電熱線纜系統在鋼閘門防冰凍上的應用

趙紅星 孫鈺

摘要：通過對電熱線纜在水工閘門上的防冰凍的設計和應用，闡述了自控溫電熱線纜防冰凍系統的原理、工藝特點和設計要素，對當前幾種主要采用的水工閘門上的防冰凍裝置進行了經濟性比較，以此證明該系統的優勢和廣泛推廣的必要性。

關鍵詞： 水工閘門 防冰凍 自控溫電熱線纜 經濟比較 應用領域

中圖分類號：TV663+.4文獻標識碼： A

一．概述

根據《水利水電工程閘門設計》（DL/T5039-95）規定，寒冷地區的閘門、攔河壩以及其它水工建筑物不得承受冰的靜壓力。為防止在冰凍期間內冰荷載對鋼閘門造成危害，在閘門的設計中配套進行閘門防冰凍設計。現通常防冰凍措施有壓縮空氣法、潛水泵法、電熱法、熱管防凍方法、開鑿冰溝或其他方法使閘門與冰層隔開。

自控溫電熱線纜防冰凍系統是在閘門防冰凍的一次革命，在國內引起了同行和用戶的廣泛關注。電熱線纜防冰凍系統常年自動運行、無需人工保養、無需維護維修費用、整體系統壽命長達10~15年，比現有的系統節能30~50%以上。系統具有安裝簡單、節能、環保等優點。本系統具有極高的技術含量和巨大的市場需求，特別是北方寒冷地區達到預期理想的效果，使用電熱線纜防冰凍新技術必將取代目前傳統的防冰凍方法。

二．原理

電熱線纜防冰凍系統接通電源后，電流由一根線芯經過導電的PTC材料到另一線芯而形成回路。電能使導電材料升溫，其電阻隨即增加，當芯帶溫度升至某值之后，電阻大到幾乎阻斷電流的程度，其溫度不再升高，與此同時電熱線纜向溫度較低的被加熱體系傳熱。將電熱線纜嵌入水庫閘門中。用電熱線纜進行熱交換，形成一股強烈的溫水流，此股溫水流能溶化冰層，防止水面結冰與形成新冰層。

三、電熱線纜設計

以黃河某水利樞紐工程16孔泄洪閘弧形閘門14m×11.5m-11m（孔口尺寸：寬×高-設計水頭）為例，設計參數如下：

1、最低環境溫度：-20℃

2、閘門體維持溫度： 10℃

3、濕度： 100%

4、冬季運行周期： 24h/d

5、用途：閘門防冰凍。

散熱量計算

首先根據需要伴熱的維持溫度(T0)和環境最低氣溫（Ta）計算溫差：△t=T0-Ta………………………8-1根據△t查金屬管道散熱量(QB) 或設備散熱量(QP)

根據查得的QB或QP按下式計算出實際的散熱量(QTB或QTP）鐵板表面積QTP=f×QP……………………………（8-2）

式中：T0需要電伴熱維持溫度（℃）即金屬設備的表面溫度。

Ta極端平均最低環境氣溫（℃），QTP平壁設備實際需要熱量（W/m2）

f絕熱材料修正系數

直接計算法

將已知參數代入公式得：

Qp=｛1.3×8-(-20)｝/{0.04/1.133+1/11.63}=300W/ m2

式中：T0需要電熱維持溫度（℃）即閘門表面溫度。

查表知導熱系數λ=1.133 W/m·℃放熱系數α=11.63 W/ m2·℃

Ta極端平均最低環境氣溫（℃），QTB管道實際需要伴熱量（W/m）

QTP平壁設備實際需要熱量（W/m2）

確定電熱線纜的功率及面積

根據散熱量及維持溫度選擇相應系列的電熱線纜，其最高維持溫度必須高于介質維持溫度。單位面積散熱量小于或等于電熱線纜額定功率時，電熱線纜面積等于鋪設面積乘以1.1～1.2的未預見系數。單位（即比值大于1時），用以下方法修正：

1、采用兩條或更多條的平行電熱線纜敷設；

2、增加絕熱層材料的厚度或選用導熱系數較低的絕熱材料；

3、預留電源接線長約1米；中間接線盒和尾端各預留1米；

4、計算出有關設計熱量所需電熱線纜面積，其總和即為整個系統所需電熱線纜的總面積；

5、根據管道維持溫度及偶然性的最高操作溫度選定電熱線纜的耐溫等級和發熱溫度等級。

6、根據單位面積的散熱量來確定所需電熱線纜的單位功率和面積。

7、根據不同使用環境來確定所需電熱線纜產品的結構型式，一般場合下選用屏蔽型，有腐蝕性物質的場合選用加強型。

四．工藝特點

1、耗電量低：電熱線纜閘門防冰凍系統平均2/3時間通電運行，潛水泵防冰凍系統、壓縮空氣防冰凍系統較比電熱線纜防冰凍系統耗電量大；

2、占地面積：電熱線纜防冰凍系統無需設置機房，而潛水泵、壓縮空氣冰凍系統則需要機房；

3、投資：電熱線纜防冰凍系統投資省，經估算較潛水泵系統、壓縮空氣防冰凍系統效率高，同時可確保系統運行穩定；

4、系統自動化程度高，可與中央計算機系統聯網，本系統的安裝及使用成本非常經濟，避免了事故造成的損壞和維修，保證使用壽命；

5、社會、經濟效益：投資費用低、運行成本低、免維護、無后續費用等優點；電熱線纜防冰凍法效果良好、工作可靠。較潛水泵、壓縮空氣防冰凍法具有明顯的優越性和經濟性；

6、安全：高效便利的電熱線纜防冰凍系統保證閘門不結冰，有效防止閘門不受冰凍的損壞而變形；

7、操作簡單：為節省能源可以根據環境溫度采用手動、自動啟停系統；

8、環保：電熱線纜防冰凍系統是采用最清潔、有效的電能，具有綜合效率高。

五．設備的運行控制

設計PLC電熱線纜配電控制系統時，電熱線纜應與過載、短路、漏電保護和溫度保護裝置配合，并應符合我國有關電氣規范要求。

1、單一電源電熱線纜面積定義：

L1+L2+L3≤最大電熱線纜面積

單一電源自控溫電熱線纜最大使用面積與過流保護開關的容量選配正確，當實際過流保護開關容量介于兩檔之間時，應選用容量大的一檔。

2、電路設置安全保護

每條電熱線纜線路應采用30mA對地漏電開關做電氣保護。特別是在防爆區、危險區或腐蝕區，和管道需要經常維修和電熱線纜易受到機械損壞的區域。

3、PLC智能控制箱是用于電熱線纜工程的標準控制配電箱，采用掛式箱體結構，電源電纜進口在箱底部，防護等級IP54，內裝有PLC一體化文本觸摸屏、主斷路器、分路保護斷路器、交流接觸器，也可根據特別需要，配報警裝置等。

4、在選擇電熱線纜產品時，應綜合考慮各種因素，如適用性、經濟性、供電條件等，選型注意事項：

（1）應嚴格選用加強型產品或屏蔽型產品，應根據現場應用條件的寬嚴要求，可以選擇屏蔽型產品。

（2）根據電熱線纜最高維持溫度下降15℃±5℃后仍≥需要設計的維持溫度的電熱要求，以及被電熱介質的允許最高維持溫度。確定產品溫度其電熱線纜等級的選型。

（3）根據使用條件及產品的起始電流值的大小，確定控制器件參數。斷路器的容量一般以2~5倍為好，下限比值優于上限比值。

六．閘門防冰凍系統電熱線纜選型說明

電熱線纜是閘門防冰凍系統的核心單元，電熱系統采用主要材料是溫控電熱電纜，溫控電熱線纜(簡稱電纜)又稱自調控電熱線纜。它是一種電熱功率隨系統溫度自調的帶狀限溫電熱器。即電纜本身具有自動限溫，并隨著被加熱體系的溫度變化能自動調整發熱功率的功能，以保證工作體系始終穩定在設定的最佳操作溫度區域正常運行。工作優點：（1）電熱線纜溫度均勻，不會過熱，安全可靠；（2）節約電能；（3）間歇操作時，升溫啟動快速；（4）安裝及運行費用低；（5）安裝使用維護簡便；

（6）無環境污染七．電熱線纜防冰凍系統與其它系統技術經濟比較

以11m×10.23m泄洪閘門為例比較電熱線纜防冰凍系統、潛水泵防冰凍系統、壓縮空氣防冰凍系統技術經濟性能。（見表一）

1、占地面積電熱線纜防冰凍系統無需設置機房，而潛水泵、壓縮空氣防冰凍系統則需要機房。

2、投資電熱線纜防冰凍系統投資省，經估算較潛水泵系統節省約5.22萬元。較壓縮空氣防冰凍系統節省約27.74萬元。電熱線纜防冰凍系統還無需人員工資等費用。（見表二）

3、設備耗電量電熱線纜防冰凍系統總功率2.8kW（平均2/3時間通電運行），潛水泵防冰凍系統總功率為22kW（平均2/3時間通電運行），壓縮空氣防冰凍系統總功率為37kW（平均2/3時間通電運行）。潛水泵防冰凍系統是電熱線纜伴熱防冰凍系統耗電量的7.8倍，壓縮空氣防冰凍系統是電熱線纜伴熱防冰凍系統耗電量的13.2倍。（見表三）

4、社會效益電熱線纜防冰凍法效果良好工作可靠。電熱線纜防冰凍法較潛水泵、壓縮空氣防冰凍法具有明顯的優越性和經濟性。由以上比較可看出，電熱線纜技術相比于傳統閘門防凍技術系統具有綜合效率高、投資費用低、運行成本低、免維護、無后續費用等優越性。

技術比較表 （表一）

成本比較表（表二）

經濟比較表? ?????????（表三）

四．應用領域

參考文獻：

1、楊世銘傳熱學 高等教育出版社

2、孫石 宋兆麗 劉旭三種閘門防凍方法熱經濟性比較 工業技術經濟

作者簡介：

趙紅星——男，中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局制造廠金二車間主任，助理工程師。

孫鈺——男，北京中水科工程總公司中國水利水電科學研究院。