太古供暖隧道通風(fēng)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

段飛飛

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

供熱管道起點(diǎn)（古交電廠）地面標(biāo)高約1 020 m，管道自西至東，途經(jīng)古交市、西山山區(qū)至太原市區(qū)，引至地面標(biāo)高約840 m的中繼能源站；沿線共敷設(shè)4根DN1400供熱管道（兩供兩回），專用供熱管道需途經(jīng)3座隧道，分別為供熱1號(hào)隧道，長(zhǎng)約1 432 m；供熱2號(hào)隧道，長(zhǎng)約2 435 m；供熱3號(hào)隧道，長(zhǎng)約11 040 m；隧道為單洞形式。

供熱管道穿越隧道時(shí)會(huì)散熱，電氣設(shè)備運(yùn)營(yíng)也會(huì)散熱（較少），熱量的積聚造成洞內(nèi)溫度升高，影響檢修人員的安全及隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的正常工作，同時(shí)由于該供暖隧道無交通車輛形成的交通風(fēng)，需要通過增設(shè)機(jī)械通風(fēng)將熱量轉(zhuǎn)移出隧道。因此供暖隧道通風(fēng)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)

由于該項(xiàng)目既不屬于公路隧道又不屬于城市管廊，缺少已運(yùn)營(yíng)案例和可直接執(zhí)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此采用專題研討，類比參考《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T D71—2004和《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB 50838—2012，并依據(jù)供熱管道實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上完成開拓性設(shè)計(jì)。

3 理想條件下隧道供熱管道的調(diào)節(jié)與通風(fēng)量的關(guān)系

隧道內(nèi)的空氣溫度并不是恒定的，與隧道送風(fēng)口的位置有關(guān)，根據(jù)傳熱學(xué)原理得出隧道內(nèi)空氣的溫度變化情況見圖1。

圖1 隧道內(nèi)空氣溫度變化圖

其中：tg為供熱管網(wǎng)熱媒溫度；tw為隧道送風(fēng)口空氣溫度；tn為隧道排風(fēng)口空氣溫度；t為隧道內(nèi)某點(diǎn)空氣溫度。

圖2 隧道通風(fēng)計(jì)算流程圖

其中主要計(jì)算公式：

式中：ΔT=tg-（tw+tn）/2；R熱為單位長(zhǎng)度傳熱熱阻；Cp為空氣的定壓比熱；l為隧道長(zhǎng)度；ρ為空氣密度。

4 隧道通風(fēng)量大小

根據(jù)中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院提供的資料，隧道各工況下的需風(fēng)量如表1、表2。

表1 供暖1號(hào)隧道及供暖2號(hào)隧道各工況下的需風(fēng)量

表2 供暖3號(hào)隧道各工況下的需風(fēng)量

檢修人員進(jìn)入隧道時(shí)參照《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50838—2012）中5.5.2要求：換氣次數(shù)應(yīng)在 2次 /h以上[1]。

5 隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)計(jì)算結(jié)果

公路隧道通風(fēng)以排除隧道內(nèi)車輛行駛帶來的污染物為目的，而供暖隧道以注入冷卻風(fēng)進(jìn)行降溫為目的，兩者需風(fēng)量上有不同要求，但在通風(fēng)計(jì)算上，同樣都是將空氣視為不可壓縮流體，通風(fēng)計(jì)算時(shí)都需考慮隧道側(cè)壁的阻力、隧道外自然通風(fēng)力。不同點(diǎn)在于公路隧道車輛行駛可以帶來較大的交通通風(fēng)力，而供暖隧道卻無交通通風(fēng)力；同時(shí)，公路隧道的內(nèi)輪廓線內(nèi)阻風(fēng)設(shè)施較少，而該項(xiàng)目隧道內(nèi)兩側(cè)沿線不間斷地設(shè)置有4根供暖管道和大量支撐支架，導(dǎo)致通風(fēng)阻力很大。

該項(xiàng)目隧道通風(fēng)計(jì)算時(shí)，自然風(fēng)阻力、隧道通風(fēng)阻力和風(fēng)機(jī)動(dòng)力采用與公路隧道相同的計(jì)算公式和參數(shù)取值，計(jì)算時(shí)不同之處在于沿程阻力系數(shù)取值需大于公路隧道，但由于缺少相應(yīng)的實(shí)例和數(shù)值模擬，所以該項(xiàng)目阻力系數(shù)取值僅為在公路規(guī)范取值要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行推測(cè)，待該項(xiàng)目開通后應(yīng)立即進(jìn)行實(shí)測(cè)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

通過計(jì)算可知，供暖1號(hào)、2號(hào)隧道采用全射流縱向通風(fēng)方式，各隧道各工況下風(fēng)機(jī)數(shù)量如表3所示。

表3 供暖1號(hào)隧道及供暖2號(hào)隧道各工況下風(fēng)機(jī)數(shù)

供暖3號(hào)隧道屬于特長(zhǎng)隧道，全射流通風(fēng)已不能滿足通風(fēng)要求，需采用斜井軸流風(fēng)機(jī)+隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式。在斜井內(nèi)設(shè)置中隔板將送風(fēng)道和排風(fēng)道分割開，與地上風(fēng)機(jī)房采用風(fēng)道連接。按照公路隧道送排式縱向通風(fēng)方式進(jìn)行計(jì)算，隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)配置情況如表4、表5所示。

表4 供暖3號(hào)隧道各工況下風(fēng)機(jī)數(shù)

表5 供暖3號(hào)隧道通風(fēng)斜井軸流風(fēng)機(jī)選型表

圖3 供熱3號(hào)隧道通風(fēng)設(shè)置方案圖

6 隧道通風(fēng)方案

隧道通風(fēng)方式如表6。

表6 各隧道通風(fēng)方式

6.1 全射流通風(fēng)方式

隧道射流風(fēng)機(jī)除在正常情況下滿足散熱通風(fēng)需求外，在隧道檢修人員進(jìn)入時(shí)的通風(fēng)換氣工況、事故工況下還起著調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣環(huán)境、防災(zāi)救援等作用。射流風(fēng)機(jī)選用φ1120 mm型可逆射流風(fēng)機(jī)，可逆效率達(dá)到90%以上，電機(jī)功率30 kW。

風(fēng)機(jī)控制器與隧道變電所的主PLC相連，管理、維護(hù)人員可在變電所內(nèi)完成對(duì)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)操作，也可通過監(jiān)控分中心的PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

6.2 斜井軸流風(fēng)機(jī)+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)

供暖3號(hào)隧道長(zhǎng)度約11 040 m，屬于特長(zhǎng)隧道，考慮到隧道運(yùn)行工況的不同，需采用斜井軸流風(fēng)機(jī)提供主動(dòng)力，隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)輔助調(diào)壓實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)環(huán)境滿足設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、人員檢修的安全需求。

6.2.1 正常通風(fēng)散熱工況

該工況下通風(fēng)主要目的是為了將管道熱媒釋放到隧道內(nèi)空氣的熱量排出，維持隧道內(nèi)環(huán)境溫度（低于40℃）[1]、濕度，確保該環(huán)境內(nèi)機(jī)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。由于供熱管道熱媒為質(zhì)調(diào)節(jié)，且隧道外大氣氣溫、風(fēng)速的變化，會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生一定程度的熱壓及風(fēng)壓作用，因此該工況下除應(yīng)滿足計(jì)算所需的射流和軸流風(fēng)機(jī)數(shù)的要求外，還應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)溫度的變化，調(diào)整射流風(fēng)機(jī)的啟停臺(tái)數(shù)。

6.2.2 正常換氣工況

該工況下通風(fēng)主要目的是為了滿足檢修人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)時(shí)的生命安全需要，維持隧道內(nèi)環(huán)境溫度、含氧量。

6.2.3 事故工況

該工況下通風(fēng)主要目的是為了將管道泄漏的熱蒸汽及時(shí)排出，減少熱環(huán)境對(duì)機(jī)電設(shè)備的損壞，縮短供熱中斷時(shí)間，避免引發(fā)影響城鎮(zhèn)居民的社會(huì)事件發(fā)生。此工況條件下，所有的通風(fēng)設(shè)備均應(yīng)全部開啟。

7 風(fēng)機(jī)的控制

為減少隧道內(nèi)發(fā)生電器火災(zāi)的可能性，隧道內(nèi)不設(shè)置風(fēng)機(jī)控制柜，統(tǒng)一放置在變電所內(nèi)。風(fēng)機(jī)的控制回路設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控室遠(yuǎn)程兩種控制方式，且現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)別高于遠(yuǎn)程控制，以保證在隧道發(fā)生火災(zāi)、管道泄漏事故等緊急情況下能靈活地啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。為了保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)在控制回路中增加了一些保護(hù)性措施，能保證正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)具有互鎖，并增加了時(shí)間繼電器，保證正轉(zhuǎn)停止一段時(shí)間后反轉(zhuǎn)才能有效。其次，為避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，一臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)不完成，第二臺(tái)風(fēng)機(jī)不得啟動(dòng)。

通風(fēng)控制方法為自動(dòng)和聯(lián)動(dòng)相結(jié)合[2]，具體控制模式為反饋控制法：根據(jù)各工況條件對(duì)環(huán)境主參數(shù)的要求進(jìn)行反饋控制（正常通風(fēng)散熱工況主控參數(shù)：溫度；正常換氣工況主控參數(shù)：含氧量；事故工況主控參數(shù)：溫度、濕度）。

8 消防設(shè)施

a）隧道通風(fēng)機(jī)組 當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生事故或火災(zāi)時(shí)，及時(shí)將熱蒸汽或煙（CO、VI）排出隧道外，保證隧道內(nèi)人員及機(jī)電設(shè)備的安全。

b）干粉滅火器 由于隧道主洞內(nèi)可燃物質(zhì)較少、供熱管道保溫材料采用巖棉均不會(huì)引發(fā)火災(zāi)、且隧道設(shè)置水消防比較困難且不方便使用，因此該次設(shè)計(jì)不增設(shè)水消防，僅設(shè)置干粉滅火器。

c）變電所消防設(shè)備 各變電所高低壓配電柜和變壓器頂部設(shè)置超細(xì)干粉滅火器，當(dāng)發(fā)生電氣火災(zāi)時(shí)，啟動(dòng)組件或啟動(dòng)裝置打開設(shè)備在火災(zāi)上部噴灑超細(xì)干粉。同時(shí)每個(gè)變電所內(nèi)放置數(shù)組手提式干粉滅火器，變電所電纜溝內(nèi)設(shè)置防火包[3]。

d）電纜支架保護(hù)及防火設(shè)施 隧道電纜支架保護(hù)采用防火阻燃玻璃鋼材質(zhì)的外殼包裹，減少管道泄露時(shí)隧道內(nèi)高溫蒸汽對(duì)電纜的影響。

e）火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng) 隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了隧道火災(zāi)檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)包括手動(dòng)報(bào)警按鈕，煙感、溫感探測(cè)器，消防電話插座和光纖光柵火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等[3]。

f）地下箱變降溫消防設(shè)施 正常工況時(shí)只需通過排氣扇和百葉窗對(duì)地下箱變進(jìn)行通風(fēng)換氣，當(dāng)隧道主洞內(nèi)出現(xiàn)熱水泄露事故時(shí),則應(yīng)關(guān)閉百葉窗和排氣扇，開啟空調(diào)機(jī)組對(duì)箱變洞室進(jìn)行降溫。