隧道軸流風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化升級與改進(jìn)研究

趙媛媛

（中鐵十八局集團(tuán)泵業(yè)有限公司，河北 涿州 072750）

軸流風(fēng)機(jī)因體積小、結(jié)構(gòu)簡約、運行效果良好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于煤礦、鐵路公路隧道工程通風(fēng)等領(lǐng)域。它可以把隧道施工時產(chǎn)生的有害粉塵以及有毒氣體及時排出，同時為隧道補(bǔ)給新鮮的空氣[1]。但傳統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)缺乏監(jiān)測系統(tǒng)，不能對故障進(jìn)行分析預(yù)測和超限報警，也不具備風(fēng)量自動調(diào)節(jié)功能，存在耗能大、智能化程度低、操作復(fù)雜等缺陷，不能滿足現(xiàn)代隧道施工智能化、信息化和自動化建設(shè)的需要[2]。

為確保隧道施工安全平穩(wěn)高效，對軸流風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化升級與改進(jìn)設(shè)計，通過相關(guān)軟件驗算軸流風(fēng)機(jī)最高效運行數(shù)據(jù)，力求風(fēng)機(jī)達(dá)到最佳運行質(zhì)量，確保隧道施工安全。

1 軸流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計

通過軟件進(jìn)行建模能夠直接發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)各個零件的氣體流動和受力情況，從而分析計算及模擬出軸流風(fēng)機(jī)最高效運行時的最佳參數(shù)。

1.1 設(shè)計思路

葉輪在軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運行中起重要作用，其設(shè)計優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運行效率產(chǎn)生重要影響，而輪轂設(shè)計效果也直接影響風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須考慮輪轂和葉片間的連接方法。目前軸流風(fēng)機(jī)有各式設(shè)計方案，本文參照北京建筑大學(xué)牛東霞《帶后導(dǎo)葉動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計》，采取“后導(dǎo)葉+葉輪”形式進(jìn)行設(shè)計，參數(shù)見表1[3]。

表1 軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)

1.2 建立三維模型

根據(jù)表1 參數(shù)，借助三維建模軟件Creo2.0 對其進(jìn)行建模。由圖1 可知，軸流風(fēng)機(jī)模型葉片數(shù)為10 片，在輪轂四周均勻布置，為確保軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)的穩(wěn)定性及安全性，在中心輪轂前后位置都進(jìn)行了一定厚度的突出設(shè)計。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)的三維模型

1.3 模擬計算結(jié)果分析

借助模擬進(jìn)行分析研究可見，無論輪轂比值大小，隨著變環(huán)量比值的變化，軸流風(fēng)機(jī)最大效率均先迅速增長、后逐漸下降，而且輪轂比值愈大，風(fēng)機(jī)最高效率愈大。由圖2 分析可知：變環(huán)量比值在1.1～1.3 區(qū)間時，軸流風(fēng)機(jī)最高效率漸漸趨緩,效率趨向峰值[4]。

圖2 輪轂比不同的軸流風(fēng)機(jī)最高效率-變環(huán)量曲線

分別對0.68、0.66、0.64、0.62 和0.60 等輪轂比不同的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，驗算出當(dāng)輪轂比為0.68 時可實現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)的最高效率。但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪轂比大于0.68 時，輪轂比越大葉片就越短，葉片流道中氣體流動的損失就越多，造成風(fēng)機(jī)綜合性能變差，不僅降低了風(fēng)機(jī)運行效率，還增加了風(fēng)機(jī)尾部擴(kuò)散筒的軸向直徑，加大了風(fēng)機(jī)體積和增加加工成本。因此，要提升軸流風(fēng)機(jī)的工作效率，應(yīng)適當(dāng)加大輪轂比，但不能過大。

要獲得軸流風(fēng)機(jī)的最大工作效率，變環(huán)量比值的選擇也很關(guān)鍵。當(dāng)設(shè)備滿足相關(guān)要求后，對變環(huán)量比值進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計才能確保風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn),獲得最佳通風(fēng)效果。通過研究不同輪轂比軸流風(fēng)機(jī)最高效率—變環(huán)量比值的驗算結(jié)果，可得出風(fēng)機(jī)最高效率隨變環(huán)量比值呈先迅速增長后逐漸下降的趨勢。盡管風(fēng)機(jī)效率在不同輪轂比時不盡相同，但當(dāng)變環(huán)量比值處于1.1～1.3 區(qū)間時，風(fēng)機(jī)運行效率最高，是最佳選擇。

按照軸流風(fēng)機(jī)工作原理，氣體流動壓力和速度在流體穿越葉輪后顯著增加且運動方向立即出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。通過模擬風(fēng)機(jī)流場空間速度場，研究出適當(dāng)選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可對氣體流動的壓力、方向和速度有效提升，對運行環(huán)境有效改善，從而使通風(fēng)效果達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為73.99 m3/min 時,經(jīng)過葉輪排出的氣體十分穩(wěn)定，不存在旋渦和回流等狀況，軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn)。

2 監(jiān)控軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 安裝查詢模塊方便數(shù)據(jù)分析

為全面掌握軸流風(fēng)機(jī)運行情況，便于發(fā)生事故時能對風(fēng)機(jī)運行數(shù)據(jù)實時分析，在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置查詢模塊。通過曲線或數(shù)字顯示風(fēng)機(jī)所有運行數(shù)據(jù)，并借助計算機(jī)打印查詢結(jié)果。同時將風(fēng)機(jī)通風(fēng)量和通風(fēng)壓力作為查詢的關(guān)鍵詞之一，通過預(yù)設(shè)程序，可查詢所有歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)可對設(shè)備運行參數(shù)進(jìn)行自動收集并及時故障報警。另外在監(jiān)控系統(tǒng)中安裝專家診斷軟件，依據(jù)參數(shù)變化對故障類型進(jìn)行判斷，把原有的人工定期檢修變?yōu)橄到y(tǒng)自動檢修，確保系統(tǒng)全天候安全運行[5]。

2.2 安裝網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

軸流風(fēng)機(jī)與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，為滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，外接網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)連接遵循TCP 通訊協(xié)議，借助Winsock 控件組織編程，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)與監(jiān)控中心點對點通信，達(dá)到對風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信號的傳送和遠(yuǎn)程監(jiān)控。操作人員可在調(diào)度大廳通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)操控風(fēng)機(jī)，且系統(tǒng)維護(hù)簡便，穩(wěn)定性好，可實時顯示各類參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)時，若風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，能在不停風(fēng)狀態(tài)下自動倒機(jī)維修。

3 智能優(yōu)化設(shè)計

3.1 配備負(fù)載傳感器

軸流風(fēng)機(jī)電動機(jī)工作時會產(chǎn)生很多熱能，消耗大量電能，為實時監(jiān)控耗能，選取穩(wěn)定、性價比高的 CTC123 型負(fù)載傳感器[6]，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 CTC123 型負(fù)載傳感器主要參數(shù)

3.2 配備溫度傳感器

當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)長時間處于開機(jī)狀態(tài)時，電機(jī)會長期處于高溫狀態(tài)，這對風(fēng)機(jī)工作性能會產(chǎn)生不良影響。借助PT100 型溫度傳感器采集風(fēng)機(jī)溫度變化，把信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測[7]。

3.3 配備壓力變送器

由軸流風(fēng)機(jī)工作環(huán)境可知,壓力值直接影響隧道施工安全和風(fēng)機(jī)工效。通過比選，在每個風(fēng)道配置2 個SMP2088 型壓力變送器。該壓力變送器檢測范圍廣、準(zhǔn)確率高，安裝在釆集柜內(nèi)，便于向傳感器電源供電，同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

3.4 變頻器控制設(shè)計

為便于隧道主軸流風(fēng)機(jī)的調(diào)速，增設(shè)變頻器監(jiān)測控制系統(tǒng)（見圖3）。該系統(tǒng)可滿足多種功能需求，能在控制面板顯示變頻器的相關(guān)信息。

圖3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)

3.5 抗干擾設(shè)計

為強(qiáng)化電機(jī)的抗干擾能力，可把LC 濾波電路設(shè)置在輸出、輸入端。系統(tǒng)實際運行時，通過LC濾波電路，可有效降低干擾電磁感應(yīng)，確保變頻器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

3.6 應(yīng)用效果

傳感器測試時，該監(jiān)控系統(tǒng)可以精準(zhǔn)、靈敏、快速地采集到軸流風(fēng)機(jī)負(fù)載、震動、溫度等參數(shù)；同時在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了工作溫度、震動等臨界值，當(dāng)風(fēng)機(jī)超過臨界值時，系統(tǒng)會通過聲光報警來提示，同時將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障或異常情況的位置和原因顯示在顯示器中。

4 不停風(fēng)設(shè)計

4.1 改進(jìn)目的

為實現(xiàn)倒機(jī)維修不停風(fēng)，把軸流風(fēng)機(jī)入口處設(shè)計成水平對空風(fēng)門和立式掛網(wǎng)風(fēng)門，其中水平對空風(fēng)門借助四個百葉窗快速靈活切換的優(yōu)勢，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行迅速切換，確保風(fēng)機(jī)在倒機(jī)維修時保持通風(fēng)平穩(wěn)，防止維修期間隧道通風(fēng)不暢情況發(fā)生[8]。

4.2 改進(jìn)步驟

分析隧道實際情況后，首先對1 號軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，然后是2 號（見圖4）。

圖4 軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)改造示意

（1）拆除1 號軸流風(fēng)機(jī)水平對空風(fēng)門位置的基礎(chǔ)后，安裝就地控制裝置及一套水平對空風(fēng)門。（2）安裝自動倒機(jī)維修系統(tǒng)、各類控制單元和控制柜等。2 號風(fēng)機(jī)的安裝步驟與1 號一致。安裝時間約40 天，期間風(fēng)機(jī)正常運轉(zhuǎn)不受影響。

4.3 應(yīng)用效果

此次改進(jìn)升級切實攻克了傳統(tǒng)主通風(fēng)系統(tǒng)無法實現(xiàn)倒機(jī)維修不停風(fēng)、故障檢測效果差等技術(shù)難題，大大延長主軸流風(fēng)機(jī)壽命，降低故障率，避免了倒主機(jī)時有害氣體的積聚，極大地提升了隧道通風(fēng)穩(wěn)定性，確保了隧道施工的安全高效。

5 防凍設(shè)計

不論是公路還是鐵路長大隧道，其溫度和濕度四季變化都非常明顯。在冬季，當(dāng)隧道的風(fēng)排到外面時，由于外部溫度較低，會讓風(fēng)流里攜帶的水蒸汽產(chǎn)生液化現(xiàn)象。當(dāng)隧道口風(fēng)機(jī)高程比隧道的通風(fēng)管高，特別是處于冬季高寒區(qū)域，每當(dāng)攜帶水蒸氣的流動氣體途經(jīng)引壓管最低點時，會不可避免產(chǎn)生凍結(jié)和堵塞，進(jìn)而影響隧道里的空氣向外排出，最終影響風(fēng)壓監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能[9]。為有效規(guī)避該現(xiàn)象，專門設(shè)計出風(fēng)壓接線盒裝置（見圖5）。該裝置借助電信號傳輸，管道實現(xiàn)有效縮短并保持水平，規(guī)避管道彎曲產(chǎn)生冰凍，同時還起到中轉(zhuǎn)集結(jié)作用，把各種信號連接在控制柜上，便于倒機(jī)維修人員集中管理、檢測電纜信號線。

圖5 接線盒機(jī)構(gòu)示意

6 結(jié)語

為使軸流風(fēng)機(jī)處于最佳運行狀態(tài)，確保良好通風(fēng)效果的同時實現(xiàn)降本增效，對軸流風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了優(yōu)化升級與改進(jìn)設(shè)計。葉輪在軸流風(fēng)機(jī)所有結(jié)構(gòu)和運行過程中都起到重要作用，參照牛東霞《帶后導(dǎo)葉動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計》，采取“后導(dǎo)葉+葉輪”的形式進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)風(fēng)機(jī)輪轂比為0.68、變環(huán)量比值為1.1～1.3 時，軸流風(fēng)機(jī)運行效率最高。

為全面掌握軸流風(fēng)機(jī)運行情況，通過安裝網(wǎng)絡(luò)通訊和查詢模塊優(yōu)化監(jiān)控軟件系統(tǒng)。通過配備負(fù)載傳感器、溫度傳感器等一系列智能化設(shè)計以及抗干擾、不停風(fēng)、防凍設(shè)計，不僅有效保證了隧道軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行，還使其在節(jié)能、抗干擾能力、運行安全性、運行效率等方面得到有效提升，改善了通風(fēng)環(huán)境，提升了隧道施工作業(yè)條件。