地鐵管片蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)研制

陳德超

中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430061

1 引言

近年來(lái)，隨著城市交通的快速發(fā)展，很多城市已經(jīng)擁有或正在建造地鐵，我國(guó)的地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入高峰期[1,2]。隨著盾構(gòu)技術(shù)的推廣，在非巖石地段，各城市基本上都采用了盾構(gòu)成洞方式，其中盾構(gòu)法主要采用管片作為隧道的永久襯砌[3]，如圖1所示。因此，管片生產(chǎn)速度和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著盾構(gòu)法施工的進(jìn)度和地鐵工程安全質(zhì)量[4]。

圖1 盾構(gòu)技術(shù)及管片生產(chǎn)

為加快管片生產(chǎn)的速度，通常采取蒸養(yǎng)技術(shù)加速水泥的水化。蒸養(yǎng)工藝是盾構(gòu)水凝土管片生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的工藝[5]。在該工藝過(guò)程中需要嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)室內(nèi)的。蒸養(yǎng)室體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各室體和外部環(huán)境之間不斷進(jìn)行能量交換，控制過(guò)程極為復(fù)雜。如何保證蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度穩(wěn)定和均勻分布，對(duì)提高管片生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義。因此，本文研究了一種新的溫度控制系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了蒸養(yǎng)爐內(nèi)溫度均勻分布的控制，在保證管片質(zhì)量的同時(shí)，極大地縮短了蒸養(yǎng)等待時(shí)間。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地鐵管片蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)研制研制成本低，且經(jīng)過(guò)升級(jí)改造的系統(tǒng)能達(dá)到較好的實(shí)施效果。蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)分為升溫、恒溫、降溫三個(gè)區(qū)域，只需從加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)著手進(jìn)行研制，就可以改變蒸養(yǎng)室的溫度，縮短蒸養(yǎng)時(shí)間，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定脫模強(qiáng)度，滿足進(jìn)度要求。實(shí)現(xiàn)蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)自動(dòng)控制需要完成控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及測(cè)溫系統(tǒng)這三個(gè)系統(tǒng)的制作，而針對(duì)這三個(gè)系統(tǒng)，可采用的實(shí)施方案如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)實(shí)施可選方案

2.1 加熱方式

對(duì)于蒸養(yǎng)溫度控制系統(tǒng)而言，目前常用的加熱方式主要包括：干蒸方式、濕蒸方式及干濕結(jié)合方式等三種方式。干蒸加熱方式通常購(gòu)置一片散熱片，將散熱片設(shè)置于蒸汽主管之上，實(shí)現(xiàn)加熱。在常溫下，散熱片升溫速度慢，但通常蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度均處于四十度以上，因此升溫時(shí)間對(duì)生產(chǎn)影響不大。濕蒸加熱方式通常在主管之上接入有孔支管，通過(guò)支管氣孔噴出蒸汽實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸養(yǎng)室加熱，該方式改造簡(jiǎn)單，前期改造費(fèi)用低，但后期經(jīng)濟(jì)性差。對(duì)于干濕結(jié)合加熱方式而言，通過(guò)將散熱片與蒸汽管道連接，并設(shè)置排氣支管，同時(shí)通過(guò)散熱器和主管噴出蒸汽實(shí)現(xiàn)加熱。該加熱方式改造后可操作性強(qiáng)，升溫速度快，但改造工期較長(zhǎng)，改造費(fèi)用高，后期經(jīng)濟(jì)性較差。因此，綜合分析可操作性及經(jīng)濟(jì)成本，本次選擇干蒸加熱方式。

圖3 干蒸和濕蒸加熱方式

通對(duì)蒸汽主管布置數(shù)量進(jìn)行分析，最終決定采用在室內(nèi)布置兩根蒸汽主管道進(jìn)行供熱的布置方式。對(duì)蒸養(yǎng)室內(nèi)四條軌道，采用間隔布置方式布置蒸汽管道。該布置方式改造量較小，成本較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，升溫速度滿足生產(chǎn)要求，且溫度均勻性較好。

通過(guò)對(duì)比“主管道直接連接”和“主管道+支管+散熱器連接”等兩種安裝方式可知，雖“主管道+支管+散熱器”連接方式安裝時(shí)間較長(zhǎng)，但該方式具有很好的溫度均勻性和加熱效果，且安裝時(shí)間在合理范圍內(nèi)，所以采用該方式作為蒸養(yǎng)系統(tǒng)加熱方式的連接方案。根據(jù)區(qū)域劃分，每個(gè)區(qū)域主管道處設(shè)置蒸汽支管，通過(guò)支管連接散熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸養(yǎng)室進(jìn)行加熱。該布置方式具有較好的溫度均勻性，加熱效果好，不受場(chǎng)地限制，可靈活布置散熱器。

2.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)有定制和自制等兩種方案可供選擇。定制控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中測(cè)溫單元進(jìn)行升級(jí)改裝，加裝溫度控制閥門實(shí)現(xiàn)蒸養(yǎng)室溫度的控制。該方案性能穩(wěn)定，控制誤差小，單制作難度大，需專業(yè)技術(shù)人員幫助升級(jí)改造。自制控制系統(tǒng)需要購(gòu)買溫度控制裝置，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造，加裝溫度控制閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸養(yǎng)室溫度的控制。該方案研制難度低，方便修理，但費(fèi)用較高，穩(wěn)定性差，耗時(shí)長(zhǎng)，且技術(shù)難度大，實(shí)施效果差。

因此，經(jīng)過(guò)對(duì)定制控制系統(tǒng)和自制控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較可知，定制控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，控制誤差小等優(yōu)點(diǎn)，且從成本控制出發(fā)，定制控制系統(tǒng)更加便宜，所以本次溫度控制系統(tǒng)中的控制程序選用定制控制系統(tǒng)。

2.3 測(cè)溫系統(tǒng)

對(duì)于蒸養(yǎng)管片測(cè)溫系統(tǒng)，常用的方式主要包括小區(qū)域獨(dú)立控制和整體測(cè)溫控制。其中小區(qū)域獨(dú)立控制將加熱系統(tǒng)劃分為不同區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)設(shè)置獨(dú)立電磁控制閥和溫度傳感器，根據(jù)設(shè)定溫度對(duì)區(qū)域進(jìn)行控制。該測(cè)溫系統(tǒng)分區(qū)域控制，溫度均勻性好，但其研制成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。整體測(cè)溫控制對(duì)升溫、恒溫、降溫區(qū)進(jìn)行劃分，分別設(shè)置獨(dú)立溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)，其成本低，但溫度控制難度大，溫度波動(dòng)大。

通過(guò)對(duì)兩種溫控系統(tǒng)比較分析，小區(qū)域獨(dú)立溫控系統(tǒng)雖然研制成本高，但在研制經(jīng)費(fèi)允許范圍內(nèi)，可與控制和加熱系統(tǒng)同步進(jìn)行，時(shí)間長(zhǎng)度滿足活動(dòng)要求。因此，本次為溫度控制系統(tǒng)最終選擇采用小區(qū)域獨(dú)立控制作為測(cè)溫系統(tǒng)方式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示為傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度分布圖，從圖中可知，蒸養(yǎng)室內(nèi)上部和中部溫差較大，溫度均勻性差，而模具在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)高度主要在養(yǎng)護(hù)室中部以下位置，導(dǎo)致模具所在區(qū)域溫度較低，從而造成管片無(wú)法在規(guī)定時(shí)間按時(shí)脫模，同時(shí)也造成了能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致成本的增加。

圖4 傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)，測(cè)定時(shí)間為2017年4月5日-2017年4月16日

統(tǒng)計(jì)2017年4月4日-2017年4月18日傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式理論及實(shí)際蒸養(yǎng)時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。從圖可以看出，管片蒸養(yǎng)等待時(shí)間平均達(dá)1小時(shí)左右，嚴(yán)重影響管片生成效率。

圖5 傳統(tǒng)傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式等待時(shí)間

如圖6所示為實(shí)施新溫度控制系統(tǒng)后，2017年8月16日蒸養(yǎng)爐溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。從結(jié)果可知，實(shí)施新溫度控制系統(tǒng)后，蒸養(yǎng)爐升溫區(qū)、恒溫區(qū)及降溫區(qū)溫度溫度與設(shè)定溫度較為一致，呈現(xiàn)均勻分布，這有利于提高能源利用效率，且同時(shí)使管片均勻受熱，從而提高管片質(zhì)量。

圖6 新制溫度控制系統(tǒng)溫度均勻性檢查。

實(shí)施新溫度控制系統(tǒng)后，監(jiān)測(cè)2017年8月16日-2017年8月29日蒸養(yǎng)過(guò)程中的脫模時(shí)間，結(jié)果如圖7所示。從圖中可知，實(shí)施后新溫度控制系統(tǒng)后，最長(zhǎng)脫模等待時(shí)間為10分鐘，明顯降低了蒸養(yǎng)等待時(shí)間，提高了管片生產(chǎn)效率。綜上可知，溫度控制系統(tǒng)可明顯改進(jìn)蒸養(yǎng)爐溫度分布，使溫度在爐中均勻分布，且可有效地降低脫模等待時(shí)間，在保證管片生成質(zhì)量的同時(shí)，極大地提高了管片生成效率。

圖7 新制溫度控制系統(tǒng)蒸養(yǎng)脫模等待時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)地鐵管片生產(chǎn)過(guò)程中傳統(tǒng)蒸養(yǎng)等待時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響地鐵施工進(jìn)度等問(wèn)題，研究了一種新的溫度控制系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)蒸養(yǎng)方式進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了蒸養(yǎng)爐內(nèi)溫度均勻分布的控制，在保證管片質(zhì)量的同時(shí)，極大地縮短了蒸養(yǎng)等待時(shí)間，從而保障了地鐵施工進(jìn)度。