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(shè)計和應(yīng)用，闡述了自控溫電熱線纜防冰凍系統(tǒng)的原理、工藝特點(diǎn)和設(shè)計要素，對當(dāng)前幾種主要采用的水工閘門上的防冰凍裝置進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，以此證明該系統(tǒng)的優(yōu)勢和廣泛推廣的必要性。

關(guān)鍵詞： 水工閘門 防冰凍 自控溫電熱線纜 經(jīng)濟(jì)比較 應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號：TV663+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一．概述

根據(jù)《水利水電工程閘門設(shè)計》（DL/T5039-95）規(guī)定，寒冷地區(qū)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(nèi)冰荷載對鋼閘門造成危害，在閘門的設(shè)計中配套進(jìn)行閘門防冰凍設(shè)計?，F(xiàn)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(tǒng)是在閘門防冰凍的一次革命，在國內(nèi)引起了同行和用戶的廣泛關(guān)注。電熱線纜防冰凍系統(tǒng)常年自動運(yùn)行、無需人工保養(yǎng)、無需維護(hù)維修費(fèi)用、整體系統(tǒng)壽命長達(dá)10~15年，比現(xiàn)有的系統(tǒng)節(jié)能30~50%以上。系統(tǒng)具有安裝簡單、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)具有極高的技術(shù)含量和巨大的市場需求，特別是北方寒冷地區(qū)達(dá)到預(yù)期理想的效果，使用電熱線纜防冰凍新技術(shù)必將取代目前傳統(tǒng)的防冰凍方法。

二．原理

電熱線纜防冰凍系統(tǒng)接通電源后，電流由一根線芯經(jīng)過導(dǎo)電的PTC材料到另一線芯而形成回路。電能使導(dǎo)電材料升溫，其電阻隨即增加，當(dāng)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(jìn)行熱交換，形成一股強(qiáng)烈的溫水流，此股溫水流能溶化冰層，防止水面結(jié)冰與形成新冰層。

三、電熱線纜設(shè)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(shè)計水頭）為例，設(shè)計參數(shù)如下：

1、最低環(huán)境溫度：-20℃

2、閘門體維持溫度： 10℃

3、濕度： 100%

4、冬季運(yùn)行周期： 24h/d

5、用途：閘門防冰凍。

散熱量計算

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

根據(jù)查得的QB或QP按下式計算出實(shí)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(shè)備的表面溫度。

Ta極端平均最低環(huán)境氣溫（℃），QTP平壁設(shè)備實(shí)際需要熱量（W/m2）

f絕熱材料修正系數(shù)

直接計算法

將已知參數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)λ=1.133 W/m·℃放熱系數(shù)α=11.63 W/ m2·℃

Ta極端平均最低環(huán)境氣溫（℃），QTB管道實(shí)際需要伴熱量（W/m）

QTP平壁設(shè)備實(shí)際需要熱量（W/m2）

確定電熱線纜的功率及面積

根據(jù)散熱量及維持溫度選擇相應(yīng)系列的電熱線纜，其最高維持溫度必須高于介質(zhì)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(shè)面積乘以1.1～1.2的未預(yù)見系數(shù)。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(shè)；

2、增加絕熱層材料的厚度或選用導(dǎo)熱系數(shù)較低的絕熱材料；

3、預(yù)留電源接線長約1米；中間接線盒和尾端各預(yù)留1米；

4、計算出有關(guān)設(shè)計熱量所需電熱線纜面積，其總和即為整個系統(tǒng)所需電熱線纜的總面積；

5、根據(jù)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(fā)熱溫度等級。

6、根據(jù)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(jù)不同使用環(huán)境來確定所需電熱線纜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式，一般場合下選用屏蔽型，有腐蝕性物質(zhì)的場合選用加強(qiáng)型。

四．工藝特點(diǎn)

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

2、占地面積：電熱線纜防冰凍系統(tǒng)無需設(shè)置機(jī)房，而潛水泵、壓縮空氣冰凍系統(tǒng)則需要機(jī)房；

3、投資：電熱線纜防冰凍系統(tǒng)投資省，經(jīng)估算較潛水泵系統(tǒng)、壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)效率高，同時可確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；

4、系統(tǒng)自動化程度高，可與中央計算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，本系統(tǒng)的安裝及使用成本非常經(jīng)濟(jì)，避免了事故造成的損壞和維修，保證使用壽命；

5、社會、經(jīng)濟(jì)效益：投資費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、免維護(hù)、無后續(xù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)；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(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性；

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

7、操作簡單：為節(jié)省能源可以根據(jù)環(huán)境溫度采用手動、自動啟停系統(tǒng)；

8、環(huán)保：電熱線纜防冰凍系統(tǒng)是采用最清潔、有效的電能，具有綜合效率高。

五．設(shè)備的運(yùn)行控制

設(shè)計PLC電熱線纜配電控制系統(tǒng)時，電熱線纜應(yīng)與過載、短路、漏電保護(hù)和溫度保護(hù)裝置配合，并應(yīng)符合我國有關(guān)電氣規(guī)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(hù)開關(guān)的容量選配正確，當(dāng)實(shí)際過流保護(hù)開關(guān)容量介于兩檔之間時，應(yīng)選用容量大的一檔。

2、電路設(shè)置安全保護(hù)

每條電熱線纜線路應(yīng)采用30mA對地漏電開關(guān)做電氣保護(hù)。特別是在防爆區(qū)、危險區(qū)或腐蝕區(qū)，和管道需要經(jīng)常維修和電熱線纜易受到機(jī)械損壞的區(qū)域。

3、PLC智能控制箱是用于電熱線纜工程的標(biāo)準(zhǔn)控制配電箱，采用掛式箱體結(jié)構(gòu)，電源電纜進(jìn)口在箱底部，防護(hù)等級IP54，內(nèi)裝有PLC一體化文本觸摸屏、主斷路器、分路保護(hù)斷路器、交流接觸器，也可根據(jù)特別需要，配報警裝置等。

4、在選擇電熱線纜產(chǎn)品時，應(yīng)綜合考慮各種因素，如適用性、經(jīng)濟(jì)性、供電條件等，選型注意事項：

（1）應(yīng)嚴(yán)格選用加強(qiáng)型產(chǎn)品或屏蔽型產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用條件的寬嚴(yán)要求，可以選擇屏蔽型產(chǎn)品。

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

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

六．閘門防冰凍系統(tǒng)電熱線纜選型說明

電熱線纜是閘門防冰凍系統(tǒng)的核心單元，電熱系統(tǒng)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(diào)控電熱線纜。它是一種電熱功率隨系統(tǒng)溫度自調(diào)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(diào)整發(fā)熱功率的功能，以保證工作體系始終穩(wěn)定在設(shè)定的最佳操作溫度區(qū)域正常運(yùn)行。工作優(yōu)點(diǎn)：（1）電熱線纜溫度均勻，不會過熱，安全可靠；（2）節(jié)約電能；（3）間歇操作時，升溫啟動快速；（4）安裝及運(yùn)行費(fèi)用低；（5）安裝使用維護(hù)簡便；

（6）無環(huán)境污染七．電熱線纜防冰凍系統(tǒng)與其它系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以11m×10.23m泄洪閘門為例比較電熱線纜防冰凍系統(tǒng)、潛水泵防冰凍系統(tǒng)、壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。（見表一）

1、占地面積電熱線纜防冰凍系統(tǒng)無需設(shè)置機(jī)房，而潛水泵、壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)則需要機(jī)房。

2、投資電熱線纜防冰凍系統(tǒng)投資省，經(jīng)估算較潛水泵系統(tǒng)節(jié)省約5.22萬元。較壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)節(jié)省約27.74萬元。電熱線纜防冰凍系統(tǒng)還無需人員工資等費(fèi)用。（見表二）

3、設(shè)備耗電量電熱線纜防冰凍系統(tǒng)總功率2.8kW（平均2/3時間通電運(yùn)行），潛水泵防冰凍系統(tǒng)總功率為22kW（平均2/3時間通電運(yùn)行），壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)總功率為37kW（平均2/3時間通電運(yùn)行）。潛水泵防冰凍系統(tǒng)是電熱線纜伴熱防冰凍系統(tǒng)耗電量的7.8倍，壓縮空氣防冰凍系統(tǒng)是電熱線纜伴熱防冰凍系統(tǒng)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(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。由以上比較可看出，電熱線纜技術(shù)相比于傳統(tǒng)閘門防凍技術(shù)系統(tǒng)具有綜合效率高、投資費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、免維護(hù)、無后續(xù)費(fèi)用等優(yōu)越性。

技術(shù)比較表 （表一）

成本比較表（表二）

經(jīng)濟(jì)比較表? ?????????（表三）

四．應(yīng)用領(lǐng)域

參考文獻(xiàn)：

1、楊世銘傳熱學(xué) 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(jīng)濟(jì)性比較 工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)

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(xué)研究院。