青島地鐵雙護(hù)盾TBM水系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化

郭 志，田 斌，丁紹軍，唐希剛，樊治國，劉桂濤

（中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司，山東 青島 266111)

雙護(hù)盾TBM 以其良好的地質(zhì)適應(yīng)性、施工安全性、施工靈活性及對環(huán)境友好性等特點(diǎn)被應(yīng)用于青島地鐵巖石地層的隧道掘進(jìn)。雙護(hù)盾TBM施工過程中電機(jī)、減速機(jī)、變頻器、空壓機(jī)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等發(fā)熱設(shè)備需通過水冷卻散熱；刀盤破巖后的除塵降溫、注漿管路及部分設(shè)備的清理等需要用水沖洗，所以水系統(tǒng)作為雙護(hù)盾TBM 的基本系統(tǒng)，其工作狀況的優(yōu)劣直接影響到設(shè)備整機(jī)能否正常運(yùn)行。

雙護(hù)盾TBM 在青島地鐵2 號線施工過程中存在的水系統(tǒng)換水、排水頻繁，偶發(fā)內(nèi)循環(huán)溫度高甚至導(dǎo)致設(shè)備報警停機(jī)的情況[1～2]，本文通過對該項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)的原理分析及熱平衡計算并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了該系統(tǒng)原理設(shè)計存在的不足，揭示了隧道供水條件對內(nèi)循環(huán)冷卻效果的影響因素及規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對水系統(tǒng)原理設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化探討和進(jìn)一步熱平衡分析，論證該優(yōu)化后的系統(tǒng)原理可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并降低隧道供水條件對雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

1 水系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)原理

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)原理如圖1 所示，由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大部分組成。內(nèi)循環(huán)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，軟水流經(jīng)主驅(qū)動電機(jī)、主驅(qū)動減速機(jī)、變頻柜、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及空壓機(jī)帶走這些部件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，其中空壓機(jī)冷卻為獨(dú)立的閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)；外循環(huán)為開、閉式相結(jié)合的循環(huán)系統(tǒng)，隧道進(jìn)水依次流經(jīng)進(jìn)水水管卷筒、過濾器、內(nèi)循環(huán)散熱器并最終進(jìn)入水箱，該過程為內(nèi)循環(huán)實(shí)施換熱冷卻。流入水箱的水一部分用于刀盤噴水、設(shè)備沖洗等的施工用水，在溫度不超過排水臨界溫度時外循環(huán)開啟閉式循環(huán)模式，水箱的水泵送至外循環(huán)進(jìn)水管路換熱器前端，循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)；溫度超過排水臨界溫度時外循環(huán)開啟開式循環(huán)模式，將水箱的水排放至隧道，同時由隧道供水繼續(xù)對內(nèi)循環(huán)實(shí)施換熱冷卻并最終流入水箱。該系統(tǒng)設(shè)置3 個溫度傳感器，溫度傳感器1監(jiān)測外循環(huán)進(jìn)水溫度，溫度傳感器2 監(jiān)測內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度，溫度傳感器3 監(jiān)測水箱溫度，即外循環(huán)回水溫度。當(dāng)溫度傳感器2 監(jiān)測溫度超過臨界值時會觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施報警停機(jī)；當(dāng)溫度傳感器3 監(jiān)測溫度超過臨界值時會觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施外循環(huán)系統(tǒng)的開、閉式模式切換。開、閉式相結(jié)合的外循環(huán)設(shè)計，其出發(fā)點(diǎn)為通過使水箱的水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)，以達(dá)到隧道供水充分利用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。

圖1 水系統(tǒng)原理圖

1.2 熱平衡計算

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 需實(shí)施水冷卻的發(fā)熱設(shè)備包括主驅(qū)動電機(jī)、主驅(qū)動減速機(jī)、變頻柜、液壓泵站、潤滑泵站和空壓機(jī)，通過閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中，空壓機(jī)由于所需冷卻水流量較大、發(fā)熱功率較高，為節(jié)約用水并保證冷卻效果，由獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)單獨(dú)實(shí)施冷卻。上述各設(shè)備的功率及效率可從供應(yīng)商手冊獲得。由功率及效率可據(jù)公式 計算出各設(shè)備的發(fā)熱功率[3～4]。該水系統(tǒng)內(nèi)、外循環(huán)水設(shè)計流量，換熱器換熱面積等參數(shù)詳見表1。

定義外循環(huán)水流經(jīng)換熱器的進(jìn)水口和出水口溫度分別為T1和T2，溫差ΔT=T2-T1；內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)換熱器的進(jìn)水口和出水口溫度分別為t1和t2，溫差Δt=t1-t2；流經(jīng)空壓機(jī)獨(dú)立內(nèi)循環(huán)換熱器內(nèi)、外循環(huán)水的進(jìn)出口溫度分別為t1′，t2′和T1′，T2′，其中T1′=T2。溫差分別為Δt′=t2′-t1′和ΔT′=T2′-T1′。接下來研究影響外循環(huán)回水溫度即水箱溫度T2′與內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的因素及規(guī)律，探討造成水系統(tǒng)換水、排水頻繁及內(nèi)循環(huán)報警停機(jī)的原因。

表1 水系統(tǒng)參數(shù)

熱交換量計算公式為

平均溫差計算公式（Δt/ΔT≤2 時）為

換熱面積計算公式

式中c——水的比熱容，c=4.18×103kg/m3；

ρ——水的密度，s=1×103kg/m3；

K——傳熱系數(shù)，對于水水換熱的板式換熱器，供應(yīng)商計算取值K=6233W/m2℃。

綜合運(yùn)用式（1）～式（3），可推導(dǎo)出水箱溫度T2′（外循環(huán)回水溫度），內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的表達(dá)式，推導(dǎo)過程不在此贅述。

在不考慮內(nèi)循環(huán)失水及換熱器內(nèi)部結(jié)垢影響內(nèi)循環(huán)進(jìn)水流量和熱交換器傳熱系數(shù)的情況下，分析式（4）～式（6）可知，影響水箱溫度T2′和內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2、t2′的主要因素為外循環(huán)進(jìn)水溫度T1和流量Q外。假定外循環(huán)進(jìn)水流量固定或溫度固定的情況下，外循環(huán)進(jìn)水溫度或流量對內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和水箱溫度的影響規(guī)律如圖2 所示。

圖2 外循環(huán)進(jìn)水溫度或流量對水系統(tǒng)影響

1.3 故障分析

本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)設(shè)計外循環(huán)進(jìn)水溫度T1≤25℃，進(jìn)水流量Q外≥58.8m3/h。綜合考慮內(nèi)循環(huán)各系統(tǒng)及部件最高允許進(jìn)水溫度，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度報警停機(jī)臨界值為設(shè)定為37℃；水箱排水臨界值設(shè)定為34℃。為便于定量分析，取外循環(huán)進(jìn)水溫度 在25～34℃并以1℃的梯度變化時，可求得相應(yīng)的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2，空壓機(jī)進(jìn)水溫度t2′及水箱溫度T2′，如表2 所示。

由表2 可知，當(dāng)外循環(huán)進(jìn)水溫度為25℃時，流經(jīng)換熱器后內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和空壓機(jī)進(jìn)水溫度均在允許范圍之內(nèi)，最終流入水箱的溫度為34℃（參見表2 第1 行）。若利用水箱內(nèi)該溫度的水對內(nèi)循環(huán)實(shí)施循環(huán)冷卻，此時內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度將超過37℃，空壓機(jī)進(jìn)水溫度將接近44℃（參見表2第10 行），理論上會觸發(fā)電控系統(tǒng)報警停機(jī)。若取消從水箱取水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)的功能，根據(jù)表2 可知，即使外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到28℃時，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度和空壓機(jī)進(jìn)水溫度也可控制在允許范圍之內(nèi)，水系統(tǒng)可正常運(yùn)行（參見表2 第4 行）。由此可知，在外循環(huán)進(jìn)水溫度超過25℃時從水箱取水循環(huán)冷卻內(nèi)循環(huán)并不適用，且外循環(huán)會持續(xù)在開式和閉式模式間切換，水系統(tǒng)頻繁換水、排水。如果外循環(huán)進(jìn)水溫度超過25℃時一直處于開式模式，雖可減小外循環(huán)進(jìn)水溫度升高對水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，但會加大外循環(huán)回水在隧道的排放，造成水資源的浪費(fèi)并污染施工環(huán)境。

表2 溫度分析表

由圖2 及表2 可知，在外循環(huán)進(jìn)水流量滿足Q外=58.8m3/h 的情況下，理論上外循環(huán)進(jìn)水溫度超過33℃時會導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度超過允許臨界值進(jìn)而觸發(fā)電控系統(tǒng)實(shí)施報警停機(jī)；此外，若外循環(huán)進(jìn)水流量不足也會加劇對水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，所以在外循環(huán)進(jìn)水流量不足時，即使溫度低于33℃也會出現(xiàn)內(nèi)循環(huán)溫度升高導(dǎo)致設(shè)備報警停機(jī)的情況。但是，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，在外循環(huán)進(jìn)水溫度超過33℃甚至達(dá)到35℃時，設(shè)備仍在正常運(yùn)行。這主要是因上述過程發(fā)熱功率是依據(jù)各發(fā)熱設(shè)備的額定功率計算獲得，然而在設(shè)備正常掘進(jìn)時，主驅(qū)動在恒扭矩狀態(tài)工作，實(shí)際使用功率不足額定功率的50%，若依此計算，外循環(huán)進(jìn)水溫度33℃時的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度34.9℃，；外循環(huán)進(jìn)水溫度35℃時的內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度36.9℃，計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)較吻合，仍低于設(shè)備報警停機(jī)的設(shè)定臨界值，故能正常掘進(jìn)，但外循環(huán)進(jìn)水溫度超過33℃時會使空壓機(jī)內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度接近39℃超過允許范圍，有誘發(fā)空壓機(jī)內(nèi)部潤滑油變質(zhì)的風(fēng)險，易引起空壓機(jī)設(shè)備故障。

2 水系統(tǒng)優(yōu)化探討

由上述分析可知，本項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)采用開、閉式相結(jié)合的外循環(huán)原理設(shè)計，在進(jìn)水溫度超過25℃時并不適用；開放式外循環(huán)設(shè)計易導(dǎo)致水資源浪費(fèi)且水排放污染隧道施工環(huán)境；外循環(huán)進(jìn)水缺乏有效的控制措施易導(dǎo)致溫度升高、流量降低等，這些不利因素影響到水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。需對水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高雙護(hù)盾TBM 應(yīng)用于城市地鐵隧道施工時的適應(yīng)性。

2.1 系統(tǒng)原理優(yōu)化

優(yōu)化后水系統(tǒng)原理如圖3 所示，仍由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大部分組成。內(nèi)循環(huán)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，但考慮到液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)允許的溫升范圍較高，接近50℃，故采用梯級冷卻的理念將其移至外循環(huán)實(shí)施冷卻，以此可減少內(nèi)、外循環(huán)水的流量需求，其它保持不變；外循環(huán)與隧道供水綜合考慮，設(shè)計為大型閉式循環(huán)系統(tǒng)。隧道供水依次流經(jīng)進(jìn)水水管卷筒、過濾器、內(nèi)循環(huán)散熱器、空壓機(jī)獨(dú)立內(nèi)循環(huán)散熱器，液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)后，在水箱低液位時為其補(bǔ)水，高液位時經(jīng)回水增壓泵，回水水管卷筒實(shí)現(xiàn)隧道回水，在隧道口設(shè)置儲水箱并增設(shè)冷卻塔，對隧道回水實(shí)施循環(huán)冷卻，使水溫達(dá)到使用條件并重復(fù)利用。水箱的儲水完全用于刀盤噴水、設(shè)備沖洗等的施工用水。

圖3 優(yōu)化后水系統(tǒng)原理圖

2.2 熱平衡分析

優(yōu)化后水系統(tǒng)發(fā)熱設(shè)備的冷卻分為三級進(jìn)行，主驅(qū)動電機(jī)、主驅(qū)動減速機(jī)、變頻柜通過閉式內(nèi)循環(huán)冷卻，為第一級；空壓機(jī)通過獨(dú)立的閉式內(nèi)循環(huán)冷卻，為第二級；液壓泵站、潤滑泵站通過外循環(huán)冷卻，為第三級。因液壓泵站、潤滑泵站的冷卻也是通過換熱器實(shí)現(xiàn)的油、水換熱，第三級冷卻也理解為一個獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)。由于將液壓泵站和潤滑泵站移出了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，故該系統(tǒng)所需冷卻水流量減少，考慮 不變的前提下，外循環(huán)進(jìn)水流量相應(yīng)減少，因此達(dá)到了節(jié)水的目的。優(yōu)化后水系統(tǒng)參數(shù)如表3 所示。

因優(yōu)化后的水系統(tǒng)發(fā)熱設(shè)備分三級逐級冷卻，補(bǔ)充定義外循環(huán)水流經(jīng)第三級冷卻時進(jìn)水口和出水口溫度分別為T1″和T2″，其中T1″=T2′。為便于定量分析，采用1.3 節(jié)同樣的方法，取外循環(huán)進(jìn)水溫度在25～34℃并以1℃的梯度變化時，綜合運(yùn)用式（1）～式（3）可求得內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度t2，空壓機(jī)進(jìn)水溫度t2′，第三級冷卻外循環(huán)進(jìn)水溫度T1″及出水溫度T2″，即回水溫度，如表4 所示。

根據(jù)表4 可知，即使外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到31℃時，內(nèi)循環(huán)進(jìn)水溫度、空壓機(jī)進(jìn)水溫度以及液壓泵站和潤滑泵站的冷卻水溫度也可控制在允許范圍之內(nèi)，水系統(tǒng)可正常運(yùn)行（參見表4第7行）。

2.3 優(yōu)化效果

優(yōu)化前后雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)的主要區(qū)別為：將開、閉式相結(jié)合的外循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化為綜合考慮隧道供水的大型閉式循環(huán)系統(tǒng)，優(yōu)化后不僅可徹底避免水系統(tǒng)頻繁換水、排水的情況，而且隧道供水可循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保功能。隧道口冷卻塔的設(shè)置可使隧道回水溫度循環(huán)冷卻至接近濕球溫度，使得隧道供水條件更能滿足水系統(tǒng)的需求。液壓泵站、潤滑泵站移到外循環(huán)實(shí)施梯級冷卻，使得所需外循環(huán)水的流量由原來的58.8m3/h 降低至48.2m3/h，水量需求減少約18%。然而，根據(jù)表4計算結(jié)果，即使在外循環(huán)水流量減少至48.2m3/h 的情況下，水系統(tǒng)在外循環(huán)進(jìn)水溫度達(dá)到31℃時仍能正常運(yùn)行，允許溫升范圍比優(yōu)化前提升3℃左右。綜上所述，優(yōu)化后的系統(tǒng)原理可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并降低隧道進(jìn)水條件對雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

表3 水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

表4 優(yōu)化后水系統(tǒng)溫度分析表

3 結(jié)論及討論

針對雙護(hù)盾TBM 在青島地鐵2 號線施工過程中水系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，通過對該系統(tǒng)的原理分析、熱平衡計算及優(yōu)化探討，形成結(jié)論如下。

1)開、閉式相結(jié)合的外循環(huán)原理設(shè)計在進(jìn)水溫度超過25℃時不適用，是造成雙護(hù)盾TBM 水系統(tǒng)換水、排水頻繁的根本原因。

2)外循環(huán)進(jìn)水溫度升高、進(jìn)水流量不足或二者綜合作用是造成內(nèi)循環(huán)溫度升高進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備報警停機(jī)的根本原因。

3)雙護(hù)盾TBM 應(yīng)用于城市地鐵隧道施工時，液壓泵站、潤滑泵站的冷卻移到外循環(huán)實(shí)現(xiàn)，外循環(huán)設(shè)計時與隧道供水綜合考慮，設(shè)計為大型閉式循環(huán)系統(tǒng)，并在隧道外設(shè)置冷卻塔對隧道回水循環(huán)冷卻，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、環(huán)保并滿足水系統(tǒng)的進(jìn)水條件。