長隧洞施工變頻節能通風技術研究

曹 優 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。良好的施工作業環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[1]，決定著隧道的工程質量、安全、進度和施工作業人員的職業健康，因此，施工方、建設方和監管方越來越重視施工作業環境。要創造良好的隧道施工作業環境，通風系統的設置尤為關鍵。筆者從長隧洞施工通風中遇到的實際問題入手，以華鎣山瓦斯隧道采用的通風技術為例，主要針對通風系統的優化、改造、功能提升等進行了分析與探討，總結出了具體的長隧洞施工節能通風技術，以供類似工程項目參考。華鎣山隧道屬特長隧道，設計為雙向六車道，長約5 km，最大斷面面積達190 m2，標準斷面面積為160 m2，上臺階斷面面積為120 m2。隧洞通風左右分修，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8 m，寬達12.5 m。隧道縱坡進口端為0.507%的上坡，出口端為1.993%的上坡。隧道地質構造復雜，穿越多個煤層及煤層采空區，屬于煤與瓦斯突出隧道，施工中存在瓦斯燃燒、瓦斯爆炸，煤與瓦斯突出等風險，因此，如何采取有效的通風措施對隧道施工安全至關重要。該隧道的通風采用的是160 kW×2的隧道專用軸流通風機。隧道初始階段采用壓入式通風，在隧道掘進至1 850 m時風壓已不能滿足設計風速0.5 m/s的要求。對此，項目部進行了通風方式的調整，由壓入式通風調整為巷道式通風[2]，風機高速運轉時，風速可達到1 m/s，提升了瓦斯隧道施工的安全系數。

調整通風方式后，通風風速滿足了要求，但隨之而來的卻是高額的電費投入。由于供風系統是按照最大供風需求設置的，在掘進工作面環境條件處于低煙霧、低瓦斯狀態時，通風機仍在最大功率下運行，從而造成了極大的能源浪費；同時，風機一但接入電網便處于長期恒速運轉，造成“大馬拉小車”的現象。因此 ，必須對其進行改造。

2 風機變頻節能的探討

2.1 通風現狀

通常隧道在通風設計及風機選型時是根據隧道通風最困難時期的需求選擇的，而在隧道施工初期及隧道中大氣環境相對良好的情況下就會造成巨大的能源浪費。同時，隧道施工的各個工序不同，對需風量的要求亦不同，如果以一成不變的狀態運行也會造成巨大的能源浪費，如無瓦斯段和低瓦斯段只需滿足職業健康要求即可；而對于瓦斯洞段則需風機加大運行功率以保證隧道風速；當粉塵超標時風機需加大功率排出煙塵；爆破后一氧化碳超標時風機需全速運行以減少通風散煙時間。由于巨大的電費投入，施工管理者在施工過程中隨意停風降低了隧道大氣環境質量，間歇性的通風使電費增加、空氣質量下降。

2.2 供風量的調節

(1)改變風機的供風量。經濟安全的通風是在各個施工階段由風機輸出與環境相適應的供風量。筆者對改變風機供風量的方式主要分析了以下幾種：①通過改變風機管網特性曲線實現對風機風量的調節。這種辦法是通過調節擋風板開關程度予以實現。該方法結構簡單，容易操作，但在調節擋風板的過程中改變了風機的壓力，在擋板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風機轉換效率，浪費了大量能源。② 改變風機葉片角度實現對風機風量的調節。在調低流量的同時，風機內部壓力亦隨之下降，具有很好的節電效果。但這種方法使風機葉輪結構變得復雜，調節機構磨損較大。同時，調節葉片角度必須停機進行而導致無法滿足風機連續運行、連續調節洞內的環境。③改變風機轉速以實現對風機風量的調節。當風機轉速降低時，流量亦降低，同時風機壓力也隨之降低，在調低流量的同時風機的內部壓力也隨之下降，具有極好的節電效果。該方法不必對風機本身進行改造，其轉速調節由外部控制，風機擋板可處于全開位置保持不變，并能實現無級線性調節風量，可用于需要風機進行連續運行、連續調節的地方。

(2)采用改變轉速的方式實現對風量的調節。隧道施工環境瞬息多變，如何在環境改變的同時改變風機轉速以實現對風量的調節，可用風機調速采用變頻器調速[3,4]，智能變頻系統能夠在一定程度上解決這一個問題。

該項目隧道風機智能變頻控制系統[5]由安全監控系統、控制系統、傳輸通訊系統和變頻風機共同組成(已申請實用新型專利，ZL2016 2 1059380.7)。安全監控系統能夠實時讀取安裝在隧道各處的傳感器，將所有傳感器中的數據儲存并顯示在監控室內的顯示器上，智能通風控制系統實時讀取安全監控系統的監控值，分析并計算風機的運行頻率，將頻率信號下發至變頻器，變頻器通過改變風機的控制運行頻率改變風機的風量并降低耗電量，既滿足了隧道通風的需求，又降低了風機的消耗。隧道風機智能變頻控制系統原理見圖1。

2.3 風機變頻節能系統的改造

(1)安全監控系統的改造。在隧道內相關部位安裝甲烷、硫化氫、一氧化碳、風速等傳感器用以監測隧道內的施工環境并進行監測數據的分析、存儲與傳輸。

(2)引入智能軟件系統。引入智能變頻通風運行及監控軟件系統[5]，在隧道監控室內的計算機上運行并顯示。該軟件系統具有以下功能：數據讀取、傳輸、計算分析和信號輸出、智能控制與人工控制系統的轉換設置、接受人工手動設置參數、運行參數讀取與保存以及顯示等。

(3)增設控制器。所增設的控制器具有承擔隧道內的環境參數分析、計算和輸出控制信號的功能，具有讀取安全監控數據、分析計算、下發運行頻率的功能?？刂破髫撠熡嬎氵\行頻率并將頻率信號輸出給變頻器，以達到風機風量實時智能控制的目的，控制器的工作原理見圖2。

(4)增設變頻器。所增設的變頻器是實現風機智能變頻控制的關鍵設備，在使用時變頻器主要具有以下功能：控制并改變風機的運行頻率；監測風機的運行參數，如電壓、電流和功率等。

圖1 風機控制系統原理圖

圖2 控制器原理框圖

(5)增設傳感器。通過傳感器收集隧道內的環境數據并進行智能分析，在保證職業健康和有毒有害氣體指標可控的前提下，自動調節風機的運行頻率，以達到節能減排的目的。

2.4 現場應用與試驗

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

試驗期間，左、右洞分別采用手動、自動控制的方式。左洞采用手動控制，設定固定的頻率值，由洞口工作人員根據洞內情況不斷改變。右洞自動控制風機的運行頻率，依據風機智能控制系統進行調整，設置好基礎頻率后，人為不做任何變動。

試驗前，分別對左右洞風機電表進行了記錄：左洞風機試驗開始前記錄的電表數據為04 692.1，右洞風機試驗開始前記錄的電表數據為009 923。試驗結束后，分別對左右洞風機的電表進行了記錄：左洞風機試驗結束后記錄的電表數據為04 840.8，右洞風機試驗結束后記錄的電表數據為010 010。

根據試驗記錄的數據，左右洞倍率取100，左洞手動控制差值為14 870，右洞自動控制差值為8 700。由此可見：使用隧道通風智能變頻控制系統的風機用電量僅僅為不使用隧道通風智能變頻控制系統風機的58.5%。

分析認為：采用人工調節控制的方法用電量大的主要原因為：隧道施工中有毒有害氣體的變化相對較為頻繁，如果采用人工修改頻率的方法控制風機，一方面人工并不能很準確的估計當時所需的運行頻率，為了保險起見，其頻率往往高于真正所需要的頻率；另一方面，人工在設置頻率時并不能做到實時，因此而要求風機管理員時刻盯著隧道安全監控系統是不現實、也是不人性的；同時，在晚上，管理員休息后風機運行頻率再一次處于不變的狀態。因此，采用隧道通風智能變頻控制系統更為合理與安全，同時也起到了節能的作用。

(2)節能效果分析。根據華鎣山隧道設計文件，瓦斯工區連續通風增加的電量為23 474 880 kW·h。經統計，到目前為止，隧道施工通風的用電量累計為5 592 076 kW·h，僅占設計用電量的23.8%，風機變頻節能效果突出。

分析認為：設計文件中瓦斯工區增加的用電量以風機持續以最大工況運行進行計算。事實上，瓦斯工區也存在無瓦斯溢出的地段，根據隧道內的環境情況，采取與之相適應的供風策略才是高效、環保的。前期，項目部也采用了根據人工檢測環境結果調整風機的運行頻率進行節能，但因人工檢測連續性差而難以保證在第一時間進行風機運行頻率的調整。而采用風機智能變頻系統后，彌補了人工檢測節能的不足，可以實時檢測到隧道內的環境情況，連續性好，節能效果好，更重要的是能在瓦斯超限、有毒有害氣體超標的第一時間進行風量調節，安全性亦得到了保證。

(3)節能通風效果的觀測。在智能變頻系統運行時，隨機抽取一天內20 h隧道中的各項有毒有害氣體濃度以及風機運行的頻率，各時點實測值分布情況見圖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，而一氧化碳出現了一次突增，濃度達到了321 ppm。分析認為：這是由于當時在隧道出渣過程中挖掘機、裝載機和出渣車造成的。當一氧化碳開始增加時，風機的運行頻率也開始增加，直到一氧化碳超標，風機以最大頻率運行，而其他時候都處于相對較低的狀態運行，從而在保證隧道施工環境對風量需求的同時也達到了節能的效果。

2.5 實現變頻節能具有的意義

華鎣山隧道施工通風系統實施期間進行的優化、改造、功能提升等變頻節能技術已經現場試驗并應用，取得了顯著的節能效果。不僅促進了華鎣山隧道施工的安全，而且響應了國家節能減排的號召，實現了變頻節能，主要具有以下幾個意義：

(1)隧道風機智能變頻控制系統在安全監控系統的基礎上開發，結合并利用了較為成熟的通訊、控制技術。

(2)變頻控制系統實現了隧道施工通風的智能化，能夠同時兼顧隧道通風需求與節電兩個方面。

(3)解決了隧道通風被動的狀態，使風機可以主動的參與到隧道施工中，使得通風系統能夠真正意義上為隧道施工的安全與質量提供保障。

(4)為隧道施工提供了良好的作業環境，響應了施工作業人員的職業健康要求，同時也有力推動了隧道施工安全，促進了工程質量與進度。

圖3 有毒有害氣體濃度與風機運行頻率圖

3 結 語

華鎣山隧道通風系統的供風方式及設備功能的提升與改造，實現了隧道風機智能變頻控制，提高了隧道通風的自動化程度，提高了隧道安全管理的效率，同時亦降低了電能消耗，對于長隧洞施工通風具有重要的意義，也為今后的類似工程建設提供了相關經驗，具有重要的參考價值。