隧道大型軸流風機變頻技術的應用研究

引言

近年來，隨著高速公路建設的迅猛發(fā)展，大量長公路隧道的修建，長隧道的通風已經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。采用變頻調速后，不僅獲得了相當可觀的經濟效益，而且提高了運行設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)有通風設備進行改造設計，制定相應執(zhí)行方案。對比了改造方案與現(xiàn)有方案的優(yōu)劣，最終得出變頻調速技術在安全性、可靠性和經濟性的綜合性指標中占據相當大的優(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。

根據鐵道部第一勘察設計院編制的《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測值分別如表1和表2所列。

經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、排風和射流風機調壓相組合的縱向通風方式，方案平面圖如圖1所示。

結合隧道網絡通風特性風壓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合的3豎井縱向分段送排式通風技術對自然風進行上下行隧道共用豎井排送?，F(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，只需要在此基礎上研究加裝變頻器的設計方案。

2變頻通風控制系統(tǒng)的硬件設計

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速來作為長大公路隧道通風節(jié)能重點考慮。依據JTJ026.1—1999《公路隧道通風照明設計規(guī)范》軸流風機宜并聯(lián)設置，每一通風系統(tǒng)一般設置2～3臺，風量控制方法一般采用轉速控制法、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)運行轉速控制法為主要控制，圖3所示是系統(tǒng)控制電路圖。

結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，能大大降低洞內污染物濃度的波動,使污染物濃度在范圍內平穩(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。

通過對電機的調速，風機的性能曲線會相應移動。對風機工作轉速調節(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?，F(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?？梢?，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。

經過對比，可以得出如下結論：

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^的經濟效益。

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