青岛地铁双护盾TBM水系统故障分析及优化

郭 志，田 斌，丁绍军，唐希刚，樊治国，刘桂涛

（中船重工（青岛）轨道交通装备有限公司，山东 青岛 266111)

双护盾TBM 以其良好的地质适应性、施工安全性、施工灵活性及对环境友好性等特点被应用于青岛地铁岩石地层的隧道掘进。双护盾TBM施工过程中电机、减速机、变频器、空压机、液压系统、润滑系统等发热设备需通过水冷却散热；刀盘破岩后的除尘降温、注浆管路及部分设备的清理等需要用水冲洗，所以水系统作为双护盾TBM 的基本系统，其工作状况的优劣直接影响到设备整机能否正常运行。

双护盾TBM 在青岛地铁2 号线施工过程中存在的水系统换水、排水频繁，偶发内循环温度高甚至导致设备报警停机的情况[1～2]，本文通过对该项目双护盾TBM 水系统的原理分析及热平衡计算并结合现场实测数据，研究了该系统原理设计存在的不足，揭示了隧道供水条件对内循环冷却效果的影响因素及规律。在此基础上，对水系统原理设计进行优化探讨和进一步热平衡分析，论证该优化后的系统原理可实现节水、环保并降低隧道供水条件对双护盾TBM 水系统正常运行的影响。

1 水系统现状

1.1 系统原理

本项目双护盾TBM 水系统原理如图1 所示，由内循环和外循环两大部分组成。内循环为闭式循环系统，软水流经主驱动电机、主驱动减速机、变频柜、液压系统、润滑系统及空压机带走这些部件运行过程中产生的热量，其中空压机冷却为独立的闭式内循环系统；外循环为开、闭式相结合的循环系统，隧道进水依次流经进水水管卷筒、过滤器、内循环散热器并最终进入水箱，该过程为内循环实施换热冷却。流入水箱的水一部分用于刀盘喷水、设备冲洗等的施工用水，在温度不超过排水临界温度时外循环开启闭式循环模式，水箱的水泵送至外循环进水管路换热器前端，循环冷却内循环；温度超过排水临界温度时外循环开启开式循环模式，将水箱的水排放至隧道，同时由隧道供水继续对内循环实施换热冷却并最终流入水箱。该系统设置3 个温度传感器，温度传感器1监测外循环进水温度，温度传感器2 监测内循环进水温度，温度传感器3 监测水箱温度，即外循环回水温度。当温度传感器2 监测温度超过临界值时会触发电控系统实施报警停机；当温度传感器3 监测温度超过临界值时会触发电控系统实施外循环系统的开、闭式模式切换。开、闭式相结合的外循环设计，其出发点为通过使水箱的水循环冷却内循环，以达到隧道供水充分利用进而实现节水目的。

图1 水系统原理图

1.2 热平衡计算

本项目双护盾TBM 需实施水冷却的发热设备包括主驱动电机、主驱动减速机、变频柜、液压泵站、润滑泵站和空压机，通过闭式内循环系统实现。其中，空压机由于所需冷却水流量较大、发热功率较高，为节约用水并保证冷却效果，由独立的内循环单独实施冷却。上述各设备的功率及效率可从供应商手册获得。由功率及效率可据公式 计算出各设备的发热功率[3～4]。该水系统内、外循环水设计流量，换热器换热面积等参数详见表1。

定义外循环水流经换热器的进水口和出水口温度分别为T1和T2，温差ΔT=T2-T1；内循环水流经换热器的进水口和出水口温度分别为t1和t2，温差Δt=t1-t2；流经空压机独立内循环换热器内、外循环水的进出口温度分别为t1′，t2′和T1′，T2′，其中T1′=T2。温差分别为Δt′=t2′-t1′和ΔT′=T2′-T1′。接下来研究影响外循环回水温度即水箱温度T2′与内循环进水温度t2、t2′的因素及规律，探讨造成水系统换水、排水频繁及内循环报警停机的原因。

表1 水系统参数

热交换量计算公式为

平均温差计算公式（Δt/ΔT≤2 时）为

换热面积计算公式

式中c——水的比热容，c=4.18×103kg/m3；

ρ——水的密度，s=1×103kg/m3；

K——传热系数，对于水水换热的板式换热器，供应商计算取值K=6233W/m2℃。

综合运用式（1）～式（3），可推导出水箱温度T2′（外循环回水温度），内循环进水温度t2、t2′的表达式，推导过程不在此赘述。

在不考虑内循环失水及换热器内部结垢影响内循环进水流量和热交换器传热系数的情况下，分析式（4）～式（6）可知，影响水箱温度T2′和内循环进水温度t2、t2′的主要因素为外循环进水温度T1和流量Q外。假定外循环进水流量固定或温度固定的情况下，外循环进水温度或流量对内循环进水温度和水箱温度的影响规律如图2 所示。

图2 外循环进水温度或流量对水系统影响

1.3 故障分析

本项目双护盾TBM 水系统设计外循环进水温度T1≤25℃，进水流量Q外≥58.8m3/h。综合考虑内循环各系统及部件最高允许进水温度，内循环进水温度报警停机临界值为设定为37℃；水箱排水临界值设定为34℃。为便于定量分析，取外循环进水温度 在25～34℃并以1℃的梯度变化时，可求得相应的内循环进水温度t2，空压机进水温度t2′及水箱温度T2′，如表2 所示。

由表2 可知，当外循环进水温度为25℃时，流经换热器后内循环进水温度和空压机进水温度均在允许范围之内，最终流入水箱的温度为34℃（参见表2 第1 行）。若利用水箱内该温度的水对内循环实施循环冷却，此时内循环进水温度将超过37℃，空压机进水温度将接近44℃（参见表2第10 行），理论上会触发电控系统报警停机。若取消从水箱取水循环冷却内循环的功能，根据表2 可知，即使外循环进水温度达到28℃时，内循环进水温度和空压机进水温度也可控制在允许范围之内，水系统可正常运行（参见表2 第4 行）。由此可知，在外循环进水温度超过25℃时从水箱取水循环冷却内循环并不适用，且外循环会持续在开式和闭式模式间切换，水系统频繁换水、排水。如果外循环进水温度超过25℃时一直处于开式模式，虽可减小外循环进水温度升高对水系统正常运行的影响，但会加大外循环回水在隧道的排放，造成水资源的浪费并污染施工环境。

表2 温度分析表

由图2 及表2 可知，在外循环进水流量满足Q外=58.8m3/h 的情况下，理论上外循环进水温度超过33℃时会导致内循环进水温度超过允许临界值进而触发电控系统实施报警停机；此外，若外循环进水流量不足也会加剧对水系统正常运行的影响，所以在外循环进水流量不足时，即使温度低于33℃也会出现内循环温度升高导致设备报警停机的情况。但是，根据现场采集数据，在外循环进水温度超过33℃甚至达到35℃时，设备仍在正常运行。这主要是因上述过程发热功率是依据各发热设备的额定功率计算获得，然而在设备正常掘进时，主驱动在恒扭矩状态工作，实际使用功率不足额定功率的50%，若依此计算，外循环进水温度33℃时的内循环进水温度34.9℃，；外循环进水温度35℃时的内循环进水温度36.9℃，计算结果与现场实测数据较吻合，仍低于设备报警停机的设定临界值，故能正常掘进，但外循环进水温度超过33℃时会使空压机内循环进水温度接近39℃超过允许范围，有诱发空压机内部润滑油变质的风险，易引起空压机设备故障。

2 水系统优化探讨

由上述分析可知，本项目双护盾TBM 水系统采用开、闭式相结合的外循环原理设计，在进水温度超过25℃时并不适用；开放式外循环设计易导致水资源浪费且水排放污染隧道施工环境；外循环进水缺乏有效的控制措施易导致温度升高、流量降低等，这些不利因素影响到水系统的正常运行。需对水系统进行优化，提高双护盾TBM 应用于城市地铁隧道施工时的适应性。

2.1 系统原理优化

优化后水系统原理如图3 所示，仍由内循环和外循环两大部分组成。内循环为闭式循环系统，但考虑到液压系统和润滑系统允许的温升范围较高，接近50℃，故采用梯级冷却的理念将其移至外循环实施冷却，以此可减少内、外循环水的流量需求，其它保持不变；外循环与隧道供水综合考虑，设计为大型闭式循环系统。隧道供水依次流经进水水管卷筒、过滤器、内循环散热器、空压机独立内循环散热器，液压系统和润滑系统后，在水箱低液位时为其补水，高液位时经回水增压泵，回水水管卷筒实现隧道回水，在隧道口设置储水箱并增设冷却塔，对隧道回水实施循环冷却，使水温达到使用条件并重复利用。水箱的储水完全用于刀盘喷水、设备冲洗等的施工用水。

图3 优化后水系统原理图

2.2 热平衡分析

优化后水系统发热设备的冷却分为三级进行，主驱动电机、主驱动减速机、变频柜通过闭式内循环冷却，为第一级；空压机通过独立的闭式内循环冷却，为第二级；液压泵站、润滑泵站通过外循环冷却，为第三级。因液压泵站、润滑泵站的冷却也是通过换热器实现的油、水换热，第三级冷却也理解为一个独立的闭式循环系统。由于将液压泵站和润滑泵站移出了内循环系统，故该系统所需冷却水流量减少，考虑 不变的前提下，外循环进水流量相应减少，因此达到了节水的目的。优化后水系统参数如表3 所示。

因优化后的水系统发热设备分三级逐级冷却，补充定义外循环水流经第三级冷却时进水口和出水口温度分别为T1″和T2″，其中T1″=T2′。为便于定量分析，采用1.3 节同样的方法，取外循环进水温度在25～34℃并以1℃的梯度变化时，综合运用式（1）～式（3）可求得内循环进水温度t2，空压机进水温度t2′，第三级冷却外循环进水温度T1″及出水温度T2″，即回水温度，如表4 所示。

根据表4 可知，即使外循环进水温度达到31℃时，内循环进水温度、空压机进水温度以及液压泵站和润滑泵站的冷却水温度也可控制在允许范围之内，水系统可正常运行（参见表4第7行）。

2.3 优化效果

优化前后双护盾TBM 水系统的主要区别为：将开、闭式相结合的外循环系统优化为综合考虑隧道供水的大型闭式循环系统，优化后不仅可彻底避免水系统频繁换水、排水的情况，而且隧道供水可循环利用，实现节水、环保功能。隧道口冷却塔的设置可使隧道回水温度循环冷却至接近湿球温度，使得隧道供水条件更能满足水系统的需求。液压泵站、润滑泵站移到外循环实施梯级冷却，使得所需外循环水的流量由原来的58.8m3/h 降低至48.2m3/h，水量需求减少约18%。然而，根据表4计算结果，即使在外循环水流量减少至48.2m3/h 的情况下，水系统在外循环进水温度达到31℃时仍能正常运行，允许温升范围比优化前提升3℃左右。综上所述，优化后的系统原理可实现节水、环保并降低隧道进水条件对双护盾TBM 水系统正常运行的影响。

表3 水系统参数优化

表4 优化后水系统温度分析表

3 结论及讨论

针对双护盾TBM 在青岛地铁2 号线施工过程中水系统出现的问题，通过对该系统的原理分析、热平衡计算及优化探讨，形成结论如下。

1)开、闭式相结合的外循环原理设计在进水温度超过25℃时不适用，是造成双护盾TBM 水系统换水、排水频繁的根本原因。

2)外循环进水温度升高、进水流量不足或二者综合作用是造成内循环温度升高进而导致设备报警停机的根本原因。

3)双护盾TBM 应用于城市地铁隧道施工时，液压泵站、润滑泵站的冷却移到外循环实现，外循环设计时与隧道供水综合考虑，设计为大型闭式循环系统，并在隧道外设置冷却塔对隧道回水循环冷却，可实现节水、环保并满足水系统的进水条件。