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地铁风机运行的若干问题概述[1]

摘要:总结了地铁风机的反风、防喘振、结构设计及工作状态监测报警系统的功能要求和实现方法,提高了风机可靠性和安全性。讨论了稀土永磁高效同步电动机在地铁风机上的应用,达到节能降耗的效果。

关键词:地铁风机;反风;防喘振;安全;节能

中图分类号:TH43文献标识码:A

文章编号:1006-8155(2008)05-0067-04

Brief Summary on Several Problems for the Operating of Metro Fan

Abstract:In this paper,the functional requirements and implementation method for air reversing,anti-surge,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 applied on metro fan. Key words:metro fan;air reversing;anti-surge;safety;energy-saving

0引言

地铁风机主要应用于地铁隧道及区间站厅、站台的排风及火灾排烟,是保证地铁安全运行的重要手段,是实现地铁环境控制(简称环控)的重要保证,对地铁安全运营起重要的保障作用。地铁风机的工作内容决定了其功率大、可靠性高,具有反风功能,甚至有风机工作状态监测报警系统。为此笔者对地铁风机运行的若干问题分别进行了研究,以期改进地铁风机的运行质量。

1反风的实现

在地铁通风系统中,有的要求夏天将外面的新鲜空气引入地下通道,而冬天则需要风机反向送风,将通道中的污浊空气排出到地面,一年之中风机需要两次换向工作;有的还要求隔天一次的频繁换向;特别在紧急情况下,例如发生火灾或毒气时的应急反风。国际通用惯例及国家标准都对风机规定了反风时的风量和效率,同时还有反风操作时间,一般要求其反风工作时的风量是正向时的60%~80%,而反风动作应在1min内完成。

迄今为止,几乎所有地铁风机的反风都是通过将风机转子逆向旋转(可逆转轴流通风机即TVF)来实现的。TVF是指一种不仅可正、反向运行,而且风量、全压基本不变的轴流式通风机,针对地铁的特殊运行环境,它具有耐高温、防喘振及结构简单等特点。最初主要依靠进口,后来众多的已建成或在建工程均已实现了TVF 国产化。TVF目前在国内地铁中通常有两种运行模式:一为用于隧道机械通风系统,作为隧道事故/冷却风机;二为用于车站大系统中的集中式全空气系统(车站公共区空调通风/区间通风系统)[1]。此类风机通常要求风量为55~66m3/s,全压为800~1300Pa,电机功率在75~132kW之间,并且正转和反转工况下的风量、全压和功率祁志生/北京信息科技大学机电工程学院

地铁风机运行的若干问题概述*

*基金项目:北京市教委课题资助(KM200611232015)

收稿日期:2008-01-08北京市100192

基本一致,风机正、逆转效率>76%。风机的机号以前选用的基本上都是№18,现在逐渐向№20发展,因为同样的风量和全压时,№20风机的出口静压可比№18高出11%左右,更有利于向隧道内送风与排风。

为了提高反风效率,人们不得不牺牲正向工作时的高效率,将风机的主要部件———叶轮的叶型改成对称的S 型“可逆翼型”,使其在正向和逆向送风时,翼型升力特性和升阻比特性不要有太大的差别,

都能提供较好的气动性能。文献[2]分析了可逆翼型的外形要求和气动特性要求,并进行了风洞试验研究。目前国内、外TVF 采用的都是对称机翼型铸铝合金动叶片,通过简单的切换电动机正、反向运转就达到可逆转的要求。这种可逆转风机的性能比单向风机要差一些:全压效率低10%左右,并且风机在反转与正转时风量保持不变,噪声也会增加2dB 左右。文献[3]介绍了从结构上解决风机反风问题的两种方法:一是旋转叶片法,即将风机的动叶和静叶分别旋转约180°,或者采用动、静叶配置结构,通过手动调节叶片的角度来实现反风,但存在费时、费力、定位不准确,甚至在紧急情况下无法应急使用等缺点,于是风叶自动调整装置应运而生,但是其控制系统也显复杂;二是风机整体旋转法。地铁风机一般都是水平安置的,且都是单级的(一级动叶加一级静叶),电机内置,其轴向长度很短,当需要反风时,只需通过机械旋转装置将地铁风机整机(包括转子、

机壳和电机)原地绕垂直于其旋转轴线的纵向对称轴旋转180°即可完成反风。这种操作不需要额外的通道空间,且能保证风机在正向和反风时工作状态完全相同,但是风机两头的风管通过专用设备向两端缩进,然后再经过风机停车、旋转180°

、风机到位、风管向前与风机连接、风机开机运行这一系列复杂动作来实现反风,造价要比直接使用TVF 高,其实用性、可靠性也值得商榷。显然,目前采用的对称机翼型叶片的可逆转风机是最可行的方案。

2防喘振要求

一般通风机特性曲线是由动叶片处于不同

安装角度下,同时满足稳定性和经济性要求的一条条相应的风压特性曲线组合而成的工业利

用区曲线。其每一条特性曲线一般均可能出现峰点M 和谷点V (见图1),其峰点将特性曲线分为两部分,峰点以左为不稳定区,峰点以右为稳定工作区。当工况点即管网特性与各特性曲线的交点位于各峰点以右(图中A 点)时,通风机能稳定地工作;当工况点位于峰点以左(图中B 点)位于峰点以左,则通风机及系统便不能稳定地工作。若工况点处于M 、V 之间,通风网路与通风机耦合为一个弹性的空气动力系统,可能引起流量、

压力和电流的大幅度波动、噪声显著增加,同时整个系统的振荡频率与通风机风量振荡频率合拍,产生喘振,其危害很大,严重时能造成风道和通风机部件的损坏。

风机喘振与动叶角度有很大关系,动叶角度越小,越易发生喘振,运行中一旦发现风机进入喘振区,应立即调整风机动叶角度,使得风机运行点避开喘振区。但这需要一套由静叶角度测量、伺服控制器、电液伺服阀、伺服马达、油动机等组成的调节器来实现,系统较为复杂。现在能观测到的与风机有关的状态参数,可分为气体动力和机械方面的参数。其中气体动力参数是风机进口和出口的气体温度、静压、流速及流量,机械参数是风机的轴振及电机的电流等。显然上述的任何一个参数都不能单独作为判别喘振的标准。因此,有必要引入多个状态变量来判断喘振,这就是多变量状态识别系统。

通常国内、外风机厂家为防止风机喘振主要有3种方法:放空法、增速节流法及电子压差报警法。根据经验发现上述措施均不理想[3],一种比较先进的做法就是在风机动叶片进气侧加设防喘振环。防喘振环是一环形的带有若干小导流片的装置,当风机进入喘振区运行后,会出现局部湍流现象,湍流会将旋转的失速单元变为围绕风机外壳周边的,不同长度的粘性环流漩涡,防喘振环会利用其环内的小导流片将这

图1通风机与管网特性曲

地铁风机运行的若干问题概述[1]

线

2008年第5期

综述

些漩涡气流搅碎,将漩涡对叶片产生的前后交变压差应力降低到最小。这就可使风机特性曲线在失速区的大范围内保持稳定,作用在叶片上的不平衡力减小,保证了风机在极端运行区域的安全。目前而言,这仍是一种最为有效、最安全而且也是最简单的一种方法。

3风机结构设计

风机结构通常由静子、叶轮、整流罩、电机、接线盒、减振器及加油器等部件组成。静子部分主要由外壳、双向防喘振环、内整流机匣及导叶栅等焊接而成,用以保证足够的强度与刚度。电机通过高强度螺栓固定于内机匣上,叶轮前设有不锈钢整流罩,可使进口气流得到改善,叶轮直联安装在电机输出轴上。风机通过耐高温软接与系统风管相连。

从风机整体的气动结构与流场分析上考虑,风机在结构上应保证内部流道光滑、无阻,以减少风机内部不必要的压力损失,从而提高风机的整体运行效率和降低噪声。目前国内、外公认的先进做法是(如上海地铁一号线从德国进口的风机)采用内置电机,出风侧整流内筒(内机匣)为圆筒形,且与轮毂直径相同,静叶支撑沿圆周均匀分布,因此流道结构合理,有利于风机提高效率和降低噪声。

一种易产生较大涡流损失的做法是:采用带底座电机,设置电机安装架,故静叶支撑不可能沿圆周方向均匀分布。电机底座(超出轮毂直径)、电机安装架均成为流道障碍物,因该结构有较大涡流损失并产生附加的噪声,属淘汰的结构,风机设计应避免之。

风机配用电动机的要求:防护等级IP55,绝缘等级F级以上风机专用的耐高温三相异步电动机,而不能采用通常民用通风系统中消防排烟风机的做法是将电机完全封闭在内风筒中,通过外部的冷却风管来冷却电机。因为在地铁火灾工况下,风机周围都是高温烟气,不可能有新的并低于环境温度的空气被引到电机周围来为电机降温,所以一般电机中的散热叶轮也就失去了冷却电机的功能,这就要求电机本身要有良好的耐高温性。同时也不允许利用风机本身带动的气流流动来冷却电机,因为风机是双向运行,在气流由叶轮流向电机时或许可行,但在气流由电机流向叶轮时就不可行了。

系统要求风机整机能耐150℃高温1h以上,这就要求风机在设计时对结构、用材等方面要充分考虑高温下的运行性能,特别是叶片(如金属模压差铸造铝硅合金等)、电动机、轴承润滑油脂和软接等的选用。

4风机工作状态监测报警系统

对于地铁风机的安全保护问题,系统通常是要求风机电机设有前后轴承及三相绕组测温装置。保护功能在风机本体中只能实现测温信号的输出功能,所有的报警与控制功能都是在风机电控箱内实现的,这里主要的测温装置(通常采用Pt100铂电阻)采用的是模拟量的输出方式,由FAS(防灾报警系统)或BAS(环境监控系统)专门在相关控制仪器内设定报警、停车温度。通常,电机轴承温度应控制在85℃以内,温升在40℃以内。系统同时还要求电控箱内设有电机缺相、过载、过流保护装置。如采用开关量的测温元件,在风机外壳处要同时装上相关报警器件,只需通上电源就可以在风机内部实现超温报警和停车功能;但这种方式在实际使用中并不很实用,对于系统的远程控制与中央控制也不太可行。

同时这里还有很重要的一点,在平时运行时超温风机就会报警、停机,但在事故工况下,特别是在火灾时,就需要把这个功能屏蔽掉,因为此时风机的作用是排烟和向事故地区补充新风,即使超温了风机也得要全功率运转,以满足系统要求的150℃高温下运行1h的要求,也就是要求风机运转到被完全烧毁为止,但这个时间至少得1h。这是FAS与BAS在系统设计时应考虑的问题。其实不单是可逆转耐高温轴流通风机,车站屏蔽门系统用的排热风机也存在这个问题。

另外,可增设防潮电加热装置,以消除由于地下空间内的潮湿空气及其它的介质对电机的影响;增加三维振动加速度检测,以实现风机振动超值报警与停车。

5节能降耗

随着轨道交通的快速发展,地铁风机的能耗也越来越大,研发高效节能电机势在必行。

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4结束语

在Solidworks2007环境中实现了风机蜗壳

的三维参数化造型,

采用的是数学解析方法,具有相当高的精确性。生成的风机蜗壳可以满足装配分析与力学分析的需要。因此,在生产实际中有很高的应用价值。

参考文献

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2004.8:

46-62.稀土永磁高效同步电动机作为“绿色电机”的代表在某些行业,如油田的抽油机、纺织机、矿山机械等方面已得到了推广和应用[4-5],我院开展了稀土永磁高效同步电动机在风机上的应用研究,能效提高10%以上,节能降耗显著,如能在地铁风机上应用必将带来重要的社会和经济效益。

6结论

地铁风机作为保障地铁安全运行的主要通

风设备,应该着重从结构设计、控制系统、安全监测等方面统筹考虑,如果发生喘振、过流或轴温超限,应停机或及时处理以提高可靠性和安

全性。同时,进一步完善稀土永磁高效同步电动机在地铁风机上的应用研究。

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