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作者：牟映潔胡廣權(quán)柳艷清單位：北京華隧通掘進(jìn)裝備有限公司

內(nèi)循環(huán)水泵計(jì)算

根據(jù)輸送介質(zhì)及適用工況，系統(tǒng)選用的水泵皆為離心泵，選擇立式還是臥式可根據(jù)實(shí)際安裝條件來確定，此處均選用立式離心泵。閉式循環(huán)系統(tǒng)中水泵的作用是輸送內(nèi)循環(huán)水，使閉式循環(huán)中的水流動起來，同時(shí)因管路、設(shè)備等安裝固定，輸送距離恒定，可選用大流量低揚(yáng)程的單級立式離心泵。離心泵的主要性能參數(shù)包括水泵的流量、壓力等，現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)要求對泵的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1）流量。根據(jù)輸送原理，水泵的最小流量Qmin應(yīng)為主驅(qū)動電機(jī)及內(nèi)外周密封夾套冷卻水量之和，即Qmin＝150L／min。

2）揚(yáng)程。根據(jù)目前冷卻水泵的安裝位置及盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際尺寸，輸送管徑選用DN50管路，水泵每循環(huán)輸送距離大約為L＝120m（閥門及彎管等折合量）。根據(jù)電機(jī)冷卻水的要求及整體管路計(jì)算，同時(shí)考慮到定流量閥的有效工作范圍，則pmin＝p1＋Hs＋pk＋pb＋pD＝0．52MPa，pmax＝p2＋Hs＋pk＋pb＋pD＝083MPa。式中：Hs＝0．18MPa（150m管路理論揚(yáng)程損失），pk＝0．003～0．1MPa（單向閥開啟壓力），pb＝004MPa（其他設(shè)備壓力損失）。因此，內(nèi)循環(huán)水泵的計(jì)算最小流量為150L／min，輸出壓力在0．52～083MPa。因以上計(jì)算均為理想狀態(tài)下的理論計(jì)算，同時(shí)須考慮泵入口要保留一定的壓力，因此，對離心泵的選型需留有一定余量。根據(jù)以上流量和揚(yáng)程的計(jì)算，參照離心泵的性能原理和特性，同時(shí)考慮到加快內(nèi)循環(huán)冷卻水的速率，選定泵的最終型號為SLS50－250，泵的額定流量為12．5m3／h。為確保離心泵能在優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行，在離心泵出口安裝分流支路及節(jié)流閥，對泵的出口流量進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，使泵可以以穩(wěn)定的狀態(tài)高效率地運(yùn)行。

儲水罐容量計(jì)算

冷卻系統(tǒng)中通常設(shè)置膨脹罐，這是為了收集因水加熱體積膨脹而增加的水容積，防止系統(tǒng)損壞，同時(shí)利于排除水系統(tǒng)中的空氣，穩(wěn)定系統(tǒng)中的壓力。目前常見的膨脹罐有普通型和氣囊型，本系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)耐用的角度考慮選擇普通型膨脹罐。本系統(tǒng)設(shè)置的儲水罐與常用的膨脹罐作用略有不同。本系統(tǒng)儲水罐的主要作用有：1）向密閉式循環(huán)水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力；2）作為系統(tǒng)補(bǔ)水的指示，由儲水罐液位控制發(fā)出報(bào)警信號確認(rèn)系統(tǒng)是否補(bǔ)水；3）作為內(nèi)循環(huán)水泵的入口容器，避免水泵在實(shí)際運(yùn)行中因管路泄露或其他原因而造成吸空和氣蝕現(xiàn)象。

儲水罐的有效容積可根據(jù)水膨脹體積及管路輸送特點(diǎn)計(jì)算，并留有足夠余量，在一定范圍內(nèi)儲水罐越大越好。

水膨脹有效容積的計(jì)算公式是VP＝αΔtVs＝45L。式中：α為水的膨脹體積系數(shù)，約為0．0006（1／℃）；Δt為最大水溫變化值，℃，通常情況下水溫變化值不會超過15℃；Vs為系統(tǒng)總水容量，即系統(tǒng)管道及設(shè)備水的總?cè)萘浚?jīng)計(jì)算參數(shù)約為5m3。儲水罐的容積應(yīng)大于此容積。以上計(jì)算均為理想狀態(tài)下的理論計(jì)算，與其他廠家的盾構(gòu)機(jī)對比后，設(shè)定儲水罐的容積為150L。

換熱器計(jì)算

對本系統(tǒng)內(nèi)的冷熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換應(yīng)選用傳熱效率高、體積小、重量輕、便于拆裝的人字型波紋板式換熱器。介質(zhì)在板式換熱器中的換熱過程很復(fù)雜，由于介質(zhì)進(jìn)出口溫度存在誤差，因此，在換熱器內(nèi)部的不同位置，換熱情況都有所不同。為了便于計(jì)算選型，一般認(rèn)為介質(zhì)在換熱器中處于理想狀態(tài)，鑒于目前的參數(shù)和使用要求，板式換熱器的選型熱工計(jì)算選用對數(shù)平均溫差法，使用準(zhǔn)則方程進(jìn)行計(jì)算。在具體的選型計(jì)算中，均須設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。

設(shè)計(jì)計(jì)算從工況出發(fā)，首先，根據(jù)給定的進(jìn)出口溫度、進(jìn)口水流量等參數(shù)，計(jì)算熱負(fù)荷、對數(shù)平均溫差及冷卻水流量等；然后，根據(jù)工況條件，如承壓、壓降、流量、溫度等要求，初步選擇一個(gè)換熱器型號，通過計(jì)算管間流速，并根據(jù)準(zhǔn)則方程計(jì)算冷熱介質(zhì)的雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)和努賽爾數(shù)；最終，根據(jù)冷熱介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出總換熱系數(shù)K。

如換熱系數(shù)K過小，可以通過提高板間流速進(jìn)行重新計(jì)算。確定換熱系數(shù)后，計(jì)算換熱面積，將理論換熱面積和預(yù)計(jì)值相比較。若二者誤差在5％以內(nèi)，則計(jì)算結(jié)果正確；若超過該范圍，則需對板型或流程組合做重新計(jì)算，直到理論值與預(yù)計(jì)值相接近為止。確定相關(guān)換熱參數(shù)后計(jì)算冷熱介質(zhì)的歐拉數(shù)，并計(jì)算壓降，當(dāng)實(shí)際壓降超過允許值時(shí)應(yīng)改變板型或流量組合，重新計(jì)算傳熱及壓降，以符合工況要求。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用及電機(jī)允許溫度，本盾構(gòu)機(jī)設(shè)定的條件為：內(nèi)循環(huán)內(nèi)熱水溫度為50℃，要求冷卻后水溫度為35℃，內(nèi)循環(huán)須冷卻水量約12．5m3／h（根據(jù)上述計(jì)算所選的泵的額定流量），因外供水通常選用地下水或河水，所以，此處假設(shè)外供冷卻水溫度為30℃，允許升溫8℃，換熱器允許壓降40kPa。因具體的板式換熱器計(jì)算比較繁瑣，本文不做詳細(xì)的計(jì)算。根據(jù)以上分析計(jì)算，本系統(tǒng)選擇的換熱器型號為BR0．23，換熱面積為9．3m2，雙道流程組合，材質(zhì)為304不銹鋼，密封墊選NBR。

外循環(huán)計(jì)算

經(jīng)上述計(jì)算，外循環(huán)水量約為23437．5kg／h。因外循環(huán)水還須供前方用水，并且避免沿路泄漏損失。因此，需留一定余量，選定外循環(huán)水水量為25m3／h，最小壓力約為0．3MPa，水溫在一定范圍內(nèi)越低越好。目前實(shí)際施工現(xiàn)場出現(xiàn)的問題通常都是水溫過高，而不是水溫過低。由于液壓油和潤滑油有下限溫度，而且外循環(huán)水是在與內(nèi)循環(huán)水熱交換后才供給油冷卻器；因此，外循環(huán)供水水溫通常要求在25℃以下，此為施工經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)外循環(huán)水量及管路壓損得知，DN80～DN125管路最適合輸送外循環(huán)。從經(jīng)濟(jì)及隧道通常長度計(jì)算，外循環(huán)管路選用DN80或DN100冷拔無縫鋼管。

因外循環(huán)供水通常根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境就地取水，水的溫度并不穩(wěn)定。如果水溫高于25℃，通常需要冷卻塔或制冷機(jī)等相關(guān)設(shè)備對其進(jìn)行冷卻，冷卻至25℃才能供盾構(gòu)機(jī)使用，該問題需要在具體施工過程中根據(jù)現(xiàn)場使用情況做出判斷和解決。

水質(zhì)要求

水質(zhì)是盾構(gòu)機(jī)工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，對盾構(gòu)機(jī)的正常使用有著極其重要的意義。

1內(nèi)循環(huán)水

內(nèi)循環(huán)水在管中流動，除換熱設(shè)備的物料泄漏及部分鋼管腐蝕外，沒有其他因素會改變循環(huán)水的水質(zhì)。為防止在換熱設(shè)備中造成鹽垢，冷卻水通常選用凝結(jié)水和除鹽水，為了防止換熱設(shè)備被腐蝕，應(yīng)經(jīng)常加入緩蝕劑。

2外循環(huán)水

外循環(huán)水為開式系統(tǒng)，水與大氣接觸，灰塵、微生物等進(jìn)入循環(huán)水，管路通常選用的鋼管容易生銹，這些都會改變循環(huán)水的水質(zhì)。雖然管路內(nèi)設(shè)置了水過濾器，但水過濾器通常只能過濾直徑較大的雜質(zhì)，而其他雜質(zhì)和水垢等容易堵塞冷卻器內(nèi)部的水道，致使冷卻器不能正常冷卻。為確保循環(huán)水水質(zhì)滿足要求，減少管道內(nèi)的結(jié)垢和控制管道的腐蝕，通常會在循環(huán)水系統(tǒng)中投入水質(zhì)穩(wěn)定的藥劑和殺菌劑等水處理藥劑，同時(shí)，對外循環(huán)水還需要做其他處理，如沉積物控制（沉淀池）等。通常盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)廠家會對水質(zhì)有一定的要求，表1為國外某盾構(gòu)機(jī)廠家提供的水質(zhì)要求。

結(jié)論與建議

目前6150mm日立盾構(gòu)機(jī)工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)在北京、南昌、無錫、沈陽等地的眾多地鐵隧道施工中得到了應(yīng)用，冷卻效果明顯，主驅(qū)動溫度基本在35℃以下，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度明顯降低，給施工人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。

由于盾構(gòu)機(jī)在施工過程中通常是就地取水，對水質(zhì)不做任何處理，容易造成管路生銹結(jié)垢，導(dǎo)致管路堵塞或設(shè)備損壞，給盾構(gòu)機(jī)施工造成不利影響。以往盾構(gòu)施工外供水須約12m3／h，這些水均被直接排放，造成了地下水源的污染和浪費(fèi)。本系統(tǒng)的外供水一直處于循環(huán)狀態(tài)，只消耗盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的清潔及系統(tǒng)用水，基本不會造成浪費(fèi)。

盾構(gòu)機(jī)工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮水的熱平衡，同時(shí)也要考慮循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)平衡問題，因此，在設(shè)計(jì)中還需要有對外供水進(jìn)行二次處理的設(shè)計(jì)方案及污水的處理方案，從而保證盾構(gòu)機(jī)能高效率地施工，減少對環(huán)境的影響。