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摘要:電伴熱保溫在公路隧道水消防系統(tǒng)中的應用對電伴熱的設計理念、施工工藝和費用計算等方面進行了闡述，并分別與排空防凍、循環(huán)放水、充注防凍液三種保溫方案進行經(jīng)濟分析和技術比較，zui終得出電伴熱保溫系統(tǒng)是現(xiàn)階段公路隧道zui為可行實用的消防管道保溫措施。
1 電伴熱重要性
公路等級的提高使得道路隧道的建設規(guī)模和技術難度隨之加大。在我國廣大的北方地區(qū)，冬季環(huán)境溫度常常處在冰點之下，甚至低于－30℃，因此需要對公路隧道內(nèi)較長時間處于相對靜止狀態(tài)的消防管道內(nèi)的水進行防凍處理，以防止因出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象而使消防系統(tǒng)陷于癱瘓。長期以來，冬季北方地區(qū)隧道消防管道的保溫防凍是一大難題(見圖1)，電伴熱系統(tǒng)較好地解決了這一難題。
2 電伴熱保溫
2．1電伴熱保溫介紹
北京中海華光電伴熱系統(tǒng)是將電熱帶直接纏繞消防管道來補充熱損失，沿自身長度范圍調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)每一個控制點的水溫，使水溫維持在要求的溫度范圍，從而達到防止管道結(jié)冰的目的。管道電伴熱系統(tǒng)由發(fā)熱電纜供電電源系統(tǒng)、管道防冰凍電纜加熱系統(tǒng)和管道電2λlnD+α。溫達到上*，電纜自動停止熱輸出;反之，水溫降到下*，電纜自動啟動熱輸出。通過伴熱電纜控制箱內(nèi)的空氣開關與交流電流越限報警隔離變速器，及時切斷與接通電源，以達到加熱防凍目的。電熱帶在消防管道上系統(tǒng)安裝示意圖見圖2。
2．2電伴熱保溫計算
金屬管道保溫絕熱層厚度δ計算公式:
保溫絕熱層熱量損失Q計算公式:
其中，δ為絕緣層厚度，m;D2為絕緣層外徑，m;D1為管道外徑，m;T0為介質(zhì)溫度，取10℃;Ta為環(huán)境溫度，取極限平均zui低溫度(取山西省zui冷地區(qū)大同的極限平均zui低溫度－25．1℃);Q伴熱智能控制報警系統(tǒng)三部分組成。每根伴熱電纜單元包括溫為絕緣層熱量損失，W/m2;q為絕緣層熱量損失，W/m;α為絕緣控器、溫度傳感器、空氣開關、交流越限報警隔離變速器、伴熱電纜斷路監(jiān)測器、工作狀態(tài)顯示器、故障蜂鳴報警器及變壓器等電路，以便觀察、控制與調(diào)節(jié)電伴熱工作情況。工作狀況下，溫度傳層外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)，取11．63W/(m2·℃)。常用高速公路隧道消防系統(tǒng)高位水池有300m3和500m3兩種規(guī)格，消防管網(wǎng)的管徑有DN150和DN200感器安置在被加熱的消防管道上，可隨時測量出其溫度。溫控器兩種。當D1=0．159m(DN150)時，保溫層厚度分別取0．02m，根據(jù)事先設定好的溫度，與溫度傳感器測出的溫度比較，當管道水0.04m，0．06m，0．08m下，熱量損失耗電量匯總見表1。
電伴熱初期的安裝費大約25萬元，加上后期維修費用和年運行費用，電伴熱所需的投資費用是很高的。
3 電伴熱和其他保溫方案的比較
3．1電伴熱與排空防凍的比較
排空防凍(干式消火栓系統(tǒng))的主要特點是隧道消防管道內(nèi)是空置的，管路內(nèi)無水。如果突然發(fā)生火災，隧道火災報警系統(tǒng)接到報警信號，開啟快速排氣閥和電動啟閉閥，將管道內(nèi)空氣迅速排除，啟動水泵將管道內(nèi)充滿水，水流從消火栓中流出，管道在短時間內(nèi)由干式系統(tǒng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闈袷较到y(tǒng)，在消火栓口接出水龍帶和水槍達到滅火的目的。針對不同的季節(jié)，排空防凍需要進行充放水維護管理。與電伴熱保溫相比，排空防凍具有無需保溫、沒有漏水的優(yōu)點，但是存在著需要一定的充水時間，使用消火栓的時間滯后于濕式系統(tǒng)，排氣閥有可能堵塞，不能有效排除管道的空氣等缺點。
干式消火栓需要充水時間計算:
取管道內(nèi)流體的zui大流速Vmax=2m/s，假如供水點離火災發(fā)生點距離為1km，消防用水到達火災發(fā)生點所需zui短時間:
3．2電伴熱與循環(huán)放水保溫的比較
循環(huán)放水保溫是利用地下水較高的熱容量，通過對管道充入地下水，管道內(nèi)的水如果降溫接近5℃，然后將之排入滲井，再補充進新的地下水，使水流動循環(huán)起來，這種水不停地充入排出保證管道內(nèi)的水溫在5℃以上，對管道進行保溫的方法即循環(huán)放水保溫。如果地下水水溫按照10℃考慮，每米DN150管道的水量為17．671L，每米DN150管道放出的熱量是:Q1=CMΔT= 4．12kJ/(kg·℃)×17．671×10－3m3×1000kg/m3×(10－5)℃=364．023kJ。按保溫層厚度為60mm考慮，每米DN150保溫絕熱層的熱量損失為51．509kJ/h，所需時間分別為
這樣DN150管道每千米每天交換的水量為17．671L×1000m×24h÷7．067h=60．012m3。同理可得每米管道水量為31．416L，放出的熱量是647．170kJ，根據(jù)每米保溫絕熱層的熱量損失為66．133kJ/h，計算所需時間為t2=9．786h，DN200管道每千米每天交換的水量為77．047m3。
用60mm厚的聚氨酯保溫層保溫，每千米DN150的消防管，每天放掉管網(wǎng)60．012m3水;每千米DN200的消防管，每天放掉管網(wǎng)77．047m3水，隧道消防管內(nèi)的水就不會凍。根據(jù)不同地區(qū)地下水溫的不同，換水量及充水時間有相應的變化。
防水保溫方案比電伴熱保溫節(jié)省很多電能，但是此保溫方案適用于地下水資源充足、水溫大于10℃的地區(qū)，它是打井取水，然后將溫度降下來的水排滲到地下，水資源可以循環(huán)利用。
3．3電伴熱與充注防凍液的比較
充注防凍液防凍是在消防管網(wǎng)內(nèi)用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)，從而達到防凍的目的。具體過程是用防凍液充滿隧道內(nèi)消防管網(wǎng)，火災發(fā)生防凍液噴出后，隨即噴出蓄水池內(nèi)的水，防凍液規(guī)格和質(zhì)量不同防凍效果也會有所不同。防凍液與水一樣，具有比熱大、蒸發(fā)潛熱量高的優(yōu)點，該防凍方案免除了絕熱保溫和北京中海華光電伴熱的初投資費及運行費，而且防凍液具有不結(jié)垢的特點，能避免系統(tǒng)管道產(chǎn)生大量水垢。選擇的防凍液應具有防凍性、阻燃性和不以上隧道是按1km考慮，在實際工程中也有10多千米的特長隧道，供水時間就得1h以上;并且有可能管路堵塞，必須通過隧道中間聯(lián)通管進行供水，供水距離加大，時間會相應的增加。這樣在十分緊急的火災情況下，消防水在短時間之內(nèi)供不過來，錯過*救援時間，火勢也得不到控制，所以當隧道長度超過2km時，不適合使用排空防凍保溫方案。燃性、防銹性、不結(jié)垢性、化學性質(zhì)穩(wěn)定的特點。亞硝酸鹽不易燃可用于消防系統(tǒng)。每千米DN150管道需填充防凍液的體積為17．7m3，DN200管道需填充防凍液的體積為31．4m3，防凍液費用31．4m3×1．1t/m3×5000元/t=17．27萬元，另外，考慮防凍液膨脹和收縮面須吸納和補充防凍液的裝置費30萬元。選擇防凍液應為長效防凍液，充注防凍液防凍與電伴熱防凍相比總費用差不多，但是在設計噴灑管頭部時，應考慮在消防過程中存在防凍液向消防水的轉(zhuǎn)換，兩者的密度不同會對噴灑面積有影響。另外，需要解決在升溫時吸納防凍液的膨脹量、降溫時填補防凍液的收縮量，這在技術上有些難度。
4結(jié)語
本文對北京中海華光電伴熱、排空防凍、循環(huán)放水保溫、充注防凍液等四種嚴寒地區(qū)水消防管道保溫方案進行了詳細論述，并在系統(tǒng)構成、保溫效果、滅火效率、工程造價、運營費用、維護難度、適用范圍等方面對各方案的優(yōu)缺點進行了深入的技術比較，zui終得出電伴熱保溫系統(tǒng)是現(xiàn)階段公路隧道zui為可行實用的消防管道保溫措施。
北京中海華光地鐵隧道消防電伴熱系統(tǒng)是利用伴熱電纜輸出的熱量來補償管道，容器，罐體等儲運系統(tǒng)所損失的熱量，以維護系統(tǒng)操作介質(zhì)始終處在工藝要求的事業(yè)溫區(qū)。所以，熱工設計首先要確定工藝裝置的熱損失，然后根據(jù)熱損失量確定所伴電纜的功率和長度。
計算熱損前需要確定的工藝參數(shù)：
1、系統(tǒng)（介質(zhì)）要求的維持溫度
2、當?shù)囟炯捌骄鵽ui低溫度
3、管道的外徑
4、容器的表面積
5、管道保溫材料品種及溫度
6、管道所處環(huán)境