長隧洞施工變頻節(jié)能通風(fēng)技術(shù)研究

曹 優(yōu) 蘭

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

長隧洞在水電、公路、鐵路工程中較為普遍。良好的施工作業(yè)環(huán)境是隧洞施工的根本保證，也是隧洞施工中以人為本理念的重要體現(xiàn)[1]，決定著隧道的工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度和施工作業(yè)人員的職業(yè)健康，因此，施工方、建設(shè)方和監(jiān)管方越來越重視施工作業(yè)環(huán)境。要?jiǎng)?chuàng)造良好的隧道施工作業(yè)環(huán)境，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置尤為關(guān)鍵。筆者從長隧洞施工通風(fēng)中遇到的實(shí)際問題入手，以華鎣山瓦斯隧道采用的通風(fēng)技術(shù)為例，主要針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化、改造、功能提升等進(jìn)行了分析與探討，總結(jié)出了具體的長隧洞施工節(jié)能通風(fēng)技術(shù)，以供類似工程項(xiàng)目參考。華鎣山隧道屬特長隧道，設(shè)計(jì)為雙向六車道，長約5 km，最大斷面面積達(dá)190 m2，標(biāo)準(zhǔn)斷面面積為160 m2，上臺(tái)階斷面面積為120 m2。隧洞通風(fēng)左右分修，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8 m，寬達(dá)12.5 m。隧道縱坡進(jìn)口端為0.507%的上坡，出口端為1.993%的上坡。隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，穿越多個(gè)煤層及煤層采空區(qū)，屬于煤與瓦斯突出隧道，施工中存在瓦斯燃燒、瓦斯爆炸，煤與瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn)，因此，如何采取有效的通風(fēng)措施對(duì)隧道施工安全至關(guān)重要。該隧道的通風(fēng)采用的是160 kW×2的隧道專用軸流通風(fēng)機(jī)。隧道初始階段采用壓入式通風(fēng)，在隧道掘進(jìn)至1 850 m時(shí)風(fēng)壓已不能滿足設(shè)計(jì)風(fēng)速0.5 m/s的要求。對(duì)此，項(xiàng)目部進(jìn)行了通風(fēng)方式的調(diào)整，由壓入式通風(fēng)調(diào)整為巷道式通風(fēng)[2]，風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)速可達(dá)到1 m/s，提升了瓦斯隧道施工的安全系數(shù)。

調(diào)整通風(fēng)方式后，通風(fēng)風(fēng)速滿足了要求，但隨之而來的卻是高額的電費(fèi)投入。由于供風(fēng)系統(tǒng)是按照最大供風(fēng)需求設(shè)置的，在掘進(jìn)工作面環(huán)境條件處于低煙霧、低瓦斯?fàn)顟B(tài)時(shí)，通風(fēng)機(jī)仍在最大功率下運(yùn)行，從而造成了極大的能源浪費(fèi)；同時(shí)，風(fēng)機(jī)一但接入電網(wǎng)便處于長期恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象。因此 ，必須對(duì)其進(jìn)行改造。

2 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的探討

2.1 通風(fēng)現(xiàn)狀

通常隧道在通風(fēng)設(shè)計(jì)及風(fēng)機(jī)選型時(shí)是根據(jù)隧道通風(fēng)最困難時(shí)期的需求選擇的，而在隧道施工初期及隧道中大氣環(huán)境相對(duì)良好的情況下就會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)。同時(shí)，隧道施工的各個(gè)工序不同，對(duì)需風(fēng)量的要求亦不同，如果以一成不變的狀態(tài)運(yùn)行也會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)，如無瓦斯段和低瓦斯段只需滿足職業(yè)健康要求即可；而對(duì)于瓦斯洞段則需風(fēng)機(jī)加大運(yùn)行功率以保證隧道風(fēng)速；當(dāng)粉塵超標(biāo)時(shí)風(fēng)機(jī)需加大功率排出煙塵；爆破后一氧化碳超標(biāo)時(shí)風(fēng)機(jī)需全速運(yùn)行以減少通風(fēng)散煙時(shí)間。由于巨大的電費(fèi)投入，施工管理者在施工過程中隨意停風(fēng)降低了隧道大氣環(huán)境質(zhì)量，間歇性的通風(fēng)使電費(fèi)增加、空氣質(zhì)量下降。

2.2 供風(fēng)量的調(diào)節(jié)

(1)改變風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量。經(jīng)濟(jì)安全的通風(fēng)是在各個(gè)施工階段由風(fēng)機(jī)輸出與環(huán)境相適應(yīng)的供風(fēng)量。筆者對(duì)改變風(fēng)機(jī)供風(fēng)量的方式主要分析了以下幾種：①通過改變風(fēng)機(jī)管網(wǎng)特性曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。這種辦法是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板開關(guān)程度予以實(shí)現(xiàn)。該方法結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，但在調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的過程中改變了風(fēng)機(jī)的壓力，在擋板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大量能源。② 改變風(fēng)機(jī)葉片角度實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。在調(diào)低流量的同時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力亦隨之下降，具有很好的節(jié)電效果。但這種方法使風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)磨損較大。同時(shí)，調(diào)節(jié)葉片角度必須停機(jī)進(jìn)行而導(dǎo)致無法滿足風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行、連續(xù)調(diào)節(jié)洞內(nèi)的環(huán)境。③改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，流量亦降低，同時(shí)風(fēng)機(jī)壓力也隨之降低，在調(diào)低流量的同時(shí)風(fēng)機(jī)的內(nèi)部壓力也隨之下降，具有極好的節(jié)電效果。該方法不必對(duì)風(fēng)機(jī)本身進(jìn)行改造，其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由外部控制，風(fēng)機(jī)擋板可處于全開位置保持不變，并能實(shí)現(xiàn)無級(jí)線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，可用于需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行、連續(xù)調(diào)節(jié)的地方。

(2)采用改變轉(zhuǎn)速的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。隧道施工環(huán)境瞬息多變，如何在環(huán)境改變的同時(shí)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，可用風(fēng)機(jī)調(diào)速采用變頻器調(diào)速[3,4]，智能變頻系統(tǒng)能夠在一定程度上解決這一個(gè)問題。

該項(xiàng)目隧道風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)[5]由安全監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳輸通訊系統(tǒng)和變頻風(fēng)機(jī)共同組成(已申請(qǐng)實(shí)用新型專利，ZL2016 2 1059380.7)。安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)讀取安裝在隧道各處的傳感器，將所有傳感器中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并顯示在監(jiān)控室內(nèi)的顯示器上，智能通風(fēng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控值，分析并計(jì)算風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，將頻率信號(hào)下發(fā)至變頻器，變頻器通過改變風(fēng)機(jī)的控制運(yùn)行頻率改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量并降低耗電量，既滿足了隧道通風(fēng)的需求，又降低了風(fēng)機(jī)的消耗。隧道風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)原理見圖1。

2.3 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)的改造

(1)安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造。在隧道內(nèi)相關(guān)部位安裝甲烷、硫化氫、一氧化碳、風(fēng)速等傳感器用以監(jiān)測隧道內(nèi)的施工環(huán)境并進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)與傳輸。

(2)引入智能軟件系統(tǒng)。引入智能變頻通風(fēng)運(yùn)行及監(jiān)控軟件系統(tǒng)[5]，在隧道監(jiān)控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行并顯示。該軟件系統(tǒng)具有以下功能：數(shù)據(jù)讀取、傳輸、計(jì)算分析和信號(hào)輸出、智能控制與人工控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換設(shè)置、接受人工手動(dòng)設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)讀取與保存以及顯示等。

(3)增設(shè)控制器。所增設(shè)的控制器具有承擔(dān)隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)分析、計(jì)算和輸出控制信號(hào)的功能，具有讀取安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、分析計(jì)算、下發(fā)運(yùn)行頻率的功能?？刂破髫?fù)責(zé)計(jì)算運(yùn)行頻率并將頻率信號(hào)輸出給變頻器，以達(dá)到風(fēng)機(jī)風(fēng)量實(shí)時(shí)智能控制的目的，控制器的工作原理見圖2。

(4)增設(shè)變頻器。所增設(shè)的變頻器是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)智能變頻控制的關(guān)鍵設(shè)備，在使用時(shí)變頻器主要具有以下功能：控制并改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率；監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流和功率等。

圖1 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

圖2 控制器原理框圖

(5)增設(shè)傳感器。通過傳感器收集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能分析，在保證職業(yè)健康和有毒有害氣體指標(biāo)可控的前提下，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用與試驗(yàn)

(1)變頻控制效果測試。華鎣山隧道風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)的效果與性能測試試驗(yàn)在華鎣山隧道進(jìn)口左右洞進(jìn)行。在為期一周的測試試驗(yàn)期間，左右洞進(jìn)行相同的施工工序以保證左右洞處在相同的工況條件下。通過左右洞風(fēng)機(jī)電表的差值判斷左右洞風(fēng)機(jī)在不同方法的控制下對(duì)電量的消耗量。

試驗(yàn)期間，左、右洞分別采用手動(dòng)、自動(dòng)控制的方式。左洞采用手動(dòng)控制，設(shè)定固定的頻率值，由洞口工作人員根據(jù)洞內(nèi)情況不斷改變。右洞自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，依據(jù)風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置好基礎(chǔ)頻率后，人為不做任何變動(dòng)。

試驗(yàn)前，分別對(duì)左右洞風(fēng)機(jī)電表進(jìn)行了記錄：左洞風(fēng)機(jī)試驗(yàn)開始前記錄的電表數(shù)據(jù)為04 692.1，右洞風(fēng)機(jī)試驗(yàn)開始前記錄的電表數(shù)據(jù)為009 923。試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)左右洞風(fēng)機(jī)的電表進(jìn)行了記錄：左洞風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后記錄的電表數(shù)據(jù)為04 840.8，右洞風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后記錄的電表數(shù)據(jù)為010 010。

根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，左右洞倍率取100，左洞手動(dòng)控制差值為14 870，右洞自動(dòng)控制差值為8 700。由此可見：使用隧道通風(fēng)智能變頻控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)用電量僅僅為不使用隧道通風(fēng)智能變頻控制系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的58.5%。

分析認(rèn)為：采用人工調(diào)節(jié)控制的方法用電量大的主要原因?yàn)椋核淼朗┕ぶ杏卸居泻怏w的變化相對(duì)較為頻繁，如果采用人工修改頻率的方法控制風(fēng)機(jī)，一方面人工并不能很準(zhǔn)確的估計(jì)當(dāng)時(shí)所需的運(yùn)行頻率，為了保險(xiǎn)起見，其頻率往往高于真正所需要的頻率；另一方面，人工在設(shè)置頻率時(shí)并不能做到實(shí)時(shí)，因此而要求風(fēng)機(jī)管理員時(shí)刻盯著隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)、也是不人性的；同時(shí)，在晚上，管理員休息后風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率再一次處于不變的狀態(tài)。因此，采用隧道通風(fēng)智能變頻控制系統(tǒng)更為合理與安全，同時(shí)也起到了節(jié)能的作用。

(2)節(jié)能效果分析。根據(jù)華鎣山隧道設(shè)計(jì)文件，瓦斯工區(qū)連續(xù)通風(fēng)增加的電量為23 474 880 kW·h。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，到目前為止，隧道施工通風(fēng)的用電量累計(jì)為5 592 076 kW·h，僅占設(shè)計(jì)用電量的23.8%，風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能效果突出。

分析認(rèn)為：設(shè)計(jì)文件中瓦斯工區(qū)增加的用電量以風(fēng)機(jī)持續(xù)以最大工況運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算。事實(shí)上，瓦斯工區(qū)也存在無瓦斯溢出的地段，根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境情況，采取與之相適應(yīng)的供風(fēng)策略才是高效、環(huán)保的。前期，項(xiàng)目部也采用了根據(jù)人工檢測環(huán)境結(jié)果調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行節(jié)能，但因人工檢測連續(xù)性差而難以保證在第一時(shí)間進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的調(diào)整。而采用風(fēng)機(jī)智能變頻系統(tǒng)后，彌補(bǔ)了人工檢測節(jié)能的不足，可以實(shí)時(shí)檢測到隧道內(nèi)的環(huán)境情況，連續(xù)性好，節(jié)能效果好，更重要的是能在瓦斯超限、有毒有害氣體超標(biāo)的第一時(shí)間進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，安全性亦得到了保證。

(3)節(jié)能通風(fēng)效果的觀測。在智能變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)抽取一天內(nèi)20 h隧道中的各項(xiàng)有毒有害氣體濃度以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率，各時(shí)點(diǎn)實(shí)測值分布情況見圖3。

從圖3中可以看出：硫化氫與甲烷基本處在很低的濃度范圍內(nèi)，而一氧化碳出現(xiàn)了一次突增，濃度達(dá)到了321 ppm。分析認(rèn)為：這是由于當(dāng)時(shí)在隧道出渣過程中挖掘機(jī)、裝載機(jī)和出渣車造成的。當(dāng)一氧化碳開始增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率也開始增加，直到一氧化碳超標(biāo)，風(fēng)機(jī)以最大頻率運(yùn)行，而其他時(shí)候都處于相對(duì)較低的狀態(tài)運(yùn)行，從而在保證隧道施工環(huán)境對(duì)風(fēng)量需求的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能的效果。

2.5 實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能具有的意義

華鎣山隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施期間進(jìn)行的優(yōu)化、改造、功能提升等變頻節(jié)能技術(shù)已經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)并應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果。不僅促進(jìn)了華鎣山隧道施工的安全，而且響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)了變頻節(jié)能，主要具有以下幾個(gè)意義：

(1)隧道風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)在安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)，結(jié)合并利用了較為成熟的通訊、控制技術(shù)。

(2)變頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道施工通風(fēng)的智能化，能夠同時(shí)兼顧隧道通風(fēng)需求與節(jié)電兩個(gè)方面。

(3)解決了隧道通風(fēng)被動(dòng)的狀態(tài)，使風(fēng)機(jī)可以主動(dòng)的參與到隧道施工中，使得通風(fēng)系統(tǒng)能夠真正意義上為隧道施工的安全與質(zhì)量提供保障。

(4)為隧道施工提供了良好的作業(yè)環(huán)境，響應(yīng)了施工作業(yè)人員的職業(yè)健康要求，同時(shí)也有力推動(dòng)了隧道施工安全，促進(jìn)了工程質(zhì)量與進(jìn)度。

圖3 有毒有害氣體濃度與風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率圖

3 結(jié) 語

華鎣山隧道通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)方式及設(shè)備功能的提升與改造，實(shí)現(xiàn)了隧道風(fēng)機(jī)智能變頻控制，提高了隧道通風(fēng)的自動(dòng)化程度，提高了隧道安全管理的效率，同時(shí)亦降低了電能消耗，對(duì)于長隧洞施工通風(fēng)具有重要的意義，也為今后的類似工程建設(shè)提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，具有重要的參考價(jià)值。