青藏鐵路涵洞積冰太陽能融冰探索

趙中仝

摘 要：青藏鐵路沿線小型橋涵在入冬到第二年開春的幾個月內(nèi)，涵洞內(nèi)部有結(jié)冰現(xiàn)象。特別是在格拉鐵路唐北段的部分涵洞內(nèi)，結(jié)冰非常嚴重，有的冰面接近涵洞頂部，有的甚至堵塞了涵洞，導(dǎo)致涵洞混凝土開裂，路基變形，嚴重危及青藏鐵路行車安全。鑒于此，我們根據(jù)多年青藏鐵路施工經(jīng)驗及借鑒格拉段供水保溫和水井取水保溫的成功方案，采用太陽能利用的最新技術(shù)提出了涵洞融冰解決方案。

關(guān)鍵詞：太陽能融冰；青藏鐵路；病害；涵洞積冰

可可西里附近K1056+982涵洞現(xiàn)場，每當(dāng)冬季和春季來臨，涵洞內(nèi)外存在較大溫差時，白天外部氣溫已達到很高，上游的冰雪白天會融化，溪流水量加大。而涵洞內(nèi)部由于涵洞頂部的路基遮蔽住太陽光線和熱量的緣故，洞內(nèi)溫度晝夜都很低，冰層會凍結(jié)逐漸累積，慢慢堵塞涵洞。這時，大量的消融水流積聚在路基一側(cè)，形成一類似于小水庫的水灣，使局部路基浸泡在水中。如果這種情況長期存在，會對路基產(chǎn)生很大威脅。該方案從2016年6月到2017年6月，經(jīng)過了一個2017年冬季的化冰期和2016年冬季的實際考核期，完成了全部的考核，達到了預(yù)期的目的，取得了一定的實驗成果，為今后進一步提高創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)在試驗工作現(xiàn)已結(jié)束。

1 實施情況

在反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，根據(jù)青藏鐵路格拉段實際情況，選定具有代表性的K1056+982涵洞內(nèi)進行試驗，試驗裝置從設(shè)計、制造、訂貨、安裝、調(diào)試在一個月內(nèi)完成。在4月27日開始正運行從現(xiàn)場可以看到融冰散熱排管在冰面上每天向下融冰200mm到300mm的深度。從4月27日到5月1日5天時間內(nèi)，試驗區(qū)域內(nèi)的15m長，1.5m寬，1.3m厚的冰層全部融完。試驗達到了預(yù)期的效果。

1.1 試驗裝置介紹

1.1.1工藝過程

融冰裝置由四部分組成：發(fā)電系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和導(dǎo)熱系統(tǒng)。

發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏電池、蓄電池組、逆變系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電纜等。集熱系統(tǒng)包括：高性能集熱器組、管道系統(tǒng)、支架等?？刂葡到y(tǒng)包括：時間控制器、配電箱等。導(dǎo)熱系統(tǒng)包括：散熱排管、進口輸送泵、輸送返回管路、閥組等。

1.1.2.操作模式

本裝置由兩套太陽能系統(tǒng)組成，一套是太陽能集熱器，另一套是光伏發(fā)電站。太陽能集熱器主要用來吸收太陽熱能，并將其傳導(dǎo)給熱媒介質(zhì)，熱媒介質(zhì)通過管道和散熱排管，將熱量傳給隧道冰層，使冰層隨時融化，不再集結(jié)。光伏發(fā)電機組的主要目的是為熱媒循環(huán)泵、系統(tǒng)控制、照明等提供220V電源。由于積聚過多能量會引起系統(tǒng)高溫，會影響設(shè)備壽命，所以采用不管冬夏均為“晝開夜關(guān)”模式，即白天開啟，夜晚停止，午夜運轉(zhuǎn)半小時的工作模式。使系統(tǒng)能量處在平衡狀態(tài)。由于選用了國內(nèi)高端設(shè)備、較大冗余和完善的控制系統(tǒng)，本裝置可不配值守人員，只派人員定期巡檢即可。在投運的一年時間內(nèi)，由開發(fā)承建單位自己負責(zé)維護。

1.1.3.設(shè)備選用

（1）高檔太陽能集熱器，2平方米，20組；

（2）熱媒罐，0.5立方米，1臺；

（3）-30度低溫?zé)崦剑?立方米；

（4）熱媒泵，2立方米/時，16米揚程，1臺；

（5）太陽能泵用發(fā)電機組，220V， 1000W，1套；

（6）電路系統(tǒng)，1套；

（7）防護保溫柜，1800x1800x2000，

（8）支架、圍欄，1套。

（9）Pb25x4散熱排管 ，1套

2 試驗過程

2.1 試驗過程概述

選定K1056+982涵洞（新建可可西里站站內(nèi)）為試驗對象，趕在在四、五月份涵洞內(nèi)的積冰還未完全融化的時候做完試驗內(nèi)容。為了抓住這一時機，三月份開始做施工方案和計劃，三月底訂貨，四月上旬加工安裝設(shè)備，四月下旬調(diào)試運行。到五月1日下午完成了初步試驗。經(jīng)過一個多月的緊張施工和試驗，基本完成了全部施工、安裝、調(diào)試及試驗內(nèi)容，達到了預(yù)期的目的。

在試驗過程中在系統(tǒng)中選定了有代表性的4個溫度點，并用紅外測溫儀進行測量記錄，對冰層消融情況也進行了實測。

這4個點是：1、集熱器10#出口溫度，2、集熱器20#出口溫度，3、散熱排管入口溫度，4、散熱排管出口溫度。

與冰面接觸的散熱排管長15米，寬12厘米。測其融冰深度，就知道融化冰層的數(shù)量，然后就可以計算出實際交換的熱量。

2.2 試驗情況

散熱排管平放在靠涵洞內(nèi)部西側(cè)的冰面上，熱媒輸送泵運轉(zhuǎn)5分鐘后散熱排管開始發(fā)熱，數(shù)分鐘后冰面上出現(xiàn)凹槽。實測溫度如下：

2.3.中間試驗結(jié)論

2.3.1在短期內(nèi)抓住時機完成籌建到試驗的全過程，其建設(shè)思路是正確的，結(jié)果是比較理想、達到了預(yù)期目的。

2.3.2熱負荷較匹配、熱強度較大。折合到最冷月份，即使其熱負荷縮減到三分之一，也能滿足實際需要。

2.3.3取得了涵洞面積、集熱器、光伏發(fā)電三者數(shù)量之間定性和半定量的關(guān)系，為以后為不同規(guī)模涵洞提供融冰方案奠定了基礎(chǔ)。

2.3.4該裝置尚在繼續(xù)試驗、考核和完善階段，出現(xiàn)工藝、設(shè)備、操作中的問題和不足有待進一步完善。

3 2016年底到2017年初的實際考核

2016年夏季主要完善考核了系統(tǒng)流程考核和工藝設(shè)備考核兩方面的內(nèi)容：

3.1 散熱排管的流程走向和固定問題

散熱排管內(nèi)熱媒的走向和水流走向有以下三種形式，逆流、并流和錯流。理論分析和實際中發(fā)現(xiàn)，并流是最好的排列方式。并流溫差利用，熱流分布最為合理。研究了水流入口結(jié)構(gòu)對水流導(dǎo)向有很大關(guān)系?？偨Y(jié)出橫跨斷面排布和伸出冰層的結(jié)構(gòu)。

3.2 多余熱量對系統(tǒng)的影響

夏季整個系統(tǒng)處于停機狀態(tài)，但大量的熱量還在源源不斷的產(chǎn)生。這對設(shè)備系統(tǒng)非常不利。對此，采取了夏季對太陽能集熱器進行遮蓋的的方式。用白色帆布罩將太陽能集熱器罩住，限制熱量的過多射入。遮蓋時間為3月底到10月底。

4 可靠性問題

融冰系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性是最重要。經(jīng)過一年的運行和實際考核，如動設(shè)備、管道及散熱排管等容易收到外界氣候環(huán)境及人為的影響。在以后實施時建議采用雙系統(tǒng)。這樣在一套系統(tǒng)發(fā)生問題時，另一套可以繼續(xù)工作。

5 總結(jié)

5.1太陽能融冰技術(shù)的開發(fā)，探索出了解決冰凍問題的一條新路。使消除青藏鐵路涵洞的冬季水害（冰害）成為現(xiàn)實。太陽能融冰技術(shù)融冰效率高，能保證受冰害涵洞整個冬季沒有冰凍產(chǎn)生。

5.2經(jīng)兩個凍冰期的融冰實驗和一個夏天的考核完善。該裝置具有全部采用綠色能源，動力和熱能全部來自于天然能源，不需要外界提供的優(yōu)點。設(shè)備可靠，技術(shù)成熟，完全可免維護運行（只需定期巡檢即可）。免除了繁重的人工破冰除冰作業(yè)。

5.3試驗中發(fā)現(xiàn)的冰洞導(dǎo)流是人工干預(yù)與自然形成的導(dǎo)流方式，為其它冰害地段導(dǎo)流提供了借鑒。如果再進一步完善，可以應(yīng)用其它部位或領(lǐng)域。

5.4該裝置試驗的范圍僅限于涵洞內(nèi)部，在實際中有些涵洞出口就是鐵路維護便道，涵洞融化的水流仍在便道上凍結(jié)，會造成通行困難。建議在便道上埋設(shè)涵管，與鐵路橋涵的融冰統(tǒng)一考慮。

5.5該裝置局部還需要加固和調(diào)整，以便為今后實施提供更加合理的參考依據(jù)。

5.6巡檢交底制度需要進一步完善和落實。endprint