多，寒區(qū)隧道的抗凍脹問題日益受到工程界的關(guān)注和重視。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，針對寒區(qū)隧道已經(jīng)存在不少應(yīng)對措施，主要有從隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，防排水設(shè)計方面，保溫材料和方面著手，實踐證明，以上措施效果并不明顯，只能對寒區(qū)隧道的抗凍在一定程度上起作用，而加熱電纜即電伴熱系統(tǒng)的引進，在很大程度上解決了這些問題，雖然這種措施耗費比較大，但是隨著技術(shù)的改進將逐步克服這一問題。1電伴熱系統(tǒng)保溫防凍防滑的優(yōu)勢1.1隧道電伴熱系統(tǒng)優(yōu)勢目前在隧道防凍措施中采用供熱法并不成熟，目前投入使用的供熱法：前蘇聯(lián)隧道供暖有的用電力，采用管式電力加熱器；挪威在隧道排水系統(tǒng)中設(shè)置加熱電纜；有的地方利用地?zé)崴蛘羝麑λ疁线M行加溫。電伴熱系統(tǒng)與常用伴熱保溫措施相比，主要優(yōu)點如下：(1)電伴熱裝置簡單、發(fā)熱均勻、反應(yīng)敏捷，可以實現(xiàn)遠距離控制，便于管理。(2)可靠性高，根據(jù)需要可以加工成阻燃、防爆、防腐蝕型，具有全天候工作性能，使用壽命長。(3)保護環(huán)境、減少污染：電伴熱在傳輸過程中無泄漏，不會產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等污染環(huán)境的現(xiàn)象。(4)降低設(shè)計、施工和維護費用：電伴熱與蒸汽伴熱相比，設(shè)計工作量小、施工簡單、周期短、維護方便、日常的維護保養(yǎng)工作量。(5)自控電伴熱因本身就能感應(yīng)介質(zhì)的溫度而自調(diào)發(fā)熱量，是一種節(jié)能措施。蒸汽伴熱只能利用一部分熱能，大量熱能由高品位變?yōu)榈推肺?，無法利用，白白浪費了。經(jīng)測算，電伴熱與蒸汽伴熱的耗能之比為15.8。另外，由于自控電伴熱可以有效地杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，因此，改善了使用環(huán)境，避免了因蒸汽和凝結(jié)水的跑漏而對環(huán)境造成的污染，并且非常適用于東北比較寒冷且極易凍的地區(qū)。1.2路面電伴熱防滑系統(tǒng)優(yōu)勢（1）熱力作用。高速公路目前應(yīng)用最廣泛的是融雪劑融雪法，融雪劑是通過降低冰點來達到融雪目的。在冰雪急劇融化時，大部分熱量需要從接觸冰雪的路面吸收，可使-5的路面溫度劇降至-14，這種突然降溫的熱沖擊，使路面急劇收縮，能產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，對路面十分不利，甚至導(dǎo)致路面開裂。而發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)是通過升高道路表面溫度，使其高于冰點，在系統(tǒng)開啟后，結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度在及上表面溫度的升高將比較緩慢，例如，當鋪裝功率為300w/m2，下雪氣溫為-5，上表面溫度升高到2即可達到最好的融雪效果，而升溫時間在 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小時，上表面與空氣的換熱較為充分，不會引起路面的急劇膨脹，避免了對道路的破壞。（2）操作方便。采用融雪劑融雪需要鹽池等基礎(chǔ)設(shè)施，并動用大量的機械設(shè)備來運輸和噴灑。而發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)只在建筑道路的同時，按照其工藝方法鋪設(shè)，根據(jù)天氣預(yù)報，在下雪前將系統(tǒng)開啟，在設(shè)定的條件下運行，無需大量的人工和機械操作，且不會由于噴灑機械的運行造成道路的局部堵塞。（3）使用范圍。傳統(tǒng)的融雪化冰方法有很大的局限性，如融雪劑在低于-15時就不能將冰雪融化。而采用發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)，可根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件，根據(jù)不同的道路結(jié)構(gòu)計算出鋪裝功率，并采用合理的控制方案，在系統(tǒng)運行時，隨氣溫和風(fēng)速的變化通過系統(tǒng)的通斷使得上表面溫度控制在一個設(shè)定值，非常有針對性。從理論上講，只要有足夠的鋪裝功率，并采取適當措施（如隔熱）減少向下傳熱，此系統(tǒng)可以滿足大部分情況低溫下的融雪要求。（4）融雪效果。傳統(tǒng)融雪方法因人工或機械操作造成施灑不均易造成融雪不充分或者浪費。而發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)因電纜分布均勻，而且能夠定量控制，路面溫度始終處于可控且穩(wěn)定狀態(tài)，所以融雪效果很好。2系統(tǒng)經(jīng)濟性分析目前，市場上的發(fā)熱電纜很多已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，價格也不是很高，例如試驗所用電纜就是由陜西中森科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的。這對于總體造價有著很重要的作用，鋪設(shè)電伴熱系統(tǒng)初始費用見表1。表1鋪設(shè)電伴熱系統(tǒng)初始費用工程或費用名稱預(yù)算金額（元）路面部分刻槽35500加熱電纜1600001鋼絲網(wǎng)90008809溫度控制器1800bv1012200路面費用合計（元）218500隧道部分1鋼絲網(wǎng)12000彈簧40008809溫度控制器5200加熱電纜400004cm酚醛泡沫板448006mm玻璃纖維增強硅酸鈣板38800襯砌費用合計（元）144800表1為預(yù)算鋪設(shè)隧道電伴熱系統(tǒng)的初始投資，鋪裝按照研究的設(shè)防長度，路面100m、隧道50m。結(jié)果表明，采用此系統(tǒng)會使建設(shè)隧道和道路的預(yù)算在原有基礎(chǔ)上增加，隧道部分增加約2496元/延米，路面部分約2896元/延米。隧道部分采用的鋪裝功率為100w，路面部分采用的鋪裝功率為300w，隧道部分長度50m，試驗段路面部分設(shè)防長度100m。隧道部分50m鋪設(shè)面積為1570m2，鋪設(shè)總功率157kw；高速公路隧道為雙向四車道，也就是單洞車道總寬為3.752，路面部分設(shè)防長度總鋪設(shè)面積為700m2。這樣鋪裝總功率為300w700m2，也就是210kw。路面與隧道共367kw，按工業(yè)用電的費用0.5元/kwh來計算，每小時整個系統(tǒng)用電費用為183.5元。3系統(tǒng)耐久性分析目前較為普遍使用的電熱帶是自限溫加熱帶，其發(fā)熱元件的電阻率具有很高的正溫度系數(shù)(表示為positive temperature coefficient 簡稱ptc)。將ptc材料均勻地擠塑在兩根平行的金屬線芯之間即得芯帶，在芯帶的外面包復(fù)一層絕緣材料作為護套，得到基本型電熱帶，然后還可根據(jù)需要加屏蔽層及耐腐蝕層等。電熱帶的金屬線芯接通電源后，電流由一根線芯經(jīng)過發(fā)熱體ptc材料到另一線芯而形成閉合回路。由于發(fā)熱體是一個整體，因此只要電熱帶本身不被切斷就不存在斷電現(xiàn)象。當電源接通以后，發(fā)熱體ptc材料將電能轉(zhuǎn)換為熱能，使發(fā)熱體開始升溫，同時由于發(fā)熱體的正溫度系數(shù)使其電阻率隨著溫度的升高而逐步增大，當芯帶的溫度升至一定值(最高溫度)時，發(fā)熱體的電阻率也足夠大，幾乎阻斷了電流的通過，這樣發(fā)熱體的溫度就不再升高。如果加入的ptc材料不同，則會得到不同的電阻一溫度特性曲線，即得到了不同的溫度范圍的電熱帶。加熱時能夠自動限定電纜的工作溫度；能隨被加熱體系的溫度變化自動調(diào)整輸出功率而無需外加設(shè)備；電纜可以任意裁短或在一定范圍內(nèi)接長使用，而上述性能不變。允許交叉重疊纏繞敷設(shè)而無過熱及燒毀之憂。電伴熱系統(tǒng)在正確的安裝和操作時，其運行是安全可靠的，使用壽命也較長。但由于安裝運行維護不當，或運行過程中的工藝設(shè)備、管線運行狀態(tài)或溫度等條件的變化，會引起不必要的故障，減少使用壽命。這就要求操作人員要及時發(fā)現(xiàn)故障并查明原因，迅速解決，保證電伴熱系統(tǒng)安全可靠地運行。表2是電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)品的性能技術(shù)參數(shù)，各項參數(shù)的優(yōu)劣一定程度上決定了電伴熱系統(tǒng)的安全性和耐久性。表2產(chǎn)品性能技術(shù)參數(shù)型號額定電壓v額定功率w/m絕緣電阻m/km絕緣材料最高耐溫防爆等級雙向最大使用長度m介質(zhì)最高維持溫度hbl2-j3-102201050f46205ext4450130hbl2-j3-2020350120hbl2-j3-303030095hbl2-j3-404026075hbl3-j3-303803050f46205ext4600120hbl3-j3-4040530100hbl3-j3-505046080hbl3-j3-606040060寒區(qū)隧道襯砌和路面電伴熱系統(tǒng)的耐久性主要取決于系統(tǒng)所用發(fā)熱電纜的質(zhì)量和壽命，目前所用的發(fā)熱電纜一般壽命可達50年以上，表3是現(xiàn)場所用電纜的經(jīng)國家電纜質(zhì)量監(jiān)督中心檢測通過的各項參數(shù)表。表3發(fā)熱電纜各項參數(shù)檢驗表類別檢驗項目標準要求檢驗結(jié)果電壓試驗絕緣電阻室溫成品電纜電壓試驗不擊穿通過高溫成品電纜電壓試驗不擊穿通過絕緣電阻最小0.03mkm44000成品性能試驗變形試驗（300n，1.5kv/30s）不擊穿通過拉力試驗最小120n510正反卷繞試驗不擊穿通過低溫沖擊試驗（-15）不開裂通過屏蔽的耐穿透性試針推入需觸及屏蔽通過絕緣老化前抗張強度最小12.5n/mm213.2老化前斷裂伸長率最小200%400老化后抗張強度最小12.5n/mm214.2老化后斷裂伸長率最小200%380抗張強度變化率最大25%8斷裂伸長率變化率最大25%-5伸長率最大175%100永久伸長率最大15%0護套抗開裂試驗（1h，150）不開裂通過90高溫壓力試驗-變形率最大50%24低溫卷繞試驗（-15）不開裂通過熱穩(wěn)定性（200）最小180min通過隧道路面電伴熱系統(tǒng)的耐久性除了電纜本身質(zhì)量的影響外，還受其他一系列因素的影響。首先，刻槽質(zhì)量的好壞直接影響到發(fā)熱電纜的使用壽命?？滩酃に嚨氖┕べ|(zhì)量關(guān)系到發(fā)熱電纜是否會受到路面層間的各種力，因此要嚴格控制刻槽施工質(zhì)量。其次，路面結(jié)構(gòu)層會長時間受到外界溫度、車輛荷載、積水等各方面因素影響，間接影響到發(fā)熱電纜層。綜合以上因素，路面電伴熱系統(tǒng)的壽命可達20年以上。根據(jù)公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范第3.1.3條規(guī)定：高速公路瀝青混凝土路面設(shè)計年限為15年，電伴熱系統(tǒng)壽命滿足規(guī)范要求。隧道襯砌電伴熱系統(tǒng)的發(fā)熱電纜由于絕緣、封閉的特性，免于了日常維護。溫度傳感器的壽命相對發(fā)熱電纜來說要短，但選用的溫度傳感器平均壽命可達十年以上，且便于更換。同時，系統(tǒng)不受外部荷載影響，因此寒區(qū)公路隧道襯砌電伴熱系統(tǒng)的使用壽命則可達50年以上。4 結(jié)語電伴熱系統(tǒng)屬于注定加熱的一種措施，其突出優(yōu)點顯而易見，本文從理論上研究了它的可行性，雖然說理論與實際會有所差距，但是相信隨著技術(shù)的革新和能源利用率的提高，電伴熱系統(tǒng)竟成為未來寒區(qū)隧道防寒保暖的主要措施。參考文獻：1呂康成，寒冷地區(qū)隧道保溫技術(shù)防凍研究r，長安大學(xué)科研報告，20082夏才初，寒區(qū)公路隧道防凍保暖技術(shù)及其發(fā)展趨勢c，全國公路隧道學(xué)術(shù)交流會論文集，重慶大學(xué)出版社，20093伍毅敏，王紅玉，寒區(qū)隧道施工縫襯背供熱排水防凍方法c，2009，全國公路隧道學(xué)術(shù)交流會論文集，重慶大學(xué)出版社，20094王飛，伍毅敏，寒區(qū)隧道凍害防治研究進展j，公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010年第12期：258-2615趙楠，劉沖宇，伍毅敏，寒區(qū)隧道凍害防治技術(shù)研究進展j，北方交通，2010年第9期：66-686bonaicina c，comini g，faasana a，et al.numerical solution of phase change problemsj.int.j.heat mass transfer，1973，16(6):1852-18327cominig，guidicesd，lewisrw，et al.finite element solution of nonlinear heat conduction problems with special reference to phase chance j.inter.j.for numerical method in engineering，1974，8(6)：613-6248bansal n k，sodha，bharadwaj s s.performance