地鐵風機設備在招標中對關鍵技術部件的要求

吳 煒

（中鐵二院工程集團有限責任公司地下鐵道設計研究院，610031，成都∥高級工程師）

風機是地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的一種重要設備，為了確保其供貨質量，往往都由建設方通過招投標方式進行公開招標采購。

本文根據國內不同地鐵線路風機設備招標的實際經驗和教訓，結合作者對目前國內幾個地鐵風機供貨商的實地考察和技術交流情況，針對風機用戶需求書在編制中需要引起注意的相關技術部件進行總結，并對一些關鍵點進行篩選和分析。

1 風機的葉輪

對于軸流風機，葉輪由葉片、輪轂等構成；對于離心風機，葉輪由輪蓋、葉片、輪盤等構成。

1.1 葉片的材質

地鐵風機用的葉片材質主要為高強度航空鋁，根據其成型工藝不同分為鑄鋁和鍛鋁。兩種成型工藝的特點如下。

鑄鋁是一種將純鋁或鋁合金錠按標準的成份比例配制后，經過人工加熱將其變成鋁合金液體或熔融狀態(tài)后，再通過專業(yè)的模具或相應工藝將鋁液或熔融狀態(tài)的鋁合金澆注進型腔，經冷卻形成所需形狀鋁件的一種工藝方法。

鍛鋁是鋁鎂硅合金，采用高溫下擠壓成型的方法。由此方法鍛造出來的構件具有中、高等強度，沖擊韌性高，熱塑性極好。

從上述兩種成型工藝的介紹可以得出，由于工藝的不同，鍛鋁件要比鑄鋁件金屬組織緊密，因此在機械性能（承壓強度、韌性等）方面鍛鋁優(yōu)于鑄鋁。

經過調研，除廣州地鐵所有線路的隧道風機葉片采用鍛鋁材質以外，多數城市地鐵的風機葉片均采用鑄鋁材質。經過廠家出具的相關測試報告，鑄鋁的機械性能完全滿足地鐵風機的強度要求。

通過對國內幾個地鐵風機供貨商的考察發(fā)現(xiàn)：采用鑄鋁的葉片，廠家均有自己的生產線，加工工藝較為簡單；若采用鍛鋁葉片，各個風機廠家則需要外協(xié)（廠家外購）進行定制，這樣一來，勢必對風機的供貨周期產生一定影響。

此外，從造價方面來看，采用鍛鋁葉片的單臺風機造價約為鑄鋁葉片風機的3～4倍多。當數量較多時，所引起的工程造價提高不容忽視。

從實際已運行于地鐵隧道的風機運行模式來看，除滿足早晚各約0.5h的正常通風和事故（阻塞）或火災模式下的運行以外，其余時間內，區(qū)間隧道風機并不開啟。因此，綜合以上因素分析，針對地鐵風機的葉片型式建議仍采用目前常用的鑄鋁型式即可。這樣，在滿足功能的前提下，可最大限度地節(jié)約工程成本。

1.2 輪轂比的設定

輪轂比為軸流式風機輪轂的外徑與葉輪外徑之比。在規(guī)范GB／T 3235—2008《通風機基本型式、尺寸參數及性能曲線》中專門針對輪轂作了規(guī)定，以指導實際風機的設計制造。同時在規(guī)范GB 19761—2009《通風機能效限定值及能效等級》中，也專門結合輪轂比值給出了風機最高效率等級要求，可見此值的重要性。

現(xiàn)就輪轂比對風機效率的影響進行分析。對風機效率的影響主要表現(xiàn)在對風機幾種損失的理解［1］。

1）風機的環(huán)形壁面損失：當氣流經過葉片環(huán)時，氣流對輪轂及機殼的壁面有摩擦損失。隨著輪轂比的增大，環(huán)形壁面損失系數也隨之增加，此時風機的效率會降低。

2）在軸流通風機的各種損失中，渦流損失占的比重較大：在靠近輪轂及機殼處，由于氣流的空間流動而產生的渦流損失是由輪轂及機殼附面層中的漩渦形成的。氣流流道兩側的不同壓力造成漩渦，最終變?yōu)闊崮軗p耗掉，葉片越短（即輪轂比越大），渦區(qū)所占據流道面積的比例越大，渦流損失越大。

輪轂比的選取必須合適。對于高壓力、小流量的通風機，可選取較大輪轂比；對于低壓力、大流量的通風機，則取較小的輪轂比。當輪轂比小時，通風機的壓力曲線要平坦些，工作區(qū)域也要寬一些。

但輪轂比不能過小，否則容易引起葉片根部的附面層分離，降低壓力，同時增加制造難度，容易產生振動，對風機整體強度不利。

經過對相關風機廠家的調研，并結合實際地鐵用風機的風量和壓力范圍，一般輪轂比范圍都在0.3～0.5之間。

1.3 風機機殼法蘭和風筒的連接方式

針對大型風機即隧道通風系統(tǒng)的隧道風機和軌排風機等，其風機機殼法蘭和風筒的連接方式不一。經過調研得知，分直接由風筒整體翻邊成形和法蘭單獨制作直接與風筒焊接兩種型式。

有的廠家推薦采用利用法蘭翻邊機由風筒整體翻邊施壓成形，在殼體和法蘭之間無焊縫。此翻邊工藝能確保風筒的圓度達到設計的最高要求，既能保證葉輪和機殼之間的間隙在允許的公差范圍內，又能保證整臺設備的剛性和強度，從而保證了風機的流量和壓力能夠符合設計要求。

有的廠家建議法蘭直接和風筒焊接，不推薦采用上述旋壓成形。其原因是：①旋壓成型的翻邊寬度都很有限，難以滿足法蘭連接要求；②旋壓翻邊法蘭的厚度較小，無法與焊接法蘭的厚度相比，焊接法蘭厚度可根據需要進行選擇；③旋壓法蘭在翻邊過程中會產生應力。

不同廠家在風機本體機殼法蘭和風筒的連接方式上各有不同。為此，針對用戶需求書里就機殼法蘭是否旋壓成形還是焊接成形，建議不作明確限定，對兩種方法分別列出相關要求即可。如“法蘭若由風筒旋壓翻邊加工，其厚度不低于風筒壁厚；法蘭若采用焊接加工，其厚度應比風筒壁厚大2mm，并應有足夠滿足使用的強度和耐蝕性能”。

2 電機

電機是風機的重要組成部分，電機的好壞，直接關系到風機的各項性能指標?，F(xiàn)就設備招標中的電機性能要求分析如下。

2.1 電機的品牌

風機廠家大多直接對外采購電機，由于電機的復雜性，在編制風機的用戶需求書中，設計方也無法針對電機進行詳細的描述。因此，為確保電機質量，建設方往往希望直接通過給定電機品牌，作為控制電機質量的手段。

經過調研，目前地鐵用風機的配用電機的廠家如下：①國內大陸品牌有臥龍電機（臥龍電器集團有限公司）、KDS電機（順德金泰德勝電機有限公司）、河南南陽電機、佳木斯電機、上海先鋒電機等；②國外和中國臺灣品牌有ABB電機、西門子電機、WEG電機、臺灣東元電機等。

調研結果發(fā)現(xiàn)：國外和中國臺灣的品牌電機綜合性能優(yōu)于國內大陸的品牌產品，但整體價格較高且國外部分品牌存在貼牌生產現(xiàn)象；國內大陸品牌電機現(xiàn)已非常成熟，在國內各城市地鐵中都有成功應用。

鑒于此，為保證地鐵風機采購物有所值，同時滿足相關法律、法規(guī)，針對電機至少應推薦3個及以上的品牌，同時設定絕緣等級、防護等級、能效等級等方面要求，以確保供貨風機的電機質量。

2.2 變頻型式

隨著節(jié)能要求日益提高，目前地鐵隧道內風機運行需分別按照初、近、遠期要求進行運行。國內大部分地鐵線路，針對站內隧道通風系統(tǒng)和公共區(qū)通風空調系統(tǒng)大多考慮了變頻技術。

目前實現(xiàn)變頻的型式，有采用普通的三相異步電動機＋變頻器型式和變頻專用電機＋變頻器型式這兩種。以下從電動機的效率和溫升、諧波電磁噪聲與震動、低轉速時的冷卻問題等方面對這兩種變頻型式的優(yōu)劣進行分析：

1）電動機的效率和溫升：不論那種型式的變頻器，在運行中均會產生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉子銅損耗。這些損耗都會使電動機額外發(fā)熱、效率降低、輸出功率減小，如將普通三相異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%～20%。

2）諧波電磁噪聲與振動：普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的振動和噪聲變得更加復雜。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。

3）低轉速時的冷卻問題：普通異步電動機在轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成正比，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現(xiàn)恒轉矩輸出。而變頻電機一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。

綜合以上分析，筆者認為：當電機處于轉速較低、功率較大的工況時，不宜采用普通的三相異步電動機＋變頻器型式，推薦采用變頻專用電機＋變頻器型式，應直接在用戶需求書中加以明確即可。此外，針對變頻電機應加強絕緣，應能耐受變頻器產生的浪涌電壓及高次諧波的影響。

2.3 雙速電機的繞組型式

地鐵風機的實際配置，除采用變頻型式以外，還有采用滿足兩種風量工況下的雙速電機型式。如對通風兼排煙的風機，應滿足低速和高速下的兩種運行風量。

雙速電機屬于變級調速，通過設置兩套獨立繞組，或通過定子繞組接線的變換來獲得兩種不同的速度，可以是反相變級、換相變級。以往雙速電機多選配YD系列電機。YD系列變級多速異步電動機是利用換接引線的方法來控制轉速變化，其繞組接線型式為△／YY；而其升級版YDT型電機其繞組接線型式為Y／Y、Y／YY、3Y＋Y／3Y等。

表1給出了YD250M型和YDT250M型電機在低速和高速兩種風量工況下的功率、效率、電流的比較數據。

表1 YD250M型和YDT250M型電機的功能比較

從表1可看出，兩種電機的機座號（250M）、轉速和出線端子數完全相同，額定負載的功率因數、電機效率及堵轉電流和額定電流之比也極其接近，但兩種電機的高速和低速功率的匹配設計卻有非常明顯的差距。YDT250M型的低速額定功率配置只是高速額定功率配置的34.04%，但YD250M的低速額定功率配置卻是高速額定功率配置的76.19%。

從地鐵風機運行模式來看，通常情況下的雙速風機高速運轉時間是很少的，絕大部分時間是低速運行。因而，實現(xiàn)雙速風機節(jié)能的關鍵是看低速運行的節(jié)能情況。對于雙速風機來說，雙速電機的低速負載率是電機節(jié)能問題的核心。

經過相關調研，由于雙繞組造價高，廠家一般不推薦雙速風機采用獨立雙繞組型式。但筆者認為，目前地鐵用雙速風機（以一座車站為例）主要有區(qū)間隧道風機、排風兼排煙風機等，數量相對較少，且目前雙速隧道風機常用的是6／8極，其定子接線繞組采用Y／Y型式，雙繞組型式在高速和低速時兩者功率差別較大，有利于節(jié)能。因此，還是推薦在雙速電機的選擇中明確其電機定子繞組接線型式采用獨立雙繞組型式。

3 風機的制動方式

經過調研，目前可逆隧道風機的正反轉切換均需通過設置制動電阻，即采取能耗制動方式［2］，即在風機還未完全停止時，利用串接在定子兩相繞組中的制動電阻，將動能轉換為熱能，達到瞬間停機完成反向啟動運行。

制動電阻往往設置在環(huán)控電控柜內，地鐵環(huán)控設計需考慮制動電阻瞬間散熱對環(huán)控電控柜的影響。由于風機環(huán)控電控柜由動力照明專業(yè)負責采購，因此對于可逆風機采取能耗制動方式時，需提醒動力照明專業(yè)在環(huán)控柜招標設計文件中不能遺漏該部分的要求內容。

4 振動監(jiān)測裝置的設置

振動監(jiān)測裝置是近幾年來隨著地鐵線路的發(fā)展，逐漸應用于地鐵隧道風機的監(jiān)測裝置，用以確保地鐵風機的穩(wěn)定運行。

振動監(jiān)測就是針對風機本體的振動進行適時監(jiān)測。目前的設置范圍有2種：一種是在隧道風機、軌道排風機、推力風機上設置；另一種是僅在區(qū)間射流風機上設置。筆者認為：隧道風機、軌道排風機、推力風機等雖然風量大、體積大，但基本都是落地安裝于混凝土基礎之上，從實際運行來看，振動帶來的問題不明顯；而設置在區(qū)間的射流風機由于其要承受隧道內活塞風壓及空氣壓力交變，會影響其設備的牢固性，從而給行車安全帶來不利影響。因此，筆者建議僅對射流風機設置振動監(jiān)測。

5 風機能效等級的設定

風機的效率是風機的一項重要參數，也是目前評估節(jié)能的一個重要指標。風機效率往往通過其能效等級來實現(xiàn)。此外，在用戶需求書編制中，建設方往往要求增加對風機電機能效等級的設定。目前電機的能效等級限定都是針對單速給出的，對雙速、變頻電機并未有專門的能效等級規(guī)范，這在用戶需求書編制中要予以區(qū)分。

為便于招標的順利進行，在給定了風機整體的能效等級要求后，針對其電機，可不必再有能效要求。

6 主要接口控制

針對地鐵環(huán)控設備，一定要在用戶需求書中給出相應的接口，明確劃分其工作界面。

下面以目前地鐵風機設備發(fā)生界面接口關系的兩個主要接口為例，進行說明。

6.1 風機與動力照明（低壓配電）的接口

1）動力照明專業(yè)負責為風機提供三相380V／50Hz、電壓波動≤±10%、頻率波動≤±5%的電源。

2）動力照明專業(yè)負責實現(xiàn)風機的啟／停控制，與風閥聯(lián)動／聯(lián)鎖控制，電機的缺相、短路和過載保護，狀態(tài)顯示；并負責將風機、聯(lián)鎖風閥、故障等狀態(tài)反饋給BAS（環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)），風機通過環(huán)控電控柜接受BAS的監(jiān)控。

3）動力照明專業(yè)負責配置風機（車站軌道排風機、公共區(qū)回／排風機）的變頻器。變頻器應設置于環(huán)控電控室內。

4）風機接線盒內連接動力電纜的端子應比正常配電容量端子尺寸大至少2個等級，以滿足電纜接入的要求。在設計聯(lián)絡穩(wěn)定后，由風機廠家提供接線盒內接線孔孔徑及間距，供動力照明專業(yè)落實其接線電纜。

6.2 與BAS的接口

1）除軸溫報警和振動報警以外，風機與綜合監(jiān)控系統(tǒng)無直接物理接口，而間接接口在環(huán)控電控柜處。

2）軸溫報警裝置和振動報警裝置負責將報警信息傳遞給BAS，并具備2個輸入接口（即1臺變送器或2臺變送器監(jiān)視對應風機的2個軸溫或／和2個振動信號），接口在風機自帶變送器盒內，變送器之后與BAS控制器的電纜由BAS提供。

3）BAS通過環(huán)控電控柜對風機的具體監(jiān)控內容和方式由BAS與環(huán)控電控柜供貨商雙方協(xié)商解決。

［1］昌澤周，安慶豐，馮成戈，等.軸流式通風機實用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］李玉街，蔡小兵，郭林，等.中央空調系統(tǒng)模糊控制節(jié)能技術及應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.