電伴熱保溫在公路隧道水消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

任衛(wèi)英

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030012)

1 問題的提出

公路等級(jí)的提高使得道路隧道的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)難度隨之加大。在我國(guó)廣大的北方地區(qū)，冬季環(huán)境溫度常常處在冰點(diǎn)之下，甚至低于-30℃，因此需要對(duì)公路隧道內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的消防管道內(nèi)的水進(jìn)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(zhǎng)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

電伴熱系統(tǒng)是將電熱帶直接纏繞消防管道來補(bǔ)充熱損失，沿自身長(zhǎng)度范圍調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)每一個(gè)控制點(diǎn)的水溫，使水溫維持在要求的溫度范圍，從而達(dá)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)和管道電伴熱智能控制報(bào)警系統(tǒng)三部分組成。每根伴熱電纜單元包括溫控器、溫度傳感器、空氣開關(guān)、交流越限報(bào)警隔離變速器、伴熱電纜斷路監(jiān)測(cè)器、工作狀態(tài)顯示器、故障蜂鳴報(bào)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，溫度傳感器安置在被加熱的消防管道上，可隨時(shí)測(cè)量出其溫度。溫控器根據(jù)事先設(shè)定好的溫度，與溫度傳感器測(cè)出的溫度比較，當(dāng)管道水溫達(dá)到上限時(shí)，電纜自動(dòng)停止熱輸出;反之，水溫降到下限時(shí)，電纜自動(dòng)啟動(dòng)熱輸出。通過伴熱電纜控制箱內(nèi)的空氣開關(guān)與交流電流越限報(bào)警隔離變速器，及時(shí)切斷與接通電源，以達(dá)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(jì)算

金屬管道保溫絕熱層厚度δ計(jì)算公式:

保溫絕熱層熱量損失Q計(jì)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，取極限平均最低溫度(取山西省最冷地區(qū)大同的極限平均最低溫度-25.1℃);Q為絕緣層熱量損失，W/m2;q為絕緣層熱量損失，W/m;αS為絕緣層外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)，取11.63 W/(m2·℃)。常用高速公路隧道消防系統(tǒng)高位水池有300 m3和500 m3兩種規(guī)格，消防管網(wǎng)的管徑有DN150和DN200兩種。當(dāng)D1=0.159 m(DN150)時(shí)，保溫層厚度分別取0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m下，熱量損失耗電量匯總見表1。

表1 D1=0.159 m不同絕緣層厚度下熱量損失耗電量匯總

當(dāng)D1=0.219 m(DN200)時(shí)，保溫層厚度分別取0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m下，熱量損失耗電量匯總見表2。

以上是對(duì)每千米運(yùn)營(yíng)電費(fèi)的一個(gè)粗略估算，不同地區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)的電伴熱用電量需要根據(jù)實(shí)際情況的具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。電伴熱初期的安裝費(fèi)大約25萬元，加上后期維修費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用，電伴熱所需的投資費(fèi)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

表2 D1=0.219 m不同絕緣層厚度下熱量損失耗電量匯總

排空防凍(干式消火栓系統(tǒng))的主要特點(diǎn)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(zāi)，隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接到報(bào)警信號(hào)，開啟快速排氣閥和電動(dòng)啟閉閥，將管道內(nèi)空氣迅速排除，啟動(dòng)水泵將管道內(nèi)充滿水，水流從消火栓中流出，管道在短時(shí)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(dá)到滅火的目的。針對(duì)不同的季節(jié)，排空防凍需要進(jìn)行充放水維護(hù)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(diǎn)，但是存在著需要一定的充水時(shí)間，使用消火栓的時(shí)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(diǎn)。

干式消火栓需要充水時(shí)間計(jì)算:

取管道內(nèi)流體的最大流速Vmax=2 m/s，假如供水點(diǎn)離火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)距離為1 km，消防用水到達(dá)火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)所需最短時(shí)間:

以上隧道是按1 km考慮，在實(shí)際工程中也有10多千米的特長(zhǎng)隧道，供水時(shí)間就得1 h以上;并且有可能管路堵塞，必須通過隧道中間聯(lián)通管進(jìn)行供水，供水距離加大，時(shí)間會(huì)相應(yīng)的增加。這樣在十分緊急的火災(zāi)情況下，消防水在短時(shí)間之內(nèi)供不過來，錯(cuò)過最佳救援時(shí)間，火勢(shì)也得不到控制，所以當(dāng)隧道長(zhǎng)度超過2 km時(shí)，不適合使用排空防凍保溫方案。

3.2 電伴熱與循環(huán)放水保溫的比較

用60 mm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)60.012 m3水;每千米DN200的消防管，每天放掉管網(wǎng)77.047 m3水，隧道消防管內(nèi)的水就不會(huì)凍。根據(jù)不同地區(qū)地下水溫的不同，換水量及充水時(shí)間有相應(yīng)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(dá)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(zāi)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(huì)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(diǎn)，該防凍方案免除了絕熱保溫和電伴熱的初投資費(fèi)及運(yùn)行費(fèi)，而且防凍液具有不結(jié)垢的特點(diǎn)，能避免系統(tǒng)管道產(chǎn)生大量水垢。選擇的防凍液應(yīng)具有防凍性、阻燃性和不燃性、防銹性、不結(jié)垢性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。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17.7 m3，DN200管道需填充防凍液的體積為31.4 m3，防凍液費(fèi)用31.4 m3×1.1 t/m3×5 000元/t=17.27萬元，另外，考慮防凍液膨脹和收縮面須吸納和補(bǔ)充防凍液的裝置費(fèi)30萬元。選擇防凍液應(yīng)為長(zhǎng)效防凍液，充注防凍液防凍與電伴熱防凍相比總費(fèi)用差不多，但是在設(shè)計(jì)噴灑管頭部時(shí)，應(yīng)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(huì)對(duì)噴灑面積有影響。另外，需要解決在升溫時(shí)吸納防凍液的膨脹量、降溫時(shí)填補(bǔ)防凍液的收縮量，這在技術(shù)上有些難度。

4 結(jié)語

本文對(duì)電伴熱、排空防凍、循環(huán)放水保溫、充注防凍液等四種嚴(yán)寒地區(qū)水消防管道保溫方案進(jìn)行了詳細(xì)論述，并在系統(tǒng)構(gòu)成、保溫效果、滅火效率、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、維護(hù)難度、適用范圍等方面對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入的技術(shù)比較，最終得出電伴熱保溫系統(tǒng)是現(xiàn)階段公路隧道最為可行實(shí)用的消防管道保溫措施。

［1］ 熊景芷.嚴(yán)寒地區(qū)山嶺隧道消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(8):18-20.

［2］ 郭汝燕.生活熱水自調(diào)控電伴熱系統(tǒng)的綜合分析［J］.給水排水，2002，5(3):82-85.

［3］ GB 03S401，管道和設(shè)備保溫、防結(jié)露及電伴熱［S］.

［4］ JTG/TD 71-2004，公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.