長區間隧道凍結法施工冷卻水二次降溫系統設計

周可發, 黃寶龍, *

(1. 北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013; 2. 礦山深井建設技術國家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

人工凍結技術已廣泛應用于礦山與市政工程建設,取得了顯著的經濟效益與社會效益。眾多科研人員對提高凍結效率和凍結可靠性進行了廣泛研究。例如: 張琛等[1]探究了盾構隧道聯絡通道凍結加固工程中鹽水降溫計劃對凍結進程的影響規律,得出在10～-20 ℃降低鹽水起始溫度、在起始鹽水溫度和終止鹽水溫度不變的情況下增大降溫梯度2種方式都可以加快凍結進程;詹興泰[2]研究了凍結調控對凍結壁交圈、井幫溫度降溫速率以及凍結壁有效厚度發展速度的影響;郜新軍等[3]、黃建華等[4]、張英智等[5]對地鐵聯絡通道在凍結法施工中的溫度場變化及地表變形規律進行了研究。大型地下空間建設采用凍結法施工日益增多,引起了諸多科研人員的關注[6-8]。為了研究滲流對凍結體的影響,單仁亮等[9]、張松等[10]建立了凍結模型試驗系統,得到了滲流條件下凍結壁的溫度場演化規律。

凍結法的原理是通過制冷系統與所凍結的地層進行熱交換,從而實現地層降溫。市政凍結冷卻水循環系統是凍結系統的3個循環系統之一,其作用是冷卻冷凝器中的高溫高壓制冷劑,并將其從地層中吸收的熱量排入環境中去。

市政工程采用凍結法施工時,當冷凍站布置在通風不暢的長距離區間隧道內或處于氣溫較高的室外時,經常會遇到冷凍機因排氣壓力高而導致鹽水降溫緩慢,甚至可能出現冷凍機因排氣壓力過高而停機的情況,嚴重影響凍結系統的正常運行和凍結帷幕加固體的質量。目前,還未有關于解決上述問題的文獻報道,僅有一些科研人員研究了冷卻水循環系統的自動控溫和節能裝置[11-15]。

針對上述問題,本文設計一種長區間隧道凍結法施工冷卻水二次降溫系統,該系統可有效解決環境溫度高且散熱不佳所引起的鹽水降溫效果差的問題,特別適合用于地下長距離隧道內凍結施工及炎熱的夏季地面凍結施工。

1 冷卻水二次降溫系統工作原理

1.1 問題的提出

根據能量守恒定律可知,凍結施工的本質是將待凍結地層中的熱量及冷凍機壓縮機的工作熱量順暢排入大氣環境中去。當環境溫度不利于排熱時,應該采取增加輔助降溫措施以解決排熱問題。區間隧道聯絡通道凍結法施工通常將冷凍站設置在隧道內,當區間長度超過1 km時,隧道自然通風效果已不太理想;若采取強制通風,會增加凍結體冷量損失,影響凍結效果。

市域鐵路區間平均長度大都超過3 km以上,這給隧道內凍結法施工造成困難,將凍結法施工的冷卻水系統置于隧道外附近地面或工作井中板上可避免長隧道內環境溫度高的問題,但當室外環境溫度較高時,冷卻水散熱效果也不佳。本文主要針對室外環境溫度高時的長區間隧道凍結法施工冷卻水降溫效果不佳所引起的鹽水降溫效果差的問題進行研究。

1.2 冷卻水二次降溫系統的組成及運行機制

本文所提出的長區間隧道凍結法施工冷卻水二次降溫系統(見圖1)由冷卻水二次降溫冷凍機、中溫清水泵、高溫清水泵等設備組成,利用上述設備的科學組合給既有凍結系統的冷卻水二次降溫。該系統的運行機制如下: 1)中溫清水泵將一次冷卻水送入冷卻水二次降溫冷凍機蒸發器后變成二次冷卻水。2)將一次冷卻水與二次冷卻水混合后,經高揚程清水泵送入工作面的冷凍機組。3)混合冷卻水經工作面冷凍機冷凝器吸熱后,回路冷卻水返回地面中溫冷卻塔降溫后進入中溫清水箱(即為一次冷卻水),該一次冷卻水又進入冷卻水二次降溫冷凍機,如此往復循環。另外,需將冷卻水二次降溫冷凍機設置在空調工況下工作,這樣既可以有效降低冷卻水溫度,也可防止蒸發器內溫度過低結冰造成冰堵。同時,冷卻水降溫冷凍機的冷卻水溫度也會增加,可將排熱溫差進一步加大,更利于散熱。

圖1 冷卻水二次降溫系統流程圖

1.3 冷卻水二次降溫系統的有效性分析

冷凍機制出的冷量在蒸發器內通過熱交換傳遞給載冷劑,此過程對制冷劑來說是一個吸熱過程,而對載冷劑(或待凍結體)來說是個放熱降溫過程。當制冷劑吸熱時,熵值增加;當制冷劑釋放熱量時,熵值降低;當制冷劑既不吸熱也不放熱時,熵值保持不變。

冷卻水二次降溫制冷循環溫熵如圖2所示。圖中,冷卻水二次冷卻前所對應的制冷劑冷凝溫度為TK,冷卻水二次冷卻過程即相當于高壓液態制冷劑再冷卻過程(過程3—3′),3′所對應的TSC稱為二次降溫后制冷劑冷凝溫度,TK與TSC的差值ΔtSC稱為再冷度。由圖2可知: 1)由于高壓液態制冷劑的再冷卻,在制冷過程(過程4′—1),制冷劑熵值增加了ΔSba; 2)增設冷卻水二次降溫系統后,即將隧道內低溫工況冷凍機的冷凝溫度從TK降至TSC,在壓縮機耗功量不變的情況下,單位質量制冷量增加了Δq0(面積a44′ba),制冷系數得到提高。由此可知,冷卻水二次降溫系統較常規冷卻水系統單位質量制冷劑的制冷能力有顯著提高。

T0—蒸發溫度; TK—冷凝溫度; p0—蒸發壓力; pK—冷凝壓力; q0—單位質量制冷劑所吸收的熱量; WC—單位質量制冷劑被壓縮所做的功。

冷卻水二次降溫系統試圖從源頭上解決了應用制冷技術時環境溫度高、通風不暢等不利因素所帶來的問題,該系統可廣泛推廣到市域鐵路長區間隧道聯絡通道凍結暗挖施工工程中,也可在炎熱的夏季廣泛應用。

2 冷卻水二次降溫系統應用實例

2.1 工程概況

上海市域鐵路機場聯絡線凌空路轉換井—浦東機場站區間采用凍結法施工聯絡通道。凌空路轉換井—浦東機場站區間線路全長約9.4 km,共設置15座聯絡通道(見圖3),中間風井將該區間分為2個施工區間,盾構從風井始發,分別于凌空路轉換井和浦東機場站接收,與此同時,15個聯絡通道也分成風井—浦東機場站區間6個和風井—凌空路轉換井區間9個的“6+9”形式。中間風井已將9.4 km長區間隧道一分為二(3.7 km+5.7 km),但3.7 km區間內仍布設6座聯絡通道(見圖3(b)),聯絡通道施工時的通風只能依靠在隧道內間隔布設軸流風機,但這樣很難形成穩定的風道,凍結施工中冷卻水系統需要向空氣中大量排熱,而長區間隧道內凍結系統因冷卻水系統排熱效果差,會造成冷凍機制冷劑的冷凝溫度升高,進而導致制冷能力下降,嚴重影響凍結效果。

(a) 1#—9#聯絡通道

(b) 10#—15#聯絡通道

2.2 常規冷卻水冷卻方式

10#—13#聯絡通道是該工程第1批采用凍結法施工的,其采用了常規冷卻水冷卻方式(見圖4)。考慮到隧道通風效果差,雖已將冷卻水冷卻系統布置在風井地面,冷卻水經冷卻塔冷卻后溫度仍較高(31 ℃),冷凍機的鹽水降溫較慢。若氣溫進一步升高,冷凍機甚至要被迫減載才可正常運行,嚴重影響凍結加固效果。

2.3 冷卻水二次降溫系統

6#—9#聯絡通道是該工程第2批采用凍結法施工的,其在常規冷卻水冷卻方式基礎上增設了一套本文所提出的冷卻水二次降溫系統(見圖5),增設設備主要包括冷卻水二次降溫冷凍機1臺、中溫清水泵2臺、高溫清水泵2臺、高溫冷卻塔2臺。冷卻水二次降溫冷凍機選用在空調工況(蒸發溫度5 ℃,冷凝溫度40 ℃)下運行的制冷機組。

圖4 常規冷卻水冷卻方式(單位: ℃)

1—中溫清水泵; 2—高揚程清水泵; 3—高溫清水泵; 4—冷卻水二次降溫冷凍機。

上海市域鐵路機場聯絡線聯絡通道凍結工程冷卻水二次降溫系統運行機制如下。

1)中溫清水泵將一次冷卻水(溫度為24 ℃)送入地面的冷卻水二次降溫冷凍機蒸發器。

2)一次冷卻水經冷卻水二次降溫冷凍機二次冷卻,降溫至15 ℃。

3)一次冷卻水與二次冷卻水混合(流量比為3∶1)后,經高揚程清水泵送入工作面冷凍機組,混合后冷卻水溫度為21 ℃。

4)混合冷卻水經工作面冷凍機冷凝器吸熱后,回路冷卻水溫度為25 ℃,回路冷卻水返回地面冷卻塔降溫。

5)回路冷卻水經冷卻塔降溫(降溫后冷卻水溫度為24 ℃)后進入中溫清水箱,該24 ℃冷卻水(即步驟1)中的一次冷卻水)又進入地面的冷卻水二次降溫冷凍機,如此往復循環。

6)地面的冷卻水二次降溫冷凍機設置1個獨立的排熱系統,通過9、10號冷卻塔將熱量排入地面大氣,高溫冷卻水進入冷卻塔前溫度為37 ℃,經冷卻后降至33 ℃。該37 ℃的高溫冷卻水與空氣產生較大的溫度差,更有利于冷卻水排熱冷卻。

通過地面冷卻水二次降溫冷凍機進一步將冷卻水溫度降低,并將熱量排入地面空氣中,即形成了一套完整的冷卻水二次降溫系統。

2.4 冷卻水二次降溫系統驗算

由能量守恒定律知: 冷凍機吸收的熱量Q1=冷卻水散熱量Q2-機組運行產生的熱量Q3。

由傳熱學定律可知,一定質量的物質升高或降低一定的溫度所吸收或放出的熱量

Q=cmΔt。

已知: 低溫冷卻水流量為100 m3/h,中溫冷卻水流量為300 m3/h,高溫冷卻水流量為300 m3/h。令A=Q/c=mΔt,A低=100×(24-15)=900 m3·℃/h,A中=300×(24-21)=900 m3·℃/h,A高=300×(37-33)=1 200 m3·℃/h,則冷凍機吸排熱比η=900/1 200=3/4。

經上述計算分析,從熱量傳遞及制冷機組運行情況看,本冷卻水二次降溫系統切實可行,能很好地解決凍結法施工采用常規冷卻水降溫方式冷卻水溫度高的難題。

2.5 冷卻水二次降溫系統應用效果及經濟性分析

2.5.1 冷卻水二次降溫系統應用效果

制冷系統中的冷卻水主要用于將制冷劑吸收的熱量和機組運行產生的熱量排入空氣中,冷卻水溫的高低在一定程度上會對凍結效果產生影響。上海市域鐵路機場聯絡線聯絡通道凍結工程中10#—13#聯絡通道采用了常規冷卻水系統方式凍結制冷,6#—9#聯絡通道采用的是冷卻水二次降溫系統進行凍結制冷。不同冷卻水降溫方式的鹽水溫度降溫曲線如圖6所示。

(a) 常規系統鹽水降溫曲線

(b) 二次降溫系統鹽水降溫曲線

不同冷卻水降溫方式的鹽水溫度如表1所示。

表1 不同冷卻水降溫方式的鹽水溫度

根據測溫孔實測數據,繪制出凍結25、40、55 d時的凍結帷幕發展演變圖,如圖7和圖8所示。

(a) 凍結25 d (b) 凍結40 d (c) 凍結55 d

(a) 凍結25 d (b) 凍結40 d (c) 凍結55 d

由圖7和圖8的凍結帷幕發展情況,得出3個時間節點最薄凍結帷幕厚度,如表2所示。

表2 不同冷卻水降溫方式的凍結帷幕厚度

由圖6—8和表1—2可知,冷卻水二次降溫系統與常規冷卻水系統相比,具有以下優勢:

《警察與贊美詩》描寫的是一位流浪漢蘇比，在寒風到來之際、為了免受寒風和饑餓的折磨，計劃到監獄里尋求安慰。為了實現這一理想，他先后六次惹是生非，但事與愿違，無疾而終，而正當他聽到教堂的贊美詩、靈魂受到感化后，決心改邪歸正、重新生活的時候，卻被警察以“莫須有”的罪名投進了監獄。[1]

1)鹽水降溫速率較快,可有效縮短凍結壁交圈時間。

2)凍結帷幕發展速度更快,縮短了積極凍結時間。

3)鹽水溫度低,凍結帷幕強度高,更安全可靠。

2.5.2 冷卻水二次降溫系統經濟性分析

二次降溫系統相對于常規冷卻方式在能耗方面更具優勢,從本應用實例全過程的開機情況可驗證二次降溫系統更經濟合理。

1)10#—13#聯絡通道同時開機4臺冷凍機(均在隧道內),給4個聯絡通道(10#—13#)凍結供冷。單座聯絡通道開機數量為1臺/d,開機凍結55 d后凍結效果已滿足開挖條件。經計算,積極凍結期共開機運行55臺班。

2)6#—9#聯絡通道同時開機5臺冷凍機(隧道內4臺,地面1臺冷卻水二次降溫冷凍機),給4個聯絡通道(6#—9#)凍結供冷。單座聯絡通道開機數量為1.25臺/d,開機凍結40 d后凍結效果已滿足開挖條件。經折算,積極凍結期共開機運行50臺班。

3)二次降溫系統相對于常規冷卻方式在成本支出方面也更具優勢。1套冷凍機組設備成本按綜合租賃單價8 000元/月計算,對單座聯絡通道而言,常規冷卻水系統冷凍機裝機1臺,二次降溫系統冷凍機裝機1.25臺,設備成本增加了2 000元/月。考慮到二次降溫系統將積極凍結時間縮短了15 d,節約了凍結運轉人工費;按2人倒班制及日工資150元計算,節約人工費4 500元。經初步核算成本,二次降溫系統較常規系統具有更好的經濟性。

綜上所述,冷卻水二次降溫系統與常規系統相比,不僅可獲得更低的鹽水溫度進而更早地達到設計凍結效果;而且從綜合設備成本和能耗成本看,冷卻水二次降溫系統較常規冷卻水系統在制出同等冷量的情況下,綜合成本低、能耗更少,具有更好的經濟性。

3 冷卻水二次降溫系統改進方向

冷卻水二次降溫系統經上海地鐵機場線長區間聯絡通道成功應用表明,該降溫系統具有較好的使用效果。為了拓展該系統的使用范圍,該冷卻水二次降溫系統可從以下方面進行改進。

1)結合工程實際,研發出更適應地下凍結工程環境的冷卻水降溫冷凍機組,將一般空調工況的蒸發溫度與冷凝溫度進行適當調整,可進一步提高降溫效率。例如: 提高蒸發器、冷凝器換熱面積,提高鹽水和冷卻水流量等。

2)優化冷卻水二次降溫系統中的高、中、低溫清水循環泵的搭配組合,可進一步提高降溫效果。

3)探索將中溫冷卻水替換為低濃度鹽水,冷凍機同步選用標準工況(蒸發溫度為-15 ℃,冷凝溫度為+35 ℃)制冷機組。

4 結論與討論

1)采用常規方式即冷卻水經冷卻塔冷卻后溫度為31 ℃,溫度仍較高;采用冷卻水二次降溫系統,混合后冷卻水溫度為21 ℃,降溫效果明顯,且本系統具有構造簡單、效率高、可靠性高等特點。

2)采用冷卻水二次降溫系統可使鹽水降溫速率較快,可有效縮短凍結壁交圈時間;鹽水溫度低,凍結帷幕強度高。與常規系統相比,制出同等冷量的綜合能耗更少,經濟性更好。

3)冷卻水二次降溫系統試圖從源頭上解決應用制冷技術時所面臨的環境溫度好、通風不暢等不利因素所帶來的問題,可消除冷凍機停機隱患,保障凍結法施工安全可靠進行。該系統可在長區間隧道聯絡通道凍結暗挖施工工程中廣泛推廣,亦可在炎熱的夏季廣泛應用。

4)冷卻水二次降溫系統的后續研究可從調整蒸發溫度與冷凝溫度,提高蒸發器及冷凝器換熱面積,提高鹽水和冷卻水流量,變換高、中、低溫循環泵的組合方式,改變冷卻液類型等方面進行。