电热线缆系统在钢闸门防冰冻上的应用

赵红星 孙钰

摘要：通过对电热线缆在水工闸门上的防冰冻的设计和应用，阐述了自控温电热线缆防冰冻系统的原理、工艺特点和设计要素，对当前几种主要采用的水工闸门上的防冰冻装置进行了经济性比较，以此证明该系统的优势和广泛推广的必要性。

关键词： 水工闸门 防冰冻 自控温电热线缆 经济比较 应用领域

中图分类号：TV663+.4文献标识码： A

一．概述

根据《水利水电工程闸门设计》（DL/T5039-95）规定，寒冷地区的闸门、拦河坝以及其它水工建筑物不得承受冰的静压力。为防止在冰冻期间内冰荷载对钢闸门造成危害，在闸门的设计中配套进行闸门防冰冻设计。现通常防冰冻措施有压缩空气法、潜水泵法、电热法、热管防冻方法、开凿冰沟或其他方法使闸门与冰层隔开。

自控温电热线缆防冰冻系统是在闸门防冰冻的一次革命，在国内引起了同行和用户的广泛关注。电热线缆防冰冻系统常年自动运行、无需人工保养、无需维护维修费用、整体系统寿命长达10~15年，比现有的系统节能30~50%以上。系统具有安装简单、节能、环保等优点。本系统具有极高的技术含量和巨大的市场需求，特别是北方寒冷地区达到预期理想的效果，使用电热线缆防冰冻新技术必将取代目前传统的防冰冻方法。

二．原理

电热线缆防冰冻系统接通电源后，电流由一根线芯经过导电的PTC材料到另一线芯而形成回路。电能使导电材料升温，其电阻随即增加，当芯带温度升至某值之后，电阻大到几乎阻断电流的程度，其温度不再升高，与此同时电热线缆向温度较低的被加热体系传热。将电热线缆嵌入水库闸门中。用电热线缆进行热交换，形成一股强烈的温水流，此股温水流能溶化冰层，防止水面结冰与形成新冰层。

三、电热线缆设计

以黄河某水利枢纽工程16孔泄洪闸弧形闸门14m×11.5m-11m（孔口尺寸：宽×高-设计水头）为例，设计参数如下：

1、最低环境温度：-20℃

2、闸门体维持温度： 10℃

3、湿度： 100%

4、冬季运行周期： 24h/d

5、用途：闸门防冰冻。

散热量计算

首先根据需要伴热的维持温度(T0)和环境最低气温（Ta）计算温差：△t=T0-Ta………………………8-1根据△t查金属管道散热量(QB) 或设备散热量(QP)

根据查得的QB或QP按下式计算出实际的散热量(QTB或QTP）铁板表面积QTP=f×QP……………………………（8-2）

式中：T0需要电伴热维持温度（℃）即金属设备的表面温度。

Ta极端平均最低环境气温（℃），QTP平壁设备实际需要热量（W/m2）

f绝热材料修正系数

直接计算法

将已知参数代入公式得：

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

式中：T0需要电热维持温度（℃）即闸门表面温度。

查表知导热系数λ=1.133 W/m·℃放热系数α=11.63 W/ m2·℃

Ta极端平均最低环境气温（℃），QTB管道实际需要伴热量（W/m）

QTP平壁设备实际需要热量（W/m2）

确定电热线缆的功率及面积

根据散热量及维持温度选择相应系列的电热线缆，其最高维持温度必须高于介质维持温度。单位面积散热量小于或等于电热线缆额定功率时，电热线缆面积等于铺设面积乘以1.1～1.2的未预见系数。单位（即比值大于1时），用以下方法修正：

1、采用两条或更多条的平行电热线缆敷设；

2、增加绝热层材料的厚度或选用导热系数较低的绝热材料；

3、预留电源接线长约1米；中间接线盒和尾端各预留1米；

4、计算出有关设计热量所需电热线缆面积，其总和即为整个系统所需电热线缆的总面积；

5、根据管道维持温度及偶然性的最高操作温度选定电热线缆的耐温等级和发热温度等级。

6、根据单位面积的散热量来确定所需电热线缆的单位功率和面积。

7、根据不同使用环境来确定所需电热线缆产品的结构型式，一般场合下选用屏蔽型，有腐蚀性物质的场合选用加强型。

四．工艺特点

1、耗电量低：电热线缆闸门防冰冻系统平均2/3时间通电运行，潜水泵防冰冻系统、压缩空气防冰冻系统较比电热线缆防冰冻系统耗电量大；

2、占地面积：电热线缆防冰冻系统无需设置机房，而潜水泵、压缩空气冰冻系统则需要机房；

3、投资：电热线缆防冰冻系统投资省，经估算较潜水泵系统、压缩空气防冰冻系统效率高，同时可确保系统运行稳定；

4、系统自动化程度高，可与中央计算机系统联网，本系统的安装及使用成本非常经济，避免了事故造成的损坏和维修，保证使用寿命；

5、社会、经济效益：投资费用低、运行成本低、免维护、无后续费用等优点；电热线缆防冰冻法效果良好、工作可靠。较潜水泵、压缩空气防冰冻法具有明显的优越性和经济性；

6、安全：高效便利的电热线缆防冰冻系统保证闸门不结冰，有效防止闸门不受冰冻的损坏而变形；

7、操作简单：为节省能源可以根据环境温度采用手动、自动启停系统；

8、环保：电热线缆防冰冻系统是采用最清洁、有效的电能，具有综合效率高。

五．设备的运行控制

设计PLC电热线缆配电控制系统时，电热线缆应与过载、短路、漏电保护和温度保护装置配合，并应符合我国有关电气规范要求。

1、单一电源电热线缆面积定义：

L1+L2+L3≤最大电热线缆面积

单一电源自控温电热线缆最大使用面积与过流保护开关的容量选配正确，当实际过流保护开关容量介于两档之间时，应选用容量大的一档。

2、电路设置安全保护

每条电热线缆线路应采用30mA对地漏电开关做电气保护。特别是在防爆区、危险区或腐蚀区，和管道需要经常维修和电热线缆易受到机械损坏的区域。

3、PLC智能控制箱是用于电热线缆工程的标准控制配电箱，采用挂式箱体结构，电源电缆进口在箱底部，防护等级IP54，内装有PLC一体化文本触摸屏、主断路器、分路保护断路器、交流接触器，也可根据特别需要，配报警装置等。

4、在选择电热线缆产品时，应综合考虑各种因素，如适用性、经济性、供电条件等，选型注意事项：

（1）应严格选用加强型产品或屏蔽型产品，应根据现场应用条件的宽严要求，可以选择屏蔽型产品。

（2）根据电热线缆最高维持温度下降15℃±5℃后仍≥需要设计的维持温度的电热要求，以及被电热介质的允许最高维持温度。确定产品温度其电热线缆等级的选型。

（3）根据使用条件及产品的起始电流值的大小，确定控制器件参数。断路器的容量一般以2~5倍为好，下限比值优于上限比值。

六．闸门防冰冻系统电热线缆选型说明

电热线缆是闸门防冰冻系统的核心单元，电热系统采用主要材料是温控电热电缆，温控电热线缆(简称电缆)又称自调控电热线缆。它是一种电热功率随系统温度自调的带状限温电热器。即电缆本身具有自动限温，并随着被加热体系的温度变化能自动调整发热功率的功能，以保证工作体系始终稳定在设定的最佳操作温度区域正常运行。工作优点：（1）电热线缆温度均匀，不会过热，安全可靠；（2）节约电能；（3）间歇操作时，升温启动快速；（4）安装及运行费用低；（5）安装使用维护简便；

（6）无环境污染七．电热线缆防冰冻系统与其它系统技术经济比较

以11m×10.23m泄洪闸门为例比较电热线缆防冰冻系统、潜水泵防冰冻系统、压缩空气防冰冻系统技术经济性能。（见表一）

1、占地面积电热线缆防冰冻系统无需设置机房，而潜水泵、压缩空气防冰冻系统则需要机房。

2、投资电热线缆防冰冻系统投资省，经估算较潜水泵系统节省约5.22万元。较压缩空气防冰冻系统节省约27.74万元。电热线缆防冰冻系统还无需人员工资等费用。（见表二）

3、设备耗电量电热线缆防冰冻系统总功率2.8kW（平均2/3时间通电运行），潜水泵防冰冻系统总功率为22kW（平均2/3時间通电运行），压缩空气防冰冻系统总功率为37kW（平均2/3时间通电运行）。潜水泵防冰冻系统是电热线缆伴热防冰冻系统耗电量的7.8倍，压缩空气防冰冻系统是电热线缆伴热防冰冻系统耗电量的13.2倍。（见表三）

4、社会效益电热线缆防冰冻法效果良好工作可靠。电热线缆防冰冻法较潜水泵、压缩空气防冰冻法具有明显的优越性和经济性。由以上比较可看出，电热线缆技术相比于传统闸门防冻技术系统具有综合效率高、投资费用低、运行成本低、免维护、无后续费用等优越性。

技术比较表 （表一）

成本比较表（表二）

经济比较表           （表三）

四．应用领域

参考文献：

1、杨世铭传热学 高等教育出版社

2、孙石 宋兆丽 刘旭三种闸门防冻方法热经济性比较 工业技术经济

作者简介：

赵红星——男，中国水利水电第三工程局有限公司制造安装分局制造厂金二车间主任，助理工程师。

孙钰——男，北京中水科工程总公司中国水利水电科学研究院。