地鐵工程隧道通風(fēng)單活塞系統(tǒng)分析

李林林

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師)

隧道通風(fēng)系統(tǒng)是地鐵工程中重要的組成系統(tǒng)之一。隧道通風(fēng)系統(tǒng)的功能是保證列車正常運營所需的隧道環(huán)境，并在事故工況時向區(qū)間隧道提供一定的通風(fēng)量，以滿足排除煙氣及誘導(dǎo)乘客安全撤離事故區(qū)域的需要。

地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)道及隧道風(fēng)機組成。系統(tǒng)在地鐵車站內(nèi)的占地面積約為車站總面積的1/4，且地面活塞風(fēng)亭的設(shè)置增加了工程的建設(shè)及協(xié)調(diào)難度。如何在滿足設(shè)計要求的前提下減少隧道通風(fēng)系統(tǒng)的占地面積及活塞風(fēng)亭的數(shù)量，以與繁華擁擠的城市環(huán)境相協(xié)調(diào)，是隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計追求的目標(biāo)。

對于屏蔽門制式地下線路的軌道交通工程，單活塞系統(tǒng)是減小隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的常用系統(tǒng)。本文針對常見的兩種單活塞系統(tǒng)，從土建方案、設(shè)備選型、設(shè)備運行能耗、運行模式等方面進行對比分析。

1 單活塞系統(tǒng)形式

目前，通常采用的單活塞系統(tǒng)有隧道風(fēng)機與車站軌排風(fēng)機合并設(shè)置和分開設(shè)置兩種形式，如圖1、2所示。

圖1 單活塞合并設(shè)置系統(tǒng)示意圖

單活塞分開設(shè)置系統(tǒng)中的車站隧道風(fēng)機與區(qū)間隧道風(fēng)機分開設(shè)置，每站設(shè)置2條20 m2的活塞風(fēng)道、4臺隧道風(fēng)機、2臺軌排風(fēng)機及相應(yīng)的機械風(fēng)閥。

單活塞合并設(shè)置系統(tǒng)中的車站隧道風(fēng)機與區(qū)間隧道風(fēng)機合并設(shè)置，每站設(shè)置2條20 m2的活塞風(fēng)道、4臺隧道兼軌排風(fēng)機及相應(yīng)的機械風(fēng)閥。

2 建設(shè)投資比較

隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)施包括土建與設(shè)備兩部分。其中，土建包括位于地下的機房、風(fēng)道，占總投資的主要部分;設(shè)備包括本系統(tǒng)的風(fēng)機、風(fēng)閥、消聲器等。

現(xiàn)選取標(biāo)準(zhǔn)站對兩種單活塞系統(tǒng)形式的土建及設(shè)備投資進行對比分析。設(shè)備典型平面布置圖如圖3所示。兩系統(tǒng)投資對比見表1。

圖3 典型車站兩種單活塞方案平面布置圖

表1 兩系統(tǒng)設(shè)施匯總及投資對比

表1數(shù)據(jù)選取典型站的布置方案進行統(tǒng)計分析?？梢?，單活塞分開形式較合并形式需增加投資94萬元(其中土建增加72萬元，設(shè)備增加22萬元)。當(dāng)車站布置方案不同時，土建面積也會不同。對于帶配線的車站，兩系統(tǒng)的土建面積差值將會更小。

3 設(shè)備房長度影響

影響車站設(shè)備用房長度的主要因素有車站配線設(shè)置和車站供電房間(牽引所等)的設(shè)置。

合并系統(tǒng)受配線的影響較大，一般不在帶配線的車站中使用，因為其會使全線的系統(tǒng)形式多樣化，導(dǎo)致控制工藝要求復(fù)雜。

4 設(shè)備選型匹配比選

風(fēng)機選型的主要參數(shù)為風(fēng)機壓頭、風(fēng)量及風(fēng)機效率。風(fēng)機特性曲線與管路特性曲線匹配后的工作點應(yīng)處于風(fēng)機效率的高效區(qū)。設(shè)Q為風(fēng)機風(fēng)量，H為風(fēng)機壓頭，n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，風(fēng)機選型曲線如圖4所示，高效區(qū)處于a、b點間，風(fēng)機最高效率為 ηmax，a、b兩點之間效率高于90%ηmax。

圖4 風(fēng)機選型曲線

4.1 分開設(shè)置系統(tǒng)形式

對于分開設(shè)置系統(tǒng)形式，管路曲線只有一條，按照圖5進行風(fēng)機選型即可。在軌排風(fēng)機設(shè)置變頻器變頻運行時，風(fēng)機效率點仍然處在高效區(qū)。

風(fēng)機變頻運行時滿足風(fēng)機相似率Q1/Q2=，系統(tǒng)節(jié)能運行。

圖5 分開設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機選型曲線

4.2 合并設(shè)置系統(tǒng)形式

對于合并設(shè)置系統(tǒng)形式，管路曲線有兩條，分別為區(qū)間隧道特性曲線與軌排風(fēng)道特性曲線。風(fēng)機與管路特性曲線如圖6。其中，R1為區(qū)間隧道特性曲線，R2為軌排風(fēng)道特性曲線，n1為風(fēng)機工頻運行曲線，n2為風(fēng)機降頻運行曲線。

圖6 合并設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機選型曲線

圖6中，a點的風(fēng)量為Qa，壓頭為Ha，是風(fēng)機作為區(qū)間隧道風(fēng)機時的工作點;此時風(fēng)機效率處在高效區(qū)。c點的風(fēng)量為Qc，壓頭為Hc，是風(fēng)機作為車站隧道排風(fēng)機時的工作點。b點是與a點對應(yīng)的n2轉(zhuǎn)速下的相似工作點;該點風(fēng)機效應(yīng)與a點相等，風(fēng)機效率處在高效區(qū)。由此可知，a點與b點滿足相似率關(guān)系，c點與a點不滿足相似關(guān)系率，c點風(fēng)機效率會有所降低，偏離效率高效區(qū)。

綜上，對于合并系統(tǒng)形式，為系統(tǒng)選擇合適的風(fēng)機，使風(fēng)機的效率均處在高效區(qū)是相當(dāng)困難的。根據(jù)車站的實際情況，當(dāng)大端設(shè)備房長度越長，即隧道風(fēng)機房距車站有效端頭越遠時，軌排風(fēng)道的阻力將加大，R2特性曲線會更加惡劣，c點風(fēng)機效率下降更快，軌排風(fēng)機運行能耗會更高。

5 設(shè)備運行能耗

車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)(軌行區(qū)排風(fēng)系統(tǒng))需全年長期運行，軌排風(fēng)機的效率與設(shè)備運行能耗息息相關(guān)。兩種單活塞系統(tǒng)風(fēng)機效率見表2。

風(fēng)機軸功率計算式為:

式中:

Q——風(fēng)機風(fēng)量，m3/s;

H——風(fēng)機壓頭，Pa;

η——風(fēng)機效率。

根據(jù)工程經(jīng)驗，通常地鐵初、近期設(shè)計高峰小時發(fā)車對數(shù)相差較大，且全天行車對數(shù)也有變化，隧道內(nèi)在初、近期較低密度行車對數(shù)條件下溫度較低，因此，軌排風(fēng)機配置變頻器，根據(jù)全日行車計劃按時間順序變頻運行。車站軌排風(fēng)機變頻運行方案及能耗比較如表3所示。

表2 兩種單活塞系統(tǒng)風(fēng)機效率

表3 車站隧道風(fēng)機運行方案及能耗比較表

綜上，每個車站初投資時，單活塞分開形式較合并形式需增加投資94萬元，但年運行費用可節(jié)省約8.81 萬元。

6 運行模式

正常模式:單活塞分開設(shè)置系統(tǒng)與合并設(shè)置系統(tǒng)實現(xiàn)的功能相同，可實現(xiàn)活塞通風(fēng)和軌排機械排風(fēng);差別在于分開設(shè)置系統(tǒng)可實現(xiàn)軌排變頻節(jié)能運行。

事故模式:單活塞分開設(shè)置系統(tǒng)與合并設(shè)置系統(tǒng)實現(xiàn)的功能相同;差別在于合并系統(tǒng)正常運行時隧道風(fēng)機排風(fēng)，當(dāng)該車站需投入送風(fēng)模式時，風(fēng)機要停機才能執(zhí)行反轉(zhuǎn)，存在一個時間延遲，且風(fēng)機控制風(fēng)閥較多，控制模式較復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。

7 結(jié)語

單活塞合并設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)道和機房的占地面積小，且減少了風(fēng)機的數(shù)量，使車站規(guī)模得到進一步壓縮。但是，合并系統(tǒng)隧道風(fēng)機用于排風(fēng)時效率偏低，對設(shè)備性能的要求提高，控制風(fēng)閥較多，控制模式較復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性降低，系統(tǒng)受配線的影響較大，

一般無法在帶配線的車站中使用。單活塞分開設(shè)置系統(tǒng)占地面積大，但設(shè)備布置靈活，設(shè)備運行效率高，系統(tǒng)可靠性較高。兩種單活塞系統(tǒng)均可滿足工程需求，可根據(jù)工程實際情況來選擇適合的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

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