盾構(gòu)機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)換熱效率的探討

趙海罷

摘要：在盾構(gòu)機(jī)的使用過程中，盾構(gòu)機(jī)所使用的換熱器由于機(jī)械故障造成換熱效率下降影響機(jī)械使用，是目前較為普遍的問題。本文為了能夠提升盾構(gòu)機(jī)的換熱效率，對某品牌盾構(gòu)機(jī)的換熱器故障進(jìn)行了分析，并結(jié)合了循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)換熱效率的提升。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；循環(huán)水系統(tǒng)；換熱效率；節(jié)能設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.023

0前言

在地下隧道的施工當(dāng)中，復(fù)雜的地質(zhì)和地形、較高的地下水位等都會對工程施工安全產(chǎn)生威脅，因此在目前的施工機(jī)械選擇中，多數(shù)施工團(tuán)隊(duì)都會選擇盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工。在盾構(gòu)機(jī)使用過程中，掘進(jìn)需要將熱量和用水吸收，因此其換熱效率和節(jié)能要求尤其重要，需要相關(guān)設(shè)計者認(rèn)真對待。

1盾構(gòu)機(jī)內(nèi)循環(huán)水故障和換熱效率提升

（1）故障現(xiàn)象。本文所調(diào)查研究的盾構(gòu)機(jī)是國外著名品牌海瑞克所生產(chǎn)的s系列盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品，在盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，通過齒輪箱的換熱器來進(jìn)行換熱。故障發(fā)生時，工作人員檢查發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)機(jī)當(dāng)中，刀盤驅(qū)動的齒輪箱開始嚴(yán)重漏油，同時，齒輪箱的油位較正常油位標(biāo)準(zhǔn)高出了0.9m，油色呈現(xiàn)出乳白色，同時與齒輪箱相連接的換熱器已經(jīng)停止工作。

（2）原因分析。S系列的盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行的過程中，會通過刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)形成熱量，為了保證機(jī)械對于熱量的控制能夠在合理的范圍內(nèi)，在設(shè)計之初，設(shè)計師即將水冷換熱器加裝于刀盤驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)中，并對齒輪油進(jìn)行冷卻。因此換熱器需要具備四個通道，分別為進(jìn)油、出油、進(jìn)水、出水。其中，進(jìn)油通道和出油通道利用圓形銅管與換熱器相連接，銅管內(nèi)部負(fù)責(zé)齒輪油的傳送。銅管的外側(cè)則是冷卻水的通道，冷卻水從進(jìn)水通道流入換熱器中，再從排水通道排出，通過固定壓力實(shí)現(xiàn)循環(huán)，從而帶走齒輪油所產(chǎn)生的熱量。

結(jié)合這一原理可以對故障形成進(jìn)行判斷。由于故障現(xiàn)象當(dāng)中油色呈現(xiàn)出乳白色，則可以斷定發(fā)生了油水的混合，表明有冷卻水流入齒輪箱。因此可以推測，由于內(nèi)循環(huán)冷卻水的長時間使用，并且冷卻水不是除鹽水或凝結(jié)水，導(dǎo)致銅管內(nèi)壁遭受到腐蝕，最終導(dǎo)致銹透造成管道破裂，使換熱器發(fā)生損壞。除此之外，管道線路接通錯誤，也有可能造成進(jìn)出水管道連接失敗，使換熱器內(nèi)部壓力增加，管壁憋漏，造成損壞。

（3）故障排查。在對相關(guān)人員進(jìn)行咨詢后，工作人員對冷卻水進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻水選用為合格水品，循環(huán)水狀態(tài)較為清澈，表明第一種推測原因可以被排除。故障排查工作轉(zhuǎn)入第二種故障推測當(dāng)中。在對所有管路進(jìn)行詳細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)換熱器所使用的冷卻水管路出現(xiàn)了接通錯誤，其中將進(jìn)水通道和出水通道都接入了進(jìn)水管當(dāng)中。該型號的S系列盾構(gòu)機(jī)內(nèi)循環(huán)水的固定壓力為5Pa，隨著接通錯誤，壓力會在水管當(dāng)中逐漸升高，最終造成管路破裂。冷卻水在壓力的作用下，流入齒輪油管路中，使齒輪油液面升高，并與油混合形成乳白色液體。為了能夠使盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)工作，本文首先將主驅(qū)動齒輪箱當(dāng)中的舊油排出，再認(rèn)真清洗箱體，選用新的換熱器，重新安裝，保證水油管路的連接正確，加入新齒輪油，重新啟動，機(jī)器恢復(fù)正常，換熱效率得到了保障。

2盾構(gòu)機(jī)外循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

作為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的代表，S系列盾構(gòu)機(jī)在使用過程中，換熱器損壞較為普遍，通過更換換熱器的方式保證盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過程中的換熱效率，治標(biāo)不治本。為了能夠從根本解決換熱器問題，本文從節(jié)能需求角度，設(shè)計了外循環(huán)水系統(tǒng)，保障換熱器的正常運(yùn)行，提升換熱效率。

（1）水質(zhì)和管路選擇。與前文的內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)不同，外循環(huán)水系統(tǒng)為開放設(shè)計，水在與大氣進(jìn)行接觸后，進(jìn)入到循環(huán)水當(dāng)中，通過水箱、水泵、氣壓罐的共同作用，在盾構(gòu)機(jī)換熱器外完成循環(huán)。但是在循環(huán)過程中，冷卻水會與微生物、灰塵等發(fā)生接觸，因此對水質(zhì)和管路的要求也就更高。水質(zhì)方面，為了保證循環(huán)水的要求，一般要求流體溫度不超過25℃，水壓不低于0.3MPa，總硬度小于11°，pH值呈中性，在6-8之間。此外，碳酸鹽硬度、非碳酸鹽硬度、酸堿基團(tuán)、微量元素含量等也都有具體要求。管路方面，通過計算，為了保證循環(huán)水能夠起到冷卻作用，外循環(huán)水量需要為每小時25m³，其最小壓力為0.3MPa，傳統(tǒng)銅管無法承受這一壓力，會出現(xiàn)泄漏損失，造成損壞，因此本文選擇DN80冷拔無縫鋼管作為外循環(huán)管路的選型。

（2）水泵設(shè)計。在盾構(gòu)機(jī)的使用過程中，水泵需要進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，為了保證運(yùn)行質(zhì)量，本文選用三臺水泵供水方案，避免一臺水泵損壞造成停機(jī)。在水泵的系統(tǒng)設(shè)計中需要包含三個部分，分別為水泵機(jī)組、控制柜、官網(wǎng)疊壓控制系統(tǒng)。其中水泵機(jī)組需要根據(jù)實(shí)際的盾構(gòu)機(jī)選擇揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、流量等數(shù)據(jù)，控制柜為了適應(yīng)操作，需要具備手動控制和自動控制兩種控制方式，并且需要實(shí)現(xiàn)多恒壓的出口變壓控制。本文在經(jīng)過對盾構(gòu)機(jī)的計算后，測定其揚(yáng)程為130m，流量為25m³/h，因此選用由上海某公司所生產(chǎn)的KQD型號水泵，三臺水泵組成機(jī)組，其中兩臺作為主泵設(shè)備，一臺備用。同時選用了同由該公司生產(chǎn)的KQK型控制柜，該型號控制柜的液晶顯示屏除了能夠?qū)Χ搪贰⑦^載、缺相等信息進(jìn)行分析和顯示，還具備報警功能。

官網(wǎng)疊壓控制系統(tǒng)為智能控制系統(tǒng)，包括多個組成部分，其中有：變頻器負(fù)責(zé)調(diào)解頻率、PID調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)微積分模擬運(yùn)算，傳感接收器負(fù)責(zé)水壓模擬信號處理、中間繼電器幫助信號完成放大、指示燈可以利用冷光源顯示當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)、保護(hù)斷路器則需要在系統(tǒng)發(fā)生如短路、缺相故障時，通過短路完成系統(tǒng)保護(hù)。通過完成的循環(huán)方案，可以保證外循環(huán)水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的控制，提升換熱效率。

3結(jié)論

換熱效率是盾構(gòu)機(jī)在工作過程中的安全保證，同時也是提升施工工人人身安全的重要前提。就目前來說，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)的換熱器當(dāng)中較為普遍，但是其弊端也同樣明顯。外循環(huán)水系統(tǒng)可以通過智能化的設(shè)計來使換熱效率得到保證，實(shí)現(xiàn)智能控制，值得引進(jìn)和推廣。