电伴热保温在公路隧道水消防系统中的应用

2013-12-31任卫英

山西建筑 2013年20期

任卫英

(山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012)

1 问题的提出

公路等级的提高使得道路隧道的建设规模和技术难度随之加大。在我国广大的北方地区，冬季环境温度常常处在冰点之下，甚至低于-30℃，因此需要对公路隧道内较长时间处于相对静止状态的消防管道内的水进行防冻处理，以防止因出现冻堵现象而使消防系统陷于瘫痪。长期以来，冬季北方地区隧道消防管道的保温防冻是一大难题(见图1)，电伴热系统较好地解决了这一难题。

2 电伴热保温

2.1 电伴热保温介绍

电伴热系统是将电热带直接缠绕消防管道来补充热损失，沿自身长度范围调节管道系统每一个控制点的水温，使水温维持在要求的温度范围，从而达到防止管道结冰的目的。管道电伴热系统由发热电缆供电电源系统、管道防冰冻电缆加热系统和管道电伴热智能控制报警系统三部分组成。每根伴热电缆单元包括温控器、温度传感器、空气开关、交流越限报警隔离变速器、伴热电缆断路监测器、工作状态显示器、故障蜂鸣报警器及变压器等电路，以便观察、控制与调节电伴热工作情况。工作状况下，温度传感器安置在被加热的消防管道上，可随时测量出其温度。温控器根据事先设定好的温度，与温度传感器测出的温度比较，当管道水温达到上限时，电缆自动停止热输出;反之，水温降到下限时，电缆自动启动热输出。通过伴热电缆控制箱内的空气开关与交流电流越限报警隔离变速器，及时切断与接通电源，以达到加热防冻目的。电热带在消防管道上系统安装示意图见图2。

2.2 电伴热保温计算

金属管道保温绝热层厚度δ计算公式:

保温绝热层热量损失Q计算公式:

其中，δ为绝缘层厚度，m;D2为绝缘层外径，m;D1为管道外径，m;T0为介质温度，取10℃;Ta为环境温度，取极限平均最低温度(取山西省最冷地区大同的极限平均最低温度-25.1℃);Q为绝缘层热量损失，W/m2;q为绝缘层热量损失，W/m;αS为绝缘层外表面向周围环境的放热系数，W/(m2·℃)，取11.63 W/(m2·℃)。常用高速公路隧道消防系统高位水池有300 m3和500 m3两种规格，消防管网的管径有DN150和DN200两种。当D1=0.159 m(DN150)时，保温层厚度分别取0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m下，热量损失耗电量汇总见表1。

表1 D1=0.159 m不同绝缘层厚度下热量损失耗电量汇总

当D1=0.219 m(DN200)时，保温层厚度分别取0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m下，热量损失耗电量汇总见表2。

以上是对每千米运营电费的一个粗略估算，不同地区不同时间段内的电伴热用电量需要根据实际情况的具体参数进行计算。电伴热初期的安装费大约25万元，加上后期维修费用和年运行费用，电伴热所需的投资费用是很高的。

3 电伴热和其他保温方案的比较

3.1 电伴热与排空防冻的比较

表2 D1=0.219 m不同绝缘层厚度下热量损失耗电量汇总

排空防冻(干式消火栓系统)的主要特点是隧道消防管道内是空置的，管路内无水。如果突然发生火灾，隧道火灾报警系统接到报警信号，开启快速排气阀和电动启闭阀，将管道内空气迅速排除，启动水泵将管道内充满水，水流从消火栓中流出，管道在短时间内由干式系统迅速转变为湿式系统，在消火栓口接出水龙带和水枪达到灭火的目的。针对不同的季节，排空防冻需要进行充放水维护管理。与电伴热保温相比，排空防冻具有无需保温、没有漏水的优点，但是存在着需要一定的充水时间，使用消火栓的时间滞后于湿式系统，排气阀有可能堵塞，不能有效排除管道的空气等缺点。

干式消火栓需要充水时间计算:

取管道内流体的最大流速Vmax=2 m/s，假如供水点离火灾发生点距离为1 km，消防用水到达火灾发生点所需最短时间:

以上隧道是按1 km考虑，在实际工程中也有10多千米的特长隧道，供水时间就得1 h以上;并且有可能管路堵塞，必须通过隧道中间联通管进行供水，供水距离加大，时间会相应的增加。这样在十分紧急的火灾情况下，消防水在短时间之内供不过来，错过最佳救援时间，火势也得不到控制，所以当隧道长度超过2 km时，不适合使用排空防冻保温方案。

3.2 电伴热与循环放水保温的比较

用60 mm厚的聚氨酯保温层保温，每千米DN150的消防管，每天放掉管网60.012 m3水;每千米DN200的消防管，每天放掉管网77.047 m3水，隧道消防管内的水就不会冻。根据不同地区地下水温的不同，换水量及充水时间有相应的变化。

防水保温方案比电伴热保温节省很多电能，但是此保温方案适用于地下水资源充足、水温大于10℃的地区，它是打井取水，然后将温度降下来的水排渗到地下，水资源可以循环利用。

3.3 电伴热与充注防冻液的比较

充注防冻液防冻是在消防管网内用防冻液作为循环介质，从而达到防冻的目的。具体过程是用防冻液充满隧道内消防管网，火灾发生防冻液喷出后，随即喷出蓄水池内的水，防冻液规格和质量不同防冻效果也会有所不同。防冻液与水一样，具有比热大、蒸发潜热量高的优点，该防冻方案免除了绝热保温和电伴热的初投资费及运行费，而且防冻液具有不结垢的特点，能避免系统管道产生大量水垢。选择的防冻液应具有防冻性、阻燃性和不燃性、防锈性、不结垢性、化学性质稳定的特点。亚硝酸盐不易燃可用于消防系统。每千米DN150管道需填充防冻液的体积为17.7 m3，DN200管道需填充防冻液的体积为31.4 m3，防冻液费用31.4 m3×1.1 t/m3×5 000元/t=17.27万元，另外，考虑防冻液膨胀和收缩面须吸纳和补充防冻液的装置费30万元。选择防冻液应为长效防冻液，充注防冻液防冻与电伴热防冻相比总费用差不多，但是在设计喷洒管头部时，应考虑在消防过程中存在防冻液向消防水的转换，两者的密度不同会对喷洒面积有影响。另外，需要解决在升温时吸纳防冻液的膨胀量、降温时填补防冻液的收缩量，这在技术上有些难度。