水纜冬季防凍方案

肖 凱

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

受卷盤式電纜供電方式啟發，2015 年開始投入到水纜代替人工上水方案研究。該方案將水纜纏繞在纜盤上，一端與中間換向處水除塵管路相連，一端與機上除塵管路相連；設備在移動過程中將水纜釋放或收起。依靠地面管線的供水壓力或中轉水箱為大機提供除塵用水。司機室通過控制電磁閥或多級撒水泵實現灑水控制。

1 水纜系統的優點

傳統的為長距離可移動設備除塵供水方式為定點上水，工作方式為將設備開到水源附近，人工連接水帶為水箱注水，再由灑水泵從水箱里吸水完成除塵工作。這套系統具有一定的局限性：①水箱注水設備必須要停止作業并開到水源附近；②注水過程必須由人工完成，增加工人勞動強度；③由于水箱容積受限，大機必須反復注水，才能保證生產過程中正常的灑水除塵；④由于水箱為鐵質，生銹后容易堵塞噴嘴，增加設備維修時間。這套系統相比以前水除塵具有以下優點：

（1）廢除水箱，改為除塵管路直接供水既節省人力物力又降低設備故障時間。

（2）此系統不影響堆料機的正常作業，水纜能夠自動收放并且在中間可變向。

（3）霧狀效果良好，能有效抑制堆料機作業過程起塵，達到環保要求。

（4）操作簡單，只需要司機在生產作業過程中控制灑水電磁閥來控制水除塵的通斷。

（5）降低水除塵成本。

投入運行一年以來，只需定期進行系統檢查保養，維修成本大大降低。

2 水纜系統存在的問題

水纜式供水系統的成功運用，破解了長距離、可移動設備連續供水問題，但冬季北方港口結冰現象較嚴重，一直是制約水纜普遍推廣用的關鍵因素。如何破解水纜防凍問題，又一次擺在了技術人員面前。經過反復討論、不斷實踐，克服寒冷低溫不利條件，研發出4 種水纜冬季防凍方案，并成功進行實踐，為水纜式供水系統推廣應用打下了堅實的基礎。

3 解決方案

3.1 氣動排水裝置和保溫罩相結合方式

卷盤式水纜除塵系統內增設1 套氣動排水裝置，整套系統包括儲氣罐、空壓機、排水電磁閥、內貼伴熱板的保溫罩殼等。

大機作業時，堆場壩基供水電磁閥得電打開、排水電磁閥失電關閉，氣動排水裝置的氣泵得電，開始給儲罐充氣，當達到1 MPa時自動停止，等待吹掃。此時水纜除塵系統正常灑水，水纜內的水呈流動狀態，即使低溫天氣，也不會凍結。當大機停止作業，堆場壩基供水電磁閥失電關閉，排水電磁閥得電打開，灑水電磁閥失電關閉，氣動排水裝置中的電磁閥電打開，水除塵系統開始排水。當儲氣罐壓力降到低壓設定值，氣路電磁閥失電關閉，氣泵再次得電啟動，向儲氣罐充氣。如此循環3 輪，通過高壓氣體將水纜中的水排出，從而保證水纜中不殘留水，不會發生凍裂事故。當下次堆料機作業時，水纜除塵系統重新充水、灑水，不影響正常使用。

為最大限度減少司機操作，僅使用原有的灑水開關進行控制，利用灑水關閉時的下降沿作為排水觸發條件，排水系統自動啟動。滿足排水條件必須先滿足空壓機可正常運行，且冬夏選擇開關打至冬季狀態，儲氣罐內存有高壓氣體，并且灑水閥關閉時才能啟動排氣系統。這樣的設計一是避免儲罐氣體壓力小于水壓時，水流反向流至排氣系統，造成系統癱瘓；二是能最大限度減少司機操作，防止因誤動作造成系統故障；三是對冬夏季進行分割，避免能源浪費。

為防止卷盤上的水纜排空不凈，水分積聚在每圈的最低點，造成水纜凍結，因此設計加裝了纜盤保溫罩。即將纜盤外次加裝一個帶有伴熱板及保溫層的罩殼，既能起到加熱保溫防止水纜凍結作用，又防止異物及墜落物損傷水纜功能。

3.2 自伴熱水纜方式

自伴熱水纜方式是采用一種水纜外部自帶伴熱帶加熱方式防止冬季凍結，其是新一代除塵系統的關鍵部件。其材料結構由內向外依次為內膠層、鋼絲層、絕緣層、加熱層、外膠層。內膠層、外膠層材料為高強度合成橡膠，以實現水纜的柔韌性、耐磨性；鋼絲層可提高水纜的抗拉強度；加熱層材料為電阻絲，通過電阻發熱，控制水纜水溫，使其保持在0°以上，實現冬天不凍結的目的；絕緣層分布在加熱層與鋼絲層之間，防止短路。針對水纜伴熱可能發生短路燒損這一問題，又對其內部結構進行了優化設計。將裸露電阻絲套上一層耐高溫絕緣層后鋪設到水纜內壁橡膠的結構形式，既對電阻絲加強了保護，又有效避免中水通過水纜內壁橡膠缺陷處對電阻絲滲透的可能性，徹底解除了短路故障及水纜短路燒損這一難題。

自伴熱防凍水纜采用磁滯聯軸器減輕卷盤機構對水纜造成的沖擊，是對自伴熱水纜的另一種保護。由于電機與減速器被磁滯聯軸器中間的氣隙隔開，因而負載啟動與制動特性更加平穩柔順。實際使用中，可以根據工況合理調整聯軸器兩半輪之間的氣隙寬度，來調整負載剛度，具有很強的適應性。能夠有效降低電機啟制動瞬間對水纜的拉伸破壞，減小對電阻絲的沖擊，提高水纜的使用壽命。

3.3 內穿伴熱帶方式

內穿伴熱帶方式為水纜內部穿設一整條伴熱帶，中間無接頭、無斷點。電伴熱帶采用串聯型恒功率電伴熱帶，其內部結構共分為6 層，分別為芯層、芯層絕緣層、內護套層、屏蔽層、外護套層以及加強層。為增強抗磨性、減小水纜接頭內壁刮傷電伴熱帶可能性，在其外部又穿設了若干節薄壁柔性膠管，以增強其保護性能。施工時，依靠引線將其從一端帶入、從另一端傳出，穿設時避免過度抻拉，防止伴熱帶損傷。

整套系統由卷纜驅動裝置、導纜架、水纜、三通接頭和溫控系統組成。水纜兩端分別接三通，其中入口端與地面供水管道連接，出口端與大機水除塵管道連接。伴熱帶從一端三通穿入，從另一端三通穿出，穿出接口處依靠帶有錐度的尼龍塞擰緊密封。

整套系統依靠地面固定部分供電，解決了因纜盤旋轉加之穿設水管無法機上供電的問題。此外，為實現進一步對水纜溫度的精確控制，在地面接頭處增設了2 個溫度傳感器，分別檢測環境溫度和水纜內部溫度：當環境溫度低于5 ℃時，伴熱系統自動投用，環境溫度高于5 ℃時伴熱系統自動停止；水纜內部溫度高于10 ℃時，系統加熱自動停止，低于5 ℃時系統加熱自動啟動。既將水纜溫度控制在一定范圍內，又避免造成不必要的能源浪費。此套系統還包含斷電報警、斷纜報警、漏電報警等，且將此信號引入到值班室控顯示系統。系統檢測到斷電或缺項時，觸發斷電報警系統，防止因長時間斷電未被及時發現造成水纜凍結。系統檢測到供電正常而無電流通過時，判斷伴熱帶存在斷電，觸發斷纜報警，提示技術人員立即維修。因其供電電壓高于人體安全電壓，因此增加了漏電檢測報警功能，降低漏電造成的安全風險。

3.4 雙循環方式

雙循環方式水纜系統由卷纜驅動系統、導纜架、2 條水纜、循環泵、流量計、流量開關、水箱和地坑處電磁閥等部分組成。2 條水纜同時依靠卷盤驅動，隨大機運行。經過雙通路旋轉接頭后分別聯通水箱的上部和下部，并在連接水箱下部的管路上布置循環水泵、流量計等。地坑處增設一電磁閥，水箱高低液位計可通過無線控制其開閉。當水箱處于低水位時，地坑電磁閥打開，為水箱注水，當水箱高液位時，地坑電磁閥關閉。進入冬季后，循環系統投入運行。利用流水不凍原理進行水纜防凍。正常供水時，電磁閥開啟，水纜中的水流動，一旦檢測到地坑電磁閥關閉，2 條水纜與水箱形成通路，循環水泵從水箱底部吸水，加壓后加至其中一條水纜內，依靠泵的壓力使2 條水纜內的水流動起來。此外，水箱外部鋪設保溫伴熱系統，用于提高水箱內水溫，起到水纜不凍作用。

此種方式關鍵是解決雙水纜同步問題。實際使用時，由于2條水纜需隨大機同步卷繞，一旦不同步可造成一松一緊，反復運行后可能造成水纜損傷。因此，考慮將2 條水纜利用卡子進行固定，使其形成一條同步水纜，很好地解決棘手難題。

4 4 種方案對比

（1）氣動排水裝置和保溫罩相結合方式：依靠排氣裝置將水纜內的水排凈防止水纜凍結，原理簡單、可靠，機械結構較簡單，不占用水纜內部通徑。但引入空壓機、儲氣罐、保溫罩等，增加了投入費用以及排氣、排水管路、電磁閥的故障概率；儲氣罐增加了安全風險，需按照壓力容器管理規范管理，增加了管理難度。

（2）自伴熱水纜方式：依靠水纜外部加熱電阻絲對水纜外部進行加熱，省去了空壓機、儲氣罐、管路、電磁閥等繁瑣部件，降低故障幾率。且其結構較簡單，供電方便，可增加溫度控制，實現節能增效目的。但此種方式增加了水纜質量、增大了水纜外徑，相應卷纜裝置等結構強度必須與之相匹配。加熱電阻絲增加了水纜制作難度，且其內部為金屬材料，彎曲性能較差。因其原理為對水纜外側加熱，電伴熱耗散大，極寒天氣時可能造成伴熱功率不足；管壁加熱加速橡膠老化，影響水纜使用壽命。

（3）內穿伴熱帶方式：將伴熱帶穿入水纜內部進行伴熱結構簡單，故障率低；因其穿入水纜內部，電伴熱能量利用率高，熱量散失較少，配合溫控系統使用，可控制水纜內部溫度維持在一定范圍內，可大大節約電能。外力對其破壞概率較低，整個系統穩定性較高。故障反饋系統較完善，可將故障信號引入值班室監控系統，實時監測運行情況，一旦出現故障反饋信號，可及時投入維修力量進行維修。但因其供電電壓高于人體安全電壓，伴熱帶破損后存在高壓漏電風險。其穿入內部后，如水纜出現破損漏水現象，需要先將伴熱帶拆除再進行維修，維修完畢后再穿入，增加了水纜破損的風險，增加了工人勞動強度。

（4）雙循環方式：利用2 條水纜、水箱、循環泵等部件組成循環系統，依據流水不凍原理進行防凍，結構簡單，投入成本低，只依靠循環泵防凍能耗最低。水電分離，可避免漏電對人體造成的傷害。但整個系統可看成一開式系統，無疑增加了污染水源造成噴嘴堵塞的風險，且循環水泵需長期運行，對其性能要求較高，出現故障后必須短時間內恢復其運行。

5 結束語

解決長距離、可移動大機連續供水問題可實現清潔生產，文明生產，為綠色港口建設提供可靠保障。解決冬季防凍問題是保證其一年四季投用的關鍵，4 種方案各有其優劣勢，可以根據使用環境、投入運行成本、維護成本、節能減排等要求選擇最優方式。