熱風式鐵路隧道融冰方法的研究

賀相林，衛永剛，吳文平，張壽康，雒衛強，王孟賢

（朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司，河北肅寧 062350）

1 引言

在我國北方廣大地區，冬季鐵路隧道內的結冰現象十分普遍，并且由于各個隧道所處的地理位置、地質條件、水文條件乃至氣象條件等不同，結冰現象也具有十分分散的廣譜性，很難用一種特定的物理或數學方法對其進行歸納總結。對于分布規律無序可循、分布范圍廣泛零散、甚至隨時間動態變化的結冰現象，只有人工作業能夠做到發現哪里除哪里。因此，現有的大多數除冰方法和設備都具有較為明顯的局限性。到目前為止，尚沒有一種具有普遍推廣價值的設備能夠解決隧道內結冰的問題，人工打冰作業依然是最傳統的作業方法。

采用人工打冰的作業方式雖然具有一定的靈活性，但工作量巨大，同時也帶來了人員雇傭、管理、培訓、安全等方面的不確定性。事實上，由于隧道環境惡劣、勞動強度大等不利因素，在人工除冰作業過程中，除了對行車安全產生影響之外，亦有較大的人身安全風險。始終難以做到安全和效率兼顧。

在分析總結現有的各種除冰方案和設備存在的諸如設備成本、安裝方式、除冰效能和可靠性等因素之后，本文研究的熱風式融冰方案在功能、性能、經濟性和可靠性等方面的優勢突出。該方法主要尋求一種在隧道內常年易發生結冰現象的區域內建立一個局部人工環境，以防為主、以除為輔的隧道除冰方案。該方案力求在整個冬季既能快速清除隧道內的結冰，又能有效防止所及區域內再度發生結冰的現象，稱之為“熱風式鐵路隧道融冰方法”。本方案根據國內鐵路隧道的基本建筑結構，隧道內其他設備的布局，以及冬季氣象條件等而計算設計，經過功能驗證樣機在電氣化區段的雙線隧道內的實際測試運行，證明該熱風除冰方案具有較為理想的除冰效果，可在較大程度上替代傳統的人工打冰作業。

2 熱風融防冰的設計原理

融防冰方法的本質是提高環境溫度，使高于0 ℃的氣體介質覆蓋、充滿結冰區域的空間，形成溫度保護層。這樣既可以使已經凝結的冰融化，達到融冰的目的，還可以使未凝結的水失去凝結成冰的條件，達到防冰的目的。滲水在高于結冰溫度的氣體介質的覆蓋和對流下，會氣化成水氣，水氣在過往列車的帶動下可排出隧道，從而避免水和水汽在隧道內聚集。

換言之，隧道頂部的滲水，在熱空氣的作用下還未來得及結冰就被氣化，隨列車被排出隧道。而不會滯留在拱頂區域凝結成冰柱，從而達到防止結冰的目的。

3 理論分析及設計

通過一個加熱裝置將隧道內的冷空氣加熱后通過保溫管道輸送至隧道內任意的結冰部位，然后將熱風噴射至滲水或結冰體使其消融。本文僅對隧道拱頂部位的融冰、防冰過程中的熱風氣流的流體分布和熱力學分布狀態進行分析。

3.1 加熱原理的分析

空氣介質的加熱可選擇不同的方式方法，如電加熱。當空氣流量恒定且系統達到熱穩態時，加熱功率與下列兩個因素有關：環境溫度；熱風生成裝置的出口溫度。

加熱過程中，需要保證出口熱風溫度。依據環境溫度，決定加熱功率的大小，加熱功率大小可調節。即環境溫度越低，加熱功率越大，反之所需的加熱功率減小[1]。

3.2 氣體介質的保溫傳輸和噴射理論依據

該系統需要按照熱力學和流體力學的原理來設計、校驗。

1）由于熱氣體介質在輸送中的熱損失是不可避免的，散熱功率與散熱面積、溫差、管道材質有關。管道的選型和設計原則是：保溫好、氣阻小、管道直徑大小適中、輕質，能從最大程度上減少熱損失，提高能源效率[2]。

熱傳導學遵循能量守恒定律，其在各向同性介質中的三維連續性微分方程如下：

式中，Qc為熱量；T為溫度；λ 為介質導熱系數；dx,dy,dz為在x、y、z方向上的微分；dt為時間微分。

微元體模型如圖1 所示。

圖1 熱傳導的微元體模型

進而可得到圓筒一維穩態下的導熱方程：

式中，qL為L方向單位長度的熱量；Tf1為圓筒壁內側流體的溫度；Tf2為圓筒壁外側流體的溫度；λi為在i處的導熱系數；d1為圓筒壁內側直徑；d2為圓筒壁外側直徑；α1為圓筒壁內側壁面間換熱系數；α2為圓筒壁外側壁面間換熱系數。

2）流體力學遵循質量守恒定律，其三維連續性微分方程如下：

式中，ρ 為介質密度；t為時間；v為介質流速；Δ為拉普拉斯算子。

微元體模型如圖2 所示。

圖2 流體的微元模型

z

x

在單位時間內，在x方向流入流出控制體的質量差為：

3）依據以上理論，選擇適當參數的保溫輸送管道長度L1和噴射管道L2，內徑均為D。噴射口直徑為d，數量為n，單口有效噴射距離W，環境溫度為T0，主機加熱后氣體出口溫度T1，噴射管始端氣體溫度T2，噴射管末端氣體溫度T3。設計目標是噴射管末端氣體溫度不低于10 ℃。

加熱主機氣體出口壓力P1，噴射管始端氣體壓力P2，噴射管末端氣體壓力P3，設計目標是使噴射管末端氣體噴射距離不小于5 m。兩側噴射距離即10 m，足夠覆蓋雙線隧道拱頂有效寬度。

由于隧道拱頂呈圓柱面，實際效果只會比平面設計的效果更好。且氣體溫度不低于10 ℃，在寒冷的冬季，完全可以保護拱頂不結冰，達到融防冰的效果。

4）噴射效果設計。溫度為T0的寒冷氣體由加熱主機從隧道底部抽取，經加熱至溫度T1。再經過長度為L1的輸送管道送至拱頂，溫度為T2，經過長度為L2噴射管道向兩側噴射，使得在拱頂形成一個溫度不低于10 ℃的圓柱形保溫層，既可保證拱頂滲水不會結冰，又可使已經結冰的冰柱消融。如圖3所示。

圖3 熱風在隧道拱頂的噴射效果

5）噴口溫度場設計。噴射管道上的多個噴口為拱頂提供不低于10 ℃的氣體保護層。單側設計有效噴射距離5 m，雙側即10 m。一方面為拱頂補充氣體介質，另一方面射流作用遵循貝努利原理，使周圍氣壓降低，從而帶動拱頂所有氣體介質向隧道兩側流動，形成無死角的保溫層。溫度場分布如圖4所示。

圖4 熱風噴口的溫度場

4 根據上述設計原理制作驗證裝置實際運行的測試數據與設計指標的對比

4.1 溫度數據測試方法與理論驗證結果

環境溫度為27 ℃，主機出口溫度80 ℃。經輸送管后，測得穩態下噴射管始端和末端溫度分別為：72 ℃和58 ℃。如圖5所示。

圖5 常溫測試環境下的溫度降落曲線

為了能夠模擬并驗證環境溫度為-20 ℃下的穩態溫度分布圖，根據保溫材料的導熱系數對溫度的導數≈0，且和溫差滿足線性關系的條件，對其進行外延性線性推理，將其在縱坐標軸向下平移27-（-20）=47 ℃，即得出主機出口溫度33 ℃，環境溫度-20 ℃的保守結論，如圖6 所示。

圖6 常溫環境平移至實際環境下的溫度降落曲線

可見，噴射管始末端溫度為25 ℃、11℃，均≥100 ℃，仍然滿足要求。

上述過程是在假定整個系統是在無源狀態下的分析結論。實際上，驗證樣機的主機出口溫度不會是33 ℃，其始終維持在恒定值80 ℃。這樣噴射管始末端溫度比假定無源狀態下的分析結論，即25 ℃和11 ℃要高得多。

仍根據以上理論，將溫差進行線性放大，即可模擬出噴射管始末溫度分布為65 ℃和38 ℃，工程裕度較高，如圖7所示。

圖7 平移+線性放大得到實際環境下的溫度降落曲線

4.2 壓強損失校驗

壓強在該應用中不是關鍵，但其關系到管道內徑、氣阻、氣體總流量、噴口直徑、加熱功率、有效噴射距離以及工作噪聲等一系列問題。屬于需要調節并最后校驗的物理量。

經過多次調整參數和反復試驗，最終校驗壓力結果如圖8所示。

圖8 氣體壓強沿管道延伸方向的分布

4.3 溫度和壓強均衡

在細長管路設計中，噴射管始末端的溫度、壓強、流量參數不可避免的有差別，使得在噴射管始末端分布參數不一致。為了更均衡地對隧道拱頂進行融防冰工作，該系統還對其分布參數的不均衡性進行了必要的處理。

4.4 噴口以外的溫度場分布校驗與測試

測試結構為一開放式平面房頂，如圖9 所示（T5為5 m 外拱頂溫度）。

圖9 模擬試驗環境下的溫度場

根據氣泵和噴射口的參數，得出噴射口流速約為40 m/s，實測有效噴射距離約為5.3 m。據此，連續運行若干時間后，設備所及的整個拱頂部位將形成一個溫度高于冰點且較為穩定溫度場，從而保證控制部位始終處于不結冰狀態，能夠有效完成隧道融防冰任務。

模擬試驗顯然無法提供實際隧道環境下的全部參數，因此，仍然利用以上線性外延的方法和保守原則進行測試，即對系統影響不大的因素假定為定常參數，提取主要因素線性化進行模擬，并留有單向余量。如果保守測試的結果能夠滿足要求，那么實際運行效果將更加可靠。

在該測試條件下，沿平面房頂水平安裝噴射管，噴口朝向兩側。仍然在27 ℃的環境溫度穩態下，測得噴口5 m 外靶標溫度T5=44 ℃。依然按照以前的線性外延方法，折算得實際環境溫度-20 ℃下噴口5 m 外溫度T5=｛[38-(-20)]/ (58-27)｝×(44-27)-20=11.8 ℃＞10.0 ℃。測試成功。

由于測試條件房頂為開放式平面，實際隧道頂部為拱形圓柱面，實際氣流會比測試時密度更高，即比熱容更高。因此，實際效果會更加有利，即該設備達到了設計要求。

4.5 實際運行效果驗證

經過結冰季兩個月的驗證樣機的隧道內實際運行，效果與設計參數及分析十分吻合，獲得了十分理想的融冰效果，有效范圍內不再出現結冰現象。

測試的基本條件為，隧道內溫度-12 ℃，融冰樣機熱風出口溫度控制在80 ℃，熱風管路總長度30 m，末端實測溫度42 ℃。與上述分析完全吻合，驗證了設計數據具有完全的實用意義。

5 驗證樣機的實用價值

經過實際運行證明，本文所研究的“鐵路隧道熱風融冰方法”為解決長期以來困擾冬季隧道結冰的問題，提供了一種全新有效的方法。以該方法為基礎設計制作的熱風式鐵路隧道融冰防冰裝置可兼顧融冰作業與列車運行互不影響的實際要求，能夠有效保證既有鐵路在冬季的最高運輸效率。用該方法替代冬季隧道人工打冰作業尤其具有重要價值，能夠在很大程度上消除人工打冰作業所存在的人員安全和行車安全隱患。長期運行又能有效降低冬季打冰工作的成本投入。系統設計為全自動運行、不間斷工作、無人值守、可遠程遙控，從而保障隧道內的安全行車環境，為我國北煤南運、物資運輸等經濟建設起到了重要的戰略保障作用。

本文論述的融冰方案不僅獲得了驗證樣機實際運行效果的證實，同時也獲得了實際應用的第一手經驗和實際設計方案，其主要技術特征見表1。

表1 樣機的技術特征

6 經濟效益估算

傳統的人工打冰作業，無論從時間角度看，還是從作業效率角度看又都是十分低下的，其時間成本大，工作強度大。在不中斷行車的條件下，打冰人員只能攜帶打冰作業裝備步行進出隧道。在攜帶打冰作業裝備的情況下，人在隧道內的行走速度大約只有1 km/h，僅僅行走本身就消耗了大部分打冰人員的工作時間和體力。對于1 條長4 km 的隧道，除去打冰作業本身消耗的時間外，作業人員往返隧道中央的時間就需要4 h。更為不利的情況是，往往打冰作業人員作業完畢后，尚未走出隧道，新的結冰體就又形成了。此種情況下，作業人員只能分組輪番進入隧道進行打冰作業，效率之低下可見一斑。對于長度更長的隧道，打冰作業人員一個班的工作時間往往大部分都用到了進出隧道的行走上了。

打冰作業的經濟成本也是巨大的。不計作業過程中偶發的攔停列車等影響運輸效率帶來的經濟損失，僅作業隊伍本身的人員消耗就十分可觀。以某運輸專線為例，約300 km 長的線路，由于隧道眾多，且多數結冰，每年就需要約200 人的打冰作業人員。以每人每日勞務費用150 元計，吃、住、交通費用按100 元計，每個月一個人的費用支出就達到7 500 元。200人的月支出就是150 萬元。通常北方地區每年的打冰作業時間大約是5～6 個月，以5 個月計算就是750 萬元。加上偶發的影響列車運行帶來的運輸收入損失和人員事故損失，經濟成本更加巨大。在現下人工打冰作業的條件下，這些費用的投入是年復一年持續投入的必須費用，經年累月的綜合投入是驚人的。如果使用本文研究的成果替代人工打冰作業，一次投入，多年受益。既解決了人工打冰作業需要的持續投入，又避免了人工作業帶來的各種風險。

以上特點證實，該熱風式融冰方案不僅在理論上是可行的，在實際運用、能源消耗、操作便捷、可靠性、風險防范等方面都能夠十分有效的替代人工作業。

7 結語

經過理論分析、方案論證、試驗樣機制作及現場實際測試所獲得的試驗結果證明，用熱風在隧道內建立一個局部人工環境的方法來消除已經出現的結冰，繼而防止相關區域內再發生結冰的方法具有十分重要的實用價值。該方法一改既往被動式除冰的作業方法，是一種主動防止結冰的方式，即能最大限度地確保隧道內的行車安全、保證運輸效率，又能在一定程度上減輕由于結冰對隧道建筑的破壞，是一舉多得的方法。