以轻质气体为介质的高速运输管道工程技术经济性探讨

  2010/12/21  浏览 2580 次

摘要 高速运输管道以常压轻质气体（氢气、氦气等）作为介质，实现600-1200km/h的速度运行，可以大大降低管道内运输工具的阻力和噪音，并具有进一步提高运行速度的潜力，优先选择钢管或复合钢管作为运输管道，其技术控制和经济性分析容易操作，从而为工程决策提供了更有利的条件。
关键词 管道 运输 轻质气体 钢管 技术 经济
1. 引言
真空管道运输系统以其独特的高速、节能和环保等特点，受到世界范围内越来越多人的青睐，是未来交通运输发展的重要方向之一，而在一定时期内，实现低真空管道内的磁悬浮运行是很多工程技术人员共同的目标，然而，要实现管道飞行面临着较多困难，例如，低真空管道的理论不能完全排除空气对速度的不利影响，磁悬浮对于环境的影响目前尚无定论等，当务之急是寻找一些新的可用资源，本文就管道内的轻质气体介质对运输速度的影响、管道工程的技术方案做出了新的探索，并对高速管道运输的技术经济性做了简要分析。
2. 关于管道介质、运输阻力与速度的探讨
在自然空气环境条件下，地面交通工具的气动阻力与速度的二次方成正比，气动噪音随速度七次或八次方而急增，因此在地表稠密大气层中运行的高速交通工具，最高经济和环境允许的速度不超过400km/h[1]。近年，为了提高交通运输轨道速度，达到800km/h甚至更高的运行速度，研究的主要方向之一就是让运载工具进入密闭管道，将其抽成低气压，让车辆以磁悬浮方式无接触、无摩擦地在其中运行，这就是真空管道运输系统，其本质就是要减少两种影响行车速度的摩擦，即接触摩擦和空气摩擦。研究表明，完全无风阻的理想真空管道运输条件非常难以实现，不仅仅经济上困难，而且在目前的技术条件下安全保障也不能做到，因此，文献[2]提出初期阶段的真空管道气压可以定位在0.1个大气压（=10kpa）之上。在标准状况（P=101kpa，T=273K）下，干空气密度为1290g/m3。干空气密度是随高度增高而迅速减小的，到海拔5500m就减至海平面的1/2，到海拔15000m就减至1/10，到海拔30000m就减至1/100了。也就是说，初期的真空管道技术条件类似于飞机限制在约15000m飞行高度以内，其运行的经济速度可超过1000km/h，但在地面管道中实现20～30 kPa的低压强所需能耗只有飞机在万m高空的1／40 [1]。
值得探讨的是，以上分析研究均建立在空气和外太空条件下，目前管道超高速运输阻力的所有分析计算及对比也完全参照了常压和空气密度，且低真空压力本身并没有排除低密度空气介质对高速运行工具的影响。需要关注，在常压条件下，低密度的轻质气体同样可以减低摩擦阻力，例如，氢气的密度约为空气的1/14，氦气的密度为空气的1/7，不难证明，将管道内充满氢气或氦气，管道内的运输工具在高速运行的状态所受到的气流阻力将减小到相同温度和压力下空气阻力的1/14或1/7，这样的目的显而易见，只需要用适合的管道对管内轻质气体进行阻隔，就可以达到甚至突破目前低真空技术条件的限制，而进一步对管道内的常压的轻质气体进行抽气减压，就可在一定压力安全条件下（如10～20kpa），将技术等级提高到更高的标准。
在轻质气体的管道内运输，其理论可行的速度范围明显提高了，以氢气为介质的管道运输为例，一个大气压下的优选运行速度约为600～1200km/h，与现有客机速度相当，当管道经过继续的真空处理，其压力安全条件达到与民用航空器相当的情况下（大于10kpa），经济的运行速度可能提高到1600～3200km/h，约是现有客机速度的2～3倍，而其综合的安全性高于客机。在氢气管道内运行的工具也会存在高速气流噪音、管壁效应等，但理论上显著小于同等空气压力条件，推测一个大气压力下磁悬浮列车速度达到1000km/h时，约相当于70km/h标准空气环境下的噪声，小于普通轿车正常行驶时噪音，当然，我们最终需要通过试验的方式求证。
3. 管道工程的技术选择
管道高速运输无论采用磁悬浮还是采用轮轨方式，其都将面临噪音和电磁方面的技术障碍[3]，特别是磁悬浮方式在穿越城镇住宅区，世界各国现有的技术方案通常是通过增加安全距离，但只在一定程度上减少了环境污染，却并未得到公众的认同，如上海-杭州的磁悬浮工程因此多年受阻。值得考虑的是钢管或复合钢管结构的管道，由于环形钢管可以将电磁屏蔽，可以在近距离内形成运输通道，配合减小气流阻力的工程措施，将极大地降低运输工程对于环境的影响（如噪音、电磁等），对于运输线路的设计规划十分有益，通过避免对人类生活环境的不利影响，提高高速运输技术的亲和力，从而获得绝大多数社会团体的支持。
钢管是国内外目前已知的最常用于流体运输的工程材料，用于输水、天然气以及石油等，大型钢管技术在水利水电工程经常被世界各国设计和使用，其设计最大内径已经达到14.4m，在较小直径的水电引水钢管中，可以承受超过1000m的水压，经研究分析超过2000m水压也是可行的[7]。若在常压状态下，采用普通的钢管或钢衬钢筋混凝土结构就能满足管道运输的技术和经济性要求，包括力学强度、气体密封性、工程施工的方便等，当考虑到真空负压的需要时，要对钢管结构做比较特别的设计，有效的办法之一是将钢管设置在钢筋混凝土的中间，形成一个简单的复合管道，此时钢管的作用是密封气体、隔绝部分电磁和承担部分负荷，事实上，这种结构在北欧较早就被应用于水电工程的高压管道中，不仅没有任何的技术障碍，而且此种复合钢管的结构中管壁的厚度只在6～12mm之间 [4] [5]，材质可以采用目前为最常见的Q235钢板，经综合技术分析在某些场合应用可以节省70%以上的钢材量[6]，是一种优选的结构设计方案。
4．管道运输方式的经济性分析
作为一种新的技术构想，真空管道运输技术极具优势，无数人付出了极大努力，却自1934年以来一直未能在世界各国得到工程试验和应用，不仅仅因为其与现有运输技术的差异，决策层需要时间逐步理解，还在于真空管道运输的工程经济性目前还是一个很大的未知数。中国工程院的沈志云先生提出分步行动的计划，得到了广泛的认同，而基于常压的轻质气体的钢管运输，不仅为真空管道运输的技术设想提出一个新的过渡方式，而且为进行接近准确的工程经济分析提供了很好的支持，整个工程系统只是对现有技术的综合创新，几乎所有的技术和资源都可以来源于各类工程实践和市场，主要包括前期工程、土建工程（含车站、管道及其基础、轨道等）、设备工程（包括机电设备、环控设备、消防系统设备、车辆设备等）、其他附属工程等。
较为特殊的是轻质气体的材料，主要可供选择的气体是氢气、氦气或甲烷，以常压轻质气体作为中间过渡环节，先实现600～1200km/h的管道高速运行，在管道技术方面比其它研究方案比较简单易行，不需要提高管道真空度的工程、设备系统和运行维护工作，也不存在维持真空的能耗问题，工程造价更低且容易被公众理解和接受，并具备极大的后期开发潜力，从而为工程近期决策提供了更有利的条件。关于轻质气体的选择，氦气无疑是安全度更高的材料，但氦气存在资源紧缺价格高的弱点，同时因密度大于氢气一倍，技术性能相对较差，与此相对，氢气是一种地球上资源丰富的原料，密度最低，技术性能无比优越，但属于易燃易爆的气体，在空气中的爆炸极限范围是4％～74.2％（氢气的体积/总体积）。综合分析认为，只要能接受氦气价格或具备控制管道氢气的系统安全条件，两者都是无可替代的优质材料，鉴于氢气的技术和经济开发潜力大，建议着重研究氢气在钢管道运输系统中的安全控制技术。
5. 结论
1）选择常压下轻质气体（氢气或氦气）作为介质，可以大大降低管道内运输工具的阻力和噪音，并提高运行速度，是一种极具开发潜力的新技术。
2）选择钢管或复合钢管作为运输管道，有工程实例可循，同时对于改善磁悬浮的电磁辐射对环境的负面影响十分有利。
3）以常压轻质气体作为介质，实现600～1200km/h的管道高速运行，其工程技术控制和经济性分析容易操作，可为管理决策提供了更有利的条件。
4）今后着重研究氢气在钢管道轨道运输系统中的安全控制技术，为实现安全、低成本和低能耗的管道高速以至超高速运行铺平道路。
参 考 文 献
[1] 沈志云．关于我国发展真空管道高速交通的思考 [J]．西南交通大学学报，2005，4（2）：133~137
[2] 于晓东等 真空管道运输系统低压环境引发的几个问题探讨
[3] 严陆光 我国发展磁浮交通的战略思考 科技导报，2005，23（4）：20-24
[4] 傅金筑等 双层混凝土钢板防渗地下高压输水钢管 水电站压力管道，2001，1-2：30-41
[5] 刘素琴 国外新型隧洞衬砌形式研究 中国第6届全国水电站压力管道学术论文集，2006：32-41
[6] 姚廉华 一种新型埋藏式压力钢管设计探讨 中国第6届全国水电站压力管道学术论文集，2006：183-186
[7] 马少坤等 超高水头双钢衬钢筋混凝土引水压力管道的优化设计 广西大学学报(自然科学版) 2005，30-3：202-206