地浸采鈾工程工藝水余熱供暖回灌水防凍技術(shù)研究

李 陽，柳景景

(核工業(yè)衡陽研究設(shè)計(jì)工程有限公司，北京 101149)

地浸采鈾工程的快速發(fā)展對(duì)采暖通風(fēng)專業(yè)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如設(shè)計(jì)集約化廠房、合理組織氣流、全專業(yè)仿真建模防止管線交叉等[1]。隨著廠房單體體積變大、數(shù)量增多，室外管網(wǎng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，尤其是工藝水余熱供暖熱泵系統(tǒng)的回灌水管道熱損失過大的問題日益突出。在寒冷地區(qū)，回灌水管道熱損失過大容易引起管道凍結(jié)問題。目前解決該問題的方法是增加外保溫層厚度和加大管道埋設(shè)深度。增加外保溫層厚度，可以減小開挖深度，地面敷設(shè)；不足之處是增大開挖寬度，施工周期長，保溫材料需要現(xiàn)場發(fā)泡并檢測。加大管道埋深的直埋方式，無需外保溫施工；但需要將管道頂標(biāo)高全部埋置于凍土層以下，會(huì)造成土方量過大[2]。

某地浸采鈾工程地處中國北方，采暖期較長，年極端最低氣溫-32 ℃，最大凍土層深度2.4 m，設(shè)計(jì)采用工藝水余熱水源熱泵供暖系統(tǒng)為廠房采暖。設(shè)計(jì)回灌水溫度約為4 ℃，經(jīng)過長距離輸送，管道存在凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合以上條件，參考國內(nèi)北方黑河市排水管道淺埋不保溫的做法[3]，對(duì)凍土層溫度和工藝回灌水冰點(diǎn)進(jìn)行測量，并分析管道周圍土壤溫度場的影響，對(duì)管道防凍設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并論證其可行性。

1 地浸采鈾工藝水余熱供暖概況

中國北方某地浸項(xiàng)目所在地離城市較遠(yuǎn)，無采用集中供熱的可能性。礦區(qū)冬季年平均氣溫6.2 ℃，年極端最低氣溫-32 ℃，最大凍土層深度2.4 m。設(shè)計(jì)采用地浸采鈾工藝水余熱熱泵供暖技術(shù)解決項(xiàng)目采暖問題。

利用工藝水余熱采暖，抽液孔深約230～340 m[4]208，工藝水在地層中停留時(shí)間長，工藝水溫度與地下水一致，水溫常年恒定在9～12 ℃。采用工藝水余熱水源熱泵供暖，即抽液井的工藝水被抽至水冶廠提取物質(zhì)后，再經(jīng)過熱泵換熱器使用工藝水的余熱給風(fēng)加熱，進(jìn)而給廠房供熱。釋放熱量后的工藝水溫度約4 ℃[4]210，經(jīng)過長距離的室外管道輸送后，經(jīng)注液井回灌到地下，工藝水余熱采暖流程如圖1所示。

圖1 水冶廠房工藝水余熱采暖流程

2 采暖季凍土層溫度監(jiān)測

地質(zhì)學(xué)認(rèn)為凍土是指溫度在0 ℃以下、含有冰的各種土壤或者巖石[5]。凍土層深度對(duì)管道周圍土壤溫度場及管道熱損失影響較大，國內(nèi)其他行業(yè)對(duì)這方面的研究較多；而對(duì)地浸采鈾工程采暖管道防凍技術(shù)的研究較少，有必要在該問題上開展相關(guān)試驗(yàn)研究。

借鑒石油行業(yè)監(jiān)測凍土層溫度的方法[6]，利用K型熱電偶觀測凍土層溫度。將帶有PVC保護(hù)套的測溫探頭外露節(jié)點(diǎn)分別埋設(shè)于0.5、1.0、1.5、2.0、2.4 m的土壤深度，并用原土回填，在整個(gè)供暖期進(jìn)行觀測，每日由專人記錄數(shù)據(jù)。

每日室外大氣溫度對(duì)凍土層溫度的影響從地表到凍土層逐漸減弱，一般具有延遲性。分析數(shù)據(jù)得到在深度為0.5 m處，最低溫度為-7.4 ℃；在深度為1.0 m處，最低溫度為-4.5 ℃；在深度為1.5 m處，最低溫度為-1.6 ℃；在深度為2.0 m處，最低溫度為-0.5 ℃；在深度為2.4 m處，最低溫度為0.0 ℃。

根據(jù)觀測結(jié)果計(jì)算平均值，不同深度凍土層月平均溫度見表1。

表1 不同深度月平均溫度

從表1可看出，凍土層以下管道不會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，隨著管道埋深減小，土壤凍結(jié)天數(shù)增加，深度為0.5 m處凍結(jié)天數(shù)長達(dá)整個(gè)供暖期。

3 回灌水冰點(diǎn)及管道周圍土壤溫度研究

3.1 回灌水結(jié)冰點(diǎn)試驗(yàn)

工藝水經(jīng)過換熱后溫度約為4 ℃，水中含有硫酸、氧化劑和鈣鎂離子等。用燒杯取500 mL回灌水放置在室外避光處，用溫度計(jì)記錄液體溫度并觀察結(jié)冰現(xiàn)象，不同時(shí)間液體溫度和結(jié)冰現(xiàn)象見表2。

表2 不同時(shí)間的液體溫度和結(jié)冰現(xiàn)象

試驗(yàn)從早晨7:00開始，至14:00結(jié)束；室外最低溫度為-30 ℃，最高溫度-9℃?；毓嗨疁囟扔? ℃降至-4 ℃，并保持該溫度一段時(shí)間后，回灌水開始析出結(jié)晶物。根據(jù)冰點(diǎn)測量原理[5-7]可以確定回灌水的冰點(diǎn)約為-4 ℃。在該過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)冰水兩相共存的階段，該溫度平穩(wěn)階段約持續(xù)2 h左右。

3.2 回灌水管道周圍土壤計(jì)算溫度

直埋回灌水管的管徑為DN150 mm，試驗(yàn)時(shí)管內(nèi)流體初始溫度為2 ℃，室外極端溫度為-32 ℃。將回灌水管道分別埋置于1.0、1.5、2.0 m不同深度，測量不同接觸時(shí)間下的管道外壁與土壤接觸溫度，記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 接觸時(shí)間對(duì)管道外壁與土壤接觸溫度的影響

若回灌水溫度高于周圍土壤溫度，回灌水就會(huì)持續(xù)向土場放熱，造成一定熱損失；但同時(shí)也會(huì)在周圍土壤形成一個(gè)溫度場[8-11]，當(dāng)溫度場高于冰點(diǎn)溫度時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)。分析圖2數(shù)據(jù)可知，埋設(shè)深度在1.1 m與1.5 m時(shí)，管道外壁與土壤接觸溫度在接觸時(shí)長大于0.25 h后變化較小，受土壤溫度影響較小。

4 回灌水管道防凍設(shè)計(jì)方案

4.1 防凍設(shè)計(jì)方案比較

熱交換器至回灌井的回灌水管道總長為1 800 m，其中：直埋總管為DN150 mm的PN鋼骨架復(fù)合管，長800 m；分管為DN100 mm的PN鋼骨架復(fù)合管，長1 000 m。在回灌過程中，熱損失過大會(huì)造成管道中的液體凍結(jié)。根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)案例和常用防凍技術(shù)措施[3]211，結(jié)合本次凍土層周圍土壤檢測數(shù)據(jù)和本工程回灌水的冰點(diǎn)等數(shù)據(jù)，針對(duì)這一問題在設(shè)計(jì)時(shí)提出4種防凍設(shè)計(jì)方案，見表3。

方案一的優(yōu)點(diǎn)是便于巡視和維護(hù)；但采用地表敷設(shè)管道，需要固定基座，混凝土用量大，管道與室外大氣直接接觸，室外極端氣溫為-32 ℃，需要保溫。保溫后管道截面較大且經(jīng)常有牛羊等牲畜經(jīng)過，不便隔離管理，容易出現(xiàn)泄漏。綜合考慮方案一在本工程設(shè)計(jì)中不可取。

方案四的優(yōu)點(diǎn)是不占用地上空間，物流方便；但由于寒冷區(qū)凍土層較深，本工程最大凍土層深度為2.4 m，再考慮安全放坡余量，土方工程量巨大，投資也較高，而且不便于巡視和維護(hù)。以往某鈾礦(凍土層1.1 m)采用過此方案，維修成本很高。

表3 回灌水管道防凍方案

方案二、三與方案一、四相比，其優(yōu)點(diǎn)是不占用地上空間，物流方便，節(jié)省土方工程量和初始投資。方案三與方案二相比，多開挖0.5 m的土方工程量，施工相對(duì)簡單，可節(jié)省投資。

4.2 方案三可行性論證

根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》[11]直埋管道的熱損失計(jì)算方法計(jì)算熱損失，公式為

Qs=(t-t0)(1+β)l/RZ，

(1)

式中：QS—管道熱損失，W；t—管道內(nèi)回灌水溫度，℃；t0—管道外壁與土壤接觸計(jì)算溫度，℃；β—管道附加熱損失系數(shù)；l—管道長度，m；RZ—管道綜合熱阻，包扣管內(nèi)流體熱阻、管壁熱阻、材料與土壤接觸熱阻，m·℃/W。

管道熱損失受t0影響較大，結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知管道埋深在1.0～1.5 m時(shí)，t0受土壤溫度較小。經(jīng)軟件模擬計(jì)算熱損失為2.1×104W，比方案一熱損失降低8.9×104W，熱損失控制在一個(gè)較為合理的范圍內(nèi)。

回灌水管道內(nèi)流速為1.2～2.0 m/s，回灌水在管道中運(yùn)輸?shù)淖畲髸r(shí)長不會(huì)超過0.8 h，回灌水在輸送過程中會(huì)出現(xiàn)冰水兩相階段，但不會(huì)凍結(jié)。另外，土壤周圍存在一個(gè)以管道為中心的反復(fù)凍結(jié)融化“凍融圈”，該溫度場有力地保證了回灌水不會(huì)完全凍結(jié)，方案三防凍設(shè)計(jì)方案是可行的。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、分析及熱損失計(jì)算，對(duì)比4種管道埋設(shè)設(shè)計(jì)方案，推薦本項(xiàng)目中工藝水余熱供暖回灌水管道采用淺埋不保溫方案。該方案施工簡單，節(jié)約工程總投資、熱損失可控制在合理范圍內(nèi)，回灌水在整個(gè)采暖季節(jié)不會(huì)完全凍結(jié)，運(yùn)行安全可靠。該研究結(jié)果對(duì)中核集團(tuán)類似工程具有一定參考價(jià)值。