地鐵管片蒸養溫度控制系統研制

陳德超

中鐵十一局集團有限公司 湖北 武漢 430061

1 引言

近年來，隨著城市交通的快速發展，很多城市已經擁有或正在建造地鐵，我國的地鐵建設已經進入高峰期[1,2]。隨著盾構技術的推廣，在非巖石地段，各城市基本上都采用了盾構成洞方式，其中盾構法主要采用管片作為隧道的永久襯砌[3]，如圖1所示。因此，管片生產速度和產品質量直接影響著盾構法施工的進度和地鐵工程安全質量[4]。

圖1 盾構技術及管片生產

為加快管片生產的速度，通常采取蒸養技術加速水泥的水化。蒸養工藝是盾構水凝土管片生產過程中非常重要的工藝[5]。在該工藝過程中需要嚴格控制蒸養室內的。蒸養室體積龐大，結構復雜，各室體和外部環境之間不斷進行能量交換，控制過程極為復雜。如何保證蒸養室內溫度穩定和均勻分布，對提高管片生產效率和質量具有重要意義。因此，本文研究了一種新的溫度控制系統，從控制系統、加熱系統及測溫系統對傳統蒸養方式進行改造升級，實現了蒸養爐內溫度均勻分布的控制，在保證管片質量的同時，極大地縮短了蒸養等待時間。

2 溫度控制系統設計

地鐵管片蒸養溫度控制系統研制研制成本低，且經過升級改造的系統能達到較好的實施效果。蒸養溫度控制系統分為升溫、恒溫、降溫三個區域，只需從加熱系統、控制系統、溫度測量系統著手進行研制，就可以改變蒸養室的溫度，縮短蒸養時間，達到設計規定脫模強度，滿足進度要求。實現蒸養溫度控制系統自動控制需要完成控制系統、加熱系統以及測溫系統這三個系統的制作，而針對這三個系統，可采用的實施方案如圖2所示。

圖2 溫度控制系統實施可選方案

2.1 加熱方式

對于蒸養溫度控制系統而言，目前常用的加熱方式主要包括：干蒸方式、濕蒸方式及干濕結合方式等三種方式。干蒸加熱方式通常購置一片散熱片，將散熱片設置于蒸汽主管之上，實現加熱。在常溫下，散熱片升溫速度慢，但通常蒸養室內溫度均處于四十度以上，因此升溫時間對生產影響不大。濕蒸加熱方式通常在主管之上接入有孔支管，通過支管氣孔噴出蒸汽實現對蒸養室加熱，該方式改造簡單，前期改造費用低，但后期經濟性差。對于干濕結合加熱方式而言，通過將散熱片與蒸汽管道連接，并設置排氣支管，同時通過散熱器和主管噴出蒸汽實現加熱。該加熱方式改造后可操作性強，升溫速度快，但改造工期較長，改造費用高，后期經濟性較差。因此，綜合分析可操作性及經濟成本，本次選擇干蒸加熱方式。

圖3 干蒸和濕蒸加熱方式

通對蒸汽主管布置數量進行分析，最終決定采用在室內布置兩根蒸汽主管道進行供熱的布置方式。對蒸養室內四條軌道，采用間隔布置方式布置蒸汽管道。該布置方式改造量較小，成本較低，具有較好的經濟性，升溫速度滿足生產要求，且溫度均勻性較好。

通過對比“主管道直接連接”和“主管道+支管+散熱器連接”等兩種安裝方式可知，雖“主管道+支管+散熱器”連接方式安裝時間較長，但該方式具有很好的溫度均勻性和加熱效果，且安裝時間在合理范圍內，所以采用該方式作為蒸養系統加熱方式的連接方案。根據區域劃分，每個區域主管道處設置蒸汽支管，通過支管連接散熱器，實現對蒸養室進行加熱。該布置方式具有較好的溫度均勻性，加熱效果好，不受場地限制，可靈活布置散熱器。

2.2 溫度控制系統

溫度控制系統有定制和自制等兩種方案可供選擇。定制控制系統通過對生產線控制系統中測溫單元進行升級改裝，加裝溫度控制閥門實現蒸養室溫度的控制。該方案性能穩定，控制誤差小，單制作難度大，需專業技術人員幫助升級改造。自制控制系統需要購買溫度控制裝置，對生產線進行改造，加裝溫度控制閥門實現對蒸養室溫度的控制。該方案研制難度低，方便修理，但費用較高，穩定性差，耗時長，且技術難度大，實施效果差。

因此，經過對定制控制系統和自制控制系統優缺點進行比較可知，定制控制系統具有性能穩定，控制誤差小等優點，且從成本控制出發，定制控制系統更加便宜，所以本次溫度控制系統中的控制程序選用定制控制系統。

2.3 測溫系統

對于蒸養管片測溫系統，常用的方式主要包括小區域獨立控制和整體測溫控制。其中小區域獨立控制將加熱系統劃分為不同區域，在每個小區域內設置獨立電磁控制閥和溫度傳感器，根據設定溫度對區域進行控制。該測溫系統分區域控制，溫度均勻性好，但其研制成本高，系統復雜。整體測溫控制對升溫、恒溫、降溫區進行劃分，分別設置獨立溫度傳感器實現溫度的監測，其成本低，但溫度控制難度大，溫度波動大。

通過對兩種溫控系統比較分析，小區域獨立溫控系統雖然研制成本高，但在研制經費允許范圍內，可與控制和加熱系統同步進行，時間長度滿足活動要求。因此，本次為溫度控制系統最終選擇采用小區域獨立控制作為測溫系統方式。

3 實驗結果

如圖4所示為傳統蒸養方式蒸養室內溫度分布圖，從圖中可知，蒸養室內上部和中部溫差較大，溫度均勻性差，而模具在養護室內高度主要在養護室中部以下位置，導致模具所在區域溫度較低，從而造成管片無法在規定時間按時脫模，同時也造成了能源的浪費，導致成本的增加。

圖4 傳統蒸養方式蒸養室內溫度監測，測定時間為2017年4月5日-2017年4月16日

統計2017年4月4日-2017年4月18日傳統蒸養方式理論及實際蒸養時間，結果如圖5所示。從圖可以看出，管片蒸養等待時間平均達1小時左右，嚴重影響管片生成效率。

圖5 傳統傳統蒸養方式等待時間

如圖6所示為實施新溫度控制系統后，2017年8月16日蒸養爐溫度監測結果。從結果可知，實施新溫度控制系統后，蒸養爐升溫區、恒溫區及降溫區溫度溫度與設定溫度較為一致，呈現均勻分布，這有利于提高能源利用效率，且同時使管片均勻受熱，從而提高管片質量。

圖6 新制溫度控制系統溫度均勻性檢查。

實施新溫度控制系統后，監測2017年8月16日-2017年8月29日蒸養過程中的脫模時間，結果如圖7所示。從圖中可知，實施后新溫度控制系統后，最長脫模等待時間為10分鐘，明顯降低了蒸養等待時間，提高了管片生產效率。綜上可知，溫度控制系統可明顯改進蒸養爐溫度分布，使溫度在爐中均勻分布，且可有效地降低脫模等待時間，在保證管片生成質量的同時，極大地提高了管片生成效率。

圖7 新制溫度控制系統蒸養脫模等待時間

4 結束語

本文針對地鐵管片生產過程中傳統蒸養等待時間較長，嚴重影響地鐵施工進度等問題，研究了一種新的溫度控制系統，從控制系統、加熱系統及測溫系統對傳統蒸養方式進行改造升級，實現了蒸養爐內溫度均勻分布的控制，在保證管片質量的同時，極大地縮短了蒸養等待時間，從而保障了地鐵施工進度。