隧道大型轴流风机变频技术的应用研究

引言

近年来，随着高速公路建设的迅猛发展，大量长公路隧道的修建，长隧道的通风已经变成了隧道运营中的耗能大户。大型风机类电动机在实际运行过程中耗电量大且运行效率低下，蕴藏着巨大的节能空间。采用变频调速后，不仅获得了相当可观的经济效益，而且提高了运行设备的安全性和可靠性。

本文以秦岭终南山隧道为依托，计算了其风压风量需求,并对现有通风设备进行改造设计，制定相应执行方案。对比了改造方案与现有方案的优劣，最终得出变频调速技术在安全性、可靠性和经济性的综合性指标中占据相当大的优势。

1秦岭终南山隧道需风量计算

1.1需风量计算

隧道需风量确定时，应对计算行车速度以下各工况车速按20km/h为一挡分别进行计算，并考虑交通阻滞状态，取其较大者作为设计需风量。考虑到秦岭终南山18km特长隧道具备完善的交通监控设施，认为车速在30km/h以下可进行交通管制，保证不出现隧道18km全段20km/h以下车速怠速行驶的运行工况，因此计算工况车速分别取为60km/h、40km/h、30km/h及阻滞状态下平均车速10km/h。交通阻滞状态下（车速10km/h）计算长度为1km。

根据铁道部第一勘察设计院编制的《秦岭终南山特长公路隧道初步分析》，秦岭终南山公路隧道日平均交通量和高峰小时交通量预测值分别如表1和表2所列。

经过计算后的需风量见表3所列。

1.2秦岭中南山隧道现有通风方案分析

秦岭终南山隧道釆用三竖井分段纵向通风方案，上下行线两隧道均釆用三竖井分段送、排风和射流风机调压相组合的纵向通风方式，方案平面图如图1所示。

结合隧道网络通风特性风压930Pa可知，以远景规划至2025年满足需风量964m3/s的风机总功率约为4800kW(包括送、排风，上下行线以及风机备份)。

秦岭终南山隧道内安装射流风机72组共144台，每台功率22kW；3个竖井共安装轴流风机32台，排风机15台，送风机17台，功率从132〜450kW不等。隧道通过采用射流风机和轴流风机相结合的3竖井纵向分段送排式通风技术对自然风进行上下行隧道共用竖井排送。现统计如下：

一号竖井：

(350+350+450+450+220+220+220+200+200)kW

二号竖井：

160+160+280+280+280+280+280+280+200+200+200+200)kW

三号竖井：

(350+350+250+250+250+280+280+280+132+132+132)kW

因此总功率为:射流风机3168kW，轴流风机7946kW，总计11114kW>4800kW。目前，秦岭终南山公路隧道的风机配置足够满足隧道远景规划需求，只需要在此基础上研究加装变频器的设计方案。

2变频通风控制系统的硬件设计

本系统由多台可编程控制器(PLC)、数字模块、模拟量模块、DeviceNet现场总线、CO检测器、可见度检测器、交通量检测器、PC机、数字式变频器等几部分组成，其系统总体方案如图2所示。

本系统主要通过分档控制来确定需要调整的风速，通过模糊算法来加强控制系统的抗干扰、抗振荡、抗噪声以及减少系统的时滞性，而在控制对象方面只是以大功率轴流风机变频调速来作为长大公路隧道通风节能重点考虑。依据JTJ026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》轴流风机宜并联设置，每一通风系统一般设置2～3台，风量控制方法一般采用转速控制法、台数控制法及其组合方法。因此，本系统以三台风机变频并联运行转速控制法为主要控制，图3所示是系统控制电路图。

结合隧道工程的实际情况，变频通风系统主电路如图3所示。三台电机分别为Ml、M2、M3，都可以在工频或变频两种方式下运行，接触器KMI、KM3、KM5分别控制Ml、M2、M3的工频运行，KM2、KM4、KM6控制MI、M2、M3的变频运行。

3变频通风控制的软件设计

3.1系统控制方法的选择

目前，秦岭终南山隧道通风运行方案极其简单，根据陕西省峰谷分时电价,采用在固定时段固定通风。通风方案如下:

西线07:00—08:00，13:00—14:00；

东线14:00—15:00。

轴流风机：

西线"200+160+132+220+280+280)X2=2544kW-h；东线：(350+200+350+450+280+250)X1=1880kW・h。

本系统根据不同时段交通量的变化，制定不同的通风机开启方案对隧道通风进行分时段控制的方法，可以在减少对设备的依赖的情况下达到良好的通风效果。与目前秦岭隧道采用的控制方案相比较，能大大降低洞内污染物浓度的波动,使污染物浓度在范围内平稳变化,系统软件流程图如图4所示。

图4程序控制流程图

3.2系统控制方案的制定

根据2013年在秦岭终南山隧道监控室获得的隧道东西线的交通量状况可知，一天的交通量高峰是从早8时至下午9时，之后交通量平稳下降至次日凌晨3时，凌晨3时至5时是一天中交通量最小时间段，之后5时至8时交通量逐渐上升。因此，可将一天的通风方案划分为四个时间段，各个时间段执行不同的通风方案。

通过对电机的调速，风机的性能曲线会相应移动。对风机工作转速调节可以使其满足风量及风压需求。通过计算,最终确定的风机开启方案如表4所列。

经过验证，以下方案在满足现有日交通量的情况下还有很大的富余。

表4风机运营方案

4结语

对比现有通风运营方案与改进后的方案，可以计算出相应一天的电能及电费使用情况。秦岭终南山隧道现有风机运行计划为西线早7:00—8:00，13:00—14:00，东线14:00—15:00开启风机。开启风机的情况为西线：200+160+132+220+280+280；东线：350+200+350+450+280+250。现有运营方案耗电量为4424kW・h，按陕西峰谷电价计算所得的日均电费为2316元。

改进方案运营耗电量为859.6kW-h，按陕西峰谷电价计算得的日均电费为1339元。可见，加装变频器的综合节电率很高，每天可节省电费977元，年节可节省费用大约35万元左右，因此改进方案的节电效果是很可观的。

经过对比，可以得出如下结论：

第一，目前秦岭隧道的通风需求不大，进行节能改造可以一定程度上节约电费。

第二，考虑到目前执行的通风方案只需要集中两小时开启12台风机就能满足隧道的通风需求，新设计的方案虽然节能，但考虑改造费用的情况下，目前还不是非常必要。

第三，改造方案随着车流量的逐年增加，节电率会逐渐提高，将来会有非常可观的经济效益。

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