CN201962730U

CN201962730U - 高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置

Info

Publication number: CN201962730U
Application number: CN201120030550XU
Authority: CN
Inventors: 潘昌荣; 王勇波; 李军; 李合顺; 唐金胜; 李洪磊; 白辛民
Original assignee: 白辛民
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2021-01-28

Abstract

一种高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置，其保温系统为一保温套管，该保温套管有内层管、外层管，该两管之间填充保温材料；其供热系统包括热媒泵、热媒贮箱及热媒去程、回程管路，该热媒去程、回程管路紧贴给水管路在室外的部分并同时均被置于所述保温套管内；其控制系统的控制器将由设置在系统管路内的温度传感器采集到的温度数据进行分析进而调控所述热媒的循环与否。2009年利用本实用新型完成了青藏铁路长江源和昆仑山武警营房供水系统的改造，本实用新型在海拔4500米以上的多年冻土地带的使用完全达到了设计要求，解决了高原冻土地带供水存在的一系列难题。也解决了现用的电伴热带不易控制、寿命短的问题，且维修简单。

Description

高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置

技术领域

本实用新型涉及一种保温装置，尤其涉及一种高原永久冻土地带给水管路利用热媒伴管来保温的装置。

背景技术

青藏铁路格拉段沿途车站、守护站等地的供排水设施均处在海拔4000千米以上的高海拔地带，那里气候寒冷，条件恶劣，地层为常年冻土。所以，在内地看似简单的供排水保温问题在该地就成为了一个难题。

一般的供排水管道保温是比较简单的，保温的目的无非是保证在寒冷季节管道内的水不要被冻结，水温只要保持在零度以上就可以了。最常用的办法是把水管深埋到冻土层以下，因为在冻土层以下地层温度始终要高于0℃，所以水管永远也不会被冻结住。

而在青藏高原，气候异常寒冷，地表冷冻层非常深，而且常年不化（即管道所处的环境温度总是在0℃以下），所以将供排水管道埋置于地下后，环境始终要向管道吸热，即管道内的介质要源源不断地向外部环境放热。随着管道放热过程的进行，管内水温也在不断降低，当水温低于0℃时管道就被冻结。

高原上冻土深度可达几十米，直接埋地的方法显然是行不通的。前几年铁路建设之初，通过多次论证，都用电伴热带进行保温。但经过四、五年的使用，电热带到了使用寿命终期，大部分断裂或损坏而无法使用。每当电热带断裂后管内的水随之冻结，管路系统瘫痪，甚至报废。这种保温带来的另一严重问题是，伴热温度不易控制，供热过少，水管内的水容易冻结，供热过多常常使周围冻土层融化，整体下陷，造成管道下陷断裂和生态遭到破坏。目前，高原上凡是采用这种方法的供水管路，大多已经瘫痪。

实用新型内容

本实用新型提供一种高原永久冻土地带给水管路利用热媒伴管来保温的装置，可解决电伴热带不易控制、寿命短的问题，且维修简单。

为此，采用如下技术方案：一种高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置，包括保温系统、供热系统及控制系统，所述保温系统为一保温套管，该保温套管由三层结构组成，有内层管，外层管，该两管之间填充保温材料；所述供热系统包括热媒泵、热媒贮箱及热媒去程、回程管路，该热媒去程、回程管路紧贴给水管路在室外的部分并同时均被置于所述保温套管内；所述热媒贮箱中被加热的热媒由热媒泵送出，经过热媒去程、回程管路，把热量传给给水管路；所述控制系统是所述热媒的循环控制系统，控制器将由设置在给水管路内的温度传感器及设置在保温套管外壁上的温度传感器采集到的温度数据进行分析进而调控所述热媒的循环与否。

2009年利用本实用新型完成了青藏铁路长江源和昆仑山武警营房供水系统的改造。该项目均处在海拔4500米以上的多年冻土地带。现场使用表明该技术完全达到了设计要求，解决了高原冻土地带存在的一系列难题。而且解决了现用的电伴热带不易控制、寿命短的问题，且维修简单；具体见下表。

本实用新型和现有的电伴热装置的比较如下：

序号	项目	常规电伴热工艺	热媒伴管工艺
				1	传热可控性	不可控，常年同一温度	可以根据水管温度，调节供水温度。
2	可恢复性	一旦电路损坏，水管很快冻结，维修和恢复困难。	热媒管线柔性大、寿命长不易损坏，电气系统均在地上，易维修
				3	应力消除	未考虑热应力影响，管道容易断裂	考虑了热应力和外力影响
4	电路安全性	电气系统在地层潮湿有水环境中，接线盒极易进水短路	避免了电与水的接触
				5	对冻土影响	过多热量可造成永冻层融化，影响环境	可避免对冻土的影响
6	可维护性	可维护性差	维护简单
				7	成本与寿命	成本较低，寿命较短	成本较高，寿命长

附图说明

图1为本实用新型的剖面结构示意图；

图2为本实用新型的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型及其有益效果作进一步的说明。

参照图1和图2，一种高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置，包括保温系统、供热系统及控制系统，所述保温系统为一保温套管8，该保温套管8由三层结构组成，其内层管15为柔性聚丙烯管，外层管14同为柔性的聚乙烯管，该两管之间用发泡工艺填充聚氨脂保温材料7；这种保温结构的特点是保温效果好，密闭不透水，整体有柔性，适合于高原寒冷，地下有冰冻层，地表层冬夏起伏变化大的环境特点；

所述供热系统包括热媒泵3、热媒贮箱4、热媒去程、回程管路12、6，该热媒去程、回程管路12、6紧贴给水管路10在室外的部分并同时均被置于所述保温套管8内；所述热媒贮箱4中被加热的热媒由热媒泵3送出，经过热媒去程、回程管路12、6，把热量传给给水管路10；降温后的热媒回到热媒贮箱4后再次被加热，连续循环使用；

所述控制系统是所述热媒的循环控制系统，控制器5将由设置在给水管路10内的温度传感器及设置在保温套管8外壁上的温度传感器采集到的温度数据进行分析进而调控所述热媒的循环与否；具体是：当给水管路10的温度低于5℃时，控制器5启动热媒泵3，热媒开始循环，而当温度高于8℃时热媒泵3停止；同时检测保温套管8外壁的温度，保证套管8外壁温度不高于零度，以免冻土层融化。

图2中1为自来水管，2为自来水泵，9为自控逻辑图线，13为用水点。

所述给水管路10的材质选择：自来水管道材料种类很多，但适应高原寒冷气候、永久冻土的并不多。如果冬季停电等情况下，管内的水结冰而发生膨胀，使有机材料或金属材料制作的管子会发生胀裂而无法使用。本发明选用在南极站使用过的号称“塑料黄金”的PB-1管道，它是由丁烯-1（BUTENE-1）为主的合成高分子惰性聚合物，其最大特点是，具有优良的耐冻裂性（一般管道在低温下管内水发生冻结时要冻裂的，如PE管、铝塑管和金属管等）及耐热性，在零下40℃到零上110℃的情况下仍可正常工作，其它性能如承受外力冲击的性能、耐腐蚀性、也优于其它材料，并且无味、无毒、无嗅。

所述热媒的选配: 热媒是一种热载体，主要是约为60%的乙二醇和40%的去离子水配制而成，其特点是热容大、冰点低（负40度以下）、高温不易挥发、性能稳定。热媒贮存在带有电加热器且温度可控的热媒贮箱4中，箱内的热媒温度也由控制器调节控制。热媒通过输送泵经去回程热媒管线，把热量通过伴管壁和水管壁以传导方式和周围空气的自然对流方式传给自来水，从而使自来水水管温度始终保持在零度以上。热媒可循环使用，损耗较少，每年适当补加少许即可。

下面以输送距离500m，外径40mm的给水管路为例对本发明予以进一步说明：

（一）设计选型

1、工艺参数确定

保温套管8：内管选用直径为φ150，材质为PE的上水管，外套管采用φ320聚乙烯薄壁软管，内部保温用聚氨脂发泡填充。保温层厚度约80mm。

根据计算和实验，这种规格保温管埋入地下后，单位长度土壤热损失为：18W/m。对于不同尺寸保温管的热损失，可按单位面积热损失进行折算。

给水管10和热媒伴管12、6选用PB管，给水管外径φ40mm，伴管直径φ25mm。

2、工艺设备计算

A、电加热器功率

电加热器功率按下式计算：

N=k_yk_aQ_sL

式中：

N—所需实际电加热器功率，kW，

k_y—工作余量系数，取2.0

k_a—地面设备管道热损系数，取1.2

Q_s—单位埋地管道土壤中的热损失，W/m

L—需要保温的自来水管长度，m

本例中的电热器功率为：

k_y=2.0，k_a=1.2，Q_s=18W/m，L=500m

N=k_yk_aQ_sL

=2×1.2×18×500

=21600W

=21.6kW

即，保温所用电加热器的功率。

B、热媒贮箱4容积计算

热媒贮箱4选用不锈钢材质为最好，也可为普通碳钢，形式不限。

热媒贮箱容积：

V=2k_VF_bL_b

式中：

V—热媒贮箱容积，m³

K_v—热媒年损耗系数，取1.2 ~1.5

F_b—伴管的流通截面积，m²

L_b—伴管的总长度，可按自来水管的2倍计算，m

本例中热媒贮箱的容积为：

K_v=1.3

F_b=3.14×(0.02/2)²=0.000314m²

L_b=2×500=1000m

V=2k_VF_bL_b

=2×1.5×0.000314×1000

=0.942 m³

热媒贮槽容积有1 m³即可。

C、热输送泵3工艺参数

泵的形式：普通离心泵、管道泵、旋涡泵均可。

泵的流量：以热媒贮箱4容积为参照，按每小时泵送两次确定泵的流量。本例中泵的流量为2.0m³/h。

泵的扬程：按水泵选型原则选型即可。本例中可选20m ~40m。

泵的数量：2台（一开一备）

3、自控仪表选型

控制仪表有两组，一组为热媒贮箱4温度控制，另一组为系统管道温度控制，即：给水管路10温度控制和保温套管8外壁温度控制。

温度控制仪表选型因用户的使用和管理要求而定。

最简单的也可以选用质量较好的数显仪表。

要求较高时，可以配置DCS、PLC、工控机等来完成较复杂的控制和通讯功能。

注意：电气仪表必须适应高海拔和低温的现场环境。

（二）系统安装

安装工作大部分内容与一般工程安装要求相同，但须要注意以下要点：

1、管道安装中应力的消除至关重要，直管道中每隔50米，要设一“Π”形膨胀节，因三根管道温度各不相同，所以，膨胀节处不能将其捆绑在一起，纵向要有20cm的活动空间；可以利用拐弯等部位释放应力，但同样要留足膨胀空间。膨胀空间处的保温结构要特殊处理。

2、电气设备主要保证安全用电。热媒贮箱和热媒泵安装时，热媒贮箱的出液管口到泵入口间的垂直高度要大于80cm，以避免汽蚀发生。流程中要配装必要的切断阀、切换阀、倒净口等。

3、仪表安装

为了减少温度检测点处的泄漏点，温度传感器可选用贴片式结构，用氧化锌软膏粘贴在管道表面。这样更换检修也比较方便，泄漏点也大大减少。

Claims

1.一种高原永久冻土地带给水管路热媒伴管保温装置，包括保温系统、供热系统及控制系统，其特征在于：所述保温系统为一保温套管（8），该保温套管（8）由三层结构组成，有内层管（15），外层管（14），该两管之间填充保温材料（7）；所述供热系统包括热媒泵（3）、热媒贮箱（4）及热媒去程、回程管路（12、6），该热媒去程、回程管路（12、6）紧贴给水管路（10）在室外的部分并同时均被置于所述保温套管（8）内；所述热媒贮箱（4）中被加热的热媒由热媒泵（3）送出，经过热媒去程、回程管路（12、6），把热量传给给水管路（10）；所述控制系统是所述热媒的循环控制系统，控制器（5）将由设置在给水管路（10）内的温度传感器及设置在保温套管（8）外壁上的温度传感器采集到的温度数据进行分析进而调控所述热媒的循环与否。