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

寒區(qū)公路隧道電伴熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(shì)，并從經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面進(jìn)行分析，說(shuō)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(jì)性，耐久性0引言：隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)政策的不斷深入，在寒區(qū)修建的公路也越來(lái)越多，寒區(qū)隧道的抗凍脹問(wèn)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(duì)寒區(qū)隧道已經(jīng)存在不少應(yīng)對(duì)措施，主要有從隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，防排水設(shè)計(jì)方面，保溫材料和方面著手，實(shí)踐證明，以上措施效果并不明顯，只能對(duì)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(jìn)，在很大程度上解決了這些問(wèn)題，雖然這種措施耗費(fèi)比較大，但是隨著技術(shù)的改進(jìn)將逐步克服這一問(wèn)題。1電伴熱系統(tǒng)保溫防凍防滑的優(yōu)勢(shì)1.1隧道電伴熱系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)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?duì)水溝進(jìn)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(diǎn)如下：(1)電伴熱裝置簡(jiǎn)單、發(fā)熱均勻、反應(yīng)敏捷，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhǎng)。(3)保護(hù)環(huán)境、減少污染：電伴熱在傳輸過(guò)程中無(wú)泄漏，不會(huì)產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等污染環(huán)境的現(xiàn)象。(4)降低設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)費(fèi)用：電伴熱與蒸汽伴熱相比，設(shè)計(jì)工作量小、施工簡(jiǎn)單、周期短、維護(hù)方便、日常的維護(hù)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(wú)法利用，白白浪費(fèi)了。經(jīng)測(cè)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(duì)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(shì)（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(guò)降低冰點(diǎn)來(lái)達(dá)到融雪目的。在冰雪急劇融化時(shí)，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(duì)路面十分不利，甚至導(dǎo)致路面開(kāi)裂。而發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)是通過(guò)升高道路表面溫度，使其高于冰點(diǎn)，在系統(tǒng)開(kāi)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(dāng)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(dá)到最好的融雪效果，而升溫時(shí)間在 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小時(shí)，上表面與空氣的換熱較為充分，不會(huì)引起路面的急劇膨脹，避免了對(duì)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(dòng)用大量的機(jī)械設(shè)備來(lái)運(yùn)輸和噴灑。而發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)只在建筑道路的同時(shí)，按照其工藝方法鋪設(shè)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，在下雪前將系統(tǒng)開(kāi)啟，在設(shè)定的條件下運(yùn)行，無(wú)需大量的人工和機(jī)械操作，且不會(huì)由于噴灑機(jī)械的運(yùn)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(shí)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(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，根據(jù)不同的道路結(jié)構(gòu)計(jì)算出鋪裝功率，并采用合理的控制方案，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隨氣溫和風(fēng)速的變化通過(guò)系統(tǒng)的通斷使得上表面溫度控制在一個(gè)設(shè)定值，非常有針對(duì)性。從理論上講，只要有足夠的鋪裝功率，并采取適當(dāng)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(jī)械操作造成施灑不均易造成融雪不充分或者浪費(fèi)。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(jì)性分析目前，市場(chǎng)上的發(fā)熱電纜很多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格也不是很高，例如試驗(yàn)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(duì)于總體造價(jià)有著很重要的作用，鋪設(shè)電伴熱系統(tǒng)初始費(fèi)用見(jiàn)表1。表1鋪設(shè)電伴熱系統(tǒng)初始費(fèi)用工程或費(fèi)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(fèi)用合計(jì)（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(qiáng)硅酸鈣板38800襯砌費(fèi)用合計(jì)（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(zhǎng)度，路面100m、隧道50m。結(jié)果表明，采用此系統(tǒng)會(huì)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(zhǎng)度50m，試驗(yàn)段路面部分設(shè)防長(zhǎng)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(zhǎng)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(fèi)用0.5元/kwh來(lái)計(jì)算，每小時(shí)整個(gè)系統(tǒng)用電費(fèi)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(jiǎn)稱ptc)。將ptc材料均勻地?cái)D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(hù)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(guò)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(gè)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(dāng)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(kāi)始升溫，同時(shí)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(dāng)芯帶的溫度升至一定值(最高溫度)時(shí)，發(fā)熱體的電阻率也足夠大，幾乎阻斷了電流的通過(guò)，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(huì)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(shí)能夠自動(dòng)限定電纜的工作溫度；能隨被加熱體系的溫度變化自動(dòng)調(diào)整輸出功率而無(wú)需外加設(shè)備；電纜可以任意裁短或在一定范圍內(nèi)接長(zhǎng)使用，而上述性能不變。允許交叉重疊纏繞敷設(shè)而無(wú)過(guò)熱及燒毀之憂。電伴熱系統(tǒng)在正確的安裝和操作時(shí)，其運(yùn)行是安全可靠的，使用壽命也較長(zhǎng)。但由于安裝運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)，或運(yùn)行過(guò)程中的工藝設(shè)備、管線運(yùn)行狀態(tài)或溫度等條件的變化，會(huì)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(shí)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(yùn)行。表2是電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)品的性能技術(shù)參數(shù)，各項(xiàng)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(hào)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(jí)雙向最大使用長(zhǎng)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(dá)50年以上，表3是現(xiàn)場(chǎng)所用電纜的經(jīng)國(guó)家電纜質(zhì)量監(jiān)督中心檢測(cè)通過(guò)的各項(xiàng)參數(shù)表。表3發(fā)熱電纜各項(xiàng)參數(shù)檢驗(yàn)表類別檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)結(jié)果電壓試驗(yàn)絕緣電阻室溫成品電纜電壓試驗(yàn)不擊穿通過(guò)高溫成品電纜電壓試驗(yàn)不擊穿通過(guò)絕緣電阻最小0.03mkm44000成品性能試驗(yàn)變形試驗(yàn)（300n，1.5kv/30s）不擊穿通過(guò)拉力試驗(yàn)最小120n510正反卷繞試驗(yàn)不擊穿通過(guò)低溫沖擊試驗(yàn)（-15）不開(kāi)裂通過(guò)屏蔽的耐穿透性試針推入需觸及屏蔽通過(guò)絕緣老化前抗張強(qiáng)度最小12.5n/mm213.2老化前斷裂伸長(zhǎng)率最小200%400老化后抗張強(qiáng)度最小12.5n/mm214.2老化后斷裂伸長(zhǎng)率最小200%380抗張強(qiáng)度變化率最大25%8斷裂伸長(zhǎng)率變化率最大25%-5伸長(zhǎng)率最大175%100永久伸長(zhǎng)率最大15%0護(hù)套抗開(kāi)裂試驗(yàn)（1h，150）不開(kāi)裂通過(guò)90高溫壓力試驗(yàn)-變形率最大50%24低溫卷繞試驗(yàn)（-15）不開(kāi)裂通過(guò)熱穩(wěn)定性（200）最小180min通過(guò)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(huì)受到路面層間的各種力，因此要嚴(yán)格控制刻槽施工質(zhì)量。其次，路面結(jié)構(gòu)層會(huì)長(zhǎng)時(shí)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(dá)20年以上。根據(jù)公路瀝青路面設(shè)計(jì)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(jì)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(hù)。溫度傳感器的壽命相對(duì)發(fā)熱電纜來(lái)說(shuō)要短，但選用的溫度傳感器平均壽命可達(dá)十年以上，且便于更換。同時(shí)，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(dá)50年以上。4 結(jié)語(yǔ)電伴熱系統(tǒng)屬于注定加熱的一種措施，其突出優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，本文從理論上研究了它的可行性，雖然說(shuō)理論與實(shí)際會(huì)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(lái)寒區(qū)隧道防寒保暖的主要措施。參考文獻(xiàn)：1呂康成，寒冷地區(qū)隧道保溫技術(shù)防凍研究r，長(zhǎng)安大學(xué)科研報(bào)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(shì)c，全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)交流會(huì)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(guó)公路隧道學(xué)術(shù)交流會(huì)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(jìn)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(jìn)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