青島地鐵雙護(hù)盾TBM水系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化

郭 志，田 斌，丁紹軍，唐希剛，樊治國(guó)，劉桂濤

（中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司，山東 青島 266111)

雙護(hù)盾TBM 以其良好的地質(zhì)適應(yīng)性、施工安全性、施工靈活性及對(duì)環(huán)境友好性等特點(diǎn)被應(yīng)用于青島地鐵巖石地層的隧道掘進(jìn)。雙護(hù)盾TBM施工過(guò)程中電機(jī)、減速機(jī)、變頻器、空壓機(jī)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等發(fā)熱設(shè)備需通過(guò)水冷卻散熱；刀盤(pán)破巖后的除塵降溫、注漿管路及部分設(shè)備的清理等需要用水沖洗，所以水系統(tǒng)作為雙護(hù)盾TBM 的基本系統(tǒng)，其工作狀況的優(yōu)劣直接影響到設(shè)備整機(jī)能否正常運(yùn)行。

雙護(hù)盾TBM 在青島地鐵2 號(hào)線施工過(guò)程中存在的水系統(tǒng)換水、排水頻繁，偶發(fā)內(nèi)循環(huán)溫度高甚至導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警停機(jī)的情況[1～2]，本文通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)的原理分析及熱平衡計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了該系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)存在的不足，揭示了隧道供水條件對(duì)內(nèi)循環(huán)冷卻效果的影響因素及規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)水系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化探討和進(jìn)一步熱平衡分析，論證該優(yōu)化后的系統(tǒng)原理可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并降低隧道供水條件對(duì)雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

1 水系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)原理

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)原理如圖1 所示，由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大部分組成。內(nèi)循環(huán)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，軟水流經(jīng)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、變頻柜、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及空壓機(jī)帶走這些部件運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，其中空壓機(jī)冷卻為獨(dú)立的閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)；外循環(huán)為開(kāi)、閉式相結(jié)合的循環(huán)系統(tǒng)，隧道進(jìn)水依次流經(jīng)進(jìn)水水管卷筒、過(guò)濾器、內(nèi)循環(huán)散熱器并最終進(jìn)入水箱，該過(guò)程為內(nèi)循環(huán)實(shí)施換熱冷卻。流入水箱的水一部分用于刀盤(pán)噴水、設(shè)備沖洗等的施工用水，在溫度不超過(guò)排水臨界溫度時(shí)外循環(huán)開(kāi)啟閉式循環(huán)模式，水箱的水泵送至外循環(huán)進(jìn)水管路換熱器前端，循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)；溫度超過(guò)排水臨界溫度時(shí)外循環(huán)開(kāi)啟開(kāi)式循環(huán)模式，將水箱的水排放至隧道，同時(shí)由隧道供水繼續(xù)對(duì)內(nèi)循環(huán)實(shí)施換熱冷卻并最終流入水箱。該系統(tǒng)設(shè)置3 個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器1監(jiān)測(cè)外循環(huán)進(jìn)水溫度，溫度傳感器2 監(jiān)測(cè)內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度，溫度傳感器3 監(jiān)測(cè)水箱溫度，即外循環(huán)回水溫度。當(dāng)溫度傳感器2 監(jiān)測(cè)溫度超過(guò)臨界值時(shí)會(huì)觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施報(bào)警停機(jī)；當(dāng)溫度傳感器3 監(jiān)測(cè)溫度超過(guò)臨界值時(shí)會(huì)觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施外循環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)、閉式模式切換。開(kāi)、閉式相結(jié)合的外循環(huán)設(shè)計(jì)，其出發(fā)點(diǎn)為通過(guò)使水箱的水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)，以達(dá)到隧道供水充分利用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。

圖1 水系統(tǒng)原理圖

1.2 熱平衡計(jì)算

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 需實(shí)施水冷卻的發(fā)熱設(shè)備包括主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、變頻柜、液壓泵站、潤(rùn)滑泵站和空壓機(jī)，通過(guò)閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中，空壓機(jī)由于所需冷卻水流量較大、發(fā)熱功率較高，為節(jié)約用水并保證冷卻效果，由獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)單獨(dú)實(shí)施冷卻。上述各設(shè)備的功率及效率可從供應(yīng)商手冊(cè)獲得。由功率及效率可據(jù)公式 計(jì)算出各設(shè)備的發(fā)熱功率[3～4]。該水系統(tǒng)內(nèi)、外循環(huán)水設(shè)計(jì)流量，換熱器換熱面積等參數(shù)詳見(jiàn)表1。

定義外循環(huán)水流經(jīng)換熱器的進(jìn)水口和出水口溫度分別為T(mén)1和T2，溫差ΔT=T2-T1；內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)換熱器的進(jìn)水口和出水口溫度分別為t1和t2，溫差Δt=t1-t2；流經(jīng)空壓機(jī)獨(dú)立內(nèi)循環(huán)換熱器內(nèi)、外循環(huán)水的進(jìn)出口溫度分別為t1′，t2′和T1′，T2′，其中T1′=T2。溫差分別為Δt′=t2′-t1′和ΔT′=T2′-T1′。接下來(lái)研究影響外循環(huán)回水溫度即水箱溫度T2′與內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的因素及規(guī)律，探討造成水系統(tǒng)換水、排水頻繁及內(nèi)循環(huán)報(bào)警停機(jī)的原因。

表1 水系統(tǒng)參數(shù)

熱交換量計(jì)算公式為

平均溫差計(jì)算公式（Δt/ΔT≤2 時(shí)）為

換熱面積計(jì)算公式

式中c——水的比熱容，c=4.18×103kg/m3；

ρ——水的密度，s=1×103kg/m3；

K——傳熱系數(shù)，對(duì)于水水換熱的板式換熱器，供應(yīng)商計(jì)算取值K=6233W/m2℃。

綜合運(yùn)用式（1）～式（3），可推導(dǎo)出水箱溫度T2′（外循環(huán)回水溫度），內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的表達(dá)式，推導(dǎo)過(guò)程不在此贅述。

在不考慮內(nèi)循環(huán)失水及換熱器內(nèi)部結(jié)垢影響內(nèi)循環(huán)進(jìn)水流量和熱交換器傳熱系數(shù)的情況下，分析式（4）～式（6）可知，影響水箱溫度T2′和內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的主要因素為外循環(huán)進(jìn)水溫度T1和流量Q外。假定外循環(huán)進(jìn)水流量固定或溫度固定的情況下，外循環(huán)進(jìn)水溫度或流量對(duì)內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和水箱溫度的影響規(guī)律如圖2 所示。

圖2 外循環(huán)進(jìn)水溫度或流量對(duì)水系統(tǒng)影響

1.3 故障分析

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)外循環(huán)進(jìn)水溫度T1≤25℃，進(jìn)水流量Q外≥58.8m3/h。綜合考慮內(nèi)循環(huán)各系統(tǒng)及部件最高允許進(jìn)水溫度，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度報(bào)警停機(jī)臨界值為設(shè)定為37℃；水箱排水臨界值設(shè)定為34℃。為便于定量分析，取外循環(huán)進(jìn)水溫度 在25～34℃并以1℃的梯度變化時(shí)，可求得相應(yīng)的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2，空壓機(jī)進(jìn)水溫度t2′及水箱溫度T2′，如表2 所示。

由表2 可知，當(dāng)外循環(huán)進(jìn)水溫度為25℃時(shí)，流經(jīng)換熱器后內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和空壓機(jī)進(jìn)水溫度均在允許范圍之內(nèi)，最終流入水箱的溫度為34℃（參見(jiàn)表2 第1 行）。若利用水箱內(nèi)該溫度的水對(duì)內(nèi)循環(huán)實(shí)施循環(huán)冷卻，此時(shí)內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度將超過(guò)37℃，空壓機(jī)進(jìn)水溫度將接近44℃（參見(jiàn)表2第10 行），理論上會(huì)觸發(fā)電控系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)。若取消從水箱取水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)的功能，根據(jù)表2 可知，即使外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到28℃時(shí)，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和空壓機(jī)進(jìn)水溫度也可控制在允許范圍之內(nèi)，水系統(tǒng)可正常運(yùn)行（參見(jiàn)表2 第4 行）。由此可知，在外循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)25℃時(shí)從水箱取水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)并不適用，且外循環(huán)會(huì)持續(xù)在開(kāi)式和閉式模式間切換，水系統(tǒng)頻繁換水、排水。如果外循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)25℃時(shí)一直處于開(kāi)式模式，雖可減小外循環(huán)進(jìn)水溫度升高對(duì)水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，但會(huì)加大外循環(huán)回水在隧道的排放，造成水資源的浪費(fèi)并污染施工環(huán)境。

表2 溫度分析表

由圖2 及表2 可知，在外循環(huán)進(jìn)水流量滿足Q外=58.8m3/h 的情況下，理論上外循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)33℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)允許臨界值進(jìn)而觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施報(bào)警停機(jī)；此外，若外循環(huán)進(jìn)水流量不足也會(huì)加劇對(duì)水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，所以在外循環(huán)進(jìn)水流量不足時(shí)，即使溫度低于33℃也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)循環(huán)溫度升高導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警停機(jī)的情況。但是，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，在外循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)33℃甚至達(dá)到35℃時(shí)，設(shè)備仍在正常運(yùn)行。這主要是因上述過(guò)程發(fā)熱功率是依據(jù)各發(fā)熱設(shè)備的額定功率計(jì)算獲得，然而在設(shè)備正常掘進(jìn)時(shí)，主驅(qū)動(dòng)在恒扭矩狀態(tài)工作，實(shí)際使用功率不足額定功率的50%，若依此計(jì)算，外循環(huán)進(jìn)水溫度33℃時(shí)的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度34.9℃，；外循環(huán)進(jìn)水溫度35℃時(shí)的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度36.9℃，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，仍低于設(shè)備報(bào)警停機(jī)的設(shè)定臨界值，故能正常掘進(jìn)，但外循環(huán)進(jìn)水溫度超過(guò)33℃時(shí)會(huì)使空壓機(jī)內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度接近39℃超過(guò)允許范圍，有誘發(fā)空壓機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，易引起空壓機(jī)設(shè)備故障。

2 水系統(tǒng)優(yōu)化探討

由上述分析可知，本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)采用開(kāi)、閉式相結(jié)合的外循環(huán)原理設(shè)計(jì)，在進(jìn)水溫度超過(guò)25℃時(shí)并不適用；開(kāi)放式外循環(huán)設(shè)計(jì)易導(dǎo)致水資源浪費(fèi)且水排放污染隧道施工環(huán)境；外循環(huán)進(jìn)水缺乏有效的控制措施易導(dǎo)致溫度升高、流量降低等，這些不利因素影響到水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。需對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高雙護(hù)盾TBM 應(yīng)用于城市地鐵隧道施工時(shí)的適應(yīng)性。

2.1 系統(tǒng)原理優(yōu)化

優(yōu)化后水系統(tǒng)原理如圖3 所示，仍由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大部分組成。內(nèi)循環(huán)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，但考慮到液壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)允許的溫升范圍較高，接近50℃，故采用梯級(jí)冷卻的理念將其移至外循環(huán)實(shí)施冷卻，以此可減少內(nèi)、外循環(huán)水的流量需求，其它保持不變；外循環(huán)與隧道供水綜合考慮，設(shè)計(jì)為大型閉式循環(huán)系統(tǒng)。隧道供水依次流經(jīng)進(jìn)水水管卷筒、過(guò)濾器、內(nèi)循環(huán)散熱器、空壓機(jī)獨(dú)立內(nèi)循環(huán)散熱器，液壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)后，在水箱低液位時(shí)為其補(bǔ)水，高液位時(shí)經(jīng)回水增壓泵，回水水管卷筒實(shí)現(xiàn)隧道回水，在隧道口設(shè)置儲(chǔ)水箱并增設(shè)冷卻塔，對(duì)隧道回水實(shí)施循環(huán)冷卻，使水溫達(dá)到使用條件并重復(fù)利用。水箱的儲(chǔ)水完全用于刀盤(pán)噴水、設(shè)備沖洗等的施工用水。

圖3 優(yōu)化后水系統(tǒng)原理圖

2.2 熱平衡分析

優(yōu)化后水系統(tǒng)發(fā)熱設(shè)備的冷卻分為三級(jí)進(jìn)行，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、變頻柜通過(guò)閉式內(nèi)循環(huán)冷卻，為第一級(jí)；空壓機(jī)通過(guò)獨(dú)立的閉式內(nèi)循環(huán)冷卻，為第二級(jí)；液壓泵站、潤(rùn)滑泵站通過(guò)外循環(huán)冷卻，為第三級(jí)。因液壓泵站、潤(rùn)滑泵站的冷卻也是通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)的油、水換熱，第三級(jí)冷卻也理解為一個(gè)獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)。由于將液壓泵站和潤(rùn)滑泵站移出了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，故該系統(tǒng)所需冷卻水流量減少，考慮 不變的前提下，外循環(huán)進(jìn)水流量相應(yīng)減少，因此達(dá)到了節(jié)水的目的。優(yōu)化后水系統(tǒng)參數(shù)如表3 所示。

因優(yōu)化后的水系統(tǒng)發(fā)熱設(shè)備分三級(jí)逐級(jí)冷卻，補(bǔ)充定義外循環(huán)水流經(jīng)第三級(jí)冷卻時(shí)進(jìn)水口和出水口溫度分別為T(mén)1″和T2″，其中T1″=T2′。為便于定量分析，采用1.3 節(jié)同樣的方法，取外循環(huán)進(jìn)水溫度在25～34℃并以1℃的梯度變化時(shí)，綜合運(yùn)用式（1）～式（3）可求得內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2，空壓機(jī)進(jìn)水溫度t2′，第三級(jí)冷卻外循環(huán)進(jìn)水溫度T1″及出水溫度T2″，即回水溫度，如表4 所示。

根據(jù)表4 可知，即使外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到31℃時(shí)，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度、空壓機(jī)進(jìn)水溫度以及液壓泵站和潤(rùn)滑泵站的冷卻水溫度也可控制在允許范圍之內(nèi)，水系統(tǒng)可正常運(yùn)行（參見(jiàn)表4第7行）。

2.3 優(yōu)化效果

優(yōu)化前后雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)的主要區(qū)別為：將開(kāi)、閉式相結(jié)合的外循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化為綜合考慮隧道供水的大型閉式循環(huán)系統(tǒng)，優(yōu)化后不僅可徹底避免水系統(tǒng)頻繁換水、排水的情況，而且隧道供水可循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保功能。隧道口冷卻塔的設(shè)置可使隧道回水溫度循環(huán)冷卻至接近濕球溫度，使得隧道供水條件更能滿足水系統(tǒng)的需求。液壓泵站、潤(rùn)滑泵站移到外循環(huán)實(shí)施梯級(jí)冷卻，使得所需外循環(huán)水的流量由原來(lái)的58.8m3/h 降低至48.2m3/h，水量需求減少約18%。然而，根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，即使在外循環(huán)水流量減少至48.2m3/h 的情況下，水系統(tǒng)在外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到31℃時(shí)仍能正常運(yùn)行，允許溫升范圍比優(yōu)化前提升3℃左右。綜上所述，優(yōu)化后的系統(tǒng)原理可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并降低隧道進(jìn)水條件對(duì)雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

表3 水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

表4 優(yōu)化后水系統(tǒng)溫度分析表

3 結(jié)論及討論

針對(duì)雙護(hù)盾TBM 在青島地鐵2 號(hào)線施工過(guò)程中水系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的原理分析、熱平衡計(jì)算及優(yōu)化探討，形成結(jié)論如下。

1)開(kāi)、閉式相結(jié)合的外循環(huán)原理設(shè)計(jì)在進(jìn)水溫度超過(guò)25℃時(shí)不適用，是造成雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)換水、排水頻繁的根本原因。

2)外循環(huán)進(jìn)水溫度升高、進(jìn)水流量不足或二者綜合作用是造成內(nèi)循環(huán)溫度升高進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警停機(jī)的根本原因。

3)雙護(hù)盾TBM 應(yīng)用于城市地鐵隧道施工時(shí)，液壓泵站、潤(rùn)滑泵站的冷卻移到外循環(huán)實(shí)現(xiàn)，外循環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)與隧道供水綜合考慮，設(shè)計(jì)為大型閉式循環(huán)系統(tǒng)，并在隧道外設(shè)置冷卻塔對(duì)隧道回水循環(huán)冷卻，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并滿足水系統(tǒng)的進(jìn)水條件。