青藏铁路涵洞积冰太阳能融冰探索

青藏铁路沿线小型桥涵在入冬到第二年开春的几个月内，涵洞内部有结冰现象。特别是在格拉铁路唐北段的部分涵洞内，结冰非常严重，有的冰面接近涵洞顶部，有的甚至堵塞了涵洞，导致涵洞混凝土开裂，路基变形，严重危及青藏铁路行车安全。鉴于此，我们根据多年青藏铁路施工经验及借鉴格拉段供水保温和水井取水保温的成功方案，采用太阳能利用的最新技术提出了涵洞融冰解决方案。

关键词：太阳能融冰；青藏铁路；病害；涵洞积冰

可可西里附近K1056+982涵洞现场，每当冬季和春季来临，涵洞内外存在较大温差时，白天外部气温已达到很高，上游的冰雪白天会融化，溪流水量加大。而涵洞内部由于涵洞顶部的路基遮蔽住太阳光线和热量的缘故，洞内温度昼夜都很低，冰层会冻结逐渐累积，慢慢堵塞涵洞。这时，大量的消融水流积聚在路基一侧，形成一类似于小水库的水湾，使局部路基浸泡在水中。如果这种情况长期存在，会对路基产生很大威胁。该方案从2016年6月到2017年6月，经过了一个2017年冬季的化冰期和2016年冬季的实际考核期，完成了全部的考核，达到了预期的目的，取得了一定的实验成果，为今后进一步提高创造了条件。现在试验工作现已结束。

1 实施情况

在反复论证的基础上，根据青藏铁路格拉段实际情况，选定具有代表性的K1056+982涵洞内进行试验，试验装置从设计、制造、订货、安装、调试在一个月内完成。在4月27日开始正运行从现场可以看到融冰散热排管在冰面上每天向下融冰200mm到300mm的深度。从4月27日到5月1日5天时间内，试验区域内的15m长，1.5m宽，1.3m厚的冰层全部融完。试验达到了预期的效果。

1.1 试验装置介绍

1.1.1工艺过程

融冰装置由四部分組成：发电系统、集热系统、控制系统和导热系统。

发电系统包括：光伏电池、蓄电池组、逆变系统、控制系统和电缆等。集热系统包括：高性能集热器组、管道系统、支架等。控制系统包括：时间控制器、配电箱等。导热系统包括：散热排管、进口输送泵、输送返回管路、阀组等。

1.1.2.操作模式

本装置由两套太阳能系统组成，一套是太阳能集热器，另一套是光伏发电站。太阳能集热器主要用来吸收太阳热能，并将其传导给热媒介质，热媒介质通过管道和散热排管，将热量传给隧道冰层，使冰层随时融化，不再集结。光伏发电机组的主要目的是为热媒循环泵、系统控制、照明等提供220V电源。由于积聚过多能量会引起系统高温，会影响设备寿命，所以采用不管冬夏均为“昼开夜关”模式，即白天开启，夜晚停止，午夜运转半小时的工作模式。使系统能量处在平衡状态。由于选用了国内高端设备、较大冗余和完善的控制系统，本装置可不配值守人员，只派人员定期巡检即可。在投运的一年时间内，由开发承建单位自己负责维护。

1.1.3.设备选用

（1）高档太阳能集热器，2平方米，20组；

（2）热媒罐，0.5立方米，1台；

（3）-30度低温热媒，4立方米；

（4）热媒泵，2立方米/时，16米扬程，1台；

（5）太阳能泵用发电机组，220V， 1000W，1套；

（6）电路系统，1套；

（7）防护保温柜，1800x1800x2000，

（8）支架、围栏，1套。

（9）Pb25x4散热排管 ，1套

2 试验过程

2.1 试验过程概述

选定K1056+982涵洞（新建可可西里站站内）为试验对象，赶在在四、五月份涵洞内的积冰还未完全融化的时候做完试验内容。为了抓住这一时机，三月份开始做施工方案和计划，三月底订货，四月上旬加工安装设备，四月下旬调试运行。到五月1日下午完成了初步试验。经过一个多月的紧张施工和试验，基本完成了全部施工、安装、调试及试验内容，达到了预期的目的。

在试验过程中在系统中选定了有代表性的4个温度点，并用红外测温仪进行测量记录，对冰层消融情况也进行了实测。

这4个点是：1、集热器10#出口温度，2、集热器20#出口温度，3、散热排管入口温度，4、散热排管出口温度。

与冰面接触的散热排管长15米，宽12厘米。测其融冰深度，就知道融化冰层的数量，然后就可以计算出实际交换的热量。

2.2 试验情况

散热排管平放在靠涵洞内部西侧的冰面上，热媒输送泵运转5分钟后散热排管开始发热，数分钟后冰面上出现凹槽。实测温度如下：

2.3.中间试验结论

2.3.1在短期内抓住时机完成筹建到试验的全过程，其建设思路是正确的，结果是比较理想、达到了预期目的。

2.3.2热负荷较匹配、热强度较大。折合到最冷月份，即使其热负荷缩减到三分之一，也能满足实际需要。

2.3.3取得了涵洞面积、集热器、光伏发电三者数量之间定性和半定量的关系，为以后为不同规模涵洞提供融冰方案奠定了基础。

2.3.4该装置尚在继续试验、考核和完善阶段，出现工艺、设备、操作中的问题和不足有待进一步完善。

3 2016年底到2017年初的实际考核

2016年夏季主要完善考核了系统流程考核和工艺设备考核两方面的内容：

3.1 散热排管的流程走向和固定问题

散热排管内热媒的走向和水流走向有以下三种形式，逆流、并流和错流。理论分析和实际中发现，并流是最好的排列方式。并流温差利用，热流分布最为合理。研究了水流入口结构对水流导向有很大关系。总结出横跨断面排布和伸出冰层的结构。

3.2 多余热量对系统的影响

夏季整个系统处于停机状态，但大量的热量还在源源不断的产生。这对设备系统非常不利。对此，采取了夏季对太阳能集热器进行遮盖的的方式。用白色帆布罩将太阳能集热器罩住，限制热量的过多射入。遮盖时间为3月底到10月底。

4 可靠性问题

融冰系统系统的可靠性是最重要。经过一年的运行和实际考核，如动设备、管道及散热排管等容易收到外界气候环境及人为的影响。在以后实施时建议采用双系统。这样在一套系统发生问题时，另一套可以继续工作。

5 总结

5.1太阳能融冰技术的开发，探索出了解决冰冻问题的一条新路。使消除青藏铁路涵洞的冬季水害（冰害）成为现实。太阳能融冰技术融冰效率高，能保证受冰害涵洞整个冬季没有冰冻产生。

5.2经两个冻冰期的融冰实验和一个夏天的考核完善。该装置具有全部采用绿色能源，动力和热能全部来自于天然能源，不需要外界提供的优点。设备可靠，技术成熟，完全可免维护运行（只需定期巡检即可）。免除了繁重的人工破冰除冰作业。

5.3试验中发现的冰洞导流是人工干预与自然形成的导流方式，为其它冰害地段导流提供了借鉴。如果再进一步完善，可以应用其它部位或领域。

5.4该装置试验的范围仅限于涵洞内部，在实际中有些涵洞出口就是铁路维护便道，涵洞融化的水流仍在便道上冻结，会造成通行困难。建议在便道上埋设涵管，与铁路桥涵的融冰统一考虑。

5.5该装置局部还需要加固和调整，以便为今后实施提供更加合理的参考依据。

5.6巡检交底制度需要进一步完善和落实。