隧道風機的發展前景

隨著隨著國民經濟的迅速發展， 中國城市化進程進一步加快， 城市人口快速增長， 交通供需矛盾 13 益突出， 大型城市交通擁堵越來越嚴重。 城市軌道交通具有運能效率高、 能耗染小快速、 準時及安全等明顯優點， 是解決城市交通問題的主要手段。 風機在地鐵和隧道中的作用毋庸置疑， 它能直接的影響一個城市的新型軌道交通的運行。

2 地鐵和隧道風機的市場前景

2. 1 地鐵風機市場前景

中國軌道交通自 20 世紀 60 年代北京有了*條地鐵以來， 發展緩慢。 直到十五期間(2001～2005) 才開始迅猛發展。 十五期間， 我國軌道交通投資 2000 億元， 建成 550km 城市軌道交通。 十一五(2006--2010) 規劃建設 1700km 軌道交通， 投資總額近 6000 億元。 2010年中國城市軌道交通建成里程。 由以上數據可粗略估算地鐵風機的市場前景。 據北京城建設計院估算， 地鐵風機投資占地鐵總投資的 0． 2％J-左右。 十一五期間軌道交通投資 6000 億元， 因軌道交通包括地鐵、 輕軌、 磁懸浮列車等， 假設地鐵投資占軌道交通總投資的 3／ 4，則十一五期間地鐵投資為 4500 億元， 其中 0． 2％11P 9 億元為地鐵風機市場， 平均每年近

10 億元。 按已規劃的 8000 億元軌道交通投資， 每年增速 6％左右， 以上估計不很準確， 僅供參考。

2. 2 隧道風機市場前景

隧道主要有高速公路， 普通公路隧道， 鐵路隧道及江河、 海底隧道等。

2. 2. 1 鐵路里程和投資規劃

十一五期間， 中國鐵路運行總里程將從 2005 年的 7． 5 萬 km 增加到 9 萬 km 以上， 同比增速20％(年增速 4％) ， 新建鐵路 1． 7 萬 km， 是十五期間的 2． 3 倍， 總投資超過 12500 億元(2008年 10 月 24 日鐵道部新聞發言人王勇說國務院已批復投資 2 萬億元) 。

2. 2. 2 高速公路里程和投資規劃

2005 年底全國國家級高速公路 4． 1 萬 km， 居世界第二位， 2006 年新增 4460km， 總里程達 4． 546 萬 km， 規劃 2010 年達 5． 5 萬 km(普通公路達 210-230 萬 km) ， 新增國家級高速公路近萬 kin(年增速 4％) ， 按高速公路平均投資 500 萬美元／ km 計算， 十一五期間需投資 3500 億元。 由以上統計的鐵路和高速公路建設里程， 每年以 4％左右增加， 隧道風機的市場需也應同步增加。

3 地鐵風機的系列品種、 特點和應用范圍

3. 1 目 前國內地鐵通風排煙系統概況

地鐵的通風排煙系統大致分為兩類” *類是通風和排煙同為一個系統， 即通風和排煙系統共用風機、 消聲器、 風口、 風道和風亭。 通過風機的正轉或反轉， 開啟或關閉各種管網上的閥門來實現系統對某一地點(如車站、 隧道、 設備管理用房) 的送風或排煙， 使系統對正常狀態或事故狀態運行模式的切換。 當然風機的正反轉、 閥門的切換都是通過遠程遙控實現的， 北京的地鐵采用此類通風排煙系統。 第二類是通風系統和排煙系統分開設置， 各自分別形成相對獨立的系統。 即通風系統和排煙系統是由各自獨立的風機、 消聲器、 風道、 風口和風亭組成。 排煙口設置在站臺頂部， 站臺內煙氣流動為垂直向上由風機抽出至風亭排出。

上海、 廣州地鐵的通風排煙系統是上面兩種方式的結合， 即隧道內采用*種方式， 站臺上采用第二種方式。 由于地鐵通風排煙和空調系統耗電量占整個地鐵耗電量的 l／ 2—1／ 3，因此從節能、 安全考慮， 對地鐵通風排煙和空調系統不斷進行改造更新， 所以除以上兩種方式外還可能有其它方式不斷出現。

3. 2 地鐵風機的分類

根據我國地鐵風機用戶的需要和我國地鐵風機生產廠家目前已有的產品情況， 我國地鐵風機可以分為三類： *類是雙向軸流風機(可逆轉軸流風機) ； 第二類是單向軸流風機； 第三類是射流風機。

3. 2. 1 雙向軸流風機

此類風機適用于需要通過葉輪正、 反轉來實現通風排煙系統運行模式的切換， 如 2． 1

所述的*類通風排煙系統中應用的風機。 風機應滿足以下用戶要求 Pl。

(1) 風機葉輪可以正、 反轉運行， 且其風壓、 風量基本保持不變， 風機正、 反轉運行效率要高， 達到節能降耗的目的。

(2) 具有耐高溫的特點： 安裝于車站通風排煙系統中要求風機能在 250℃介質通過時連續工作 lh， 在 280 c12 介質通過時連續工作 0． 5h。 安裝于隧道通風排煙系統中要求風機能在150℃介質通過時連續工作 lh。

(3) 風機正、 反轉切換應在 60s 內完成。

(4) 噪聲低， 地鐵設計規范 GB50157-92(地下鐵道設計規范》 規定： 隧道通風設備傳至車站的噪聲不得超過 70dB(A) ， 傳至地面風亭的噪聲應符合“城市區域環境噪聲標準” (GB3096—93) 。 對地鐵一般屬于 4 類區域， 噪聲不能超過 55-70dB(A) 。

(5) 在各種運行工況下不發生喘振

(6) 裝備比較完善的監控和安全保護系統。

(7) 安裝簡便， 體積小和質量輕。

3. 2. 2 單項軸流風機

此類風機適用于通風排煙系統在任何模式運行只要求風機單向運行

3. 2. 3 射流風機

此類風機在地鐵中應用較少， 只在折返線和盡端線隧道中應用。

4 風機的效率

4． 1 3 種葉型風機的效率評估

根據已掌握的資料和信息， 在地鐵風機運行工況范圍內單向地鐵軸流風機的*高全壓效率為 7596---8096， 反、正風量之比為 7096 左右。*近有文章報道*高全壓效率能達到 82％，這是乞今為止此類風機報道的的*高效率。 對于雙向可逆非對稱葉型風機， 達到的*高全壓效率要比單向風機的低一些， 反、 正風量之比要高一些。 德國 VoithN018 地鐵風機實測的*高全壓效率為 77％(按 GBfI' 1236-2000《工業通風機用標準化風道進行性能試驗》 ) ， 反、正風量之比為 6096-7096。 對于雙向可逆完全對稱葉型， 此類風機的氣動力學原理決定其效率較低， 一般只有 50％-65％。 但正、 反風量之比為 100％， 正反性能曲線完全一樣。

4． 2 影響效率的測試因素

4. 2． 1 測試標準

20 多年前的老標準(GBl236-76(通風機性能試驗方法》 ) 曾用風機葉輪環形面積計算風機出口動壓，從 1985 年開始(GBl236—85(通風機空氣動力性能試驗方法》) 到現在的 GBfI' 1236—2000， 規定用風機出口圓形面積計算風機動壓， 二者效率相差 6％-1096， 應該統一用GBfrl236-2000 的標準來測試計算風機的效率， 有些生產廠樣本上風機效率達到 88％， 可按老標準， 按新標準是不可能達到 88％的。

4. 2. 2 效率的定義

(1) 風機進口一葉輪出口定義為風機級效率(嚴格說還要減去進風 El 損失) 。

(2) 風機進口—擴壓器出口定義為風機效率。

(1) 、 (2) 的效率一般相差 6％一 10％。 地鐵風機一般用風機進口一擴壓器出口的全壓效率來衡量風機的節能水平。

4. 2. 3 測試誤差， 尤其是流量測量的誤差較大。

4. 3 對提高地鐵風機效率、 節能降耗的建議

4. 3. 1 繼續在氣動設計優化方面進行探討， 例如環量沿葉高分布， *優輪轂比等。

4. 3. 2 單向軸流風機可以采用 R+S(轉子+后導葉) ， 后導葉葉型為機翼型， 效率可提高 3％～5％。 后導葉兼做電機支撐。

4. 3. 3 風機用戶在選型時不要過分強調正、 反風性能 10096 完全一致。 實踐和理論證明： 正、反風性能完全一致的對稱葉型風機效率低， 與非對稱葉型風機相比， 低 8％-10％， 這對耗能是一個十分可觀的數字。 德國 Voith 地鐵風機， 作為地鐵事故抽， 排風兩用風機的主力產品， 其反、 正風之比為 70％左右。 我國援建伊朗鐵用的 200 多臺地鐵風機， 其反、 正風量之比為 60％-． -7096。 按國內地鐵風機樣本選型， 達到全壓 1000Pa． 風量 60m3／ s， 若按單向風機選型， 選 Nol8 即可， 但按可逆風機選型， 需選 N020， 效率降低 8％o 為了解決可

逆風機效率低的問題， *近有人設計將整臺風機旋轉 1800 嘲， 但旋轉機構比較復雜。

4． 3． 4 提高風機運行效率

風機的實際運行效率并不等于風機的*高效率， 為使風機實際運行工況處于風機的高效區， 必須精心做好選型工作， 準確計算風機的常用風量、 風壓和變工況范圍， 防止大馬拉小車現象。

4． 3． 5 加裝集流器和擴壓器在空間場地允許的條件下， 在風機前加裝集流器， 風機后加裝擴壓器。 集流器、 擴壓器需要精心設計。 集流器使進入風機的氣流平整光滑， 減少渦流， 可增加風機的效率， 降低噪聲； 后加擴壓器可回收動壓， 使風機出口速度降低， 射出的氣流與空氣混合時減少噪聲， 并可在以后風道或風管的流動中減小損失。

4． 4 噪聲

地鐵風機噪聲的要求是很高的， 從氣動力學設計可以降低一些噪聲， 但目前的水平不可能解決根本問題。 加裝消聲器是*好的選擇， 并且效果明顯， 完全可以達到國家有關規定。

4． 5 防喘振

防止喘振目前*常用的方法是設置放空閥門， 一旦發生喘振， 打開放空閥。 可以設置自動化系統， 當風機運行接近喘振點時， 發出警報并自動打開放空閥， 這是*簡單、 可靠、 成熟的方法。 目前在軸流風機上獲得廣泛應用。 還有一種方法是風機葉片頂部前后加“防喘振環”， 防喘振環是一個內裝分流小葉片的短圓環。 由于防喘振環的存在， 葉尖和機殼之間的

徑向間隙大為增加， 在風機正常運行時， 導致葉片壓力面流向吸力面大量的二次流； 并且防喘振環破壞了進入葉片氣流的均勻性和光滑性。 風機接近喘振時， 葉尖邊界層發生嚴重分離并產生渦流， 防喘振環可以吸吮邊界層， 環內分流小葉片可破碎渦流， 并對氣流整流， 使氣流均勻流入葉片， 延遲喘振或不發生喘振。 在正常運行時， 裝有防喘振環風機的效率可降低3％-4％， 如果防喘振環設計不好或加工粗糙， 效降低得更多。 風機發生喘振， 本身是一個事故。 風機偏離設計點， 在喘振點附近運行， 說明管網阻力嚴重， 遠遠偏離設計值， 有兩個原因： 一是實際管網阻力與設計計算值相差較大， 風機選型不當； 二是發生突發事故使管網阻力驟然增大。 對于*個原因， 要檢查風機廠家提供的樣本上的流量——壓力曲線和喘振線是否準確(包括反風曲線) ； 二是地鐵設計者計算的管網阻力是否有誤； 對于第二個原因，當突然事故發生后， 對于風機來說， 應保證風機繼續運行， 輸送盡可能多的風量。 打開放空閥雖然能保持風機繼續運行， 但送風量很小甚至沒有， 而加有防喘振環的風機既能做到保持風機運行， 還可輸送一些風量。 *理想的是在葉輪前后設置可自動控制門開度的旁通管路，這樣效果更好。 在不發生事故時， 關上旁通閥門， 使風機處于高效運行， 事故發生時， 調節閥門打開使風機不發生喘振。 筆者認為： 對于地鐵風機設置防喘振環， 弊大于利。 國外地鐵風機， 如德國 Voith 地鐵風機也未加防喘振環。 煤礦風機應用的歷史也可借鑒， 煤礦風機在保證煤礦安全上所起的作用和重要性不亞于地鐵風機。 在防止煤礦風機喘振問題上， 也曾有過在風機上是否要加防喘振環的爭論， 后來經過實踐， 逐漸統一了 認識。 目前， 煤礦風機已很少加有防喘振環， 而采用簡單實用的放空閥方法。 采用完全可逆風機和防喘振環這兩項，使地鐵風機在正常運行狀況下的*高效率降低 1096-1596， 多耗電是明顯的， 例如： 地鐵風機*常見的 1000Pa， 60m3／ s 參數， 如風機效率按 70％計算， 耗電 85． 7kW， 效率按 80％計算， 耗電 75kW， 每天按 20h 運行， 一年下來一臺風機就多耗電 7． 7 萬 kW· h。

4. 6 風機監控和安全保護系統

用戶希望提供完善、 可靠的風機監控和安全保護系統， 包括對電機前后軸承溫度、 三相繞組溫度、 電機電流、 電壓、 功率， 風機的風量、 風壓、 效率， 接近喘振點風壓， 風機裝置的振動等。 將這些參數進行動態實時監控， 用計算機進行顯示、 記錄、 報警、 遠程遙控， 形成一個完整、 可靠的安全保護系統。 從目前的發展情況， 這些技術已相當成熟。 其中風機風量和效率的遠程監控比較麻煩， 但目前也已成功解決。 對于溫度、 壓力和電機參數的監控可以說已經非常成熟， 并且成本也非常低廉， 完全有條件建立比較完善的安全保護系統。

4. 7 風機的外觀質量

用戶反映國產地鐵風機外觀質量較差， 國外風機工藝精美。 用戶還反映國外風機體積小、質量輕； 而國產風機比較笨重， 這要從工藝上下功夫。 另外是選配電機的問題， 例如對壓力1000Pa， 風量 60m3／ s 的地鐵常用參數， 德國 Voith 選用的風機是№18， 電機為 6 極， 90kW，而我國一些風機廠選用的是№20 風機， 6 極電機， llOkW 甚至 132kW。

5 隧道通風系統類型和風機選型

5. 1 縱向通風系統

通風氣流從隧道進口流向隧道出口， 不需要安裝通風管道或設置土建通風道。 縱向通風由射流風機來完成， 通常以一定數量的射流風機(一臺或者兩臺并聯) 和一定的間距吊掛在隧道頂部， 風機之間的間隔為隧道橫截面的當量水力直徑的 10 倍以上。 新風由射流風機進口吸入， 氣流經葉輪加功以 25-30m／ s 的速度從風機出 121 噴出， 噴射氣流的動能傳遞給隧道內的空氣， 從而產生隧道內空氣壓差， 克服阻力使空氣沿著噴射方向向前運動， 經一定距離空氣動能耗盡時， 又被下一臺射流風機吸入， 經葉輪加功， 繼續前進， 這樣“接力” 似的*終將廢氣排出洞口。 不難看出， 用射流風機來完成縱向通風， 隧道中的廢氣濃度是從進口端向出口端增加的 14t。 射流風機縱向通風系統只適合中等長度的隧道通風(5-6km) ， 對隧道較長， 必須在隧道中間開設進、 排風豎井， 組成縱、 橫向混合通風系統。 可逆運轉的射流風機可使隧道通風工況具有較大的選擇性， 單洞雙向隧道可以雙向通風， 在發生火災事故時可反轉排煙。 射流風機縱向通風系統的設備費用和運營費用較低。

5. 2 全橫向通風系統

沿隧道方向設置送、 排風道， 新風集中從進風亭采集， 排風集中從排風亭排出。 一般將送風道設置在道路下面， 排風道設置在車道上部， 送風道與排風道每隔一定間距設有送、 排風口。 在事故工況下沿隧道橫斷面及時排風， 由此抽出煙霧。 此種通風方式適合于長隧道，是各種通風方式中*可靠、 *舒適的一種通風方式。 全橫向通風能保持整個隧道全程均勻的廢氣濃度和*佳的能見度， 但設備投資和運行費用*高。 全橫向通風系統選用的送風機和排風機根據隧道通風系統設計者對風機的全壓、 風量的要求選配， 一般選配軸流風機， 也有選配離心風機的。 軸流風機的調節方式可選用動葉可調， 動葉固定； 電機可選用雙速或三速。

5. 3 半橫向通風系統

該系統又可分送風型和排風型兩種通風方式。 送風型是指新風由風機經新風道送至沿隧道長度布置的各個通風口， 廢氣則由隧道兩端逸出； 排風型則相反， 新風從兩端洞口吸入。排風由布置在隧道不同長度的各個排風口抽出至排風亭排出。 半橫向通風系統選的風機與全橫向通風系統相同。

6 結論

本文經過對地鐵和隧道風機的理論研究和經過一定的數據支持從未來發展角度對風機的應用做了 論證， 得出風機將在地鐵隧道中起到至關重要的作用。