水循环设计论文：工业水循环体系设计研讨范文

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作者：牟映洁胡广权柳艳清单位：北京华隧通掘进装备有限公司

内循环水泵计算

根据输送介质及适用工况，系统选用的水泵皆为离心泵，选择立式还是卧式可根据实际安装条件来确定，此处均选用立式离心泵。闭式循环系统中水泵的作用是输送内循环水，使闭式循环中的水流动起来，同时因管路、设备等安装固定，输送距离恒定，可选用大流量低扬程的单级立式离心泵。离心泵的主要性能参数包括水泵的流量、压力等，现根据系统要求对泵的相关参数进行计算。

1）流量。根据输送原理，水泵的最小流量Qmin应为主驱动电机及内外周密封夹套冷却水量之和，即Qmin＝150L／min。

2）扬程。根据目前冷却水泵的安装位置及盾构机的实际尺寸，输送管径选用DN50管路，水泵每循环输送距离大约为L＝120m（阀门及弯管等折合量）。根据电机冷却水的要求及整体管路计算，同时考虑到定流量阀的有效工作范围，则pmin＝p1＋Hs＋pk＋pb＋pD＝0．52MPa，pmax＝p2＋Hs＋pk＋pb＋pD＝083MPa。式中：Hs＝0．18MPa（150m管路理论扬程损失），pk＝0．003～0．1MPa（单向阀开启压力），pb＝004MPa（其他设备压力损失）。因此，内循环水泵的计算最小流量为150L／min，输出压力在0．52～083MPa。因以上计算均为理想状态下的理论计算，同时须考虑泵入口要保留一定的压力，因此，对离心泵的选型需留有一定余量。根据以上流量和扬程的计算，参照离心泵的性能原理和特性，同时考虑到加快内循环冷却水的速率，选定泵的最终型号为SLS50－250，泵的额定流量为12．5m3／h。为确保离心泵能在优先工作区内运行，在离心泵出口安装分流支路及节流阀，对泵的出口流量进行适度调节，使泵可以以稳定的状态高效率地运行。

储水罐容量计算

冷却系统中通常设置膨胀罐，这是为了收集因水加热体积膨胀而增加的水容积，防止系统损坏，同时利于排除水系统中的空气，稳定系统中的压力。目前常见的膨胀罐有普通型和气囊型，本系统从经济耐用的角度考虑选择普通型膨胀罐。本系统设置的储水罐与常用的膨胀罐作用略有不同。本系统储水罐的主要作用有：1）向密闭式循环水系统提供稳定的压力；2）作为系统补水的指示，由储水罐液位控制发出报警信号确认系统是否补水；3）作为内循环水泵的入口容器，避免水泵在实际运行中因管路泄露或其他原因而造成吸空和气蚀现象。

储水罐的有效容积可根据水膨胀体积及管路输送特点计算，并留有足够余量，在一定范围内储水罐越大越好。

水膨胀有效容积的计算公式是VP＝αΔtVs＝45L。式中：α为水的膨胀体积系数，约为0．0006（1／℃）；Δt为最大水温变化值，℃，通常情况下水温变化值不会超过15℃；Vs为系统总水容量，即系统管道及设备水的总容量，经计算参数约为5m3。储水罐的容积应大于此容积。以上计算均为理想状态下的理论计算，与其他厂家的盾构机对比后，设定储水罐的容积为150L。

换热器计算

对本系统内的冷热介质进行热交换应选用传热效率高、体积小、重量轻、便于拆装的人字型波纹板式换热器。介质在板式换热器中的换热过程很复杂，由于介质进出口温度存在误差，因此，在换热器内部的不同位置，换热情况都有所不同。为了便于计算选型，一般认为介质在换热器中处于理想状态，鉴于目前的参数和使用要求，板式换热器的选型热工计算选用对数平均温差法，使用准则方程进行计算。在具体的选型计算中，均须设计计算和校核计算。

设计计算从工况出发，首先，根据给定的进出口温度、进口水流量等参数，计算热负荷、对数平均温差及冷却水流量等；然后，根据工况条件，如承压、压降、流量、温度等要求，初步选择一个换热器型号，通过计算管间流速，并根据准则方程计算冷热介质的雷诺数、普朗特数和努赛尔数；最终，根据冷热介质的相关参数计算出总换热系数K。

如换热系数K过小，可以通过提高板间流速进行重新计算。确定换热系数后，计算换热面积，将理论换热面积和预计值相比较。若二者误差在5％以内，则计算结果正确；若超过该范围，则需对板型或流程组合做重新计算，直到理论值与预计值相接近为止。确定相关换热参数后计算冷热介质的欧拉数，并计算压降，当实际压降超过允许值时应改变板型或流量组合，重新计算传热及压降，以符合工况要求。

根据实际应用及电机允许温度，本盾构机设定的条件为：内循环内热水温度为50℃，要求冷却后水温度为35℃，内循环须冷却水量约12．5m3／h（根据上述计算所选的泵的额定流量），因外供水通常选用地下水或河水，所以，此处假设外供冷却水温度为30℃，允许升温8℃，换热器允许压降40kPa。因具体的板式换热器计算比较繁琐，本文不做详细的计算。根据以上分析计算，本系统选择的换热器型号为BR0．23，换热面积为9．3m2，双道流程组合，材质为304不锈钢，密封垫选NBR。

外循环计算

经上述计算，外循环水量约为23437．5kg／h。因外循环水还须供前方用水，并且避免沿路泄漏损失。因此，需留一定余量，选定外循环水水量为25m3／h，最小压力约为0．3MPa，水温在一定范围内越低越好。目前实际施工现场出现的问题通常都是水温过高，而不是水温过低。由于液压油和润滑油有下限温度，而且外循环水是在与内循环水热交换后才供给油冷却器；因此，外循环供水水温通常要求在25℃以下，此为施工经验值。根据外循环水量及管路压损得知，DN80～DN125管路最适合输送外循环。从经济及隧道通常长度计算，外循环管路选用DN80或DN100冷拔无缝钢管。

因外循环供水通常根据现场环境就地取水，水的温度并不稳定。如果水温高于25℃，通常需要冷却塔或制冷机等相关设备对其进行冷却，冷却至25℃才能供盾构机使用，该问题需要在具体施工过程中根据现场使用情况做出判断和解决。

水质要求

水质是盾构机工业水循环系统的重要组成部分，对盾构机的正常使用有着极其重要的意义。

1内循环水

内循环水在管中流动，除换热设备的物料泄漏及部分钢管腐蚀外，没有其他因素会改变循环水的水质。为防止在换热设备中造成盐垢，冷却水通常选用凝结水和除盐水，为了防止换热设备被腐蚀，应经常加入缓蚀剂。

2外循环水

外循环水为开式系统，水与大气接触，灰尘、微生物等进入循环水，管路通常选用的钢管容易生锈，这些都会改变循环水的水质。虽然管路内设置了水过滤器，但水过滤器通常只能过滤直径较大的杂质，而其他杂质和水垢等容易堵塞冷却器内部的水道，致使冷却器不能正常冷却。为确保循环水水质满足要求，减少管道内的结垢和控制管道的腐蚀，通常会在循环水系统中投入水质稳定的药剂和杀菌剂等水处理药剂，同时，对外循环水还需要做其他处理，如沉积物控制（沉淀池）等。通常盾构机设计厂家会对水质有一定的要求，表1为国外某盾构机厂家提供的水质要求。

结论与建议

目前6150mm日立盾构机工业水循环系统在北京、南昌、无锡、沈阳等地的众多地铁隧道施工中得到了应用，冷却效果明显，主驱动温度基本在35℃以下，盾构机内部环境温度明显降低，给施工人员创造了良好的作业环境。

由于盾构机在施工过程中通常是就地取水，对水质不做任何处理，容易造成管路生锈结垢，导致管路堵塞或设备损坏，给盾构机施工造成不利影响。以往盾构施工外供水须约12m3／h，这些水均被直接排放，造成了地下水源的污染和浪费。本系统的外供水一直处于循环状态，只消耗盾构机内部的清洁及系统用水，基本不会造成浪费。

盾构机工业水循环系统设计不仅要考虑水的热平衡，同时也要考虑循环水系统的水质平衡问题，因此，在设计中还需要有对外供水进行二次处理的设计方案及污水的处理方案，从而保证盾构机能高效率地施工，减少对环境的影响。