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(jì)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(yùn)營(yíng)所需的隧道環(huán)境，并在事故工況時(shí)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(jī)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(jì)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(jì)追求的目標(biāo)。

對(duì)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(duì)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(yùn)行能耗、運(yùn)行模式等方面進(jìn)行對(duì)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(jī)與車站軌排風(fēng)機(jī)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(jī)與區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)分開設(shè)置，每站設(shè)置2條20 m2的活塞風(fēng)道、4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)、2臺(tái)軌排風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的機(jī)械風(fēng)閥。

單活塞合并設(shè)置系統(tǒng)中的車站隧道風(fēng)機(jī)與區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)合并設(shè)置，每站設(shè)置2條20 m2的活塞風(fēng)道、4臺(tái)隧道兼軌排風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的機(jī)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(jī)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(jī)、風(fēng)閥、消聲器等。

現(xiàn)選取標(biāo)準(zhǔn)站對(duì)兩種單活塞系統(tǒng)形式的土建及設(shè)備投資進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)比

表1數(shù)據(jù)選取典型站的布置方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。可見，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(shí)，土建面積也會(huì)不同。對(duì)于帶配線的車站，兩系統(tǒng)的土建面積差值將會(huì)更小。

3 設(shè)備房長(zhǎng)度影響

影響車站設(shè)備用房長(zhǎng)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?yàn)槠鋾?huì)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(jī)選型的主要參數(shù)為風(fēng)機(jī)壓頭、風(fēng)量及風(fēng)機(jī)效率。風(fēng)機(jī)特性曲線與管路特性曲線匹配后的工作點(diǎn)應(yīng)處于風(fēng)機(jī)效率的高效區(qū)。設(shè)Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，H為風(fēng)機(jī)壓頭，n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)選型曲線如圖4所示，高效區(qū)處于a、b點(diǎn)間，風(fēng)機(jī)最高效率為 ηmax，a、b兩點(diǎn)之間效率高于90%ηmax。

圖4 風(fēng)機(jī)選型曲線

4.1 分開設(shè)置系統(tǒng)形式

對(duì)于分開設(shè)置系統(tǒng)形式，管路曲線只有一條，按照?qǐng)D5進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型即可。在軌排風(fēng)機(jī)設(shè)置變頻器變頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)效率點(diǎn)仍然處在高效區(qū)。

風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)滿足風(fēng)機(jī)相似率Q1/Q2=，系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

圖5 分開設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型曲線

4.2 合并設(shè)置系統(tǒng)形式

對(duì)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(jī)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(jī)工頻運(yùn)行曲線，n2為風(fēng)機(jī)降頻運(yùn)行曲線。

圖6 合并設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型曲線

圖6中，a點(diǎn)的風(fēng)量為Qa，壓頭為Ha，是風(fēng)機(jī)作為區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)時(shí)的工作點(diǎn);此時(shí)風(fēng)機(jī)效率處在高效區(qū)。c點(diǎn)的風(fēng)量為Qc，壓頭為Hc，是風(fēng)機(jī)作為車站隧道排風(fēng)機(jī)時(shí)的工作點(diǎn)。b點(diǎn)是與a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的n2轉(zhuǎn)速下的相似工作點(diǎn);該點(diǎn)風(fēng)機(jī)效應(yīng)與a點(diǎn)相等，風(fēng)機(jī)效率處在高效區(qū)。由此可知，a點(diǎn)與b點(diǎn)滿足相似率關(guān)系，c點(diǎn)與a點(diǎn)不滿足相似關(guān)系率，c點(diǎn)風(fēng)機(jī)效率會(huì)有所降低，偏離效率高效區(qū)。

綜上，對(duì)于合并系統(tǒng)形式，為系統(tǒng)選擇合適的風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)的效率均處在高效區(qū)是相當(dāng)困難的。根據(jù)車站的實(shí)際情況，當(dāng)大端設(shè)備房長(zhǎng)度越長(zhǎng)，即隧道風(fēng)機(jī)房距車站有效端頭越遠(yuǎn)時(shí)，軌排風(fēng)道的阻力將加大，R2特性曲線會(huì)更加惡劣，c點(diǎn)風(fēng)機(jī)效率下降更快，軌排風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗會(huì)更高。

5 設(shè)備運(yùn)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(zhǎng)期運(yùn)行，軌排風(fēng)機(jī)的效率與設(shè)備運(yùn)行能耗息息相關(guān)。兩種單活塞系統(tǒng)風(fēng)機(jī)效率見表2。

風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算式為:

式中:

Q——風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s;

H——風(fēng)機(jī)壓頭，Pa;

η——風(fēng)機(jī)效率。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常地鐵初、近期設(shè)計(jì)高峰小時(shí)發(fā)車對(duì)數(shù)相差較大，且全天行車對(duì)數(shù)也有變化，隧道內(nèi)在初、近期較低密度行車對(duì)數(shù)條件下溫度較低，因此，軌排風(fēng)機(jī)配置變頻器，根據(jù)全日行車計(jì)劃按時(shí)間順序變頻運(yùn)行。車站軌排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)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(jī)效率

表3 車站隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行方案及能耗比較表

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

6 運(yùn)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(shí)現(xiàn)的功能相同，可實(shí)現(xiàn)活塞通風(fēng)和軌排機(jī)械排風(fēng);差別在于分開設(shè)置系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軌排變頻節(jié)能運(yùn)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(shí)現(xiàn)的功能相同;差別在于合并系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)隧道風(fēng)機(jī)排風(fēng)，當(dāng)該車站需投入送風(fēng)模式時(shí)，風(fēng)機(jī)要停機(jī)才能執(zhí)行反轉(zhuǎn)，存在一個(gè)時(shí)間延遲，且風(fēng)機(jī)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(yǔ)

單活塞合并設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)道和機(jī)房的占地面積小，且減少了風(fēng)機(jī)的數(shù)量，使車站規(guī)模得到進(jìn)一步壓縮。但是，合并系統(tǒng)隧道風(fēng)機(jī)用于排風(fēng)時(shí)效率偏低，對(duì)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(yùn)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(shí)際情況來選擇適合的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

［1］高俊霞，王迪軍，賀利工，等.廣州市軌道交通線網(wǎng)隧道通風(fēng)及供冷方式專題研究［G］.廣州，2005.

［2］廣州市地下鐵道總公司.廣州市地鐵2號(hào)線工程設(shè)計(jì)總結(jié)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［3］羅燕萍.城市軌道交通工程隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［4］劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2000(1):43.

［5］王迪軍.地鐵車站屏蔽門滲漏風(fēng)量數(shù)值分析［J］.城市軌道交通研究，2007(1):43.

［6］袁鳳東，由世俊，孫賀江，等.地鐵用軸流風(fēng)機(jī)變頻性能研究［J］.流體機(jī)械，2006，34(9):1.

［7］郝娜.地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)活塞風(fēng)井布置探討［J］.城市軌道交通研究，2012(8):141.