熱風(fēng)式鐵路隧道融冰方法的研究

賀相林，衛(wèi)永剛，吳文平，張壽康，雒衛(wèi)強，王孟賢

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北肅寧 062350）

1 引言

在我國北方廣大地區(qū)，冬季鐵路隧道內(nèi)的結(jié)冰現(xiàn)象十分普遍，并且由于各個隧道所處的地理位置、地質(zhì)條件、水文條件乃至氣象條件等不同，結(jié)冰現(xiàn)象也具有十分分散的廣譜性，很難用一種特定的物理或數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行歸納總結(jié)。對于分布規(guī)律無序可循、分布范圍廣泛零散、甚至隨時間動態(tài)變化的結(jié)冰現(xiàn)象，只有人工作業(yè)能夠做到發(fā)現(xiàn)哪里除哪里。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)除冰方法和設(shè)備都具有較為明顯的局限性。到目前為止，尚沒有一種具有普遍推廣價值的設(shè)備能夠解決隧道內(nèi)結(jié)冰的問題，人工打冰作業(yè)依然是最傳統(tǒng)的作業(yè)方法。

采用人工打冰的作業(yè)方式雖然具有一定的靈活性，但工作量巨大，同時也帶來了人員雇傭、管理、培訓(xùn)、安全等方面的不確定性。事實上，由于隧道環(huán)境惡劣、勞動強度大等不利因素，在人工除冰作業(yè)過程中，除了對行車安全產(chǎn)生影響之外，亦有較大的人身安全風(fēng)險。始終難以做到安全和效率兼顧。

在分析總結(jié)現(xiàn)有的各種除冰方案和設(shè)備存在的諸如設(shè)備成本、安裝方式、除冰效能和可靠性等因素之后，本文研究的熱風(fēng)式融冰方案在功能、性能、經(jīng)濟性和可靠性等方面的優(yōu)勢突出。該方法主要尋求一種在隧道內(nèi)常年易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的區(qū)域內(nèi)建立一個局部人工環(huán)境，以防為主、以除為輔的隧道除冰方案。該方案力求在整個冬季既能快速清除隧道內(nèi)的結(jié)冰，又能有效防止所及區(qū)域內(nèi)再度發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，稱之為“熱風(fēng)式鐵路隧道融冰方法”。本方案根據(jù)國內(nèi)鐵路隧道的基本建筑結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)其他設(shè)備的布局，以及冬季氣象條件等而計算設(shè)計，經(jīng)過功能驗證樣機在電氣化區(qū)段的雙線隧道內(nèi)的實際測試運行，證明該熱風(fēng)除冰方案具有較為理想的除冰效果，可在較大程度上替代傳統(tǒng)的人工打冰作業(yè)。

2 熱風(fēng)融防冰的設(shè)計原理

融防冰方法的本質(zhì)是提高環(huán)境溫度，使高于0 ℃的氣體介質(zhì)覆蓋、充滿結(jié)冰區(qū)域的空間，形成溫度保護(hù)層。這樣既可以使已經(jīng)凝結(jié)的冰融化，達(dá)到融冰的目的，還可以使未凝結(jié)的水失去凝結(jié)成冰的條件，達(dá)到防冰的目的。滲水在高于結(jié)冰溫度的氣體介質(zhì)的覆蓋和對流下，會氣化成水氣，水氣在過往列車的帶動下可排出隧道，從而避免水和水汽在隧道內(nèi)聚集。

換言之，隧道頂部的滲水，在熱空氣的作用下還未來得及結(jié)冰就被氣化，隨列車被排出隧道。而不會滯留在拱頂區(qū)域凝結(jié)成冰柱，從而達(dá)到防止結(jié)冰的目的。

3 理論分析及設(shè)計

通過一個加熱裝置將隧道內(nèi)的冷空氣加熱后通過保溫管道輸送至隧道內(nèi)任意的結(jié)冰部位，然后將熱風(fēng)噴射至滲水或結(jié)冰體使其消融。本文僅對隧道拱頂部位的融冰、防冰過程中的熱風(fēng)氣流的流體分布和熱力學(xué)分布狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.1 加熱原理的分析

空氣介質(zhì)的加熱可選擇不同的方式方法，如電加熱。當(dāng)空氣流量恒定且系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時，加熱功率與下列兩個因素有關(guān)：環(huán)境溫度；熱風(fēng)生成裝置的出口溫度。

加熱過程中，需要保證出口熱風(fēng)溫度。依據(jù)環(huán)境溫度，決定加熱功率的大小，加熱功率大小可調(diào)節(jié)。即環(huán)境溫度越低，加熱功率越大，反之所需的加熱功率減小[1]。

3.2 氣體介質(zhì)的保溫傳輸和噴射理論依據(jù)

該系統(tǒng)需要按照熱力學(xué)和流體力學(xué)的原理來設(shè)計、校驗。

1）由于熱氣體介質(zhì)在輸送中的熱損失是不可避免的，散熱功率與散熱面積、溫差、管道材質(zhì)有關(guān)。管道的選型和設(shè)計原則是：保溫好、氣阻小、管道直徑大小適中、輕質(zhì)，能從最大程度上減少熱損失，提高能源效率[2]。

熱傳導(dǎo)學(xué)遵循能量守恒定律，其在各向同性介質(zhì)中的三維連續(xù)性微分方程如下：

式中，Qc為熱量；T為溫度；λ 為介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)；dx,dy,dz為在x、y、z方向上的微分；dt為時間微分。

微元體模型如圖1 所示。

圖1 熱傳導(dǎo)的微元體模型

進(jìn)而可得到圓筒一維穩(wěn)態(tài)下的導(dǎo)熱方程：

式中，qL為L方向單位長度的熱量；Tf1為圓筒壁內(nèi)側(cè)流體的溫度；Tf2為圓筒壁外側(cè)流體的溫度；λi為在i處的導(dǎo)熱系數(shù)；d1為圓筒壁內(nèi)側(cè)直徑；d2為圓筒壁外側(cè)直徑；α1為圓筒壁內(nèi)側(cè)壁面間換熱系數(shù)；α2為圓筒壁外側(cè)壁面間換熱系數(shù)。

2）流體力學(xué)遵循質(zhì)量守恒定律，其三維連續(xù)性微分方程如下：

式中，ρ 為介質(zhì)密度；t為時間；v為介質(zhì)流速；Δ為拉普拉斯算子。

微元體模型如圖2 所示。

圖2 流體的微元模型

z

x

在單位時間內(nèi)，在x方向流入流出控制體的質(zhì)量差為：

3）依據(jù)以上理論，選擇適當(dāng)參數(shù)的保溫輸送管道長度L1和噴射管道L2，內(nèi)徑均為D。噴射口直徑為d，數(shù)量為n，單口有效噴射距離W，環(huán)境溫度為T0，主機加熱后氣體出口溫度T1，噴射管始端氣體溫度T2，噴射管末端氣體溫度T3。設(shè)計目標(biāo)是噴射管末端氣體溫度不低于10 ℃。

加熱主機氣體出口壓力P1，噴射管始端氣體壓力P2，噴射管末端氣體壓力P3，設(shè)計目標(biāo)是使噴射管末端氣體噴射距離不小于5 m。兩側(cè)噴射距離即10 m，足夠覆蓋雙線隧道拱頂有效寬度。

由于隧道拱頂呈圓柱面，實際效果只會比平面設(shè)計的效果更好。且氣體溫度不低于10 ℃，在寒冷的冬季，完全可以保護(hù)拱頂不結(jié)冰，達(dá)到融防冰的效果。

4）噴射效果設(shè)計。溫度為T0的寒冷氣體由加熱主機從隧道底部抽取，經(jīng)加熱至溫度T1。再經(jīng)過長度為L1的輸送管道送至拱頂，溫度為T2，經(jīng)過長度為L2噴射管道向兩側(cè)噴射，使得在拱頂形成一個溫度不低于10 ℃的圓柱形保溫層，既可保證拱頂滲水不會結(jié)冰，又可使已經(jīng)結(jié)冰的冰柱消融。如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)在隧道拱頂?shù)膰娚湫Ч?/p>

5）噴口溫度場設(shè)計。噴射管道上的多個噴口為拱頂提供不低于10 ℃的氣體保護(hù)層。單側(cè)設(shè)計有效噴射距離5 m，雙側(cè)即10 m。一方面為拱頂補充氣體介質(zhì)，另一方面射流作用遵循貝努利原理，使周圍氣壓降低，從而帶動拱頂所有氣體介質(zhì)向隧道兩側(cè)流動，形成無死角的保溫層。溫度場分布如圖4所示。

圖4 熱風(fēng)噴口的溫度場

4 根據(jù)上述設(shè)計原理制作驗證裝置實際運行的測試數(shù)據(jù)與設(shè)計指標(biāo)的對比

4.1 溫度數(shù)據(jù)測試方法與理論驗證結(jié)果

環(huán)境溫度為27 ℃，主機出口溫度80 ℃。經(jīng)輸送管后，測得穩(wěn)態(tài)下噴射管始端和末端溫度分別為：72 ℃和58 ℃。如圖5所示。

圖5 常溫測試環(huán)境下的溫度降落曲線

為了能夠模擬并驗證環(huán)境溫度為-20 ℃下的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖，根據(jù)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)對溫度的導(dǎo)數(shù)≈0，且和溫差滿足線性關(guān)系的條件，對其進(jìn)行外延性線性推理，將其在縱坐標(biāo)軸向下平移27-（-20）=47 ℃，即得出主機出口溫度33 ℃，環(huán)境溫度-20 ℃的保守結(jié)論，如圖6 所示。

圖6 常溫環(huán)境平移至實際環(huán)境下的溫度降落曲線

可見，噴射管始末端溫度為25 ℃、11℃，均≥100 ℃，仍然滿足要求。

上述過程是在假定整個系統(tǒng)是在無源狀態(tài)下的分析結(jié)論。實際上，驗證樣機的主機出口溫度不會是33 ℃，其始終維持在恒定值80 ℃。這樣噴射管始末端溫度比假定無源狀態(tài)下的分析結(jié)論，即25 ℃和11 ℃要高得多。

仍根據(jù)以上理論，將溫差進(jìn)行線性放大，即可模擬出噴射管始末溫度分布為65 ℃和38 ℃，工程裕度較高，如圖7所示。

圖7 平移+線性放大得到實際環(huán)境下的溫度降落曲線

4.2 壓強損失校驗

壓強在該應(yīng)用中不是關(guān)鍵，但其關(guān)系到管道內(nèi)徑、氣阻、氣體總流量、噴口直徑、加熱功率、有效噴射距離以及工作噪聲等一系列問題。屬于需要調(diào)節(jié)并最后校驗的物理量。

經(jīng)過多次調(diào)整參數(shù)和反復(fù)試驗，最終校驗壓力結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣體壓強沿管道延伸方向的分布

4.3 溫度和壓強均衡

在細(xì)長管路設(shè)計中，噴射管始末端的溫度、壓強、流量參數(shù)不可避免的有差別，使得在噴射管始末端分布參數(shù)不一致。為了更均衡地對隧道拱頂進(jìn)行融防冰工作，該系統(tǒng)還對其分布參數(shù)的不均衡性進(jìn)行了必要的處理。

4.4 噴口以外的溫度場分布校驗與測試

測試結(jié)構(gòu)為一開放式平面房頂，如圖9 所示（T5為5 m 外拱頂溫度）。

圖9 模擬試驗環(huán)境下的溫度場

根據(jù)氣泵和噴射口的參數(shù)，得出噴射口流速約為40 m/s，實測有效噴射距離約為5.3 m。據(jù)此，連續(xù)運行若干時間后，設(shè)備所及的整個拱頂部位將形成一個溫度高于冰點且較為穩(wěn)定溫度場，從而保證控制部位始終處于不結(jié)冰狀態(tài)，能夠有效完成隧道融防冰任務(wù)。

模擬試驗顯然無法提供實際隧道環(huán)境下的全部參數(shù)，因此，仍然利用以上線性外延的方法和保守原則進(jìn)行測試，即對系統(tǒng)影響不大的因素假定為定常參數(shù)，提取主要因素線性化進(jìn)行模擬，并留有單向余量。如果保守測試的結(jié)果能夠滿足要求，那么實際運行效果將更加可靠。

在該測試條件下，沿平面房頂水平安裝噴射管，噴口朝向兩側(cè)。仍然在27 ℃的環(huán)境溫度穩(wěn)態(tài)下，測得噴口5 m 外靶標(biāo)溫度T5=44 ℃。依然按照以前的線性外延方法，折算得實際環(huán)境溫度-20 ℃下噴口5 m 外溫度T5=｛[38-(-20)]/ (58-27)｝×(44-27)-20=11.8 ℃＞10.0 ℃。測試成功。

由于測試條件房頂為開放式平面，實際隧道頂部為拱形圓柱面，實際氣流會比測試時密度更高，即比熱容更高。因此，實際效果會更加有利，即該設(shè)備達(dá)到了設(shè)計要求。

4.5 實際運行效果驗證

經(jīng)過結(jié)冰季兩個月的驗證樣機的隧道內(nèi)實際運行，效果與設(shè)計參數(shù)及分析十分吻合，獲得了十分理想的融冰效果，有效范圍內(nèi)不再出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

測試的基本條件為，隧道內(nèi)溫度-12 ℃，融冰樣機熱風(fēng)出口溫度控制在80 ℃，熱風(fēng)管路總長度30 m，末端實測溫度42 ℃。與上述分析完全吻合，驗證了設(shè)計數(shù)據(jù)具有完全的實用意義。

5 驗證樣機的實用價值

經(jīng)過實際運行證明，本文所研究的“鐵路隧道熱風(fēng)融冰方法”為解決長期以來困擾冬季隧道結(jié)冰的問題，提供了一種全新有效的方法。以該方法為基礎(chǔ)設(shè)計制作的熱風(fēng)式鐵路隧道融冰防冰裝置可兼顧融冰作業(yè)與列車運行互不影響的實際要求，能夠有效保證既有鐵路在冬季的最高運輸效率。用該方法替代冬季隧道人工打冰作業(yè)尤其具有重要價值，能夠在很大程度上消除人工打冰作業(yè)所存在的人員安全和行車安全隱患。長期運行又能有效降低冬季打冰工作的成本投入。系統(tǒng)設(shè)計為全自動運行、不間斷工作、無人值守、可遠(yuǎn)程遙控，從而保障隧道內(nèi)的安全行車環(huán)境，為我國北煤南運、物資運輸?shù)冉?jīng)濟建設(shè)起到了重要的戰(zhàn)略保障作用。

本文論述的融冰方案不僅獲得了驗證樣機實際運行效果的證實，同時也獲得了實際應(yīng)用的第一手經(jīng)驗和實際設(shè)計方案，其主要技術(shù)特征見表1。

表1 樣機的技術(shù)特征

6 經(jīng)濟效益估算

傳統(tǒng)的人工打冰作業(yè)，無論從時間角度看，還是從作業(yè)效率角度看又都是十分低下的，其時間成本大，工作強度大。在不中斷行車的條件下，打冰人員只能攜帶打冰作業(yè)裝備步行進(jìn)出隧道。在攜帶打冰作業(yè)裝備的情況下，人在隧道內(nèi)的行走速度大約只有1 km/h，僅僅行走本身就消耗了大部分打冰人員的工作時間和體力。對于1 條長4 km 的隧道，除去打冰作業(yè)本身消耗的時間外，作業(yè)人員往返隧道中央的時間就需要4 h。更為不利的情況是，往往打冰作業(yè)人員作業(yè)完畢后，尚未走出隧道，新的結(jié)冰體就又形成了。此種情況下，作業(yè)人員只能分組輪番進(jìn)入隧道進(jìn)行打冰作業(yè)，效率之低下可見一斑。對于長度更長的隧道，打冰作業(yè)人員一個班的工作時間往往大部分都用到了進(jìn)出隧道的行走上了。

打冰作業(yè)的經(jīng)濟成本也是巨大的。不計作業(yè)過程中偶發(fā)的攔停列車等影響運輸效率帶來的經(jīng)濟損失，僅作業(yè)隊伍本身的人員消耗就十分可觀。以某運輸專線為例，約300 km 長的線路，由于隧道眾多，且多數(shù)結(jié)冰，每年就需要約200 人的打冰作業(yè)人員。以每人每日勞務(wù)費用150 元計，吃、住、交通費用按100 元計，每個月一個人的費用支出就達(dá)到7 500 元。200人的月支出就是150 萬元。通常北方地區(qū)每年的打冰作業(yè)時間大約是5～6 個月，以5 個月計算就是750 萬元。加上偶發(fā)的影響列車運行帶來的運輸收入損失和人員事故損失，經(jīng)濟成本更加巨大。在現(xiàn)下人工打冰作業(yè)的條件下，這些費用的投入是年復(fù)一年持續(xù)投入的必須費用，經(jīng)年累月的綜合投入是驚人的。如果使用本文研究的成果替代人工打冰作業(yè)，一次投入，多年受益。既解決了人工打冰作業(yè)需要的持續(xù)投入，又避免了人工作業(yè)帶來的各種風(fēng)險。

以上特點證實，該熱風(fēng)式融冰方案不僅在理論上是可行的，在實際運用、能源消耗、操作便捷、可靠性、風(fēng)險防范等方面都能夠十分有效的替代人工作業(yè)。

7 結(jié)語

經(jīng)過理論分析、方案論證、試驗樣機制作及現(xiàn)場實際測試所獲得的試驗結(jié)果證明，用熱風(fēng)在隧道內(nèi)建立一個局部人工環(huán)境的方法來消除已經(jīng)出現(xiàn)的結(jié)冰，繼而防止相關(guān)區(qū)域內(nèi)再發(fā)生結(jié)冰的方法具有十分重要的實用價值。該方法一改既往被動式除冰的作業(yè)方法，是一種主動防止結(jié)冰的方式，即能最大限度地確保隧道內(nèi)的行車安全、保證運輸效率，又能在一定程度上減輕由于結(jié)冰對隧道建筑的破壞，是一舉多得的方法。