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。
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。
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??梢?,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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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)。
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