隧道大型軸流風機變頻技術(shù)的應(yīng)用研究

引言

近年來，隨著高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，大量長公路隧道的修建，長隧道的通風已經(jīng)變成了隧道運營中的耗能大戶。大型風機類電動機在實際運行過程中耗電量大且運行效率低下，蘊藏著巨大的節(jié)能空間。采用變頻調(diào)速后，不僅獲得了相當可觀的經(jīng)濟效益，而且提高了運行設(shè)備的安全性和可靠性。

本文以秦嶺終南山隧道為依托，計算了其風壓風量需求,并對現(xiàn)有通風設(shè)備進行改造設(shè)計，制定相應(yīng)執(zhí)行方案。對比了改造方案與現(xiàn)有方案的優(yōu)劣，最終得出變頻調(diào)速技術(shù)在安全性、可靠性和經(jīng)濟性的綜合性指標中占據(jù)相當大的優(yōu)勢。

1秦嶺終南山隧道需風量計算

1.1需風量計算

隧道需風量確定時，應(yīng)對計算行車速度以下各工況車速按20km/h為一擋分別進行計算，并考慮交通阻滯狀態(tài)，取其較大者作為設(shè)計需風量?？紤]到秦嶺終南山18km特長隧道具備完善的交通監(jiān)控設(shè)施，認為車速在30km/h以下可進行交通管制，保證不出現(xiàn)隧道18km全段20km/h以下車速怠速行駛的運行工況，因此計算工況車速分別取為60km/h、40km/h、30km/h及阻滯狀態(tài)下平均車速10km/h。交通阻滯狀態(tài)下（車速10km/h）計算長度為1km。

根據(jù)鐵道部第一勘察設(shè)計院編制的《秦嶺終南山特長公路隧道初步分析》，秦嶺終南山公路隧道日平均交通量和高峰小時交通量預(yù)測值分別如表1和表2所列。

經(jīng)過計算后的需風量見表3所列。

1.2秦嶺中南山隧道現(xiàn)有通風方案分析

秦嶺終南山隧道釆用三豎井分段縱向通風方案，上下行線兩隧道均釆用三豎井分段送、排風和射流風機調(diào)壓相組合的縱向通風方式，方案平面圖如圖1所示。

結(jié)合隧道網(wǎng)絡(luò)通風特性風壓930Pa可知，以遠景規(guī)劃至2025年滿足需風量964m3/s的風機總功率約為4800kW(包括送、排風，上下行線以及風機備份)。

秦嶺終南山隧道內(nèi)安裝射流風機72組共144臺，每臺功率22kW；3個豎井共安裝軸流風機32臺，排風機15臺，送風機17臺，功率從132?450kW不等。隧道通過采用射流風機和軸流風機相結(jié)合的3豎井縱向分段送排式通風技術(shù)對自然風進行上下行隧道共用豎井排送。現(xiàn)統(tǒng)計如下：

一號豎井：

(350+350+450+450+220+220+220+200+200)kW

二號豎井：

160+160+280+280+280+280+280+280+200+200+200+200)kW

三號豎井：

(350+350+250+250+250+280+280+280+132+132+132)kW

因此總功率為:射流風機3168kW，軸流風機7946kW，總計11114kW>4800kW。目前，秦嶺終南山公路隧道的風機配置足夠滿足隧道遠景規(guī)劃需求，只需要在此基礎(chǔ)上研究加裝變頻器的設(shè)計方案。

2變頻通風控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由多臺可編程控制器(PLC)、數(shù)字模塊、模擬量模塊、DeviceNet現(xiàn)場總線、CO檢測器、可見度檢測器、交通量檢測器、PC機、數(shù)字式變頻器等幾部分組成，其系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

本系統(tǒng)主要通過分檔控制來確定需要調(diào)整的風速，通過模糊算法來加強控制系統(tǒng)的抗干擾、抗振蕩、抗噪聲以及減少系統(tǒng)的時滯性，而在控制對象方面只是以大功率軸流風機變頻調(diào)速來作為長大公路隧道通風節(jié)能重點考慮。依據(jù)JTJ026.1—1999《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》軸流風機宜并聯(lián)設(shè)置，每一通風系統(tǒng)一般設(shè)置2～3臺，風量控制方法一般采用轉(zhuǎn)速控制法、臺數(shù)控制法及其組合方法。因此，本系統(tǒng)以三臺風機變頻并聯(lián)運行轉(zhuǎn)速控制法為主要控制，圖3所示是系統(tǒng)控制電路圖。

結(jié)合隧道工程的實際情況，變頻通風系統(tǒng)主電路如圖3所示。三臺電機分別為Ml、M2、M3，都可以在工頻或變頻兩種方式下運行，接觸器KMI、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M3的工頻運行，KM2、KM4、KM6控制MI、M2、M3的變頻運行。

3變頻通風控制的軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)控制方法的選擇

目前，秦嶺終南山隧道通風運行方案極其簡單，根據(jù)陜西省峰谷分時電價,采用在固定時段固定通風。通風方案如下:

西線07:00—08:00，13:00—14:00；

東線14:00—15:00。

軸流風機：

西線"200+160+132+220+280+280)X2=2544kW-h；東線：(350+200+350+450+280+250)X1=1880kW?h。

本系統(tǒng)根據(jù)不同時段交通量的變化，制定不同的通風機開啟方案對隧道通風進行分時段控制的方法，可以在減少對設(shè)備的依賴的情況下達到良好的通風效果。與目前秦嶺隧道采用的控制方案相比較，能大大降低洞內(nèi)污染物濃度的波動,使污染物濃度在范圍內(nèi)平穩(wěn)變化,系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4程序控制流程圖

3.2系統(tǒng)控制方案的制定

根據(jù)2013年在秦嶺終南山隧道監(jiān)控室獲得的隧道東西線的交通量狀況可知，一天的交通量高峰是從早8時至下午9時，之后交通量平穩(wěn)下降至次日凌晨3時，凌晨3時至5時是一天中交通量最小時間段，之后5時至8時交通量逐漸上升。因此，可將一天的通風方案劃分為四個時間段，各個時間段執(zhí)行不同的通風方案。

通過對電機的調(diào)速，風機的性能曲線會相應(yīng)移動。對風機工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以使其滿足風量及風壓需求。通過計算,最終確定的風機開啟方案如表4所列。

經(jīng)過驗證，以下方案在滿足現(xiàn)有日交通量的情況下還有很大的富余。

表4風機運營方案

4結(jié)語

對比現(xiàn)有通風運營方案與改進后的方案，可以計算出相應(yīng)一天的電能及電費使用情況。秦嶺終南山隧道現(xiàn)有風機運行計劃為西線早7:00—8:00，13:00—14:00，東線14:00—15:00開啟風機。開啟風機的情況為西線：200+160+132+220+280+280；東線：350+200+350+450+280+250。現(xiàn)有運營方案耗電量為4424kW?h，按陜西峰谷電價計算所得的日均電費為2316元。

改進方案運營耗電量為859.6kW-h，按陜西峰谷電價計算得的日均電費為1339元。可見，加裝變頻器的綜合節(jié)電率很高，每天可節(jié)省電費977元，年節(jié)可節(jié)省費用大約35萬元左右，因此改進方案的節(jié)電效果是很可觀的。

經(jīng)過對比，可以得出如下結(jié)論：

第一，目前秦嶺隧道的通風需求不大，進行節(jié)能改造可以一定程度上節(jié)約電費。

第二，考慮到目前執(zhí)行的通風方案只需要集中兩小時開啟12臺風機就能滿足隧道的通風需求，新設(shè)計的方案雖然節(jié)能，但考慮改造費用的情況下，目前還不是非常必要。

第三，改造方案隨著車流量的逐年增加，節(jié)電率會逐漸提高，將來會有非?？捎^的經(jīng)濟效益。

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