長區(qū)間隧道凍結(jié)法施工冷卻水二次降溫系統(tǒng)設(shè)計

周可發(fā), 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(shè)技術(shù)國家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

人工凍結(jié)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山與市政工程建設(shè),取得了顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。眾多科研人員對提高凍結(jié)效率和凍結(jié)可靠性進行了廣泛研究。例如: 張琛等[1]探究了盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固工程中鹽水降溫計劃對凍結(jié)進程的影響規(guī)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(jié)進程;詹興泰[2]研究了凍結(jié)調(diào)控對凍結(jié)壁交圈、井幫溫度降溫速率以及凍結(jié)壁有效厚度發(fā)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(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)法施工中的溫度場變化及地表變形規(guī)律進行了研究。大型地下空間建設(shè)采用凍結(jié)法施工日益增多,引起了諸多科研人員的關(guān)注[6-8]。為了研究滲流對凍結(jié)體的影響,單仁亮等[9]、張松等[10]建立了凍結(jié)模型試驗系統(tǒng),得到了滲流條件下凍結(jié)壁的溫度場演化規(guī)律。

凍結(jié)法的原理是通過制冷系統(tǒng)與所凍結(jié)的地層進行熱交換,從而實現(xiàn)地層降溫。市政凍結(jié)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是凍結(jié)系統(tǒng)的3個循環(huán)系統(tǒng)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(huán)境中去。

市政工程采用凍結(jié)法施工時,當(dāng)冷凍站布置在通風(fēng)不暢的長距離區(qū)間隧道內(nèi)或處于氣溫較高的室外時,經(jīng)常會遇到冷凍機因排氣壓力高而導(dǎo)致鹽水降溫緩慢,甚至可能出現(xiàn)冷凍機因排氣壓力過高而停機的情況,嚴重影響凍結(jié)系統(tǒng)的正常運行和凍結(jié)帷幕加固體的質(zhì)量。目前,還未有關(guān)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(huán)系統(tǒng)的自動控溫和節(jié)能裝置[11-15]。

針對上述問題,本文設(shè)計一種長區(qū)間隧道凍結(jié)法施工冷卻水二次降溫系統(tǒng),該系統(tǒng)可有效解決環(huán)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(nèi)凍結(jié)施工及炎熱的夏季地面凍結(jié)施工。

1 冷卻水二次降溫系統(tǒng)工作原理

1.1 問題的提出

根據(jù)能量守恒定律可知,凍結(jié)施工的本質(zhì)是將待凍結(jié)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(huán)境中去。當(dāng)環(huán)境溫度不利于排熱時,應(yīng)該采取增加輔助降溫措施以解決排熱問題。區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工通常將冷凍站設(shè)置在隧道內(nèi),當(dāng)區(qū)間長度超過1 km時,隧道自然通風(fēng)效果已不太理想;若采取強制通風(fēng),會增加凍結(jié)體冷量損失,影響凍結(jié)效果。

市域鐵路區(qū)間平均長度大都超過3 km以上,這給隧道內(nèi)凍結(jié)法施工造成困難,將凍結(jié)法施工的冷卻水系統(tǒng)置于隧道外附近地面或工作井中板上可避免長隧道內(nèi)環(huán)境溫度高的問題,但當(dāng)室外環(huán)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(huán)境溫度高時的長區(qū)間隧道凍結(jié)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(tǒng)的組成及運行機制

本文所提出的長區(qū)間隧道凍結(jié)法施工冷卻水二次降溫系統(tǒng)(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(shè)備組成,利用上述設(shè)備的科學(xué)組合給既有凍結(jié)系統(tǒng)的冷卻水二次降溫。該系統(tǒng)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(fā)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(jīng)高揚程清水泵送入工作面的冷凍機組。3)混合冷卻水經(jīng)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(fù)循環(huán)。另外,需將冷卻水二次降溫冷凍機設(shè)置在空調(diào)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(fā)器內(nèi)溫度過低結(jié)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(tǒng)流程圖

1.3 冷卻水二次降溫系統(tǒng)的有效性分析

冷凍機制出的冷量在蒸發(fā)器內(nèi)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(jié)體)來說是個放熱降溫過程。當(dāng)制冷劑吸熱時,熵值增加;當(dāng)制冷劑釋放熱量時,熵值降低;當(dāng)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(huán)溫熵如圖2所示。圖中,冷卻水二次冷卻前所對應(yīng)的制冷劑冷凝溫度為TK,冷卻水二次冷卻過程即相當(dāng)于高壓液態(tài)制冷劑再冷卻過程(過程3—3′),3′所對應(yīng)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(tài)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(shè)冷卻水二次降溫系統(tǒng)后,即將隧道內(nèi)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(zhì)量制冷量增加了Δq0(面積a44′ba),制冷系數(shù)得到提高。由此可知,冷卻水二次降溫系統(tǒng)較常規(guī)冷卻水系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷劑的制冷能力有顯著提高。

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

冷卻水二次降溫系統(tǒng)試圖從源頭上解決了應(yīng)用制冷技術(shù)時環(huán)境溫度高、通風(fēng)不暢等不利因素所帶來的問題,該系統(tǒng)可廣泛推廣到市域鐵路長區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)暗挖施工工程中,也可在炎熱的夏季廣泛應(yīng)用。

2 冷卻水二次降溫系統(tǒng)應(yīng)用實例

2.1 工程概況

上海市域鐵路機場聯(lián)絡(luò)線凌空路轉(zhuǎn)換井—浦東機場站區(qū)間采用凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道。凌空路轉(zhuǎn)換井—浦東機場站區(qū)間線路全長約9.4 km,共設(shè)置15座聯(lián)絡(luò)通道(見圖3),中間風(fēng)井將該區(qū)間分為2個施工區(qū)間,盾構(gòu)從風(fēng)井始發(fā),分別于凌空路轉(zhuǎn)換井和浦東機場站接收,與此同時,15個聯(lián)絡(luò)通道也分成風(fēng)井—浦東機場站區(qū)間6個和風(fēng)井—凌空路轉(zhuǎn)換井區(qū)間9個的“6+9”形式。中間風(fēng)井已將9.4 km長區(qū)間隧道一分為二(3.7 km+5.7 km),但3.7 km區(qū)間內(nèi)仍布設(shè)6座聯(lián)絡(luò)通道(見圖3(b)),聯(lián)絡(luò)通道施工時的通風(fēng)只能依靠在隧道內(nèi)間隔布設(shè)軸流風(fēng)機,但這樣很難形成穩(wěn)定的風(fēng)道,凍結(jié)施工中冷卻水系統(tǒng)需要向空氣中大量排熱,而長區(qū)間隧道內(nèi)凍結(jié)系統(tǒng)因冷卻水系統(tǒng)排熱效果差,會造成冷凍機制冷劑的冷凝溫度升高,進而導(dǎo)致制冷能力下降,嚴重影響凍結(jié)效果。

(a) 1#—9#聯(lián)絡(luò)通道

(b) 10#—15#聯(lián)絡(luò)通道

2.2 常規(guī)冷卻水冷卻方式

10#—13#聯(lián)絡(luò)通道是該工程第1批采用凍結(jié)法施工的,其采用了常規(guī)冷卻水冷卻方式(見圖4)。考慮到隧道通風(fēng)效果差,雖已將冷卻水冷卻系統(tǒng)布置在風(fēng)井地面,冷卻水經(jīng)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(jié)加固效果。

2.3 冷卻水二次降溫系統(tǒng)

6#—9#聯(lián)絡(luò)通道是該工程第2批采用凍結(jié)法施工的,其在常規(guī)冷卻水冷卻方式基礎(chǔ)上增設(shè)了一套本文所提出的冷卻水二次降溫系統(tǒng)(見圖5),增設(shè)設(shè)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(diào)工況(蒸發(fā)溫度5 ℃,冷凝溫度40 ℃)下運行的制冷機組。

圖4 常規(guī)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(lián)絡(luò)線聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程冷卻水二次降溫系統(tǒng)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(fā)器。

2)一次冷卻水經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(fù)循環(huán)。

6)地面的冷卻水二次降溫冷凍機設(shè)置1個獨立的排熱系統(tǒng),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(jīng)冷卻后降至33 ℃。該37 ℃的高溫冷卻水與空氣產(chǎn)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(tǒng)。

2.4 冷卻水二次降溫系統(tǒng)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(chǎn)生的熱量Q3。

由傳熱學(xué)定律可知,一定質(zhì)量的物質(zhì)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(yù)=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(jīng)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(tǒng)切實可行,能很好地解決凍結(jié)法施工采用常規(guī)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(tǒng)應(yīng)用效果及經(jīng)濟性分析

2.5.1 冷卻水二次降溫系統(tǒng)應(yīng)用效果

制冷系統(tǒng)中的冷卻水主要用于將制冷劑吸收的熱量和機組運行產(chǎn)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(jié)效果產(chǎn)生影響。上海市域鐵路機場聯(lián)絡(luò)線聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程中10#—13#聯(lián)絡(luò)通道采用了常規(guī)冷卻水系統(tǒng)方式凍結(jié)制冷,6#—9#聯(lián)絡(luò)通道采用的是冷卻水二次降溫系統(tǒng)進行凍結(jié)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(guī)系統(tǒng)鹽水降溫曲線

(b) 二次降溫系統(tǒng)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(jù)測溫孔實測數(shù)據(jù),繪制出凍結(jié)25、40、55 d時的凍結(jié)帷幕發(fā)展演變圖,如圖7和圖8所示。

(a) 凍結(jié)25 d (b) 凍結(jié)40 d (c) 凍結(jié)55 d

(a) 凍結(jié)25 d (b) 凍結(jié)40 d (c) 凍結(jié)55 d

由圖7和圖8的凍結(jié)帷幕發(fā)展情況,得出3個時間節(jié)點最薄凍結(jié)帷幕厚度,如表2所示。

表2 不同冷卻水降溫方式的凍結(jié)帷幕厚度

由圖6—8和表1—2可知,冷卻水二次降溫系統(tǒng)與常規(guī)冷卻水系統(tǒng)相比,具有以下優(yōu)勢:

《警察與贊美詩》描寫的是一位流浪漢蘇比，在寒風(fēng)到來之際、為了免受寒風(fēng)和饑餓的折磨，計劃到監(jiān)獄里尋求安慰。為了實現(xiàn)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(dāng)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(jiān)獄。[1]

1)鹽水降溫速率較快,可有效縮短凍結(jié)壁交圈時間。

2)凍結(jié)帷幕發(fā)展速度更快,縮短了積極凍結(jié)時間。

3)鹽水溫度低,凍結(jié)帷幕強度高,更安全可靠。

2.5.2 冷卻水二次降溫系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

二次降溫系統(tǒng)相對于常規(guī)冷卻方式在能耗方面更具優(yōu)勢,從本應(yīng)用實例全過程的開機情況可驗證二次降溫系統(tǒng)更經(jīng)濟合理。

1)10#—13#聯(lián)絡(luò)通道同時開機4臺冷凍機(均在隧道內(nèi)),給4個聯(lián)絡(luò)通道(10#—13#)凍結(jié)供冷。單座聯(lián)絡(luò)通道開機數(shù)量為1臺/d,開機凍結(jié)55 d后凍結(jié)效果已滿足開挖條件。經(jīng)計算,積極凍結(jié)期共開機運行55臺班。

2)6#—9#聯(lián)絡(luò)通道同時開機5臺冷凍機(隧道內(nèi)4臺,地面1臺冷卻水二次降溫冷凍機),給4個聯(lián)絡(luò)通道(6#—9#)凍結(jié)供冷。單座聯(lián)絡(luò)通道開機數(shù)量為1.25臺/d,開機凍結(jié)40 d后凍結(jié)效果已滿足開挖條件。經(jīng)折算,積極凍結(jié)期共開機運行50臺班。

3)二次降溫系統(tǒng)相對于常規(guī)冷卻方式在成本支出方面也更具優(yōu)勢。1套冷凍機組設(shè)備成本按綜合租賃單價8 000元/月計算,對單座聯(lián)絡(luò)通道而言,常規(guī)冷卻水系統(tǒng)冷凍機裝機1臺,二次降溫系統(tǒng)冷凍機裝機1.25臺,設(shè)備成本增加了2 000元/月。考慮到二次降溫系統(tǒng)將積極凍結(jié)時間縮短了15 d,節(jié)約了凍結(jié)運轉(zhuǎn)人工費;按2人倒班制及日工資150元計算,節(jié)約人工費4 500元。經(jīng)初步核算成本,二次降溫系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性。

綜上所述,冷卻水二次降溫系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比,不僅可獲得更低的鹽水溫度進而更早地達到設(shè)計凍結(jié)效果;而且從綜合設(shè)備成本和能耗成本看,冷卻水二次降溫系統(tǒng)較常規(guī)冷卻水系統(tǒng)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(jīng)濟性。

3 冷卻水二次降溫系統(tǒng)改進方向

冷卻水二次降溫系統(tǒng)經(jīng)上海地鐵機場線長區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道成功應(yīng)用表明,該降溫系統(tǒng)具有較好的使用效果。為了拓展該系統(tǒng)的使用范圍,該冷卻水二次降溫系統(tǒng)可從以下方面進行改進。

1)結(jié)合工程實際,研發(fā)出更適應(yīng)地下凍結(jié)工程環(huán)境的冷卻水降溫冷凍機組,將一般空調(diào)工況的蒸發(fā)溫度與冷凝溫度進行適當(dāng)調(diào)整,可進一步提高降溫效率。例如: 提高蒸發(fā)器、冷凝器換熱面積,提高鹽水和冷卻水流量等。

2)優(yōu)化冷卻水二次降溫系統(tǒng)中的高、中、低溫清水循環(huán)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(biāo)準工況(蒸發(fā)溫度為-15 ℃,冷凝溫度為+35 ℃)制冷機組。

4 結(jié)論與討論

1)采用常規(guī)方式即冷卻水經(jīng)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(tǒng),混合后冷卻水溫度為21 ℃,降溫效果明顯,且本系統(tǒng)具有構(gòu)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(tǒng)可使鹽水降溫速率較快,可有效縮短凍結(jié)壁交圈時間;鹽水溫度低,凍結(jié)帷幕強度高。與常規(guī)系統(tǒng)相比,制出同等冷量的綜合能耗更少,經(jīng)濟性更好。

3)冷卻水二次降溫系統(tǒng)試圖從源頭上解決應(yīng)用制冷技術(shù)時所面臨的環(huán)境溫度好、通風(fēng)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(jié)法施工安全可靠進行。該系統(tǒng)可在長區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)暗挖施工工程中廣泛推廣,亦可在炎熱的夏季廣泛應(yīng)用。

4)冷卻水二次降溫系統(tǒng)的后續(xù)研究可從調(diào)整蒸發(fā)溫度與冷凝溫度,提高蒸發(fā)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(huán)泵的組合方式,改變冷卻液類型等方面進行。