盾構機工業水循環系統設計

牟映潔，胡廣權，柳艷清

(北京華隧通掘進裝備有限公司，北京 100081)

0 引言

盾構機在正常掘進時，機內液壓系統、主驅動部分及配電柜內電器部件等往往會產生大量的熱量，使電機、泵等設備及隧道內的環境溫度升高，一旦溫度過高，會造成設備損壞和人員危險，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土壓平衡盾構機的溫度測試數據及盾構機的有關技術參數進行分析，得出冷卻水攜帶的熱量占總熱量的37.7%;凌鐵堅等［2］根據施工經驗對盾構液壓系統的油溫控制提出了幾種措施。以上研究都涉及到盾構機的水冷卻問題，同時盾構機還需要外部供水，提供給隧道內部清潔以及泡沫、注漿等注入系統，由此可以看出水對盾構機施工的重要性。

由于目前盾構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盾構機為例，提出大型盾構機應采用循環冷卻水，并對盾構機循環冷卻水系統的設計進行了介紹和分析，以期為類似工程提供參考。

1 工業水循環系統流程

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

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

閉式系統(內循環)由儲水罐、內循環水泵、閥門、壓力表、定流量閥、單向閥及相關管路組成，閉式系統介質通常為冷卻液或軟水。

圖1 盾構機工業水循環系統圖Fig.1 Industrial water cycling system of shield machine

從經濟適用和現場實際工況考慮，本系統設備選型以內循環用軟水、外循環用河水的參數為基礎來計算選擇。

2 內循環關鍵設備計算選型

本系統選型計算以φ6 150 mm日立土壓平衡盾構機為例，相關發熱設備冷卻水量由相關廠家及其他系統熱力計算提供，冷卻水量的保持依靠恒定流量閥來實現。本盾構機內循環冷卻設備為主驅動電機、主驅動內外周密封夾套等。

2.1 計算參數依據

主驅動電機功率為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 內循環水泵計算

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

閉式循環系統中水泵的作用是輸送內循環水，使閉式循環中的水流動起來，同時因管路、設備等安裝固定，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包括水泵的流量、壓力等，現根據系統要求對泵的相關參數進行計算。

1)流量。根據輸送原理，水泵的最小流量Qmin應為主驅動電機及內外周密封夾套冷卻水量之和，即Qmin=150 L/min。

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

根據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(其他設備壓力損失)。因此，內循環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，同時考慮到加快內循環冷卻水的速率，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先工作區內運行，在離心泵出口安裝分流支路及節流閥，對泵的出口流量進行適度調節，使泵可以以穩定的狀態高效率地運行。

2.3 儲水罐容量計算

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

本系統設置的儲水罐與常用的膨脹罐作用略有不同。本系統儲水罐的主要作用有:1)向密閉式循環水系統提供穩定的壓力;2)作為系統補水的指示，由儲水罐液位控制發出報警信號確認系統是否補水;3)作為內循環水泵的入口容器，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象。

儲水罐的有效容積可根據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，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為系統總水容量，即系統管道及設備水的總容量，經計算參數約為5 m3。儲水罐的容積應大于此容積。

以上計算均為理想狀態下的理論計算，與其他廠家的盾構機對比后，設定儲水罐的容積為150 L。

2.4 換熱器計算

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

在具體的選型計算中，均須設計計算和校核計算。設計計算從工況出發，首先，根據給定的進出口溫度、進口水流量等參數，計算熱負荷、對數平均溫差及冷卻水流量等;然后，根據工況條件，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，并根據準則方程計算冷熱介質的雷諾數、普朗特數和努賽爾數;最終，根據冷熱介質的相關參數計算出總換熱系數K。

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

確定相關換熱參數后計算冷熱介質的歐拉數，并計算壓降，當實際壓降超過允許值時應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。

根據實際應用及電機允許溫度，本盾構機設定的條件為:內循環內熱水溫度為50℃，要求冷卻后水溫度為35℃，內循環須冷卻水量約12.5 m3/h(根據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。根據以上分析計算，本系統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，材質為304不銹鋼，密封墊選NBR。

3 外循環計算

經上述計算，外循環水量約為23 437.5 kg/h。因外循環水還須供前方用水，并且避免沿路泄漏損失。因此，需留一定余量，選定外循環水水量為25 m3/h，最小壓力約為0.3 MPa，水溫在一定范圍內越低越好。目前實際施工現場出現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，而且外循環水是在與內循環水熱交換后才供給油冷卻器;因此，外循環供水水溫通常要求在25℃以下，此為施工經驗值。

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

因外循環供水通常根據現場環境就地取水，水的溫度并不穩定。如果水溫高于25℃，通常需要冷卻塔或制冷機等相關設備對其進行冷卻，冷卻至25℃才能供盾構機使用，該問題需要在具體施工過程中根據現場使用情況做出判斷和解決。

4 水質要求

水質是盾構機工業水循環系統的重要組成部分，對盾構機的正常使用有著極其重要的意義。

4.1 內循環水

內循環水在管中流動，除換熱設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水的水質。為防止在換熱設備中造成鹽垢，冷卻水通常選用凝結水和除鹽水，為了防止換熱設備被腐蝕，應經常加入緩蝕劑。

4.2 外循環水

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

表1 盾構機主水水質要求Table 1 Water quality requirement

5 結論與建議

目前φ6 150 mm日立盾構機工業水循環系統在北京、南昌、無錫、沈陽等地的眾多地鐵隧道施工中得到了應用，冷卻效果明顯，主驅動溫度基本在35℃以下，盾構機內部環境溫度明顯降低，給施工人員創造了良好的作業環境。

由于盾構機在施工過程中通常是就地取水，對水質不做任何處理，容易造成管路生銹結垢，導致管路堵塞或設備損壞，給盾構機施工造成不利影響。以往盾構施工外供水須約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。本系統的外供水一直處于循環狀態，只消耗盾構機內部的清潔及系統用水，基本不會造成浪費。

盾構機工業水循環系統設計不僅要考慮水的熱平衡，同時也要考慮循環水系統的水質平衡問題，因此，在設計中還需要有對外供水進行二次處理的設計方案及污水的處理方案，從而保證盾構機能高效率地施工，減少對環境的影響。

［1］ 劉殿勇，張寧川.盾構機掘進熱平衡問題的分析與計算［J］.隧道建設，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.盾構液壓系統的油溫控制［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:化學工業出版社，2008:281-289.

［5］ 金亞飚.鋼鐵企業工業循環冷卻水系統水力平衡設計［J］.給水排水，2008(3):71-74.