地鐵風(fēng)機運行的若干問題概述

1、地鐵風(fēng)機運行的若干問題概述brief summary on several problems for the operating of metro fan摘要：總結(jié)了地鐵風(fēng)機的反風(fēng)、防喘振、結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作狀態(tài)監(jiān)測報警系統(tǒng)的功能要求和實現(xiàn)方法，提高了風(fēng)機可靠性和安全性。討論了稀土永磁高效同步電動機在地鐵風(fēng)機上的應(yīng)用，達到節(jié)能降耗的效果。關(guān)鍵詞：地鐵風(fēng)機；反風(fēng)；防喘振； 安全；節(jié)能abstract: in this paper, the functional requirements and implementation method for air reversing, anti-surge,

2、structural design and monitoring alarm system for working condition in metro fan are summarized. and the reliability and safety for fan are improved. in order to achieve the effect of energy saving and consumption lowering, synchronous motor with rare-earth permanent magnet and high efficient is app

3、lied on metro fan. key words: metro fan; air reversing; anti-surge; safety; energy-saving 0 引言 地鐵風(fēng)機主要應(yīng)用于地鐵隧道及區(qū)間站廳、站臺的排風(fēng)及火災(zāi)排煙，是保證地鐵安全運行的重要手段，是實現(xiàn)地鐵環(huán)境控制(簡稱環(huán)控)的重要保證，對地鐵安全運營起重要的保障作用。地鐵風(fēng)機的工作內(nèi)容決定了其功率大、可靠性高，具有反風(fēng)功能，甚至有風(fēng)機工作狀態(tài)監(jiān)測報警系統(tǒng)。為此筆者對地鐵風(fēng)機運行的若干問題分別進行了研究，以期改進地鐵風(fēng)機的運行質(zhì)量。1 反風(fēng)的實現(xiàn) 在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中，有的要求夏天將外面的新鮮空氣引入地下通道，而冬

4、天則需要風(fēng)機反向送風(fēng)，將通道中的污濁空氣排出到地面，一年之中風(fēng)機需要兩次換向工作；有的還要求隔天一次的頻繁換向；特別在緊急情況下，例如發(fā)生火災(zāi)或毒氣時的應(yīng)急反風(fēng)。國際通用慣例及國家標準都對風(fēng)機規(guī)定了反風(fēng)時的風(fēng)量和效率，同時還有反風(fēng)操作時間，一般要求其反風(fēng)工作時的風(fēng)量是正向時的60%80%，而反風(fēng)動作應(yīng)在1min內(nèi)完成。迄今為止，幾乎所有地鐵風(fēng)機的反風(fēng)都是通過將風(fēng)機轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)（可逆轉(zhuǎn)軸流通風(fēng)機即tvf）來實現(xiàn)的。tvf是指一種不僅可正、反向運行，而且風(fēng)量、全壓基本不變的軸流式通風(fēng)機，針對地鐵的特殊運行環(huán)境，它具有耐高溫、防喘振及結(jié)構(gòu)簡單等特點。最初主要依靠進口，后來眾多的已建成或在建工程均已實

5、現(xiàn)了tvf國產(chǎn)化。tvf目前在國內(nèi)地鐵中通常有兩種運行模式：一為用于隧道機械通風(fēng)系統(tǒng)，作為隧道事故/冷卻風(fēng)機；二為用于車站大系統(tǒng)中的集中式全空氣系統(tǒng)（車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)/區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)）1。此類風(fēng)機通常要求風(fēng)量為5566m3/s，全壓為8001300pa，電機功率在75132kw之間，并且正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況下的風(fēng)量、全壓和功率基本一致，風(fēng)機正、逆轉(zhuǎn)效率>76%。風(fēng)機的機號以前選用的基本上都是18，現(xiàn)在逐漸向20發(fā)展，因為同樣的風(fēng)量和全壓時，20風(fēng)機的出口靜壓可比18高出11%左右，更有利于向隧道內(nèi)送風(fēng)與排風(fēng)。_*基金項目：北京市教委課題資助（km200611232015）收稿日期：2008-0

6、1-08 北京市 100192為了提高反風(fēng)效率，人們不得不犧牲正向工作時的高效率，將風(fēng)機的主要部件葉輪的葉型改成對稱的s型“可逆翼型”，使其在正向和逆向送風(fēng)時，翼型升力特性和升阻比特性不要有太大的差別，都能提供較好的氣動性能。文獻2分析了可逆翼型的外形要求和氣動特性要求，并進行了風(fēng)洞試驗研究。目前國內(nèi)、外tvf采用的都是對稱機翼型鑄鋁合金動葉片，通過簡單的切換電動機正、反向運轉(zhuǎn)就達到可逆轉(zhuǎn)的要求。這種可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機的性能比單向風(fēng)機要差一些：全壓效率低10%左右，并且風(fēng)機在反轉(zhuǎn)與正轉(zhuǎn)時風(fēng)量保持不變，噪聲也會增加2db左右。文獻3介紹了從結(jié)構(gòu)上解決風(fēng)機反風(fēng)問題的兩種方法：一是旋轉(zhuǎn)葉片法，即將風(fēng)機的動葉

7、和靜葉分別旋轉(zhuǎn)約180°，或者采用動、靜葉配置結(jié)構(gòu)，通過手動調(diào)節(jié)葉片的角度來實現(xiàn)反風(fēng)，但存在費時、費力、定位不準確，甚至在緊急情況下無法應(yīng)急使用等缺點，于是風(fēng)葉自動調(diào)整裝置應(yīng)運而生，但是其控制系統(tǒng)也顯復(fù)雜；二是風(fēng)機整體旋轉(zhuǎn)法。地鐵風(fēng)機一般都是水平安置的，且都是單級的(一級動葉加一級靜葉)，電機內(nèi)置，其軸向長度很短，當需要反風(fēng)時，只需通過機械旋轉(zhuǎn)裝置將地鐵風(fēng)機整機(包括轉(zhuǎn)子、機殼和電機)原地繞垂直于其旋轉(zhuǎn)軸線的縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°即可完成反風(fēng)。這種操作不需要額外的通道空間，且能保證風(fēng)機在正向和反風(fēng)時工作狀態(tài)完全相同，但是風(fēng)機兩頭的風(fēng)管通過專用設(shè)備向兩端縮進，然后再經(jīng)過風(fēng)機停

8、車、旋轉(zhuǎn)180°、風(fēng)機到位、風(fēng)管向前與風(fēng)機連接、風(fēng)機開機運行這一系列復(fù)雜動作來實現(xiàn)反風(fēng)，造價要比直接使用tvf高，其實用性、可靠性也值得商榷。顯然，目前采用的對稱機翼型葉片的可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機是最可行的方案。 2 防喘振要求一般通風(fēng)機特性曲線是由動葉片處于不同安裝角度下，同時滿足穩(wěn)定性和經(jīng)濟性要求的一條條相應(yīng)的風(fēng)壓特性曲線組合而成的工業(yè)利用區(qū)曲線。其每一條特性曲線一般均可能出現(xiàn)峰點m 和谷點v（見圖1），其峰點將特性曲線分為兩部分，峰點以左為不穩(wěn)定區(qū)，峰點以右為穩(wěn)定工作區(qū)。當工況點即管網(wǎng)特性與各特性曲線的交點位于各峰點以右(圖中a點)時，通風(fēng)機能穩(wěn)定地工作；當工況點位于峰點以左(圖中b點)位

9、于峰點以左，則通風(fēng)機及系統(tǒng)便不能穩(wěn)定地工作。若工況點處于m、v之間，通風(fēng)網(wǎng)路與通風(fēng)機耦合為一個彈性的空氣動力系統(tǒng)，可能引起流量、壓力和電流的大幅度波動、噪聲顯著增加，同時整個系統(tǒng)的振蕩頻率與通風(fēng)機風(fēng)量振蕩頻率合拍，產(chǎn)生喘振，其危害很大，嚴重時能造成風(fēng)道和通風(fēng)機部件的損壞。風(fēng)機喘振與動葉角度有很大關(guān)系，動葉角度越小，越易發(fā)生喘振，運行中一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機進入喘振區(qū)，應(yīng)立即調(diào)整風(fēng)機動葉角度，使得風(fēng)機運行點避開喘振區(qū)。但這需要一套由靜葉角度測量、伺服控制器、電液伺服閥、伺服馬達、油動機等組成的調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，系統(tǒng)較為復(fù)雜。現(xiàn)在能觀測到的與風(fēng)機有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，可分為氣體動力和機械方面的參數(shù)。其中氣體動力參數(shù)是

10、風(fēng)機進口和出口的氣體溫度、靜壓、流速及流量，機械參數(shù)是風(fēng)機的軸振及電機的電流等。顯然上述的任何一個參數(shù)都不能單獨作為判別喘振的標準。 因此，有必要引入多個狀態(tài)變量來判斷喘振，這就是多變量狀態(tài)識別系統(tǒng)。通常國內(nèi)、外風(fēng)機廠家為防止風(fēng)機喘振主要有3種方法：放空法、增速節(jié)流法及電子壓差報警法。根據(jù)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)上述措施均不理想3，一種比較先進的做法就是在風(fēng)機動葉片進氣側(cè)加設(shè)防喘振環(huán)。防喘振環(huán)是一環(huán)形的帶有若干小導(dǎo)流片的裝置，當風(fēng)機進入喘振區(qū)運行后，會出現(xiàn)局部湍流現(xiàn)象，湍流會將旋轉(zhuǎn)的失速單元變?yōu)閲@風(fēng)機外殼周邊的，不同長度的粘性環(huán)流漩渦，防喘振環(huán)會利用其環(huán)內(nèi)的小導(dǎo)流片將這些漩渦氣流攪碎，將漩渦對葉片產(chǎn)生的前后

11、交變壓差應(yīng)力降低到最小。這就可使風(fēng)機特性曲線在失速區(qū)的大范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，作用在葉片上的不平衡力減小，保證了風(fēng)機在極端運行區(qū)域的安全。目前而言，這仍是一種最為有效、最安全而且也是最簡單的一種方法。3 風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)機結(jié)構(gòu)通常由靜子、葉輪、整流罩、電機、接線盒、減振器及加油器等部件組成。靜子部分主要由外殼、雙向防喘振環(huán)、內(nèi)整流機匣及導(dǎo)葉柵等焊接而成，用以保證足夠的強度與剛度。電機通過高強度螺栓固定于內(nèi)機匣上，葉輪前設(shè)有不銹鋼整流罩，可使進口氣流得到改善，葉輪直聯(lián)安裝在電機輸出軸上。風(fēng)機通過耐高溫軟接與系統(tǒng)風(fēng)管相連。從風(fēng)機整體的氣動結(jié)構(gòu)與流場分析上考慮，風(fēng)機在結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證內(nèi)部流道光滑、無阻，以減少風(fēng)

12、機內(nèi)部不必要的壓力損失，從而提高風(fēng)機的整體運行效率和降低噪聲。目前國內(nèi)、外公認的先進做法是（如上海地鐵一號線從德國進口的風(fēng)機）采用內(nèi)置電機，出風(fēng)側(cè)整流內(nèi)筒（內(nèi)機匣）為圓筒形，且與輪轂直徑相同，靜葉支撐沿圓周均勻分布，因此流道結(jié)構(gòu)合理，有利于風(fēng)機提高效率和降低噪聲。 一種易產(chǎn)生較大渦流損失的做法是：采用帶底座電機，設(shè)置電機安裝架，故靜葉支撐不可能沿圓周方向均勻分布。電機底座（超出輪轂直徑）、電機安裝架均成為流道障礙物，因該結(jié)構(gòu)有較大渦流損失并產(chǎn)生附加的噪聲，屬淘汰的結(jié)構(gòu)，風(fēng)機設(shè)計應(yīng)避免之。 風(fēng)機配用電動機的要求：防護等級ip55，絕緣等級f級以上風(fēng)機專用的耐高溫三相異步電動機，而不能采用通常民用

13、通風(fēng)系統(tǒng)中消防排煙風(fēng)機的做法是將電機完全封閉在內(nèi)風(fēng)筒中，通過外部的冷卻風(fēng)管來冷卻電機。因為在地鐵火災(zāi)工況下，風(fēng)機周圍都是高溫煙氣，不可能有新的并低于環(huán)境溫度的空氣被引到電機周圍來為電機降溫，所以一般電機中的散熱葉輪也就失去了冷卻電機的功能，這就要求電機本身要有良好的耐高溫性。同時也不允許利用風(fēng)機本身帶動的氣流流動來冷卻電機，因為風(fēng)機是雙向運行，在氣流由葉輪流向電機時或許可行，但在氣流由電機流向葉輪時就不可行了。系統(tǒng)要求風(fēng)機整機能耐150oc高溫1h以上，這就要求風(fēng)機在設(shè)計時對結(jié)構(gòu)、用材等方面要充分考慮高溫下的運行性能，特別是葉片（如金屬模壓差鑄造鋁硅合金等）、電動機、軸承潤滑油脂和軟接等的選用

14、。4 風(fēng)機工作狀態(tài)監(jiān)測報警系統(tǒng)對于地鐵風(fēng)機的安全保護問題，系統(tǒng)通常是要求風(fēng)機電機設(shè)有前后軸承及三相繞組測溫裝置。保護功能在風(fēng)機本體中只能實現(xiàn)測溫信號的輸出功能，所有的報警與控制功能都是在風(fēng)機電控箱內(nèi)實現(xiàn)的，這里主要的測溫裝置（通常采用pt100鉑電阻）采用的是模擬量的輸出方式，由fas（防災(zāi)報警系統(tǒng)）或bas（環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)）專門在相關(guān)控制儀器內(nèi)設(shè)定報警、停車溫度。通常，電機軸承溫度應(yīng)控制在85以內(nèi)，溫升在40以內(nèi)。系統(tǒng)同時還要求電控箱內(nèi)設(shè)有電機缺相、過載、過流保護裝置。如采用開關(guān)量的測溫元件，在風(fēng)機外殼處要同時裝上相關(guān)報警器件，只需通上電源就可以在風(fēng)機內(nèi)部實現(xiàn)超溫報警和停車功能；但這種方式在實

15、際使用中并不很實用，對于系統(tǒng)的遠程控制與中央控制也不太可行。同時這里還有很重要的一點，在平時運行時超溫風(fēng)機就會報警、停機，但在事故工況下，特別是在火災(zāi)時，就需要把這個功能屏蔽掉，因為此時風(fēng)機的作用是排煙和向事故地區(qū)補充新風(fēng)，即使超溫了風(fēng)機也得要全功率運轉(zhuǎn)，以滿足系統(tǒng)要求的150高溫下運行1h的要求，也就是要求風(fēng)機運轉(zhuǎn)到被完全燒毀為止，但這個時間至少得1h。這是fas與bas在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮的問題。其實不單是可逆轉(zhuǎn)耐高溫軸流通風(fēng)機，車站屏蔽門系統(tǒng)用的排熱風(fēng)機也存在這個問題。另外，可增設(shè)防潮電加熱裝置，以消除由于地下空間內(nèi)的潮濕空氣及其它的介質(zhì)對電機的影響；增加三維振動加速度檢測，以實現(xiàn)風(fēng)機振動超值報警與停車。5 節(jié)能降耗 隨著軌道交通的快速發(fā)展，地鐵風(fēng)機的能耗也越來越大，研發(fā)高效節(jié)能電機勢在必行。稀土永磁高效同步電動機作為“綠色電機”的代表在某些行業(yè)，如油田的抽油機、紡織機、礦山機械等方面已得到了推廣和應(yīng)用4-5，我院開展了稀土永磁高效同步電動機在風(fēng)機上的應(yīng)用研究，能效提高10%以上，節(jié)能降耗顯著，如能在地鐵風(fēng)機上應(yīng)用必將帶來重要的社會和經(jīng)濟效益。6 結(jié)論地鐵風(fēng)機作為保障地鐵安全運行的主要通風(fēng)設(shè)備，應(yīng)該著重從結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測等方面統(tǒng)籌考慮，如果發(fā)生喘振、過流或軸溫超限，應(yīng)停機或及時處理以提高可靠性和安全性。同時，進