隧道风机的发展前景

随着随着国民经济的迅速发展， 中国城市化进程进一步加快， 城市人口快速增长， 交通供需矛盾 13 益突出， 大型城市交通拥堵越来越严重。 城市轨道交通具有运能效率高、 能耗染小快速、 准时及安全等明显优点， 是解决城市交通问题的主要手段。 风机在地铁和隧道中的作用毋庸置疑， 它能直接的影响一个城市的新型轨道交通的运行。

2 地铁和隧道风机的市场前景

2. 1 地铁风机市场前景

中国轨道交通自 20 世纪 60 年代北京有了*条地铁以来， 发展缓慢。 直到十五期间(2001～2005) 才开始迅猛发展。 十五期间， 我国轨道交通投资 2000 亿元， 建成 550km 城市轨道交通。 十一五(2006--2010) 规划建设 1700km 轨道交通， 投资总额近 6000 亿元。 2010年中国城市轨道交通建成里程。 由以上数据可粗略估算地铁风机的市场前景。 据北京城建设计院估算， 地铁风机投资占地铁总投资的 0． 2％J-左右。 十一五期间轨道交通投资 6000 亿元， 因轨道交通包括地铁、 轻轨、 磁悬浮列车等， 假设地铁投资占轨道交通总投资的 3／ 4，则十一五期间地铁投资为 4500 亿元， 其中 0． 2％11P 9 亿元为地铁风机市场， 平均每年近

10 亿元。 按已规划的 8000 亿元轨道交通投资， 每年增速 6％左右， 以上估计不很准确， 仅供参考。

2. 2 隧道风机市场前景

隧道主要有高速公路， 普通公路隧道， 铁路隧道及江河、 海底隧道等。

2. 2. 1 铁路里程和投资规划

十一五期间， 中国铁路运行总里程将从 2005 年的 7． 5 万 km 增加到 9 万 km 以上， 同比增速20％(年增速 4％) ， 新建铁路 1． 7 万 km， 是十五期间的 2． 3 倍， 总投资超过 12500 亿元(2008年 10 月 24 日铁道部新闻发言人王勇说国务院已批复投资 2 万亿元) 。

2. 2. 2 高速公路里程和投资规划

2005 年底全国国家级高速公路 4． 1 万 km， 居世界第二位， 2006 年新增 4460km， 总里程达 4． 546 万 km， 规划 2010 年达 5． 5 万 km(普通公路达 210-230 万 km) ， 新增国家级高速公路近万 kin(年增速 4％) ， 按高速公路平均投资 500 万美元／ km 计算， 十一五期间需投资 3500 亿元。 由以上统计的铁路和高速公路建设里程， 每年以 4％左右增加， 隧道风机的市场需也应同步增加。

3 地铁风机的系列品种、 特点和应用范围

3. 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” *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*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 l／ 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。

3. 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： *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。

3. 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*类通风排烟系统中应用的风机。 风机应满足以下用户要求 Pl。

(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 lh， 在 280 c12 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 lh。

(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“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， 体积小和质量轻。

3. 2. 2 单项轴流风机

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

3. 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。

4 风机的效率

4． 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*高全压效率为 7596---8096， 反、正风量之比为 7096 左右。*近有文章报道*高全压效率能达到 82％，这是乞今为止此类风机报道的的*高效率。 对于双向可逆非对称叶型风机， 达到的*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 VoithN018 地铁风机实测的*高全压效率为 77％(按 GBfI' 1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》 ) ， 反、正风量之比为 6096-7096。 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％， 正反性能曲线完全一样。

4． 2 影响效率的测试因素

4. 2． 1 测试标准

20 多年前的老标准(GBl236-76(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(GBl236—85(通风机空气动力性能试验方法》) 到现在的 GBfI' 1236—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％-1096， 应该统一用GBfrl236-2000 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％， 可按老标准， 按新标准是不可能达到 88％的。

4. 2. 2 效率的定义

(1) 风机进口一叶轮出口定义为风机级效率(严格说还要减去进风 El 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％一 10％。 地铁风机一般用风机进口一扩压器出口的全压效率来衡量风机的节能水平。

4. 2. 3 测试误差， 尤其是流量测量的误差较大。

4. 3 对提高地铁风机效率、 节能降耗的建议

4. 3. 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， *优轮毂比等。

4. 3. 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。

4. 3. 3 风机用户在选型时不要过分强调正、 反风性能 10096 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。 我国援建伊朗铁用的 200 多台地铁风机， 其反、 正风量之比为 60％-． -7096。 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 Nol8 即可， 但按可逆风机选型， 需选 N020， 效率降低 8％o 为了解决可

逆风机效率低的问题， *近有人设计将整台风机旋转 1800 嘲， 但旋转机构比较复杂。

4． 3． 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*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。

4． 3． 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。

4． 4 噪声

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*好的选择， 并且效果明显， 完全可以达到国家有关规定。

4． 5 防喘振

防止喘振目前*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*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“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*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。 *理想的是在叶轮前后设置可自动控制门开度的旁通管路，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， 如德国 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*高效率降低 1096-1596， 多耗电是明显的， 例如： 地铁风机*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。

4. 6 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。

4. 7 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， 德国 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， llOkW 甚至 132kW。

5 隧道通风系统类型和风机选型

5. 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 121 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*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 14t。 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。

5. 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*可靠、 *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*佳的能见度， 但设备投资和运行费用*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。

5. 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。 半横向通风系统选的风机与全横向通风系统相同。

6 结论

本文经过对地铁和隧道风机的理论研究和经过一定的数据支持从未来发展角度对风机的应用做了 论证， 得出风机将在地铁隧道中起到至关重要的作用。