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地铁和隧道风机的前景、现状及发展

作者: 来源:中国风机技术网 时间:2015/1/6 9:11:42

1  地铁风机的系列品种、特点和应用范围

1.1  目前国内地铁通风排烟系统概况

  地铁的通风排烟系统大致分为两类[1]

  第一类是通风和排烟同为一个系统,即通风和排烟系统共用风机、消声器、风口、风道和风亭。通过风机的正转或反转,开启或关闭各种管网上的阀门来实现系统对某一地点(如车站、隧道、设备管理用房)的送风或排烟,使系统对正常状态或事故状态运行模式的切换。当然风机的正反转、阀门的切换都是通过远程遥控实现的。北京的地铁采用此类通风排烟系统。

  第二类是通风系统和排烟系统分开设置,各自分别形成相对独立的系统。即通风系统和排烟系统是由各自独立的风机、消声器、风道、风口和风亭组成。排烟口设置在站台顶部,站台内烟气流动为垂直向上由风机抽出至风亭排出。

  上海、广州地铁的通风排烟系统是上面两种方式的结合,即隧道内采用第一种方式,站台上采用第二种方式。

  由于地铁通风排烟和空调系统耗电量占整个地铁耗电量的1/2~1/3,因此从节能、安全考虑,对地铁通风排烟和空调系统不断进行改造更新,所以除以上两种方式外还可能有其它方式不断出现。

1.2  地铁风机的分类

  根据我国地铁风机用户的需要和我国地铁风机生产厂家目前已有的产品情况,我国地铁风机可以分为三类:第一类是双向轴流风机(可逆转轴流风机);第二类是单向轴流风机;第三类是射流风机。

1.2.1  双向轴流风机

  此类风机适用于需要通过叶轮正、反转来实现通风排烟系统运行模式的切换,如 2.1 所述的第一类通风排烟系统中应用的风机。风机应满足以下用户要求[2]

  (1)风机叶轮可以正、反转运行,且其风压、风量基本保持不变,风机正、反转运行效率要高,达到节能降耗的目的。

  (2)具有耐高温的特点:安装于车站通风排烟系统中要求风机能在250℃介质通过时连续工作1h,在280℃介质通过时连续工作0.5h。安装于隧道通风排烟系统中要求风机能在150℃介质通过时连续工作1h。

  (3)风机正、反转切换应在60s内完成。

  (4)噪声低,地铁设计规范GB50157-92《地下铁道设计规范》规定:隧道通风设备传至车站的噪声不得超过70dB(A),传至地面风亭的噪声应符合国家“城市区域环境噪声标准”(GB3096-93),对地铁一般属于4类区域,噪声不能超过55~70dB(A)。

  (5)在各种运行工况下不发生喘振。

  (6)装备比较完善的监控和安全保护系统。

  (7)安装简便,体积不和质量轻。

1.2.2  单向轴流风机

  此类风机适用于通风排烟系统在任何模式运行只要求风机单向运行,应用于如2.1所述的第二类通风排烟系统。

  对单向轴流风机的要求除2.2.1(1)、(3)以外,其余要求与双向轴流风机相同。

1.2.3  射流风机

  此类风机在地铁中应用较少,只在折返线和尽端线隧道中应用。

1.3  国内地铁风机的系列品种和调节方式

1.3.1  系列品种

    收集到的国内地铁风机系列品种、规格和主要参数见表2。   

表1   国内地铁风机产品情况

生产厂家

产品用途

机号

电机极数

风量×104/(m3/h)

风压/Pa

1

单向

№4~№20

2P,4P,6P,8P

0.26~42

100~1740

双向

№16~№22.4

6P,8P

2.3~50

180~1800

2

双向

№11.2~№38

4P,6P,8P,10P

4.5~150

150~2800

单向

№12.5~№28

6P,8P,10P

3.5~75

300~2000

3

单向排热

№10~№24

4P,6P,8P,10P

3~55

280~1500

单向排烟

№8 ~№24

4P,6P,8P,10P

2~55

250~1500

单向新风

№5 ~№28

4P,6P,8P,10P

0.6~75

100~2000

双向

№12.5 ~№28

4P,6P,8P,10P

3.5~75

300~2000

4

双向

№10~№25

4P,6P,8P,10P

4~56

280~1600

5

双向

№20

6P

21.6(设计点)

1000(设计点)

双向

№14

4P

21.6(设计点)

600(设计点)

  注:最大叶尖速度控制在136m/s。  

  其中用量最大的品种是双向可逆风机,机号№18~№20,转速985r/min,全压800~1200Pa,风量55~65m3/min,电机75~90kW。

1.3.2  调节方式

  国内地铁风机目前主要的调节方式有机械式静态动叶可调,动态动叶可调和变频调速。动态动叶可调结构复杂、成本高;静态动叶可调人工操作,虽简单可靠但不能远程遥控;而变频调速快捷、可遥控,且成本可以接受,因此,目前广泛采用变频调速系统。

1.3.3  地铁风机叶片叶型分类

1.4  地铁风机的无量纲参数、效率和反风量

  收集到的一些生产厂家地铁风机的无量纲参数、效率和反风量见表3。

表2   单向地铁风机最高效率点处无量纲参数

生产厂家

压力系数

ψT

比转数

ns

是否加

防喘振环

数据来源

1

0.107

257

厂家样本

2

0.098

240

厂家样本

3

0.098

240

厂家样本

注:ψT,ns为最高效率点处,样本上最高全压效率为82.7%~88%,反、正风量之比不详。 

表3   双向(可逆)地铁风机最高效率点处无量纲参数

生产厂家

 

压力系数

ψT

 

 

比转数

ns

 

最高全压效率

ηmax(正向)

 

Q/Q

是否加

防喘振环

数据来源

1

0.070

275

75

一致

厂家样本

2

0.069

287

80

基本相等

厂家样本

3

0.069

287

80

基本相等

厂家样本

4

0.0940

239

78

接近100%

厂家样本

德国Voith

0.111

244

77

70%

实测

  由表2和表3可见:国内单向地铁风机的全压力系数为0.10 左右,比转数ns为240~260。厂家样本最高全压效率82.7%~88%。而双向(可逆)风机的ψT为0.07左右,比转数ns为240~290左右。厂家样本最高全压效率75%~80%。

2  我国地铁风机目前状况和对今后发展的建议

  地铁风机与其它风机相比,既有共性也有其特殊性,在1.2.1中叙述了地铁用户对地铁风机的要求。其中要求风机具有耐高温的特性,电机厂应用耐高温的绝缘漆和电缆已获得很好的效果,风机正、反转的快速切换,通过采用与控制中心联网的PLC可编程序控制器,可在45s内完成。

  笔者对地铁风机一些其它要求的目前状况作一些分析,并对这些要求今后的发展提出一些建议。

2.1  风机的效率

2.1.1   3种叶型风机的效率评估

  根据已掌握的资料和信息,在地铁风机运行工况范围内单向地铁轴流风机的最高全压效率为75%~80%,反、正风量之比为70%左右。最近有文章报道最高全压效率能达到82%,这是乞今为止此类风机报道的最高效率。

  对于双向可逆非对称叶型风机,达到的最高全压效率要比单向风机的低一些,反、正风量之比要高一些。德国Voith №18地铁风机实测的最高全压效率为77%(按GB/T1236-2000《工业通风机 用标准化风道进行性能试验》),反、正风量之比为60%~70%。

  对于双向可逆完全对称叶型,此类风机的气动力学原理决定其效率较低,一般只有50%~65%。但正、反风量之比为100%,正反风性能曲线完全一样。

2.1.2  影响效率的测试因素

2.1.2.1  测试标准

  20多年前的老标准(GB1236-76《通风机性能试验方法》)曾用风机叶轮环形面积计算风机出口动压,从1985年开始(GB1236-85《通风机空气动力性能试验方法》)到现在的GB/T1236-2000,规定用风机出口圆形面积计算风机动压,二者效率相差6%~10%,应该统一用GB/T1236-2000的标准来测试计算风机的效率,有些生产厂样本上风机效率达到88%,可能是按老标准,按新标准是不可能达到88%的。

2.1.2.2  效率的定义

  (1)风机进口—叶轮出口定义为风机级效率(严格说还要减去进风口损失)。

  (2)风机进口—扩压器出口定义为风机效率。

  (1)、(2)的效率一般相差6%~10%。

 地铁风机一般用风机进口—扩压器出口的全压效率来衡量风机的节能水平。

2.1.2.3  测试误差,尤其是流量测量的误差较大。

2.2 对提高地铁风机效率、节能降耗的建议

2.2.1  继续在气动设计优化方面进行探讨,例如环量沿叶高分布,最优轮毂比等。

2.2.2  单向轴流风机可以采用R+S(转子+后导叶),后导叶叶型为机翼型,效率可提高3%~5%。后导叶兼做电机支撑。

2.2.3  风机用户在选型时不要过分强调正、反风性能100%完全一致。实践和理论证明:正、反风性能完全一致的对称叶型风机效率低,与非对称叶型风机相比,低8%~10%,这对耗能是一个十分可观的数字。德国Voith地铁风机,作为地铁事故抽/排风两用风机的主力产品,其反、正风之比为70%左右。我国援建伊朗地铁用的200多台地铁风机,其反、正风量之比为60%~70%。

  按国内地铁风机样本选型,达到全压1000Pa,风量60m3/s,若按单向风机选型,选№18即可,但按可逆风机选型,需选№20,效率降低8%。

  为了解决可逆风机效率低的问题,最近有人设计将整台风机旋转180°[3],但旋转机构比较复杂。

2.2.4  提高风机运行效率

  风机的实际运行效率并不等于风机的最高效率,为使风机实际运行工况处于风机的高效区,必须精心做好选型工作,准确计算风机的常用风量、风压和变工况范围,防止大马拉小车现象。

2.2.5  加装集流器和扩压器

  在空间场地允许的条件下,在风机前加装集流器,风机后加装扩压器。集流器、扩压器需要精心设计。集流器使进入风机的气流平整光滑,减少涡流,可增加风机的效率,降低噪声;后加扩压器可回收动压,使风机出口速度降低,射出的气流与空气混合时减少噪声,并可在以后风道或风管的流动中减小损失。

2.3  噪声

  如1.3.1所述,对地铁风机噪声的要求是很高的,从气动力学设计可以降低一些噪声,但目前的水平不可能解决根本问题。加装消声器是最好的选择,并且效果明显,完全可以达到国家有关规定。

2.4  防喘振

  防止喘振目前最常用的方法是设置放空阀门,一旦发生喘振,打开放空阀。可以设置自动化系统,当风机运行接近喘振点时,发出警报并自动打开放空阀,这是最简单、可靠、成熟的方法。目前在轴流风机上获得广泛应用。

  还有一种方法是风机叶片顶部前后加装“防喘振环”,防喘振环是一个内装分流小叶片的短圆环。由于防喘振环的存在,叶尖和机壳之间的径向间隙大为增加,在风机正常运行时,导致叶片压力面流向吸力面大量的二次流;并且防喘振环破坏了进入叶片气流的均匀性和光滑性。风机接近喘振时,叶尖边界层发生严重分离并产生涡流,防喘振环可以吸吮边界层,环内分流小叶片可破碎涡流,并对气流整流,使气流均匀流入叶片,延迟喘振或不发生喘振。在正常运行时, 装有防喘振环风机的效率可降低3%~4%,如果防喘振环设计不好或加工粗糙,效率降低得更多。

  风机发生喘振,本身是一个事故。风机偏离设计点,在喘振点附近运行,说明管网阻力严重,远远偏离设计值,有两个原因:一是实际管网阻力与设计计算值相差较大,风机选型不当;二是发生突发事故使管网阻力骤然增大。对于第一个原因,要检查风机厂家提供的样本上的流量——压力曲线和喘振线是否准确(包括反风曲线);二是地铁设计者计算的管网阻力是否有误;对于第二个原因,当突然事故发生后,对于风机来说,应保证风机继续运行,输送尽可能多的风量。打开放空阀虽然能保持风机继续运行,但送风量很小甚至没有,而加有防喘振环的风机既能做到保持风机运行,还可输送一些风量。

  最理想的是在叶轮前后设置可自动控制阀门开度的旁通管路,这样效果更好。在不发生事故时,关上旁通阀门,使风机处于高效运行,事故发生时,调节阀门打开使风机不发生喘振。笔者认为:对于地铁风机设置防喘振环,弊大于利。国外地铁风机,如徳国Voith地铁风机也未加防喘振环。煤矿风机应用的历史也可借鉴,煤矿风机在保证煤矿安全上所起的作用和重要性不亚于地铁风机。在防止煤矿风机喘振问题上,也曾有过在风机上是否要加防喘振环的争论,后来经过实践,逐渐统一了认识。目前,煤矿风机已很少加有防喘振环,而采用简单实用的放空阀方法。

  采用完全可逆风机和防喘振环这两项,使地铁风机在正常运行状况下的最高效率降低10%~15%,多耗电是明显的,例如:地铁风机最常见的1000Pa,60m3/s参数,如风机效率按70%计算,耗电85.7kW,效率按80%计算,耗电75kW,每天按20h运行,一年下来一台风机就多耗电7.7万kW﹒h。

2.5  风机监控和安全保护系统

  用户希望提供完善、可靠的风机监控和安全保护系统,包括对电机前后轴承温度、三相绕组温度、电机电流、电压、功率,风机的风量、风压、效率,接近喘振点风压,风机装置的振动等。将这些参数进行动态实时监控,用计算机进行显示、记录、报警、远程遥控,形成一个完整、可靠的安全保护系统。从目前的发展情况,这些技术已相当成熟。其中风机风量和效率的远程监控比较麻烦,但目前也已成功解决。对于温度、压力和电机参数的监控可以说已经非常成熟,并且成本也非常低廉,完全有条件建立比较完善的安全保护系统。

2.6  风机的外观质量

  用户反映国产地铁风机外观质量较差,国外风机工艺精美。用户还反映国外风机体积小、质量轻;而国产风机比较笨重,这要从工艺上下功夫。另外是选配电机的问题,例如对压力1000Pa,风量60m3/s的地铁常用参数,徳国Voith选用的风机是№18,电机为6极,90kW,而我国一些风机厂选用的是№20风机,6极电机,110kW甚至132kW。

3  隧道通风系统类型和风机选型

3.1  纵向通风系统

  通风气流从隧道进口流向隧道出口,不需要安装通风管道或设置土建通风道。纵向通风由射流风机来完成,通常以一定数量的射流风机(一台或者两台并联)和一定的间距吊挂在隧道顶部,风机之间的间隔为隧道横截面的当量水力直径的 10倍以上。新风由射流风机进口吸入,气流经叶轮加功以25~30m/s的速度从风机出口喷出,喷射气流的动能传递给隧道内的空气,从而产生隧道内空气压差,克服阻力使空气沿着喷射方向向前运动,经一定距离空气动能耗尽时,又被下一台射流风机吸入,经叶轮加功,继续前进,这样“接力”似的最终将废气排出洞口。不难看出,用射流风机来完成纵向通风,隧道中的废气浓度是从进口端向出口端增加的[4]。射流风机纵向通风系统只适合中等长度的隧道通风(5~6km),对隧道较长,必须在隧道中间开设进、排风竖井,组成纵、横向混合通风系统。可逆运转的射流风机可使隧道通风工况具有较大的选择性,单洞双向隧道可以双向通风,在发生火灾事故时可反转排烟。射流风机纵向通风系统的设备费用和运营费用较低。

3.2  全横向通风系统

  沿隧道方向设置送、排风道,新风集中从进风亭采集,排风集中从排风亭排出。一般将送风道设置在道路下面,排风道设置在车道上部,送风道与排风道每隔一定间距设有送、排风口。在事故工况下沿隧道横断面及时排风,由此抽出烟雾。此种通风方式适合于长隧道,是各种通风方式中最可靠、最舒适的一种通风方式。全横向通风能保持整个隧道全程均匀的废气浓度和最佳的能见度,但设备投资和运行费用最高。

  全横向通风系统选用的送风机和排风机根据隧道通风系统设计者对风机的全压、风量的要求选配,一般选配轴流风机,也有选配离心风机的。

  轴流风机的调节方式可选用动叶可调,动叶固定;电机可选用双速或三速。

3.3  半横向通风系统

  该系统又可分送风型和排风型两种通风方式。送风型是指新风由风机经新风道送至沿隧道长度布置的各个通风口,废气则由隧道两端逸出;排风型则相反,新风从两端洞口吸入,排风由布置在隧道不同长度的各个排风口抽出至排风亭排出。

  半横向通风系统选配的风机与全横向通风系统相同。

  以上3种通风系统的特点见表4。

表4  隧道通风方式比较

通风方式

纵向通风

全横向通风

半横向通风

选配风机

射流风机

轴流风机

轴流风机

通风质量

一般

设备和运营费用

应用场合

中距离隧道

长隧道

中距离隧道

4  射流风机

4.1  射流风机的特点

  射流风机是一种特殊的轴流风机,在性能方面,一般轴流风机用户关心的是风机的流量Q,压力p(全压pt或静压ps),表征其经济性是用效率ηηtηs)作指标,风机的特性曲线是用QpQP(功率),Qη来表示,但是对射流风机,用户关心的是风机的流量Q和推力F,评价风机性能优劣是用推力—功率比ζ=F/P,射流风机的特性曲线是用QFQP来表示。在射流风机的全压pt中,静压ps所占比例较小(20%左右),动压pd占绝大部份(80%左右)。从结构方面来看,射流风机的轮毂比较小,ν=0.4左右,叶片数4~8,安装角大。

  试验方法:一般轴流风机按GB1236-2000检测,射流风机按ISO 13350:1999《工业通风机射流风机的性能试验》在推力试验台上进行检测。

4.2  射流风机的规格品种和参数

  射流风机分单向和双向(可逆)两大类,收集到两个生产厂家产品的主要规格和参数见表5。

表5  射流风机的规格和参数

生产厂家

机号

电机极数

(转速)

风量/(m3/s)

出口风速/(m/s)

推力/N

噪声/dB(A)

推力—功率比 ζ

配电机

功率/kW

厂家 1

单向

№6.3

~№16

2P,4P,

6P,8P

8.1~71.8

20.5~45.5

247~3046

52~75

7.5~90

双向

7.9~69.6

19.9~44.1

232~2864

52~75

7.5~90

厂家 2

单向

№4~

№16

2P,4P,

6P,8P

2.1~60.7

16.7~43.3

40~1988

54~72

24.6~66.8

0.75~55

双向

2.0~60.7

15.9~41.7

36.8~1989

55~77

25.3~63.3

0.75~55

  风机前后消声器长度:D或2DD为叶轮直径);电机耐温:-25~50℃或250℃ 1h两种;正反切换方式:电子式(PLC)和机械式两种。

 
 

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