水纜冬季防凍方案

肖 凱

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

受卷盤式電纜供電方式啟發(fā)，2015 年開始投入到水纜代替人工上水方案研究。該方案將水纜纏繞在纜盤上，一端與中間換向處水除塵管路相連，一端與機(jī)上除塵管路相連；設(shè)備在移動過程中將水纜釋放或收起。依靠地面管線的供水壓力或中轉(zhuǎn)水箱為大機(jī)提供除塵用水。司機(jī)室通過控制電磁閥或多級撒水泵實(shí)現(xiàn)灑水控制。

1 水纜系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的為長距離可移動設(shè)備除塵供水方式為定點(diǎn)上水，工作方式為將設(shè)備開到水源附近，人工連接水帶為水箱注水，再由灑水泵從水箱里吸水完成除塵工作。這套系統(tǒng)具有一定的局限性：①水箱注水設(shè)備必須要停止作業(yè)并開到水源附近；②注水過程必須由人工完成，增加工人勞動強(qiáng)度；③由于水箱容積受限，大機(jī)必須反復(fù)注水，才能保證生產(chǎn)過程中正常的灑水除塵；④由于水箱為鐵質(zhì)，生銹后容易堵塞噴嘴，增加設(shè)備維修時間。這套系統(tǒng)相比以前水除塵具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）廢除水箱，改為除塵管路直接供水既節(jié)省人力物力又降低設(shè)備故障時間。

（2）此系統(tǒng)不影響堆料機(jī)的正常作業(yè)，水纜能夠自動收放并且在中間可變向。

（3）霧狀效果良好，能有效抑制堆料機(jī)作業(yè)過程起塵，達(dá)到環(huán)保要求。

（4）操作簡單，只需要司機(jī)在生產(chǎn)作業(yè)過程中控制灑水電磁閥來控制水除塵的通斷。

（5）降低水除塵成本。

投入運(yùn)行一年以來，只需定期進(jìn)行系統(tǒng)檢查保養(yǎng)，維修成本大大降低。

2 水纜系統(tǒng)存在的問題

水纜式供水系統(tǒng)的成功運(yùn)用，破解了長距離、可移動設(shè)備連續(xù)供水問題，但冬季北方港口結(jié)冰現(xiàn)象較嚴(yán)重，一直是制約水纜普遍推廣用的關(guān)鍵因素。如何破解水纜防凍問題，又一次擺在了技術(shù)人員面前。經(jīng)過反復(fù)討論、不斷實(shí)踐，克服寒冷低溫不利條件，研發(fā)出4 種水纜冬季防凍方案，并成功進(jìn)行實(shí)踐，為水纜式供水系統(tǒng)推廣應(yīng)用打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3 解決方案

3.1 氣動排水裝置和保溫罩相結(jié)合方式

卷盤式水纜除塵系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)1 套氣動排水裝置，整套系統(tǒng)包括儲氣罐、空壓機(jī)、排水電磁閥、內(nèi)貼伴熱板的保溫罩殼等。

大機(jī)作業(yè)時，堆場壩基供水電磁閥得電打開、排水電磁閥失電關(guān)閉，氣動排水裝置的氣泵得電，開始給儲罐充氣，當(dāng)達(dá)到1 MPa時自動停止，等待吹掃。此時水纜除塵系統(tǒng)正常灑水，水纜內(nèi)的水呈流動狀態(tài)，即使低溫天氣，也不會凍結(jié)。當(dāng)大機(jī)停止作業(yè)，堆場壩基供水電磁閥失電關(guān)閉，排水電磁閥得電打開，灑水電磁閥失電關(guān)閉，氣動排水裝置中的電磁閥電打開，水除塵系統(tǒng)開始排水。當(dāng)儲氣罐壓力降到低壓設(shè)定值，氣路電磁閥失電關(guān)閉，氣泵再次得電啟動，向儲氣罐充氣。如此循環(huán)3 輪，通過高壓氣體將水纜中的水排出，從而保證水纜中不殘留水，不會發(fā)生凍裂事故。當(dāng)下次堆料機(jī)作業(yè)時，水纜除塵系統(tǒng)重新充水、灑水，不影響正常使用。

為最大限度減少司機(jī)操作，僅使用原有的灑水開關(guān)進(jìn)行控制，利用灑水關(guān)閉時的下降沿作為排水觸發(fā)條件，排水系統(tǒng)自動啟動。滿足排水條件必須先滿足空壓機(jī)可正常運(yùn)行，且冬夏選擇開關(guān)打至冬季狀態(tài)，儲氣罐內(nèi)存有高壓氣體，并且灑水閥關(guān)閉時才能啟動排氣系統(tǒng)。這樣的設(shè)計一是避免儲罐氣體壓力小于水壓時，水流反向流至排氣系統(tǒng)，造成系統(tǒng)癱瘓；二是能最大限度減少司機(jī)操作，防止因誤動作造成系統(tǒng)故障；三是對冬夏季進(jìn)行分割，避免能源浪費(fèi)。

為防止卷盤上的水纜排空不凈，水分積聚在每圈的最低點(diǎn)，造成水纜凍結(jié)，因此設(shè)計加裝了纜盤保溫罩。即將纜盤外次加裝一個帶有伴熱板及保溫層的罩殼，既能起到加熱保溫防止水纜凍結(jié)作用，又防止異物及墜落物損傷水纜功能。

3.2 自伴熱水纜方式

自伴熱水纜方式是采用一種水纜外部自帶伴熱帶加熱方式防止冬季凍結(jié)，其是新一代除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其材料結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為內(nèi)膠層、鋼絲層、絕緣層、加熱層、外膠層。內(nèi)膠層、外膠層材料為高強(qiáng)度合成橡膠，以實(shí)現(xiàn)水纜的柔韌性、耐磨性；鋼絲層可提高水纜的抗拉強(qiáng)度；加熱層材料為電阻絲，通過電阻發(fā)熱，控制水纜水溫，使其保持在0°以上，實(shí)現(xiàn)冬天不凍結(jié)的目的；絕緣層分布在加熱層與鋼絲層之間，防止短路。針對水纜伴熱可能發(fā)生短路燒損這一問題，又對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。將裸露電阻絲套上一層耐高溫絕緣層后鋪設(shè)到水纜內(nèi)壁橡膠的結(jié)構(gòu)形式，既對電阻絲加強(qiáng)了保護(hù)，又有效避免中水通過水纜內(nèi)壁橡膠缺陷處對電阻絲滲透的可能性，徹底解除了短路故障及水纜短路燒損這一難題。

自伴熱防凍水纜采用磁滯聯(lián)軸器減輕卷盤機(jī)構(gòu)對水纜造成的沖擊，是對自伴熱水纜的另一種保護(hù)。由于電機(jī)與減速器被磁滯聯(lián)軸器中間的氣隙隔開，因而負(fù)載啟動與制動特性更加平穩(wěn)柔順。實(shí)際使用中，可以根據(jù)工況合理調(diào)整聯(lián)軸器兩半輪之間的氣隙寬度，來調(diào)整負(fù)載剛度，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。能夠有效降低電機(jī)啟制動瞬間對水纜的拉伸破壞，減小對電阻絲的沖擊，提高水纜的使用壽命。

3.3 內(nèi)穿伴熱帶方式

內(nèi)穿伴熱帶方式為水纜內(nèi)部穿設(shè)一整條伴熱帶，中間無接頭、無斷點(diǎn)。電伴熱帶采用串聯(lián)型恒功率電伴熱帶，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為6 層，分別為芯層、芯層絕緣層、內(nèi)護(hù)套層、屏蔽層、外護(hù)套層以及加強(qiáng)層。為增強(qiáng)抗磨性、減小水纜接頭內(nèi)壁刮傷電伴熱帶可能性，在其外部又穿設(shè)了若干節(jié)薄壁柔性膠管，以增強(qiáng)其保護(hù)性能。施工時，依靠引線將其從一端帶入、從另一端傳出，穿設(shè)時避免過度抻拉，防止伴熱帶損傷。

整套系統(tǒng)由卷纜驅(qū)動裝置、導(dǎo)纜架、水纜、三通接頭和溫控系統(tǒng)組成。水纜兩端分別接三通，其中入口端與地面供水管道連接，出口端與大機(jī)水除塵管道連接。伴熱帶從一端三通穿入，從另一端三通穿出，穿出接口處依靠帶有錐度的尼龍塞擰緊密封。

整套系統(tǒng)依靠地面固定部分供電，解決了因纜盤旋轉(zhuǎn)加之穿設(shè)水管無法機(jī)上供電的問題。此外，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步對水纜溫度的精確控制，在地面接頭處增設(shè)了2 個溫度傳感器，分別檢測環(huán)境溫度和水纜內(nèi)部溫度：當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時，伴熱系統(tǒng)自動投用，環(huán)境溫度高于5 ℃時伴熱系統(tǒng)自動停止；水纜內(nèi)部溫度高于10 ℃時，系統(tǒng)加熱自動停止，低于5 ℃時系統(tǒng)加熱自動啟動。既將水纜溫度控制在一定范圍內(nèi)，又避免造成不必要的能源浪費(fèi)。此套系統(tǒng)還包含斷電報警、斷纜報警、漏電報警等，且將此信號引入到值班室控顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測到斷電或缺項時，觸發(fā)斷電報警系統(tǒng)，防止因長時間斷電未被及時發(fā)現(xiàn)造成水纜凍結(jié)。系統(tǒng)檢測到供電正常而無電流通過時，判斷伴熱帶存在斷電，觸發(fā)斷纜報警，提示技術(shù)人員立即維修。因其供電電壓高于人體安全電壓，因此增加了漏電檢測報警功能，降低漏電造成的安全風(fēng)險。

3.4 雙循環(huán)方式

雙循環(huán)方式水纜系統(tǒng)由卷纜驅(qū)動系統(tǒng)、導(dǎo)纜架、2 條水纜、循環(huán)泵、流量計、流量開關(guān)、水箱和地坑處電磁閥等部分組成。2 條水纜同時依靠卷盤驅(qū)動，隨大機(jī)運(yùn)行。經(jīng)過雙通路旋轉(zhuǎn)接頭后分別聯(lián)通水箱的上部和下部，并在連接水箱下部的管路上布置循環(huán)水泵、流量計等。地坑處增設(shè)一電磁閥，水箱高低液位計可通過無線控制其開閉。當(dāng)水箱處于低水位時，地坑電磁閥打開，為水箱注水，當(dāng)水箱高液位時，地坑電磁閥關(guān)閉。進(jìn)入冬季后，循環(huán)系統(tǒng)投入運(yùn)行。利用流水不凍原理進(jìn)行水纜防凍。正常供水時，電磁閥開啟，水纜中的水流動，一旦檢測到地坑電磁閥關(guān)閉，2 條水纜與水箱形成通路，循環(huán)水泵從水箱底部吸水，加壓后加至其中一條水纜內(nèi)，依靠泵的壓力使2 條水纜內(nèi)的水流動起來。此外，水箱外部鋪設(shè)保溫伴熱系統(tǒng)，用于提高水箱內(nèi)水溫，起到水纜不凍作用。

此種方式關(guān)鍵是解決雙水纜同步問題。實(shí)際使用時，由于2條水纜需隨大機(jī)同步卷繞，一旦不同步可造成一松一緊，反復(fù)運(yùn)行后可能造成水纜損傷。因此，考慮將2 條水纜利用卡子進(jìn)行固定，使其形成一條同步水纜，很好地解決棘手難題。

4 4 種方案對比

（1）氣動排水裝置和保溫罩相結(jié)合方式：依靠排氣裝置將水纜內(nèi)的水排凈防止水纜凍結(jié)，原理簡單、可靠，機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡單，不占用水纜內(nèi)部通徑。但引入空壓機(jī)、儲氣罐、保溫罩等，增加了投入費(fèi)用以及排氣、排水管路、電磁閥的故障概率；儲氣罐增加了安全風(fēng)險，需按照壓力容器管理規(guī)范管理，增加了管理難度。

（2）自伴熱水纜方式：依靠水纜外部加熱電阻絲對水纜外部進(jìn)行加熱，省去了空壓機(jī)、儲氣罐、管路、電磁閥等繁瑣部件，降低故障幾率。且其結(jié)構(gòu)較簡單，供電方便，可增加溫度控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效目的。但此種方式增加了水纜質(zhì)量、增大了水纜外徑，相應(yīng)卷纜裝置等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須與之相匹配。加熱電阻絲增加了水纜制作難度，且其內(nèi)部為金屬材料，彎曲性能較差。因其原理為對水纜外側(cè)加熱，電伴熱耗散大，極寒天氣時可能造成伴熱功率不足；管壁加熱加速橡膠老化，影響水纜使用壽命。

（3）內(nèi)穿伴熱帶方式：將伴熱帶穿入水纜內(nèi)部進(jìn)行伴熱結(jié)構(gòu)簡單，故障率低；因其穿入水纜內(nèi)部，電伴熱能量利用率高，熱量散失較少，配合溫控系統(tǒng)使用，可控制水纜內(nèi)部溫度維持在一定范圍內(nèi)，可大大節(jié)約電能。外力對其破壞概率較低，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。故障反饋系統(tǒng)較完善，可將故障信號引入值班室監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測運(yùn)行情況，一旦出現(xiàn)故障反饋信號，可及時投入維修力量進(jìn)行維修。但因其供電電壓高于人體安全電壓，伴熱帶破損后存在高壓漏電風(fēng)險。其穿入內(nèi)部后，如水纜出現(xiàn)破損漏水現(xiàn)象，需要先將伴熱帶拆除再進(jìn)行維修，維修完畢后再穿入，增加了水纜破損的風(fēng)險，增加了工人勞動強(qiáng)度。

（4）雙循環(huán)方式：利用2 條水纜、水箱、循環(huán)泵等部件組成循環(huán)系統(tǒng)，依據(jù)流水不凍原理進(jìn)行防凍，結(jié)構(gòu)簡單，投入成本低，只依靠循環(huán)泵防凍能耗最低。水電分離，可避免漏電對人體造成的傷害。但整個系統(tǒng)可看成一開式系統(tǒng)，無疑增加了污染水源造成噴嘴堵塞的風(fēng)險，且循環(huán)水泵需長期運(yùn)行，對其性能要求較高，出現(xiàn)故障后必須短時間內(nèi)恢復(fù)其運(yùn)行。

5 結(jié)束語

解決長距離、可移動大機(jī)連續(xù)供水問題可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，文明生產(chǎn)，為綠色港口建設(shè)提供可靠保障。解決冬季防凍問題是保證其一年四季投用的關(guān)鍵，4 種方案各有其優(yōu)劣勢，可以根據(jù)使用環(huán)境、投入運(yùn)行成本、維護(hù)成本、節(jié)能減排等要求選擇最優(yōu)方式。