電氣化鐵路隧道移動式運營通風系統(tǒng)研究

1、 摘 要 目前鐵路隧道的運營通風均為固定式通風系統(tǒng)，點多、面廣、初期投資大、運營管理困難。文章根據(jù)電氣化鐵路隧道的運營及環(huán)境特點，提出了移動式運營通風的概念，采用一套移動通風設備就能實現(xiàn)多座隧道的運營通風，經(jīng)濟合理，具有良好的推廣應用前景。關鍵詞 電氣化鐵路隧道 移動通風設備 運營通風中圖分類號：U4535 文獻標識碼：A 隨著我國鐵路建設事業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路隧道日漸增多，長隧道、隧道群也將增加，環(huán)境污染問題將日益突出，給隧道養(yǎng)護、維修、設備壽命、列車司乘人員的健康都將帶來許多不利的影響。國內(nèi)外的研究表明：在電氣化鐵路隧道中，高速運行機車的集電弓與供電線間局部脫離打火產(chǎn)生的少量氮氧化物、客貨列

2、車排放的有機污染物在降解過程中產(chǎn)生的大量有害氣體、隧道中的高溫和高濕空氣等都將對隧道造成污染。因而，電氣化鐵路隧道在通過一定的列車對數(shù)后進行適當?shù)耐L換氣是很有必要的。目前國內(nèi)外鐵路隧道的運營通風均采用固定式運營通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每座需要運營通風的隧道內(nèi)均設置一套固定的機械通風裝置，點多、面廣，初期投資較大，且因工點分散，運營管理十分困難。對于牽引動力為蒸汽、內(nèi)燃機車的鐵路，污染源主要為蒸汽、內(nèi)燃機車排放的有害氣體，隧道內(nèi)空氣污染較重，每通過一趟上坡列車都需要通風，通風的頻率高，適合采用固定式運營通風系統(tǒng)；對于電氣化鐵路，污染源主要以行車排放的有害物質為主(客貨運輸、維修施工產(chǎn)生的垃圾為污染源

3、)，隧道內(nèi)空氣污染相對不重，只有通過一定對數(shù)的列車、隧道內(nèi)的污染物累積到一定程度后才需要通風，通風的頻率相對較低，且通風具有不定時性，如果每座需要通風的隧道均設置一套完整的固定式通風系統(tǒng)，不僅初期投資加大，而且設備閑置的時間多，利用率不高，造成投資的浪費，不經(jīng)濟。為此，經(jīng)過大量的分析、論證，我們提出一種全新的適用于電氣化鐵路隧道的運營通風方式動式運營通風。該方式采用以牽引動力車、發(fā)電車、通風車組成的移動式通風列車，在不影響線路通過能力的前提下，采用單開、合并、附掛等方式進行運營通風，具有裝機功率小、設備的機動性高、通風性能好、利用率高及運營管理費用低等諸多優(yōu)點，且采用一套設備能夠同時滿足數(shù)座隧

4、道的運營通風需要，既可作正常運營通風之用，也可供隧道內(nèi)設備檢修、施工或災害搶險通風之用，是電氣化鐵路隧道較理想的運營通風方式。2 移動式運營通風系統(tǒng)理論研究21 移動式通風系統(tǒng)的作用原理電氣化鐵路隧道移動式運營通風系統(tǒng)是利用一套由牽引動力車、發(fā)電車、通風車組成的通風列車(圖1)，以一定的速度在隧道內(nèi)運行，同時車載的射流風機出口向前噴出高速氣流，通過通風列車和車載射流風機的共同作用，推動隧道內(nèi)的氣流流向洞口，以達到通風車出洞時隧道內(nèi)一次換氣或部分換氣的目的。 圖1移動式通風列車示意 2. 2基本假定射流風機在隧道中運轉時，其作用分為卷吸效應和增壓效應兩部分。卷吸效應在假定隧道中的氣流為穩(wěn)定流，隧

5、道中的空氣為連續(xù)介質，具有不可壓縮性。因此其運動符合穩(wěn)定流的三項基本定律，即連續(xù)性定律、動量定律、能量守恒定律。23 移動式通風系統(tǒng)理論研究移動式運營通風系統(tǒng)如圖2所示。 圖2移動通風系統(tǒng)示意 由圖2可知，當采用移動通風車進行隧道通風換氣時，車載射流風機與通風車同速度運行，同時射 流風機出口向前噴出高速射流，和通風車共同推動 隧道內(nèi)空氣向前流動。設射流風機組推力為戶E，根 據(jù)動量方程可得：公式1、2 將式(2)代人式(1)即得車載射流風機組的推力： 式中 ue、Qe隧道內(nèi)風速(mi/s)及風量(m3s)；uj、Qj躺渺酣L出口風速(m/s)及風量(m3s)；uT、QT通風車速(nv's

6、)及通風車推動的空氣量(m3s)；us、Qs通風車側(環(huán)狀面積)風速(m3s)及風量(m3s)；Fe隧道斷面積(m2)；LT隧道長度(m)；de隧道斷面當量直徑(m)；FT 通風車斷面積(m勺； Fs通風車與隧道之間的環(huán)狀面積(m)； Xj移動通風車車載射流風機臺數(shù)； Fj射流風機出口面積(m2) Kj射流損失系數(shù)，取Kj=105； 入隧道壁面摩擦阻力系數(shù)，取A=0020； Un隧道內(nèi)自然風速(m8)。當Ue=uT，即通風車出洞時，隧道內(nèi)達到一次換氣，則式(3)可改寫為： 當無豎井等旁通道的隧道內(nèi)有自然風時，通風車運行產(chǎn)生的推力戶E與隧道通風阻力戶入和自然風阻力戶。相平衡，即：公式5 將式(5

7、)代人式(3)或(4)，即得出移動通風車速、風機風速、隧道通風需要風速之間的關系。當隧 道長度一定、風機選型一定、移動通風車速一定時，即可求解出所需射流風機臺數(shù)；反之，若已知射流風 機臺數(shù)，風機型號、移動通風車速，則可求解能滿足通風要求的隧道長度。24 簡化計算法根據(jù)鐵路“技規(guī)”規(guī)定：推行的移動通風車運行速度不大于30kmh，由于移動通風車較短1T=39m)， 且運行速度又低，故產(chǎn)生的活塞作用較小，若忽略移 動通風車車輛活塞作用及車側風的作用，由(1)和 (5)式可得：公式6 式中：當un與ue同向時，取“”號；當un與u反向時，取“+”號。簡化式(6)仍然反映了移動通風車速、風機風速、隧道通

8、風需要風速之間的關系，在隧道長度、風機型號、移動通風車速一定的條件下，由此式也可求出所需的射流風機臺數(shù)；或已知射流風機臺數(shù)、風機型號、移動通風車速，求解能滿足通風要求的隧道長度。按簡化式(6)可得移動通風車組的推力：公式7 此式表明，通風列車組的射流風機臺數(shù)、型號一定，則通風列車組的推力隨通風列車的車速及需要通風的風速變化而變化。25 計算實例以單線鐵路直線隧道為例，設Fe=3115 m2, de=577 m，F(xiàn)T=9 m2，采用SLFJ100型射流風機，F(xiàn)j=0785 m2，uj=35 ms，按通風列車出洞時隧道達到一次換氣的要求，由不同隧道長度、不同通風車速、自然反風(15 ms)等不同狀

9、況分別進行組合計算。按完全式(4)、(5)及簡化式(6)計算，結果如圖3所示。圖3 圖3射流風機臺數(shù)與隧道長度、通風車速的關系 由上述結果分析可知：當通風車速較高時兩式計算結果相差較大；當通風車速較低(uT30kmh) 時兩式計算結果相差較?。蝗缤L車速為30kmh時兩式計算結果僅差25，十分接近。根據(jù)研究成果，推薦采用式(6)(簡化式)進行移動式通風分析計算。 3結論(1)經(jīng)牽引計算和通風理論分析可知，在一定條件下可達到電氣化鐵路隧道需要的通風效果。(2)隧道通風需要的射流風機數(shù)量隨著隧道長度的增加和移動式通風列車車速的增大而增加。(3)由于移動式通風車前后與周圍的氣流狀況比較復雜，再加上車載射流風機的噴射作用就更為復，采用簡化式(6)進行計算與采用完全式(4)、(5)計算的結果