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液氮凍結制冷技術研究

2020-01-13 13:08周學斌
化工設計通訊 2020年9期
關鍵詞:儲液液氮凍土

周學斌

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海格爾木 816099)

液氮凍結技術由英國工程師南威爾首次使用,德國工程師P.H.Poetsch經過技術總結形成了發(fā)明專利,并成功應用于阿爾里的9號立井的鑿井工程。這項專利的發(fā)明使世界工程建設獲得了巨大發(fā)展,使凍結技術為世界工程項目服務。這些年來,隨著力學、熱力學、凍土力學等其他基礎科學的不斷發(fā)展,推動了凍結技術應用的范圍,全世界各個國家和地區(qū)都對該項技術進行了研究探索。

1 我國技術現(xiàn)狀

1955年我國開始引入了凍結技術,該技術已經在我國發(fā)展了六十多年,在此期間有無數(shù)科研工作者付出了艱辛的工作,同時也取得了重要成果,為我國的經濟建設作出了應有貢獻。這項技術在礦山井筒施工中的應用,創(chuàng)造出了753.95m的世界沖積層凍結記錄,此外,這項技術為我國重大工程建設提供了重要支撐,這些項目包括港珠澳大橋拱北隧道工程、川氣東輸武漢段穿江隧道以及各大城市的地鐵建設工程。

現(xiàn)代城市建設工程對工期、作業(yè)空間和施工質量的要求極為嚴苛,傳統(tǒng)的循環(huán)制冷工藝已經不能滿足施工需求,而液氮制冷工藝系統(tǒng)因其具有廣泛的實用性,成為凍結施工中不可缺少的工藝,這項技術具有如下優(yōu)勢:第一,結構簡單、設備使用少;第二,該技術凍結速度快,形成的凍土強度高;第三,土體凍漲融沉比鹽水凍結系統(tǒng)小得多;第四,液氮使用后揮發(fā)進入大氣,沒有污染。液氮凍結制冷工藝原理是相同的,但因使用方式不同,存在多種形式。本文結合了液氮凍結施工的經驗,探討了液氮凍結制冷技術。

2 液氮凍結制冷系統(tǒng)安裝和工藝流程

2.1 液氮制冷系統(tǒng)安裝

液氮系統(tǒng)安裝工藝比較簡單,主要設備包括液氮運輸槽車、液氮罐、液氮分配器和制冷管路。

液氮運輸槽車和儲液罐都屬于液氮壓力容器,應有隔熱功能,同時應在出口位置安裝控制閥門、壓力表等,從而通過閥門調節(jié)壓力大小來控制液氮輸出流量。液氮運輸槽車和儲液罐都應該符合低溫絕熱壓力容器標準GB18442要求。壓力容器工作壓力應大于10MPa,儲液罐容積應大于20m3。運輸槽車應符合運輸化學直接車輛要求,運輸容積應能滿足施工需要。運輸槽車在運輸過程中容量控制在80%以下,防止路途的顛簸撞擊。儲液罐在運輸過程中應做好固定保護,裝卸時不能使罐體損傷,影響使用壽命。罐體到達施工現(xiàn)場應避免暴曬,應放置在通風陰涼位置。罐體放置時不能傾斜、倒置或與其他物品碰撞。根據(jù)液氮的使用特點,應選用立式儲液罐體,有效提高罐體容積的使用效率[1]。

液氮供液分配器能夠把液氮平均分配到不同的凍結器中,還可以監(jiān)測系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)。液氮分配器一般采用奧氏體不銹鋼制作,制作的大小應根據(jù)施工量進行控制。液氮制冷系統(tǒng)連接完成后,需要進行氣體壓力密閉性試驗,試驗壓力為正常工作壓力的1.2倍,試驗檢測漏點使用肥皂水,如發(fā)現(xiàn)泡沫應重新安裝。

2.2 液氮凍結系統(tǒng)工藝流程

液氮凍結制冷工藝的原理比較簡單,液氮失去壓力后會氣化,氣化后的氣體排入到空氣,與此同時帶走周圍的熱量。在這過程中,液氮既是制冷劑,也是載冷劑,是單向循環(huán)的流動方式。裝有液氮的槽車被運到施工現(xiàn)場后,使用承壓管道將液氮輸送至儲液罐內,輸送完成后斷開連接管。液氮通過閥門進入分配器,供給不同的凍結器。根據(jù)工程設計情況,每組凍結器可以串聯(lián)1~3個凍結器,每組凍結器都設置一個排氣管道對外排出氮氣,整個制冷凍結過程按照這個流程進行[2]。

3 液氮凍結制冷技術的工藝技術

液氮凍結制冷技術系統(tǒng)流程相對簡單,主要有三個步驟,首先進行系統(tǒng)的預冷,其次進行制冷凍結,最后進行維護凍結工作。

3.1 系統(tǒng)預冷

在對整個管路系統(tǒng)進行試壓檢查后,需要對全部管路進行預冷,使管路溫度下降避免金屬管路因為快速冷區(qū)發(fā)生收縮變形。操作方法是,緩慢打開儲液罐出液總閥門,控制液氮的輸出壓力小于0.2MPa,經過2h后測量凍結器出口溫度,使其溫度達到-60℃。降溫完成后調大供給閥門,使系統(tǒng)運行壓力保持在0.5MPa,經過一段時間后再次測量凍結器排氣口溫度,最終使其保持在-80℃,觀察出氣口白色霧氣保持2m左右,記錄系統(tǒng)各個閥門開啟位置,檢查管路凍結器部件是否正常[3]。檢查無誤后保持系統(tǒng)正常運轉,可以進行凍結制冷。

3.2 凍結制冷

液氮凍結制冷過程中要保證凍結器排出的氮氣溫度不高于-60℃,排氣口上方有加蓋篷布,防止雨水淋入影響排氣。凍結制冷工作運行期間,全程監(jiān)控壓力、溫度、流量以及凍土施工工作進度,根據(jù)施工需要及時調整液氮閥門,控制制冷系統(tǒng)液氮供給量。把各個凍結器的入口和出口的閥門進行串聯(lián),使各個位置的液氮供給量趨于平衡,從而使凍土工程的圓柱狀態(tài)更加穩(wěn)定。

凍結制冷過程開始后,要根據(jù)液氮流量監(jiān)測數(shù)據(jù)估算系統(tǒng)運轉過程中液氮消耗速度,通過計算估測出液氮罐剩余液氮量的使用時間,以便能夠使出液罐有足夠的時間進行液氮補給,使凍結過程能夠連續(xù)進行。

凍土的發(fā)展速度是預測凍結帷幕結構形成的關鍵數(shù)據(jù)。所以應該在液氮凍結制冷階段內,時隔2h進行一次溫度變化的監(jiān)測,根據(jù)溫度對凍結帷幕結構的形成時間做出準確判斷,這樣能夠為施工開挖創(chuàng)造更好的條件,也能對控制液氮閥門調節(jié)提供有效依據(jù)。

3.3 維護凍結

通過對凍土監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,能夠判斷出凍結帷幕結構的厚度,使其達到工程設計標準,強度能夠符合工程要求,這時就可以開挖施工永久結構。此時應該對凍土結構面的形狀進行監(jiān)測,防止發(fā)生變形或凍結溫度場變化過大,保證相關數(shù)據(jù)能夠在安全的區(qū)間內,凍土溫度不能快速升高。這時應該調整液氮的供給量,使凍結器的排氣溫度低于-30℃。

在整個液氮制冷凍結過程中,凍結器的排氣溫度是關鍵參數(shù),可以根據(jù)這個溫度參數(shù)對其他過程進行有效控制。

4 安全操作技術要求

液氮的氣化過程溫度極低,氮氣也容易在封閉空間造成窒息,所以液氮凍結制冷過程中應制定安全操作規(guī)范,這其中包括了人員安全防護和安全操作規(guī)范。

液氮凍結制冷過程應有至少兩人進行,一人負責工藝操作,另一人負責安全防護。操作過程中,工作人員應穿戴防凍服裝、防護手套,嚴禁徒手接觸液氮罐、管道、閥門、儀表設備等低溫設備部件。工作過程要佩戴防噴的護目鏡,防止意外傷害。施工現(xiàn)場要準備呼吸自救設備,操作場所應懸掛安全警示牌,張貼安全操作規(guī)程。

現(xiàn)場的壓力設備容器要符合技術要求,施工現(xiàn)場應準備局部通風風機,防止缺氧窒息。操作人員做好應急培訓,提前對危險情況做應急演練。

5 總結

液氮屬于制氧和化工企業(yè)生產副產品,比較容易獲得,所以成本相對較小。液氮凍結制冷技術使用在地下工程中取得了優(yōu)良的成果,適合在相似工程項目中進行推廣,有著光明的應用前景。

1)液氮制冷系統(tǒng)的操作工藝比較簡單、效率極高、使用安全,適合進行大范圍推廣使用。

2)在工況比較復雜的含水軟弱地層中的地下工程中,無法使用一般施工方法,這時可以考慮液氮凍結的方式。

3)液氮制冷在使用過程中的排氣溫度為-30~-80℃,有潛力提高其制冷效率,進一步發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢。

4)液氮制冷技術的工藝原理雖然發(fā)明時間較早,但廣泛使用在工程建設中的時間很短,液氮制冷技術還有很多需要改進的技術工藝,還需要投入更多的精力對這項工藝進行深入鉆研,使其能夠更好地為地下工程建設服務。

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