盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

牟映潔，胡廣權(quán)，柳艷清

(北京華隧通掘進裝備有限公司，北京 100081)

0 引言

盾構(gòu)機在正常掘進時，機內(nèi)液壓系統(tǒng)、主驅(qū)動部分及配電柜內(nèi)電器部件等往往會產(chǎn)生大量的熱量，使電機、泵等設(shè)備及隧道內(nèi)的環(huán)境溫度升高，一旦溫度過高，會造成設(shè)備損壞和人員危險，所以，必須采取措施使其及時冷卻，尤其是在溫度和濕度較高的南方城市。

劉殿勇等［1］對廣州地鐵2號線使用過的φ6 250 mm土壓平衡盾構(gòu)機的溫度測試數(shù)據(jù)及盾構(gòu)機的有關(guān)技術(shù)參數(shù)進行分析，得出冷卻水?dāng)y帶的熱量占總熱量的37.7%;凌鐵堅等［2］根據(jù)施工經(jīng)驗對盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的油溫控制提出了幾種措施。以上研究都涉及到盾構(gòu)機的水冷卻問題，同時盾構(gòu)機還需要外部供水，提供給隧道內(nèi)部清潔以及泡沫、注漿等注入系統(tǒng)，由此可以看出水對盾構(gòu)機施工的重要性。

由于目前盾構(gòu)機在施工過程中通常是就地取水，冷卻使用后就地排放。本文以φ6 150 mm盾構(gòu)機為例，提出大型盾構(gòu)機應(yīng)采用循環(huán)冷卻水，并對盾構(gòu)機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計進行了介紹和分析，以期為類似工程提供參考。

1 工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)流程

盾構(gòu)機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計為開式和閉式相結(jié)合的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。開式系統(tǒng)提供盾構(gòu)機的日常運行用水(皮帶輸送機清洗、水箱補水、盾構(gòu)機內(nèi)部清洗用水等)及作為閉式系統(tǒng)的冷媒介，同時，因盾構(gòu)機配套的液壓系統(tǒng)通常配有大尺寸油箱，可自然通風(fēng)散熱，不一定需要持續(xù)強制水冷，而且考慮到油溫有下限要求，所以暫時將液壓系統(tǒng)的冷卻設(shè)計在外循環(huán)部分。閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要冷卻主驅(qū)動、軸承、電器部件及刀盤驅(qū)動副變速箱等內(nèi)部發(fā)熱須冷卻設(shè)備。

開式系統(tǒng)(外循環(huán))由外供水源、外供水泵、安全閥、壓力表、板式熱交換器及相關(guān)管路組成。水源、水泵等應(yīng)由施工方提供，其參數(shù)隨隧道施工環(huán)境等的變化而變化，因此原理圖中暫不標(biāo)出，開式系統(tǒng)介質(zhì)為河水或地下水等天然水。

閉式系統(tǒng)(內(nèi)循環(huán))由儲水罐、內(nèi)循環(huán)水泵、閥門、壓力表、定流量閥、單向閥及相關(guān)管路組成，閉式系統(tǒng)介質(zhì)通常為冷卻液或軟水。

圖1 盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.1 Industrial water cycling system of shield machine

從經(jīng)濟適用和現(xiàn)場實際工況考慮，本系統(tǒng)設(shè)備選型以內(nèi)循環(huán)用軟水、外循環(huán)用河水的參數(shù)為基礎(chǔ)來計算選擇。

2 內(nèi)循環(huán)關(guān)鍵設(shè)備計算選型

本系統(tǒng)選型計算以φ6 150 mm日立土壓平衡盾構(gòu)機為例，相關(guān)發(fā)熱設(shè)備冷卻水量由相關(guān)廠家及其他系統(tǒng)熱力計算提供，冷卻水量的保持依靠恒定流量閥來實現(xiàn)。本盾構(gòu)機內(nèi)循環(huán)冷卻設(shè)備為主驅(qū)動電機、主驅(qū)動內(nèi)外周密封夾套等。

2.1 計算參數(shù)依據(jù)

主驅(qū)動電機功率為75 kW，冷卻水量Q1=10 L/min，最小壓力p1=0.2 MPa，最大壓力p2=0.6 MPa，8臺電機，內(nèi)外夾套冷卻水量Q2=35 L/min，定流量閥工作壓差為pD=20～600 kPa。

2.2 內(nèi)循環(huán)水泵計算

根據(jù)輸送介質(zhì)及適用工況，系統(tǒng)選用的水泵皆為離心泵，選擇立式還是臥式可根據(jù)實際安裝條件來確定，此處均選用立式離心泵。

閉式循環(huán)系統(tǒng)中水泵的作用是輸送內(nèi)循環(huán)水，使閉式循環(huán)中的水流動起來，同時因管路、設(shè)備等安裝固定，輸送距離恒定，可選用大流量低揚程的單級立式離心泵。離心泵的主要性能參數(shù)包括水泵的流量、壓力等，現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)要求對泵的相關(guān)參數(shù)進行計算。

1)流量。根據(jù)輸送原理，水泵的最小流量Qmin應(yīng)為主驅(qū)動電機及內(nèi)外周密封夾套冷卻水量之和，即Qmin=150 L/min。

2)揚程。根據(jù)目前冷卻水泵的安裝位置及盾構(gòu)機的實際尺寸，輸送管徑選用DN50管路，水泵每循環(huán)輸送距離大約為L=120 m(閥門及彎管等折合量)。

根據(jù)電機冷卻水的要求及整體管路計算，同時考慮到定流量閥的有效工作范圍，則pmin=p1+Hs+pk+pb+pD=0.52 MPa，pmax=p2+Hs+pk+pb+pD=0.83 MPa。式中:Hs=0.18 MPa(150 m管路理論揚程損失)，pk=0.003～0.1 MPa(單向閥開啟壓力)，pb=0.04 MPa(其他設(shè)備壓力損失)。因此，內(nèi)循環(huán)水泵的計算最小流量為150 L/min，輸出壓力在0.52～0.83 MPa。

因以上計算均為理想狀態(tài)下的理論計算，同時須考慮泵入口要保留一定的壓力，因此，對離心泵的選型需留有一定余量。

根據(jù)以上流量和揚程的計算，參照離心泵的性能原理和特性，同時考慮到加快內(nèi)循環(huán)冷卻水的速率，選定泵的最終型號為SLS50-250，泵的額定流量為12.5 m3/h。

為確保離心泵能在優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)運行，在離心泵出口安裝分流支路及節(jié)流閥，對泵的出口流量進行適度調(diào)節(jié)，使泵可以以穩(wěn)定的狀態(tài)高效率地運行。

2.3 儲水罐容量計算

冷卻系統(tǒng)中通常設(shè)置膨脹罐，這是為了收集因水加熱體積膨脹而增加的水容積，防止系統(tǒng)損壞，同時利于排除水系統(tǒng)中的空氣，穩(wěn)定系統(tǒng)中的壓力。目前常見的膨脹罐有普通型和氣囊型，本系統(tǒng)從經(jīng)濟耐用的角度考慮選擇普通型膨脹罐。

本系統(tǒng)設(shè)置的儲水罐與常用的膨脹罐作用略有不同。本系統(tǒng)儲水罐的主要作用有:1)向密閉式循環(huán)水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力;2)作為系統(tǒng)補水的指示，由儲水罐液位控制發(fā)出報警信號確認系統(tǒng)是否補水;3)作為內(nèi)循環(huán)水泵的入口容器，避免水泵在實際運行中因管路泄露或其他原因而造成吸空和氣蝕現(xiàn)象。

儲水罐的有效容積可根據(jù)水膨脹體積及管路輸送特點計算，并留有足夠余量，在一定范圍內(nèi)儲水罐越大越好。

水膨脹有效容積的計算公式是VP=αΔtVs=45 L。式中:α為水的膨脹體積系數(shù)，約為0.000 6(1/℃);Δt為最大水溫變化值，℃，通常情況下水溫變化值不會超過15℃;Vs為系統(tǒng)總水容量，即系統(tǒng)管道及設(shè)備水的總?cè)萘浚?jīng)計算參數(shù)約為5 m3。儲水罐的容積應(yīng)大于此容積。

以上計算均為理想狀態(tài)下的理論計算，與其他廠家的盾構(gòu)機對比后，設(shè)定儲水罐的容積為150 L。

2.4 換熱器計算

對本系統(tǒng)內(nèi)的冷熱介質(zhì)進行熱交換應(yīng)選用傳熱效率高、體積小、重量輕、便于拆裝的人字型波紋板式換熱器［3］。介質(zhì)在板式換熱器中的換熱過程很復(fù)雜，由于介質(zhì)進出口溫度存在誤差，因此，在換熱器內(nèi)部的不同位置，換熱情況都有所不同。為了便于計算選型，一般認為介質(zhì)在換熱器中處于理想狀態(tài)，鑒于目前的參數(shù)和使用要求，板式換熱器的選型熱工計算選用對數(shù)平均溫差法，使用準(zhǔn)則方程進行計算。

在具體的選型計算中，均須設(shè)計計算和校核計算。設(shè)計計算從工況出發(fā)，首先，根據(jù)給定的進出口溫度、進口水流量等參數(shù)，計算熱負荷、對數(shù)平均溫差及冷卻水流量等;然后，根據(jù)工況條件，如承壓、壓降、流量、溫度等要求，初步選擇一個換熱器型號，通過計算管間流速，并根據(jù)準(zhǔn)則方程計算冷熱介質(zhì)的雷諾數(shù)、普朗特數(shù)和努賽爾數(shù);最終，根據(jù)冷熱介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)計算出總換熱系數(shù)K。

如換熱系數(shù)K過小，可以通過提高板間流速進行重新計算。確定換熱系數(shù)后，計算換熱面積，將理論換熱面積和預(yù)計值相比較。若二者誤差在5%以內(nèi)，則計算結(jié)果正確;若超過該范圍，則需對板型或流程組合做重新計算，直到理論值與預(yù)計值相接近為止［4］。

確定相關(guān)換熱參數(shù)后計算冷熱介質(zhì)的歐拉數(shù)，并計算壓降，當(dāng)實際壓降超過允許值時應(yīng)改變板型或流量組合，重新計算傳熱及壓降，以符合工況要求。

根據(jù)實際應(yīng)用及電機允許溫度，本盾構(gòu)機設(shè)定的條件為:內(nèi)循環(huán)內(nèi)熱水溫度為50℃，要求冷卻后水溫度為35℃，內(nèi)循環(huán)須冷卻水量約12.5 m3/h(根據(jù)上述計算所選的泵的額定流量)，因外供水通常選用地下水或河水，所以，此處假設(shè)外供冷卻水溫度為30℃，允許升溫8℃，換熱器允許壓降40 kPa。

因具體的板式換熱器計算比較繁瑣，本文不做詳細的計算。根據(jù)以上分析計算，本系統(tǒng)選擇的換熱器型號為BR0.23，換熱面積為9.3 m2，雙道流程組合，材質(zhì)為304不銹鋼，密封墊選NBR。

3 外循環(huán)計算

經(jīng)上述計算，外循環(huán)水量約為23 437.5 kg/h。因外循環(huán)水還須供前方用水，并且避免沿路泄漏損失。因此，需留一定余量，選定外循環(huán)水水量為25 m3/h，最小壓力約為0.3 MPa，水溫在一定范圍內(nèi)越低越好。目前實際施工現(xiàn)場出現(xiàn)的問題通常都是水溫過高，而不是水溫過低。由于液壓油和潤滑油有下限溫度，而且外循環(huán)水是在與內(nèi)循環(huán)水熱交換后才供給油冷卻器;因此，外循環(huán)供水水溫通常要求在25℃以下，此為施工經(jīng)驗值。

根據(jù)外循環(huán)水量及管路壓損得知，DN80～DN125管路最適合輸送外循環(huán)。從經(jīng)濟及隧道通常長度計算，外循環(huán)管路選用DN80或DN100冷拔無縫鋼管。

因外循環(huán)供水通常根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境就地取水，水的溫度并不穩(wěn)定。如果水溫高于25℃，通常需要冷卻塔或制冷機等相關(guān)設(shè)備對其進行冷卻，冷卻至25℃才能供盾構(gòu)機使用，該問題需要在具體施工過程中根據(jù)現(xiàn)場使用情況做出判斷和解決。

4 水質(zhì)要求

水質(zhì)是盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，對盾構(gòu)機的正常使用有著極其重要的意義。

4.1 內(nèi)循環(huán)水

內(nèi)循環(huán)水在管中流動，除換熱設(shè)備的物料泄漏及部分鋼管腐蝕外，沒有其他因素會改變循環(huán)水的水質(zhì)。為防止在換熱設(shè)備中造成鹽垢，冷卻水通常選用凝結(jié)水和除鹽水，為了防止換熱設(shè)備被腐蝕，應(yīng)經(jīng)常加入緩蝕劑。

4.2 外循環(huán)水

外循環(huán)水為開式系統(tǒng)，水與大氣接觸，灰塵、微生物等進入循環(huán)水，管路通常選用的鋼管容易生銹，這些都會改變循環(huán)水的水質(zhì)。雖然管路內(nèi)設(shè)置了水過濾器，但水過濾器通常只能過濾直徑較大的雜質(zhì)，而其他雜質(zhì)和水垢等容易堵塞冷卻器內(nèi)部的水道，致使冷卻器不能正常冷卻。為確保循環(huán)水水質(zhì)滿足要求，減少管道內(nèi)的結(jié)垢和控制管道的腐蝕，通常會在循環(huán)水系統(tǒng)中投入水質(zhì)穩(wěn)定的藥劑和殺菌劑等水處理藥劑［5］，同時，對外循環(huán)水還需要做其他處理，如沉積物控制(沉淀池)等。通常盾構(gòu)機設(shè)計廠家會對水質(zhì)有一定的要求，表1為國外某盾構(gòu)機廠家提供的水質(zhì)要求。

表1 盾構(gòu)機主水水質(zhì)要求Table 1 Water quality requirement

5 結(jié)論與建議

目前φ6 150 mm日立盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)在北京、南昌、無錫、沈陽等地的眾多地鐵隧道施工中得到了應(yīng)用，冷卻效果明顯，主驅(qū)動溫度基本在35℃以下，盾構(gòu)機內(nèi)部環(huán)境溫度明顯降低，給施工人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。

由于盾構(gòu)機在施工過程中通常是就地取水，對水質(zhì)不做任何處理，容易造成管路生銹結(jié)垢，導(dǎo)致管路堵塞或設(shè)備損壞，給盾構(gòu)機施工造成不利影響。以往盾構(gòu)施工外供水須約12 m/h，這些水均被直接排放，造成了地下水源的污染和浪費。本系統(tǒng)的外供水一直處于循環(huán)狀態(tài)，只消耗盾構(gòu)機內(nèi)部的清潔及系統(tǒng)用水，基本不會造成浪費。

盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計不僅要考慮水的熱平衡，同時也要考慮循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)平衡問題，因此，在設(shè)計中還需要有對外供水進行二次處理的設(shè)計方案及污水的處理方案，從而保證盾構(gòu)機能高效率地施工，減少對環(huán)境的影響。

［1］ 劉殿勇，張寧川.盾構(gòu)機掘進熱平衡問題的分析與計算［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):87-91.(LIU Dianyong，ZHANG Ningchuan.Calcuation and analysis of heat balance of boring of shied TBMs［J］.Tunnel Construction，2006，26(2):87-91.(in Chinese))

［2］ 凌鐵堅，鐘志全.盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的油溫控制［J］.建筑機械化，2008(6):62-64.(LING Tiejian，ZHONG Zhiquan.Oil temperature control of hydraulic system for shield machine［J］.Construction Mechanization，2008(6):62-64.(in Chinese))

［3］ 鄧成剛.華能海門電廠超超臨界機組水——水換熱器的選型［J］.廣東電力，2007(12):38-41.(DENG Chenggang.Water-water heat exchanger type selection for ultra supercritical units in Huaneng Haimen power plant［J］.Guangdong Electric Power，2007(12):38-41.(in Chinese))

［4］ 董其伍，張垚.換熱器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:281-289.

［5］ 金亞飚.鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水力平衡設(shè)計［J］.給水排水，2008(3):71-74.