地浸采铀工程工艺水余热供暖回灌水防冻技术研究

李 阳，柳景景

(核工业衡阳研究设计工程有限公司，北京 101149)

地浸采铀工程的快速发展对采暖通风专业的设计提出了更高的要求，如设计集约化厂房、合理组织气流、全专业仿真建模防止管线交叉等[1]。随着厂房单体体积变大、数量增多，室外管网设计变得复杂，尤其是工艺水余热供暖热泵系统的回灌水管道热损失过大的问题日益突出。在寒冷地区，回灌水管道热损失过大容易引起管道冻结问题。目前解决该问题的方法是增加外保温层厚度和加大管道埋设深度。增加外保温层厚度，可以减小开挖深度，地面敷设；不足之处是增大开挖宽度，施工周期长，保温材料需要现场发泡并检测。加大管道埋深的直埋方式，无需外保温施工；但需要将管道顶标高全部埋置于冻土层以下，会造成土方量过大[2]。

某地浸采铀工程地处中国北方，采暖期较长，年极端最低气温-32 ℃，最大冻土层深度2.4 m，设计采用工艺水余热水源热泵供暖系统为厂房采暖。设计回灌水温度约为4 ℃，经过长距离输送，管道存在冻结风险。结合以上条件，参考国内北方黑河市排水管道浅埋不保温的做法[3]，对冻土层温度和工艺回灌水冰点进行测量，并分析管道周围土壤温度场的影响，对管道防冻设计方案进行优化，并论证其可行性。

1 地浸采铀工艺水余热供暖概况

中国北方某地浸项目所在地离城市较远，无采用集中供热的可能性。矿区冬季年平均气温6.2 ℃，年极端最低气温-32 ℃，最大冻土层深度2.4 m。设计采用地浸采铀工艺水余热热泵供暖技术解决项目采暖问题。

利用工艺水余热采暖，抽液孔深约230～340 m[4]208，工艺水在地层中停留时间长，工艺水温度与地下水一致，水温常年恒定在9～12 ℃。采用工艺水余热水源热泵供暖，即抽液井的工艺水被抽至水冶厂提取物质后，再经过热泵换热器使用工艺水的余热给风加热，进而给厂房供热。释放热量后的工艺水温度约4 ℃[4]210，经过长距离的室外管道输送后，经注液井回灌到地下，工艺水余热采暖流程如图1所示。

图1 水冶厂房工艺水余热采暖流程

2 采暖季冻土层温度监测

地质学认为冻土是指温度在0 ℃以下、含有冰的各种土壤或者岩石[5]。冻土层深度对管道周围土壤温度场及管道热损失影响较大，国内其他行业对这方面的研究较多；而对地浸采铀工程采暖管道防冻技术的研究较少，有必要在该问题上开展相关试验研究。

借鉴石油行业监测冻土层温度的方法[6]，利用K型热电偶观测冻土层温度。将带有PVC保护套的测温探头外露节点分别埋设于0.5、1.0、1.5、2.0、2.4 m的土壤深度，并用原土回填，在整个供暖期进行观测，每日由专人记录数据。

每日室外大气温度对冻土层温度的影响从地表到冻土层逐渐减弱，一般具有延迟性。分析数据得到在深度为0.5 m处，最低温度为-7.4 ℃；在深度为1.0 m处，最低温度为-4.5 ℃；在深度为1.5 m处，最低温度为-1.6 ℃；在深度为2.0 m处，最低温度为-0.5 ℃；在深度为2.4 m处，最低温度为0.0 ℃。

根据观测结果计算平均值，不同深度冻土层月平均温度见表1。

表1 不同深度月平均温度

从表1可看出，冻土层以下管道不会发生冻结现象，随着管道埋深减小，土壤冻结天数增加，深度为0.5 m处冻结天数长达整个供暖期。

3 回灌水冰点及管道周围土壤温度研究

3.1 回灌水结冰点试验

工艺水经过换热后温度约为4 ℃，水中含有硫酸、氧化剂和钙镁离子等。用烧杯取500 mL回灌水放置在室外避光处，用温度计记录液体温度并观察结冰现象，不同时间液体温度和结冰现象见表2。

表2 不同时间的液体温度和结冰现象

试验从早晨7:00开始，至14:00结束；室外最低温度为-30 ℃，最高温度-9℃。回灌水温度由4 ℃降至-4 ℃，并保持该温度一段时间后，回灌水开始析出结晶物。根据冰点测量原理[5-7]可以确定回灌水的冰点约为-4 ℃。在该过程中会出现一个冰水两相共存的阶段，该温度平稳阶段约持续2 h左右。

3.2 回灌水管道周围土壤计算温度

直埋回灌水管的管径为DN150 mm，试验时管内流体初始温度为2 ℃，室外极端温度为-32 ℃。将回灌水管道分别埋置于1.0、1.5、2.0 m不同深度，测量不同接触时间下的管道外壁与土壤接触温度，记录数据，试验结果如图2所示。

图2 接触时间对管道外壁与土壤接触温度的影响

若回灌水温度高于周围土壤温度，回灌水就会持续向土场放热，造成一定热损失；但同时也会在周围土壤形成一个温度场[8-11]，当温度场高于冰点温度时，不会出现冻结。分析图2数据可知，埋设深度在1.1 m与1.5 m时，管道外壁与土壤接触温度在接触时长大于0.25 h后变化较小，受土壤温度影响较小。

4 回灌水管道防冻设计方案

4.1 防冻设计方案比较

热交换器至回灌井的回灌水管道总长为1 800 m，其中：直埋总管为DN150 mm的PN钢骨架复合管，长800 m；分管为DN100 mm的PN钢骨架复合管，长1 000 m。在回灌过程中，热损失过大会造成管道中的液体冻结。根据以往工程设计案例和常用防冻技术措施[3]211，结合本次冻土层周围土壤检测数据和本工程回灌水的冰点等数据，针对这一问题在设计时提出4种防冻设计方案，见表3。

方案一的优点是便于巡视和维护；但采用地表敷设管道，需要固定基座，混凝土用量大，管道与室外大气直接接触，室外极端气温为-32 ℃，需要保温。保温后管道截面较大且经常有牛羊等牲畜经过，不便隔离管理，容易出现泄漏。综合考虑方案一在本工程设计中不可取。

方案四的优点是不占用地上空间，物流方便；但由于寒冷区冻土层较深，本工程最大冻土层深度为2.4 m，再考虑安全放坡余量，土方工程量巨大，投资也较高，而且不便于巡视和维护。以往某铀矿(冻土层1.1 m)采用过此方案，维修成本很高。

表3 回灌水管道防冻方案

方案二、三与方案一、四相比，其优点是不占用地上空间，物流方便，节省土方工程量和初始投资。方案三与方案二相比，多开挖0.5 m的土方工程量，施工相对简单，可节省投资。

4.2 方案三可行性论证

根据《全国民用建筑工程设计技术措施》[11]直埋管道的热损失计算方法计算热损失，公式为

Qs=(t-t0)(1+β)l/RZ，

(1)

式中：QS—管道热损失，W；t—管道内回灌水温度，℃；t0—管道外壁与土壤接触计算温度，℃；β—管道附加热损失系数；l—管道长度，m；RZ—管道综合热阻，包扣管内流体热阻、管壁热阻、材料与土壤接触热阻，m·℃/W。

管道热损失受t0影响较大，结合上述试验数据可知管道埋深在1.0～1.5 m时，t0受土壤温度较小。经软件模拟计算热损失为2.1×104W，比方案一热损失降低8.9×104W，热损失控制在一个较为合理的范围内。

回灌水管道内流速为1.2～2.0 m/s，回灌水在管道中运输的最大时长不会超过0.8 h，回灌水在输送过程中会出现冰水两相阶段，但不会冻结。另外，土壤周围存在一个以管道为中心的反复冻结融化“冻融圈”，该温度场有力地保证了回灌水不会完全冻结，方案三防冻设计方案是可行的。

5 结论

根据现场数据收集、分析及热损失计算，对比4种管道埋设设计方案，推荐本项目中工艺水余热供暖回灌水管道采用浅埋不保温方案。该方案施工简单，节约工程总投资、热损失可控制在合理范围内，回灌水在整个采暖季节不会完全冻结，运行安全可靠。该研究结果对中核集团类似工程具有一定参考价值。