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伴热电缆对管道温控偏差的研究
中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 常金贵
摘要：郑西客运专线西安北站房工程中，由于消火栓管道、喷淋管道及给水管道处于室外或半室外空间，并结合当今由于环境条件变化多端，使得管道存在冻裂的危险，采用电伴热的形式，补充管道的热量损失，维持管道的温度，在此我们研究如何保证使得管道的温度偏差值不会超过规定值。
关键词：伴热电缆、管道温控、偏差研究
1、伴热电缆在西安北站的使用概况
由于西安北站设备夹层及检修马道、出站通道处于室外或半室外环境中，存在大量管道在严寒冬季的气候下，大部分管道或露于室外（冰冻线以下），或处在建筑物当中（无采暖环境），会有冻裂的危险，针对这个问题，我们研究采取措施，维持管道在任何温度下不会产生或管道冻裂的危险，其中一种途径是采用管道电伴热的形式，补充管道在低温环境下的热损失，达到维持管道温度的目的。
伴热系统是保证在恶劣气候下，管道处于安全温度，从水管的安全角度讲，一般我们把管道的维持温度设定在15摄氏度，而对于环境最低温度，要看管道所处位置具体气候条件来定，总体来讲，伴热系统的设计就是要使管线的散热及从伴热线的得热达到一个平衡，而平衡点就是15摄氏度，我们根据现场实际情况及设计的理论数据进行实际现场的施工控制，在环境温度变化剧烈的情况下，使管道电伴热系统发挥作用，保证使温度偏差值不超过5%。
2 、工作原理与特点
自调控电伴热线由导电塑料和2根平行母线加绝缘层、金属屏蔽网、防腐外套构成。其中由塑料加导电碳粒经特殊加工而成的导电塑料是发热核心。当拌热线周围温度较低时，导电塑料产生微分子收缩，碳粒连接形成电路使电流通过，拌热线便开始发热；而温度较高时，导电塑料产生微分子膨胀，碳粒逐渐分开，导致电路中断，电阻上升，拌热线自动减少功率输出，发热量便降低。当周围温度变冷时，塑料又恢复到微分子收缩状态，碳粒相应连接起来形成电路，拌热线发热功率又自动上升。由于整个温度控制过程是由材料本身自动调节完成的，其控制温度不会过高也不会过低。因此电拌热所具有的良好特性是其他拌热系统所无法比拟的。自调控电拌热系统应用于工业管道保温和防冻过程，自调控电拌热系统能够准确、方便地起到保温、防冻的作用。
我们通常在遇到管道在非采暖环境下时，采用管道电伴热系统，以维持管道的温度在任何条件下不会低于危险温度。所谓的管道电伴热系统就是在管道外面铺设一根通电会发热的电缆，电缆外面再包裹保温材料，这样发热电缆产生热量，补充管道在低温环境下的热损失，达到维持管道温度的目的。
在伴热电缆的产品中有一种自调控的发热电缆是一种十分好的产品，自调控发热电缆就是它的发热功率是随着其所处环境温度变化而变化的，环境温度越高则其发热功率越低，反之，环境温度越低，其发热功率越高。这种发热电缆有以下几点突出的优点：
1、 使用绝对安全，任何情况下不会过热；
2、 这种发热电缆可以自由裁切及缠绕，设计安装非常简便；
3、 电缆可以根据环境温度的变化而调解自身的发热功率，在需要多发热时就多发热，需要少发热时就少发热，因此非常节能。
从下图可以看出，自调控发热电缆的工作情况（见图1）：
功率
自调控伴热线
普通伴热线
温度
图1 发热电缆的工作原理图
现在让我们分析一下伴热系统的功能参数，伴热系统的功能就是保证在恶劣气候下，管道处于安全温度，从水管的安全角度讲，一般我们把管道的维持温度设定在15摄氏度，而对于环境最低温度，要看管道所处位置具体气候条件来定，总体来讲，伴热系统的设计就是要使管线的散热与电伴热线的发热达到一个平衡，而平衡点就是15摄氏度（如图2）：
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Fº
W/ft
1.0
5.0
4.0
3.0
2.0
伴热线
散热

图2伴热电缆使用时与管道热损失相比较
我们知道了管道伴热系统的设计参数及设计宗旨，最后我们来探讨一下如何对系统进行控制。系统的控制通常有两种方式，一种为管道温度控制，另一种为环境温度控制。
对于管道温度控制，管道温度达到维持温度，系统停止工作，管道温度低于维持温度，系统开启，其优点是不存在冗余运行时间，运行费用经济，但由于管道温度延长度方向存在梯度，因此在一段管道范围内可使用一个传感器，对于大的管道系统，需要用很多传感器及温控器，给配电及材料成本带来很大压力，使系统成本增加。
对于控制环境温度，方式为当环境温度低于维持温度系统启动，而当环境温度高于维持温度时，系统停止工作，由于其控制的是环境温度，因此整个系统可以统一控制，只需将温度传感器置于温度最低处，或适当提高启动温度，系统简单可靠经济，但此种控制方式缺点为，存在冗余运行时间，系统的温度平衡点可能高于维持温度（15摄氏度），道理如下：
我们在做系统时，是按照管道所在地区最低温度来计算其热损失，在环境温度处于最低温度时，系统可在维持温度点达到热平衡，而在一个冬季中不可能随时都处于最低的环境温度，而大部分时间环境温度是略高于最低温度的，这样，管道热损失的曲线就会如图3上右移，而其平衡温度也就高于了我们设定的维持温度，造成不必要的损失。
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Fº
W/ft
1.0
5.0
4.0
3.0
2.0
伴热线 cable

图3管道热损失曲线
我们能否结合两种控制方式的优点而采用一种最合理的控制方式，使系统简单经济的同时，能达到系统温度平衡点稳定在维持温度，使运行费用也做到经济。
经过与专业厂家进行沟通，确实存在一种最为合理的控制方式，称为PASC（PROPORTIONAL AMBIENT SENSING CONTROL）控制方式, 简称为比例控制法，具体工作情况为，控制器可以设定最低温度及维持温度，控制器可以根据当时的环境温度情况，调节系统的功率输出，从而使温度平衡点稳定在我们希望的维持温度左右。
例如：我们设定最低温度为-15℃，维持温度为15℃，则，控制器工作状态如图4:

图4 控制器的工作状态
可知，此种控制方式才为防冻系统理想控制方式，我们对于工程中的各种系统都应该在充分理解的基础上，加以研究并改进，使之达到更理想状态。
3、伴热电缆的施工技术
3.1伴热系统安装：
伴热线固定
连接组件安装
保温层安装
警示标签

图5 伴热系统安装流程图
进行伴热线敷设，电源线接线盒、二通、三通接线盒、尾端接线盒安装位置、方式等按照设计图纸及产品说明书，单一伴热回路最大长度不能超过159米；其次伴热线敷设方式应严格按照设计图纸：DN200管道，伴热线敷设伴热比为1：1.5；DN150管道，伴热线敷设伴热比为1：1.2；其他DN150以下管道伴热比为1：1；采用GT66玻璃胶带将伴热线固定于管道下方45°角处，胶带间隔为30cm，在支架、阀门、弯头等 处适当增加胶带缠绕密度，使伴热线更敷设于管道表面，具体缠绕方式参见设计图纸安装图例（见图5）；伴热线通过管道弯头时，尽量敷设于管道弯头外径上；保温层施工完毕后，在保温层外表面贴附警示标签，以便明确连接组件的位置及规格型号。

图6 伴热线缆的缠绕
3.2伴热系统供电连接：
温控箱位置确定
穿管及电缆敷设
动力电缆连接至电源接线盒
动力电缆连接至温控箱断路器

图7供电系统连接示意图
1、确定电伴热电源接线盒位置后，需参照设计图纸，从对应温控箱引动力电缆至该接线盒，提供220V动力电源；动力电缆的敷设方式可结合现场实际情况，采用电缆桥架敷设或穿镀锌钢管敷设；
2、动力电缆及伴热线的连接，需严格按照电源线接线盒产品说明书操作安装；
3、环境型温控器原理为干节点无源开关，需通过控制交流接触器线圈，实现集中控制功能。
4、总结
在西安北站工程项目中，自控温电伴热因本身根据敏感管壁（介质）的温度而自调发热量，是一种节能措施。我们使用的自控温电伴热线每米用电量为17.2W。管道全长为1000m，每小时用电量为1000×17.2/1000=17.2KW.h。当管道温度达到维持温度上限时，电伴热的发热量将逐渐减少，输出功率亦随之下降，从而电伴热的耗电量一般为额定功率的60％；根据现场实际的测试数据，达到了理论中的偏差（见表1、图8），使管道电伴热带在西安北站项目中成功应用。
表1 设定温度与实际测试温度进行比较
设定温度℃
环境温度℃
伴热电缆作用时管道的温度℃
偏差℃
15
-10
4.5
0.5
15
-5
4.9
0.42
15
10
10
0.09
15
20
20
0

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
环境温度
偏差℃
0.1
0.5
0.4
0.2
0.3

作者简介：常金贵，男，出生于1973年7月10日，1997年7月毕业于石家庄铁道学院电气技术专业，现任中铁十二局集团建筑安装工程有限公司工程师，单位地址：山西省太原市迎泽西大街169号，邮编：030024；联系电话：[phone]
参考文献
1、 电伴热技术在建筑给排水管道保温系统中的应用 周洋洋， 刘焱 东南大学
2、 自控温伴热电缆的应用 赵忠新，于宏 中煤建安公司
3、 自控电伴热带的施工方法 刘其杰 山东省建设第一安装有限公司
4、 自限温型 P T C电热带的性能评价 罗延龄 电线 电缆，2001年O6期
5、 电伴热方案与蒸汽伴热方案的技术经济分析 [ J ] 蔡桥，柏群耀 节能，2000年ll期
6、 自调控电伴热系统的原理和应 用 [ J ] 常伯涛 安装， 2000年1期
7、 电伴热在液硫管线上的应用 [ J ] 郑利苗 化学与生物工程，2003年O3期
8、 温控伴热电缆温度采集与控制系统的研究 郎 朗，陈跃东 安徽工程科技学院电气工程系
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