寒区公路隧道电伴热系统经济性和耐久性分析

1、寒区公路隧道电伴热系统经济性和耐久性分析摘 要：本文主要介绍了电伴热系统在寒区隧道的应用，指出了其突出优势，并从经济性和耐久性方面进行分析，说明了电伴热系统在寒区隧道工程使用的可行性。关键词：寒区隧道，电伴热系统，经济性，耐久性0引言：随着我国西部大开发政策的不断深入，在寒区修建的公路也越来越多，寒区隧道的抗冻胀问题日益受到工程界的关注和重视。随着工程技术的发展，针对寒区隧道已经存在不少应对措施，主要有从隧道结构设计方面，防排水设计方面，保温材料和方面着手，实践证明，以上措施效果并不明显，只能对寒区隧道的抗冻在一定程度上起作用，而加热电缆即电伴热系统的引进，在很大程度上解决了这些问题，虽然这种

2、措施耗费比较大，但是随着技术的改进将逐步克服这一问题。1电伴热系统保温防冻防滑的优势1.1隧道电伴热系统优势目前在隧道防冻措施中采用供热法并不成熟，目前投入使用的供热法：前苏联隧道供暖有的用电力，采用管式电力加热器；挪威在隧道排水系统中设置加热电缆；有的地方利用地热水或蒸汽对水沟进行加温。电伴热系统与常用伴热保温措施相比，主要优点如下：(1)电伴热装置简单、发热均匀、反应敏捷，可以实现远距离控制，便于管理。(2)可靠性高，根据需要可以加工成阻燃、防爆、防腐蚀型，具有全天候工作性能，使用寿命长。(3)保护环境、减少污染：电伴热在传输过程中无泄漏，不会产生跑、冒、滴、漏等污染环境的现象。(4)降低

3、设计、施工和维护费用：电伴热与蒸汽伴热相比，设计工作量小、施工简单、周期短、维护方便、日常的维护保养工作量。(5)自控电伴热因本身就能感应介质的温度而自调发热量，是一种节能措施。蒸汽伴热只能利用一部分热能，大量热能由高品位变为低品位，无法利用，白白浪费了。经测算，电伴热与蒸汽伴热的耗能之比为15.8。另外，由于自控电伴热可以有效地杜绝跑、冒、滴、漏现象，因此，改善了使用环境，避免了因蒸汽和凝结水的跑漏而对环境造成的污染，并且非常适用于东北比较寒冷且极易冻的地区。1.2路面电伴热防滑系统优势（1）热力作用。高速公路目前应用最广泛的是融雪剂融雪法，融雪剂是通过降低冰点来达到融雪目的。在冰雪急剧融化

4、时，大部分热量需要从接触冰雪的路面吸收，可使-5的路面温度剧降至-14，这种突然降温的热冲击，使路面急剧收缩，能产生很大的拉应力，对路面十分不利，甚至导致路面开裂。而发热电缆融雪系统是通过升高道路表面温度，使其高于冰点，在系统开启后，结构层内温度在及上表面温度的升高将比较缓慢，例如，当铺装功率为300w/m2，下雪气温为-5，上表面温度升高到2即可达到最好的融雪效果，而升温时间在 34 小时，上表面与空气的换热较为充分，不会引起路面的急剧膨胀，避免了对道路的破坏。（2）操作方便。采用融雪剂融雪需要盐池等基础设施，并动用大量的机械设备来运输和喷洒。而发热电缆融雪系统只在建筑道路的同时，按照其工艺

5、方法铺设，根据天气预报，在下雪前将系统开启，在设定的条件下运行，无需大量的人工和机械操作，且不会由于喷洒机械的运行造成道路的局部堵塞。（3）使用范围。传统的融雪化冰方法有很大的局限性，如融雪剂在低于-15时就不能将冰雪融化。而采用发热电缆融雪系统，可根据当地的气象条件，根据不同的道路结构计算出铺装功率，并采用合理的控制方案，在系统运行时，随气温和风速的变化通过系统的通断使得上表面温度控制在一个设定值，非常有针对性。从理论上讲，只要有足够的铺装功率，并采取适当措施（如隔热）减少向下传热，此系统可以满足大部分情况低温下的融雪要求。（4）融雪效果。传统融雪方法因人工或机械操作造成施洒不均易造成融雪不

6、充分或者浪费。而发热电缆融雪系统因电缆分布均匀，而且能够定量控制，路面温度始终处于可控且稳定状态，所以融雪效果很好。2系统经济性分析目前，市场上的发热电缆很多已经实现国产化，价格也不是很高，例如试验所用电缆就是由陕西中森科技发展有限公司生产的。这对于总体造价有着很重要的作用，铺设电伴热系统初始费用见表1。表1铺设电伴热系统初始费用工程或费用名称预算金额（元）路面部分刻槽35500加热电缆1600001钢丝网90008809温度控制器1800bv1012200路面费用合计（元）218500隧道部分1钢丝网12000弹簧40008809温度控制器5200加热电缆400004cm酚醛泡沫板44800

7、6mm玻璃纤维增强硅酸钙板38800衬砌费用合计（元）144800表1为预算铺设隧道电伴热系统的初始投资，铺装按照研究的设防长度，路面100m、隧道50m。结果表明，采用此系统会使建设隧道和道路的预算在原有基础上增加，隧道部分增加约2496元/延米，路面部分约2896元/延米。隧道部分采用的铺装功率为100w，路面部分采用的铺装功率为300w，隧道部分长度50m，试验段路面部分设防长度100m。隧道部分50m铺设面积为1570m2，铺设总功率157kw；高速公路隧道为双向四车道，也就是单洞车道总宽为3.752，路面部分设防长度总铺设面积为700m2。这样铺装总功率为300w700m2，也就是2

8、10kw。路面与隧道共367kw，按工业用电的费用0.5元/kwh来计算，每小时整个系统用电费用为183.5元。3系统耐久性分析目前较为普遍使用的电热带是自限温加热带，其发热元件的电阻率具有很高的正温度系数(表示为positive temperature coefficient 简称ptc)。将ptc材料均匀地挤塑在两根平行的金属线芯之间即得芯带，在芯带的外面包复一层绝缘材料作为护套，得到基本型电热带，然后还可根据需要加屏蔽层及耐腐蚀层等。电热带的金属线芯接通电源后，电流由一根线芯经过发热体ptc材料到另一线芯而形成闭合回路。由于发热体是一个整体，因此只要电热带本身不被切断就不存在断电现象。当

9、电源接通以后，发热体ptc材料将电能转换为热能，使发热体开始升温，同时由于发热体的正温度系数使其电阻率随着温度的升高而逐步增大，当芯带的温度升至一定值(最高温度)时，发热体的电阻率也足够大，几乎阻断了电流的通过，这样发热体的温度就不再升高。如果加入的ptc材料不同，则会得到不同的电阻一温度特性曲线，即得到了不同的温度范围的电热带。加热时能够自动限定电缆的工作温度；能随被加热体系的温度变化自动调整输出功率而无需外加设备；电缆可以任意裁短或在一定范围内接长使用，而上述性能不变。允许交叉重叠缠绕敷设而无过热及烧毁之忧。电伴热系统在正确的安装和操作时，其运行是安全可靠的，使用寿命也较长。但由于安装运行

10、维护不当，或运行过程中的工艺设备、管线运行状态或温度等条件的变化，会引起不必要的故障，减少使用寿命。这就要求操作人员要及时发现故障并查明原因，迅速解决，保证电伴热系统安全可靠地运行。表2是电伴热系统产品的性能技术参数，各项参数的优劣一定程度上决定了电伴热系统的安全性和耐久性。表2产品性能技术参数型号额定电压v额定功率w/m绝缘电阻m/km绝缘材料最高耐温防爆等级双向最大使用长度m介质最高维持温度hbl2-j3-102201050f46205ext4450130hbl2-j3-2020350120hbl2-j3-303030095hbl2-j3-404026075hbl3-j3-30380305

11、0f46205ext4600120hbl3-j3-4040530100hbl3-j3-505046080hbl3-j3-606040060寒区隧道衬砌和路面电伴热系统的耐久性主要取决于系统所用发热电缆的质量和寿命，目前所用的发热电缆一般寿命可达50年以上，表3是现场所用电缆的经国家电缆质量监督中心检测通过的各项参数表。表3发热电缆各项参数检验表类别检验项目标准要求检验结果电压试验绝缘电阻室温成品电缆电压试验不击穿通过高温成品电缆电压试验不击穿通过绝缘电阻最小0.03mkm44000成品性能试验变形试验（300n，1.5kv/30s）不击穿通过拉力试验最小120n510正反卷绕试验不击穿通过低温

12、冲击试验（-15）不开裂通过屏蔽的耐穿透性试针推入需触及屏蔽通过绝缘老化前抗张强度最小12.5n/mm213.2老化前断裂伸长率最小200%400老化后抗张强度最小12.5n/mm214.2老化后断裂伸长率最小200%380抗张强度变化率最大25%8断裂伸长率变化率最大25%-5伸长率最大175%100永久伸长率最大15%0护套抗开裂试验（1h，150）不开裂通过90高温压力试验-变形率最大50%24低温卷绕试验（-15）不开裂通过热稳定性（200）最小180min通过隧道路面电伴热系统的耐久性除了电缆本身质量的影响外，还受其他一系列因素的影响。首先，刻槽质量的好坏直接影响到发热电缆的使用寿命

13、。刻槽工艺的施工质量关系到发热电缆是否会受到路面层间的各种力，因此要严格控制刻槽施工质量。其次，路面结构层会长时间受到外界温度、车辆荷载、积水等各方面因素影响，间接影响到发热电缆层。综合以上因素，路面电伴热系统的寿命可达20年以上。根据公路沥青路面设计规范第3.1.3条规定：高速公路沥青混凝土路面设计年限为15年，电伴热系统寿命满足规范要求。隧道衬砌电伴热系统的发热电缆由于绝缘、封闭的特性，免于了日常维护。温度传感器的寿命相对发热电缆来说要短，但选用的温度传感器平均寿命可达十年以上，且便于更换。同时，系统不受外部荷载影响，因此寒区公路隧道衬砌电伴热系统的使用寿命则可达50年以上。4 结语电伴热

14、系统属于注定加热的一种措施，其突出优点显而易见，本文从理论上研究了它的可行性，虽然说理论与实际会有所差距，但是相信随着技术的革新和能源利用率的提高，电伴热系统竟成为未来寒区隧道防寒保暖的主要措施。参考文献：1吕康成，寒冷地区隧道保温技术防冻研究r，长安大学科研报告，20082夏才初，寒区公路隧道防冻保暖技术及其发展趋势c，全国公路隧道学术交流会论文集，重庆大学出版社，20093伍毅敏，王红玉，寒区隧道施工缝衬背供热排水防冻方法c，2009，全国公路隧道学术交流会论文集，重庆大学出版社，20094王飞，伍毅敏，寒区隧道冻害防治研究进展j，公路交通科技（应用技术版），2010年第12期：258-2

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