《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《高速公路特殊路段主动抗冰融雪技术开发及应用》
1. 项目名称: 高速公路特殊路段主动抗冰融雪技术开发及应用
2. 完成单位: 湖南省交通科学研究院有限公司、 湖南省高速公路集团有限公司、 同济大学、山东交通学院、 湖南科技大学、 上海市政工程设计研究总院 ( 集团) 有限公司、 湖南工业大学、中南大学、 湖南省路桥建设集团责任有限公司
3. 主要完成人: 袁铜森、 罗卫华、 孙大权、刘文江、 李孔清、 黄岩、 龚毅、 郑辉、 蔡长、 蔡向阳、 张登春、 孙国强、 丁晓冬、 朱自强、 彭安平
本项目针对社会广泛关注的冰雪恶劣气象条件下高速公路特殊路段结冰初残期的交通安全问题,结合湖南省交通运输厅科技进步与创新项目计划,通过大量的试验研究、理论分析和工程应用,采用将主动抗冰技术与气象信息统筹考虑的科学方法,提出了针对高速公路特殊路段结冰初残期除冰融雪的科学合理、有效可行的技术解决方案。构建了多参数下抗冰融雪非稳态热负荷预测模型及短时道路结冰预测模。创新性地转变了除冰理念,发明了一种环保智能型主动喷淋防冰除冰系统和一种高速公路主动式热力抗冰融雪装置。研发了具有自主知识产权的高速公路导电超薄磨耗层主动抗冰融雪技术,并得到了工程验证。项目已获得国家发明专利13项、实用新型专利7项,软件著作权1项,在国内外核心期刊发表论文10多篇(SCI收录2篇)。本项目的成功实施可有助于改变传统被动、不及时的除冰方式,有效克服现有除冰雪设备除冰不彻底、效率低、能耗高、污染环境等缺点,实现主动、实时、高效、快速、节能、环保的除冰目标。本项目相关技术已在湖南、山东、西藏、乌鲁木齐等省份实体工程得到成功应用,产生了显著的经济和社会效益。
(1) 构建了多参数下抗冰融雪非稳态热负荷预测模型及短时道路结冰预测模型。采用热传导反方法构建了桥梁发热电缆加热系统冬季动态热负荷预测模型, 基于吉洪诺夫正则化理论建立正则化泛函数并进行迭代计算。基于最大热负荷计算结果, 实现了开关算法和 PID 控制算法。
(2) 研发了具有自主知识产权的高速公路导电超薄磨耗层主动抗冰融雪技术, 并得到了工程验证。主要包括: 发明了一种导电超薄磨耗层材料和结构; 建立了导电超薄磨耗层导电发热机理及其热负荷计算方法; 构建了导电超薄磨耗层主动抗冰融雪系统设计、 建设与维护成套技术, 并实现了工程应用。
(3) 创新性地发明了一种用于公路桥梁环保智能型的主动喷淋防冰除冰系统, 并得到了工程应用。主要包括: 创新性地转变了除冰理念, 发明了一种用于公路桥梁环保智能型的主动喷淋防冰除冰系统; 研发了一种以醋酸钾为基础的环保型的防冰剂, 并对其进行了适用性和安全性验证;创新性地研发了一种智能除冰控制系统, 构建了环保智能型主动喷淋除冰系统设计、 建设与维护成套技术, 实现了工程应用。
(4) 创新性地研发了一种高速公路主动式抗冰融雪装置, 并发明了一种基于热力管加热路面的主动式抗冰融雪系统。发明了公路桥梁电缆加热、 热力管道控制装置及控制方法, 并实现了发热电缆主动除冰系统的工程应用。
(一)构建了多参数下抗冰融雪非稳态热负荷预测模型及短时道路结冰预测模
采用热传导反方法构建了桥梁发热电缆加热系统冬季动态热负荷预测模型,基于吉洪诺夫正则化理论建立正则化泛函数并进行迭代计算。研究发现:冬季热负荷并不是桥梁顶部和底部热损失的代数和。热损失和热负荷间存在时间延迟和幅度衰减。热传导反方法通过直接热传递数值模拟所证实。基于最大热负荷计算结果,实现了开关算法和PID控制算法。桥梁表面温度大于0益,理论计算得出的热负荷和控制逻辑适用于桥梁防冰系统。
(二)研发了具有自主知识产权的高速公路导电超薄磨耗层主动抗冰融雪技术
(1)发明了一种导电超薄磨耗层材料和结构。创新性地发明了高速公路导电超薄磨耗层材料,通过优化石墨、碳纤维等配比,实现对环氧树脂材料的改性及其导电能力的强化;构建了阻热层+导电发热层+抗滑磨耗层组成的导电超薄磨耗层结构,提高了融冰雪的效率。
(2)建立了导电超薄磨耗层导电发热机理及其热负荷计算方法。通过室内环境箱模型的导电超薄磨耗层通电发热试验,建立了导电超薄磨耗层热负荷模型与计算方法;验证了导电磨耗层的电阻率稳定性、发热均匀性和路用性能长期耐久。
(3)构建了导电超薄磨耗层主动抗冰融雪系统设计、建设与维护成套技术,并实现了工程应用。研究成果应用于湖南省龙永高速、夏蓉高速等桥面、隧道特殊路段。基于项目研究成果,构建了导电超薄磨耗层主动抗冰融雪系统设计、建设与维护成套技术。
(三)创新性地发明了一种用于公路桥梁环保智能型的主动喷淋防冰除冰系统
1.创新性地转变了除冰理念,发明了一种用于公路桥梁环保智能型的防冰除冰系统公路桥梁的环保智能型的防冰除冰系统包括路面气象信息采集子系统、喷淋子系统和控制子系统。该系统根据气象及桥面状况信息变化,在桥面结冰将要危及行车安全的临界点,实时、主动地控制除冰液喷洒,从而有效降低桥梁冰雪灾害影响。
2.研发了一种以醋酸钾为基础的环保型的防冰剂,并对其进行了适用性和安全性验证该系统除冰液是自主研发以醋酸钾为基础的新一代环保型的有机除冰液,最低冰点可达-30益以下,最终转化为无害产物(二氧化碳和水等),对土壤和植被无害。
3.创新性地研发了一种智能除冰控制系统,构建了环保智能型主动喷淋除冰系统设计、建设与维护成套技术,实现了工程应用该系统可远程控制环保智能型主动喷淋除冰系统。除冰系统在夏蓉高速(G72)汝郴段黄家垄特大桥、衡桂高速老屋场特大桥、山东省济南市二环南路高架桥匝道、西藏米拉山隧道口等实体工程得到了成功应用。
(四)创新性地研发了一种高速公路主动式抗冰融雪装置,并发明了基于热力加热路面的主动式抗冰融雪系统,包括公路桥梁电缆加热、热力管道控制装置及控制方法
(1)公路桥梁电缆加热防冰控制方法,包括以下步骤:桥面温度采集,计算桥面温度变化率,预测桥面实际温度变动到防冰控制设定温度所需要的时间,控制电加热系统的启停和需要投入的电加热功率,保证桥面温度始终高于水的冰点温度以实现防冰效果。
(2)热力管道防冰系统控制装置控制方法主要包括启动阶段控制步骤、防冰运行阶段控制步骤和系统停止控制步骤。本控制装置防冰效果好、能自动运行,对水泵进行升、降频调节,对热水锅炉及系统进行关停控制。
(3)通过材料导热系数测试、热力学数值模拟、室内抗冰融雪试验研究热力抗冰融雪机制,得到抗冰融雪温度场,并分析其对桥梁结构、路面结构的影响,验证了各方案除冰的效果。
(4)实现了发热电缆主动除冰系统的工程应用。该成果已在2013年乌鲁木齐“田冶字形快速路二期三个匝道共计200多米的引道段应用,经过2013年冬季测试,使用性能良好。
本项目研究成果与国内外同类研究相比, 具备 4 个技术特点, 详见表 1。
通过以上技术指标对比及查新检索表明,本项目研究的各项技术与当前国际先进水平相当并部分领先。其中,导电超薄磨耗层技术实现了在国内外的首次系统研发及应用,并基于该技术成功申请了两项发明专利,核心技术填补了该领域多项国内空白。此外,国内外针对热力管、发热电缆及主动喷淋除冰系统虽然已有相关研究应用报道,但是针对这两项技术模拟、设计、建设及维护成套技术仍不全面,本项目在国内外研究应用基础上,完善并改进了各项除冰技术在进行国内工程应用的相关技术细节。本项目研发的主动智能抗冰技术体系融合了国内外最先进的主动融冰雪技术,并实现了各项技术工程化应用,经全寿命周期费用效益分析,各除冰方案的费效比在0.11~0.42之间,具有较好的经济效益和市场竞争力。
本项目针对社会广泛关注的冰雪恶劣气象条件下高速公路特殊路段结冰初残期的交通安全问题,结合化学法和物理法进行系统研究,采用将主动抗冰技术与气象信息统筹考虑的科学方法,提出了科学合理、有效可行的技术解决方案。本项目相关技术已在湖南省龙永高速、厦蓉高速、汝郴高速、衡桂高速、山东省济南市二环南路高架桥匝道、西藏米拉山隧道口、乌鲁木齐“田冶字形快速路等实体工程得到成功应用,产生了显著的经济和社会效益。近三年该项目的销售主要是技术应用,即以技术服务的形式签订工程合同,合同金额在2000万元左右,新增利润约350万元。该技术的成功研发和市场化具有巨大的社会和间接经济效益,可大幅降低交通事故发生的概率,可节省桥梁养护成本,还可大幅降低因桥梁结冰而导致的封道时间。
该系统对已建和在建高速公路特殊路段防冻融冰有着广阔的市场前景和推广价值,具有良好的经济效益。全国公路桥梁达65郾81万座,其中面临冬季冰雪养护问题的桥梁超过半数。按照50%的比例计算,有超过30万座公路桥梁将来需要采取一定的防冰、除冰冬季养护措施。若以全国每年1000座大型桥梁安装该系统(每省平均30套每年,每套系统100万~200万元)进行估算,每年由此产生的直接社会效益价值就达10亿~20亿元。
(一)经济效益
该项目所提技术创新主要是保证冬季道路交通安全,采用将主动抗冰技术与气象信息统筹考虑的方法,提出了针对高速公路特殊路段结冰初残期除冰融雪的科学合理、有效可行的技术解决方案。采用环保材料在冬季主动除冰融雪。以创造社会效益和生态效益为主,也产生了间接经济效益,但经济效益不便直接计算。近三年该项目的销售主要是技术应用,以技术服务的形式签订工程合同,合同金额在2000万元左右,新增利润约350万元。
(二)社会效益
主动智能抗冰系统可以大幅降低交通事故发生的概率;主动智能抗冰系统可节省桥梁养护成本;主动智能抗冰系统可大幅降低因桥梁结冰而导致的封道时间。可减少因冰雪而造成的拥堵及交通中断带来的居民交通出行不便,特别是冬季春运高峰期的交通出行不便等问题。
