长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统设计

周可发, 黄宝龙, *

(1. 北京中煤矿山工程有限公司, 北京 100013; 2. 矿山深井建设技术国家工程研究中心, 北京 100013)

0 引言

人工冻结技术已广泛应用于矿山与市政工程建设,取得了显著的经济效益与社会效益。众多科研人员对提高冻结效率和冻结可靠性进行了广泛研究。例如: 张琛等[1]探究了盾构隧道联络通道冻结加固工程中盐水降温计划对冻结进程的影响规律,得出在10～-20 ℃降低盐水起始温度、在起始盐水温度和终止盐水温度不变的情况下增大降温梯度2种方式都可以加快冻结进程;詹兴泰[2]研究了冻结调控对冻结壁交圈、井帮温度降温速率以及冻结壁有效厚度发展速度的影响;郜新军等[3]、黄建华等[4]、张英智等[5]对地铁联络通道在冻结法施工中的温度场变化及地表变形规律进行了研究。大型地下空间建设采用冻结法施工日益增多,引起了诸多科研人员的关注[6-8]。为了研究渗流对冻结体的影响,单仁亮等[9]、张松等[10]建立了冻结模型试验系统,得到了渗流条件下冻结壁的温度场演化规律。

冻结法的原理是通过制冷系统与所冻结的地层进行热交换,从而实现地层降温。市政冻结冷却水循环系统是冻结系统的3个循环系统之一,其作用是冷却冷凝器中的高温高压制冷剂,并将其从地层中吸收的热量排入环境中去。

市政工程采用冻结法施工时,当冷冻站布置在通风不畅的长距离区间隧道内或处于气温较高的室外时,经常会遇到冷冻机因排气压力高而导致盐水降温缓慢,甚至可能出现冷冻机因排气压力过高而停机的情况,严重影响冻结系统的正常运行和冻结帷幕加固体的质量。目前,还未有关于解决上述问题的文献报道,仅有一些科研人员研究了冷却水循环系统的自动控温和节能装置[11-15]。

针对上述问题,本文设计一种长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统,该系统可有效解决环境温度高且散热不佳所引起的盐水降温效果差的问题,特别适合用于地下长距离隧道内冻结施工及炎热的夏季地面冻结施工。

1 冷却水二次降温系统工作原理

1.1 问题的提出

根据能量守恒定律可知,冻结施工的本质是将待冻结地层中的热量及冷冻机压缩机的工作热量顺畅排入大气环境中去。当环境温度不利于排热时,应该采取增加辅助降温措施以解决排热问题。区间隧道联络通道冻结法施工通常将冷冻站设置在隧道内,当区间长度超过1 km时,隧道自然通风效果已不太理想;若采取强制通风,会增加冻结体冷量损失,影响冻结效果。

市域铁路区间平均长度大都超过3 km以上,这给隧道内冻结法施工造成困难,将冻结法施工的冷却水系统置于隧道外附近地面或工作井中板上可避免长隧道内环境温度高的问题,但当室外环境温度较高时,冷却水散热效果也不佳。本文主要针对室外环境温度高时的长区间隧道冻结法施工冷却水降温效果不佳所引起的盐水降温效果差的问题进行研究。

1.2 冷却水二次降温系统的组成及运行机制

本文所提出的长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统(见图1)由冷却水二次降温冷冻机、中温清水泵、高温清水泵等设备组成,利用上述设备的科学组合给既有冻结系统的冷却水二次降温。该系统的运行机制如下: 1)中温清水泵将一次冷却水送入冷却水二次降温冷冻机蒸发器后变成二次冷却水。2)将一次冷却水与二次冷却水混合后,经高扬程清水泵送入工作面的冷冻机组。3)混合冷却水经工作面冷冻机冷凝器吸热后,回路冷却水返回地面中温冷却塔降温后进入中温清水箱(即为一次冷却水),该一次冷却水又进入冷却水二次降温冷冻机,如此往复循环。另外,需将冷却水二次降温冷冻机设置在空调工况下工作,这样既可以有效降低冷却水温度,也可防止蒸发器内温度过低结冰造成冰堵。同时,冷却水降温冷冻机的冷却水温度也会增加,可将排热温差进一步加大,更利于散热。

图1 冷却水二次降温系统流程图

1.3 冷却水二次降温系统的有效性分析

冷冻机制出的冷量在蒸发器内通过热交换传递给载冷剂,此过程对制冷剂来说是一个吸热过程,而对载冷剂(或待冻结体)来说是个放热降温过程。当制冷剂吸热时,熵值增加;当制冷剂释放热量时,熵值降低;当制冷剂既不吸热也不放热时,熵值保持不变。

冷却水二次降温制冷循环温熵如图2所示。图中,冷却水二次冷却前所对应的制冷剂冷凝温度为TK,冷却水二次冷却过程即相当于高压液态制冷剂再冷却过程(过程3—3′),3′所对应的TSC称为二次降温后制冷剂冷凝温度,TK与TSC的差值ΔtSC称为再冷度。由图2可知: 1)由于高压液态制冷剂的再冷却,在制冷过程(过程4′—1),制冷剂熵值增加了ΔSba; 2)增设冷却水二次降温系统后,即将隧道内低温工况冷冻机的冷凝温度从TK降至TSC,在压缩机耗功量不变的情况下,单位质量制冷量增加了Δq0(面积a44′ba),制冷系数得到提高。由此可知,冷却水二次降温系统较常规冷却水系统单位质量制冷剂的制冷能力有显著提高。

T0—蒸发温度; TK—冷凝温度; p0—蒸发压力; pK—冷凝压力; q0—单位质量制冷剂所吸收的热量; WC—单位质量制冷剂被压缩所做的功。

冷却水二次降温系统试图从源头上解决了应用制冷技术时环境温度高、通风不畅等不利因素所带来的问题,该系统可广泛推广到市域铁路长区间隧道联络通道冻结暗挖施工工程中,也可在炎热的夏季广泛应用。

2 冷却水二次降温系统应用实例

2.1 工程概况

上海市域铁路机场联络线凌空路转换井—浦东机场站区间采用冻结法施工联络通道。凌空路转换井—浦东机场站区间线路全长约9.4 km,共设置15座联络通道(见图3),中间风井将该区间分为2个施工区间,盾构从风井始发,分别于凌空路转换井和浦东机场站接收,与此同时,15个联络通道也分成风井—浦东机场站区间6个和风井—凌空路转换井区间9个的“6+9”形式。中间风井已将9.4 km长区间隧道一分为二(3.7 km+5.7 km),但3.7 km区间内仍布设6座联络通道(见图3(b)),联络通道施工时的通风只能依靠在隧道内间隔布设轴流风机,但这样很难形成稳定的风道,冻结施工中冷却水系统需要向空气中大量排热,而长区间隧道内冻结系统因冷却水系统排热效果差,会造成冷冻机制冷剂的冷凝温度升高,进而导致制冷能力下降,严重影响冻结效果。

(a) 1#—9#联络通道

(b) 10#—15#联络通道

2.2 常规冷却水冷却方式

10#—13#联络通道是该工程第1批采用冻结法施工的,其采用了常规冷却水冷却方式(见图4)。考虑到隧道通风效果差,虽已将冷却水冷却系统布置在风井地面,冷却水经冷却塔冷却后温度仍较高(31 ℃),冷冻机的盐水降温较慢。若气温进一步升高,冷冻机甚至要被迫减载才可正常运行,严重影响冻结加固效果。

2.3 冷却水二次降温系统

6#—9#联络通道是该工程第2批采用冻结法施工的,其在常规冷却水冷却方式基础上增设了一套本文所提出的冷却水二次降温系统(见图5),增设设备主要包括冷却水二次降温冷冻机1台、中温清水泵2台、高温清水泵2台、高温冷却塔2台。冷却水二次降温冷冻机选用在空调工况(蒸发温度5 ℃,冷凝温度40 ℃)下运行的制冷机组。

图4 常规冷却水冷却方式(单位: ℃)

1—中温清水泵; 2—高扬程清水泵; 3—高温清水泵; 4—冷却水二次降温冷冻机。

上海市域铁路机场联络线联络通道冻结工程冷却水二次降温系统运行机制如下。

1)中温清水泵将一次冷却水(温度为24 ℃)送入地面的冷却水二次降温冷冻机蒸发器。

2)一次冷却水经冷却水二次降温冷冻机二次冷却,降温至15 ℃。

3)一次冷却水与二次冷却水混合(流量比为3∶1)后,经高扬程清水泵送入工作面冷冻机组,混合后冷却水温度为21 ℃。

4)混合冷却水经工作面冷冻机冷凝器吸热后,回路冷却水温度为25 ℃,回路冷却水返回地面冷却塔降温。

5)回路冷却水经冷却塔降温(降温后冷却水温度为24 ℃)后进入中温清水箱,该24 ℃冷却水(即步骤1)中的一次冷却水)又进入地面的冷却水二次降温冷冻机,如此往复循环。

6)地面的冷却水二次降温冷冻机设置1个独立的排热系统,通过9、10号冷却塔将热量排入地面大气,高温冷却水进入冷却塔前温度为37 ℃,经冷却后降至33 ℃。该37 ℃的高温冷却水与空气产生较大的温度差,更有利于冷却水排热冷却。

通过地面冷却水二次降温冷冻机进一步将冷却水温度降低,并将热量排入地面空气中,即形成了一套完整的冷却水二次降温系统。

2.4 冷却水二次降温系统验算

由能量守恒定律知: 冷冻机吸收的热量Q1=冷却水散热量Q2-机组运行产生的热量Q3。

由传热学定律可知,一定质量的物质升高或降低一定的温度所吸收或放出的热量

Q=cmΔt。

已知: 低温冷却水流量为100 m3/h,中温冷却水流量为300 m3/h,高温冷却水流量为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,则冷冻机吸排热比η=900/1 200=3/4。

经上述计算分析,从热量传递及制冷机组运行情况看,本冷却水二次降温系统切实可行,能很好地解决冻结法施工采用常规冷却水降温方式冷却水温度高的难题。

2.5 冷却水二次降温系统应用效果及经济性分析

2.5.1 冷却水二次降温系统应用效果

制冷系统中的冷却水主要用于将制冷剂吸收的热量和机组运行产生的热量排入空气中,冷却水温的高低在一定程度上会对冻结效果产生影响。上海市域铁路机场联络线联络通道冻结工程中10#—13#联络通道采用了常规冷却水系统方式冻结制冷,6#—9#联络通道采用的是冷却水二次降温系统进行冻结制冷。不同冷却水降温方式的盐水温度降温曲线如图6所示。

(a) 常规系统盐水降温曲线

(b) 二次降温系统盐水降温曲线

不同冷却水降温方式的盐水温度如表1所示。

表1 不同冷却水降温方式的盐水温度

根据测温孔实测数据,绘制出冻结25、40、55 d时的冻结帷幕发展演变图,如图7和图8所示。

(a) 冻结25 d (b) 冻结40 d (c) 冻结55 d

(a) 冻结25 d (b) 冻结40 d (c) 冻结55 d

由图7和图8的冻结帷幕发展情况,得出3个时间节点最薄冻结帷幕厚度,如表2所示。

表2 不同冷却水降温方式的冻结帷幕厚度

由图6—8和表1—2可知,冷却水二次降温系统与常规冷却水系统相比,具有以下优势:

《警察与赞美诗》描写的是一位流浪汉苏比，在寒风到来之际、为了免受寒风和饥饿的折磨，计划到监狱里寻求安慰。为了实现这一理想，他先后六次惹是生非，但事与愿违，无疾而终，而正当他听到教堂的赞美诗、灵魂受到感化后，决心改邪归正、重新生活的时候，却被警察以“莫须有”的罪名投进了监狱。[1]

1)盐水降温速率较快,可有效缩短冻结壁交圈时间。

2)冻结帷幕发展速度更快,缩短了积极冻结时间。

3)盐水温度低,冻结帷幕强度高,更安全可靠。

2.5.2 冷却水二次降温系统经济性分析

二次降温系统相对于常规冷却方式在能耗方面更具优势,从本应用实例全过程的开机情况可验证二次降温系统更经济合理。

1)10#—13#联络通道同时开机4台冷冻机(均在隧道内),给4个联络通道(10#—13#)冻结供冷。单座联络通道开机数量为1台/d,开机冻结55 d后冻结效果已满足开挖条件。经计算,积极冻结期共开机运行55台班。

2)6#—9#联络通道同时开机5台冷冻机(隧道内4台,地面1台冷却水二次降温冷冻机),给4个联络通道(6#—9#)冻结供冷。单座联络通道开机数量为1.25台/d,开机冻结40 d后冻结效果已满足开挖条件。经折算,积极冻结期共开机运行50台班。

3)二次降温系统相对于常规冷却方式在成本支出方面也更具优势。1套冷冻机组设备成本按综合租赁单价8 000元/月计算,对单座联络通道而言,常规冷却水系统冷冻机装机1台,二次降温系统冷冻机装机1.25台,设备成本增加了2 000元/月。考虑到二次降温系统将积极冻结时间缩短了15 d,节约了冻结运转人工费;按2人倒班制及日工资150元计算,节约人工费4 500元。经初步核算成本,二次降温系统较常规系统具有更好的经济性。

综上所述,冷却水二次降温系统与常规系统相比,不仅可获得更低的盐水温度进而更早地达到设计冻结效果;而且从综合设备成本和能耗成本看,冷却水二次降温系统较常规冷却水系统在制出同等冷量的情况下,综合成本低、能耗更少,具有更好的经济性。

3 冷却水二次降温系统改进方向

冷却水二次降温系统经上海地铁机场线长区间联络通道成功应用表明,该降温系统具有较好的使用效果。为了拓展该系统的使用范围,该冷却水二次降温系统可从以下方面进行改进。

1)结合工程实际,研发出更适应地下冻结工程环境的冷却水降温冷冻机组,将一般空调工况的蒸发温度与冷凝温度进行适当调整,可进一步提高降温效率。例如: 提高蒸发器、冷凝器换热面积,提高盐水和冷却水流量等。

2)优化冷却水二次降温系统中的高、中、低温清水循环泵的搭配组合,可进一步提高降温效果。

3)探索将中温冷却水替换为低浓度盐水,冷冻机同步选用标准工况(蒸发温度为-15 ℃,冷凝温度为+35 ℃)制冷机组。

4 结论与讨论

1)采用常规方式即冷却水经冷却塔冷却后温度为31 ℃,温度仍较高;采用冷却水二次降温系统,混合后冷却水温度为21 ℃,降温效果明显,且本系统具有构造简单、效率高、可靠性高等特点。

2)采用冷却水二次降温系统可使盐水降温速率较快,可有效缩短冻结壁交圈时间;盐水温度低,冻结帷幕强度高。与常规系统相比,制出同等冷量的综合能耗更少,经济性更好。

3)冷却水二次降温系统试图从源头上解决应用制冷技术时所面临的环境温度好、通风不畅等不利因素所带来的问题,可消除冷冻机停机隐患,保障冻结法施工安全可靠进行。该系统可在长区间隧道联络通道冻结暗挖施工工程中广泛推广,亦可在炎热的夏季广泛应用。

4)冷却水二次降温系统的后续研究可从调整蒸发温度与冷凝温度,提高蒸发器及冷凝器换热面积,提高盐水和冷却水流量,变换高、中、低温循环泵的组合方式,改变冷却液类型等方面进行。