恒功率電伴熱系統在地鐵工程中的應用

杜小剛

（中鐵十九局集團電務工程有限公司，北京 100162）

0 引言

地鐵設備系統管道（消防水管道、給排水管道、空調水管道等）在車站出入口、車站風井、區間洞口、區間豎井、折返線、車輛段等地方直接跟室外環境接觸，介質流速緩慢或靜流速不能放空的管段，冬季低溫環境下有凍裂隱患。目前利用電伴熱設備將電能轉化為熱能，通過熱交換補充被伴熱管道的熱量損失，使管道內介質溫度保持恒定，防止管道封凍、開裂。電伴熱具有熱效率高、節約能源、設計簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長、能實現遙控和自動控制等優點，被廣泛應用。

1 電保溫系統的特點及組成

電伴熱系統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，其啟動時電流較大，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，不存在啟動電流，不會隨外界環境、保溫材料、伴熱材質變化而變化。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長度大于100 m，所以恒功率被更多的應用。兩種電伴熱重要特點如表1所示。電伴熱系統主要由控制箱、伴熱纜、傳感器及傳輸線纜組成。從低壓動照箱引出電源，經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，依照設定程序參數控制終端啟停，數據經BAS 系統反饋上級控制端（中控室）。安裝施工是其能否正常工作的關鍵，分析恒功率電保溫在地鐵工程中的問題進行，并就其處理措施進行探討和共享。

2 恒功率電伴熱在地鐵工程應用中的問題總結及處理措施

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備將電能轉化為熱能，通過熱交換補充被伴熱管道的熱量損失，使管道內介質溫度保持恒定。電能轉換為熱能，熱能再進行傳遞，依據“熱力學第二定律”，必要的熱量損失不可避免。被加熱介質（水）依據其熱力學公式：Q=C×M×Δt（C代表比熱，M 代表質量，Δt 代表加熱前后的溫差），都為目標值，特定環境溫度下其值為特定值。伴熱纜到介質的熱量需要通過管道壁進行熱傳導：Q=λ×Δt×A/b（λ 代表導熱系數，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。

提高熱能轉換效率的方法有：①采用電熱轉換效率更高的新材料做為伴熱纜的發熱材料，如碳素纖維發熱電纜、電熱膜、電熱箔等，新型材料的應用需要更多的技術創新去試驗，需要工程實踐去驗證；②加大傳熱溫差Δt，加大換熱器傳熱溫差Δt 是加強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，在特定環境中，管道壁和介質溫度環境溫度相同，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換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中應該考慮到實際工藝或設備條件上是否允許；③擴展傳熱面積F 是增加傳熱效果使用最多、最簡單的一種方法，現在已經淘汰，更合適的方法的是通過合理地提高設備單位體積的傳熱面積來達到增強傳熱效果的目的。

表1 自限溫和恒功率電伴熱的特點

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、提升輸送動力揚程功率，且地鐵中應用的設備管道是已經經過設計計算進行專業選型的，此方法顯然不適合。可以采用增加伴熱纜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，應按照設計原則布設伴熱纜，其主要規則有：①平行敷設時將伴熱電纜平整地緊貼在管道或設備上（禁止發熱電纜懸空），為達到最佳的傳熱效果，應將伴熱電纜盡可能沿管道水平方向，向下呈45°鋪設，伴熱電纜應纏繞在容器中下部，通常不超過2/3，如圖1 所示；②設計要求為纏繞敷設時，伴熱電纜則應按設計的纏繞螺距均勻纏繞鋪設；③敷設恒功率伴熱電纜時，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，應預留管外徑2 倍量的伴熱電纜，在法蘭、直接伸縮縫處，應預留管外徑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 發熱電纜平行敷設示意

圖2 發熱電纜閥門敷設示意

根據傅里葉熱傳導公式Q=Δt/（b/λA）=Δt/R，減少不必要的熱量損失主要體現在多層換熱間會出現多余換熱層（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，也可避免管道或設備在無伴熱纜處降溫凝結，伴熱纜也能及時傳遞發熱量而不被燒壞。

2.2 溫度數據的采集不準確

地鐵中的管道系統通常集中分布。溫度傳感器的設置原則為：每套控制箱設1 個回路用于環境傳感器，1 臺控制箱設8～20 個回路用于溫度傳感器，每根管道設置2 個回路溫度傳感器，放置于整個管道的相對不利點，控制柜內含1 臺溫控器控制其投入切除工作狀態（溫控器控制交流接觸器，接觸器下口連接多路漏電保護器）。這樣就形成“一對多”的局面，環境傳感器只能檢測到1 個監測點，環境溫度反饋至控制箱，溫控器會同時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只切除其單個控制）。當環境傳感器監測點在某高溫點（設在溫度高的管道或設備上），溫度達到設定溫度值時溫控器控制所有回路停止工作，未達到溫度設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；反之當環境傳感器監測點在某低溫點（設在溫度低的管道或設備上），溫控器控制投入所有回路工作，將會導致個別溫度高的回路不能及時切除而繼續加熱（只有環境傳感器所在的回路溫度達到設定值后才整體切除），造成不必要的能源浪費。因此，只有在每個回路適宜的位置設置環境溫度監測點，對每個回路單獨控制；嚴禁一條伴熱纜為不同設備和管道提供保溫，要避免一條伴熱纜穿越不同的管道或設備。盡量使使用同一伴熱纜的設備或管道其物理性能（介質種類、溫度等）相同，實現同時加熱運行或停止。這是從設計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元件要盡量貼緊管道壁，環境傳感器感應元件要盡量貼緊保溫保護層里壁，保證其探測到最貼近介質真實溫度和外環境溫度的值。其安裝和配線需要按照相應規則實施，應遵循的重要規則有：①用于溫度數據傳輸的電纜必須選用有屏蔽層的優質電纜；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強弱電纜不能鋪設在同一線槽內，傳輸電纜必須單獨走穿線管，不能靠近強電電纜；④不可將與高溫物體接觸，不能與伴熱纜同步鋪設在保溫層里面。控制箱內溫控器要根據工程實際參數進行校準，同時在箱內的傳輸線纜屏蔽層也需要可靠連接，否則影響其傳輸穩定性。

3 結語

電伴熱是地鐵設備管道在冬季低溫環境運行的保證措施，關系到地鐵系統的安全運行。只有可靠的設計施工管理措施才是電伴熱的質量保證，才能保證電伴熱系統穩定、經濟、合理地運行，確保工程的可靠性、安全性。