恒功率电伴热系统在地铁工程中的应用

杜小刚

（中铁十九局集团电务工程有限公司，北京 100162）

0 引言

地铁设备系统管道（消防水管道、给排水管道、空调水管道等）在车站出入口、车站风井、区间洞口、区间竖井、折返线、车辆段等地方直接跟室外环境接触，介质流速缓慢或静流速不能放空的管段，冬季低温环境下有冻裂隐患。目前利用电伴热设备将电能转化为热能，通过热交换补充被伴热管道的热量损失，使管道内介质温度保持恒定，防止管道封冻、开裂。电伴热具有热效率高、节约能源、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长、能实现遥控和自动控制等优点，被广泛应用。

1 电保温系统的特点及组成

电伴热系统主要分为自限温和恒功率两种。自限温伴热带随温度升高、电阻变大、功率变小，输出功率随温度的上升而减小，随温度的下降而增加，其启动时电流较大，长期使用有功率衰减趋向。恒功率型电伴热带在通电后功率输出是恒定的，不存在启动电流，不会随外界环境、保温材料、伴热材质变化而变化。自限温电伴热带最长使用长度为100 m，而恒功率电伴热带长度150 m 到1500 m。地铁中需保温的单根管段大多数长度大于100 m，所以恒功率被更多的应用。两种电伴热重要特点如表1所示。电伴热系统主要由控制箱、伴热缆、传感器及传输线缆组成。从低压动照箱引出电源，经电源箱分配至伴热终端，传感器采集温度信号，控制箱接收温度信号，依照设定程序参数控制终端启停，数据经BAS 系统反馈上级控制端（中控室）。安装施工是其能否正常工作的关键，分析恒功率电保温在地铁工程中的问题进行，并就其处理措施进行探讨和共享。

2 恒功率电伴热在地铁工程应用中的问题总结及处理措施

2.1 伴热带或伴热缆未能完全传递热量

电伴热是由电伴热设备将电能转化为热能，通过热交换补充被伴热管道的热量损失，使管道内介质温度保持恒定。电能转换为热能，热能再进行传递，依据“热力学第二定律”，必要的热量损失不可避免。被加热介质（水）依据其热力学公式：Q=C×M×Δt（C代表比热，M 代表质量，Δt 代表加热前后的温差），都为目标值，特定环境温度下其值为特定值。伴热缆到介质的热量需要通过管道壁进行热传导：Q=λ×Δt×A/b（λ 代表导热系数，Δt 代表加热前后的温差，A 代表接触面积，b 代表壁厚）。所以，减少热量损失的主要措施有提高热能传递效率和减少不必要的二次热损失。

提高热能转换效率的方法有：①采用电热转换效率更高的新材料做为伴热缆的发热材料，如碳素纤维发热电缆、电热膜、电热箔等，新型材料的应用需要更多的技术创新去试验，需要工程实践去验证；②加大传热温差Δt，加大换热器传热温差Δt 是加强换热器换热效果常用的措施之一。增加换热器传热温差Δt 是有一定限度的，在特定环境中，管道壁和介质温度环境温度相同，理想条件是增加伴热缆的温度，但是必须考虑其缆芯保护层绝缘层的耐温极限、保温层的防火等级，它不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许；③扩展传热面积F 是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法，现在已经淘汰，更合适的方法的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的。

表1 自限温和恒功率电伴热的特点

使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，会增加管道流体输送阻力、提升输送动力扬程功率，且地铁中应用的设备管道是已经经过设计计算进行专业选型的，此方法显然不适合。可以采用增加伴热缆与管道壁换热面积的方法来提升换热效率，增加换热面积不能简单的堆积，应按照设计原则布设伴热缆，其主要规则有：①平行敷设时将伴热电缆平整地紧贴在管道或设备上（禁止发热电缆悬空），为达到最佳的传热效果，应将伴热电缆尽可能沿管道水平方向，向下呈45°铺设，伴热电缆应缠绕在容器中下部，通常不超过2/3，如图1 所示；②设计要求为缠绕敷设时，伴热电缆则应按设计的缠绕螺距均匀缠绕铺设；③敷设恒功率伴热电缆时，伴热电缆不能相互交叉、重叠，两线之间的最小距离≥60 mm；④在施工中弯头、阀门、三通处，应预留管外径2 倍量的伴热电缆，在法兰、直接伸缩缝处，应预留管外径1 倍量的伴热电缆，以便于管道检修，如图2 所示。增加伴热缆与管道壁换热面积可将垂直于伴热缆的铝箔胶带旋转90°平行满铺在伴热缆上增加伴热缆与管道壁接触面积。

图1 发热电缆平行敷设示意

图2 发热电缆阀门敷设示意

根据傅里叶热传导公式Q=Δt/（b/λA）=Δt/R，减少不必要的热量损失主要体现在多层换热间会出现多余换热层（如空气层）。如果伴热缆悬空或与管道贴合不紧密，其首先会跟间隙中的空气换热再传递给管道壁。所以保证伴热缆与管道壁、铝箔胶带与管道壁中间贴合紧密、不留缝隙，这样即可保证热量传递，也可避免管道或设备在无伴热缆处降温凝结，伴热缆也能及时传递发热量而不被烧坏。

2.2 温度数据的采集不准确

地铁中的管道系统通常集中分布。温度传感器的设置原则为：每套控制箱设1 个回路用于环境传感器，1 台控制箱设8～20 个回路用于温度传感器，每根管道设置2 个回路温度传感器，放置于整个管道的相对不利点，控制柜内含1 台温控器控制其投入切除工作状态（温控器控制交流接触器，接触器下口连接多路漏电保护器）。这样就形成“一对多”的局面，环境传感器只能检测到1 个监测点，环境温度反馈至控制箱，温控器会同时将供电回路投入或者切除（分路温度传感器探测到某管道高温点只切除其单个控制）。当环境传感器监测点在某高温点（设在温度高的管道或设备上），温度达到设定温度值时温控器控制所有回路停止工作，未达到温度设定值或温度低的管道其加热回路也被切除，失去了加热功效；反之当环境传感器监测点在某低温点（设在温度低的管道或设备上），温控器控制投入所有回路工作，将会导致个别温度高的回路不能及时切除而继续加热（只有环境传感器所在的回路温度达到设定值后才整体切除），造成不必要的能源浪费。因此，只有在每个回路适宜的位置设置环境温度监测点，对每个回路单独控制；严禁一条伴热缆为不同设备和管道提供保温，要避免一条伴热缆穿越不同的管道或设备。尽量使使用同一伴热缆的设备或管道其物理性能（介质种类、温度等）相同，实现同时加热运行或停止。这是从设计方面的分析和处理措施。

从施工方面的分析，末端温度探测器感应元件要尽量贴紧管道壁，环境传感器感应元件要尽量贴紧保温保护层里壁，保证其探测到最贴近介质真实温度和外环境温度的值。其安装和配线需要按照相应规则实施，应遵循的重要规则有：①用于温度数据传输的电缆必须选用有屏蔽层的优质电缆；②温度传感器的3 根引线必须分别与传输电缆的零线、火线、屏蔽层牢固连接，最好采用焊锡处理；③强弱电缆不能铺设在同一线槽内，传输电缆必须单独走穿线管，不能靠近强电电缆；④不可将与高温物体接触，不能与伴热缆同步铺设在保温层里面。控制箱内温控器要根据工程实际参数进行校准，同时在箱内的传输线缆屏蔽层也需要可靠连接，否则影响其传输稳定性。

3 结语

电伴热是地铁设备管道在冬季低温环境运行的保证措施，关系到地铁系统的安全运行。只有可靠的设计施工管理措施才是电伴热的质量保证，才能保证电伴热系统稳定、经济、合理地运行，确保工程的可靠性、安全性。