軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的集成測(cè)量方法

劉 昶 張 瑞 蔣洪濤 惠詠薇 王紹興 莫鑫宇

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司；2.浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司）

軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的集成測(cè)量方法

劉 昶1張 瑞1蔣洪濤2惠詠薇1王紹興1莫鑫宇1

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司；2.浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司）

以軌道交通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述了軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的集成測(cè)量系統(tǒng)，并根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出軌道交通風(fēng)機(jī)的在線運(yùn)行效率，為軌道交通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行節(jié)能提供了重要依據(jù)。

軌道交通風(fēng)機(jī)；運(yùn)行參數(shù)；測(cè)量；方法；效率；集成測(cè)量系統(tǒng)

0 引言

城市軌道交通具有改善城市環(huán)境、緩解交通擁擠及節(jié)約能源的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于其它城市公共交通工具而言，具有安全舒適、快速環(huán)保、運(yùn)能大和能源消耗少的特點(diǎn)。雖然按同等運(yùn)能比較，軌道交通比其他交通形式能耗小，但由于其大運(yùn)量的特點(diǎn)，使得總耗電量相當(dāng)大，是耗能大戶，仍有節(jié)能潛力[1-2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗巨大，約占軌道交通通風(fēng)系統(tǒng)能耗的50%以上。一個(gè)特別重要的原因在于，設(shè)計(jì)選型的不合理、系統(tǒng)阻力計(jì)算的不準(zhǔn)確導(dǎo)致風(fēng)機(jī)性能參數(shù)選擇裕量太大，大多數(shù)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行在大馬拉小車(chē)的狀態(tài)，需要經(jīng)常用導(dǎo)葉來(lái)調(diào)節(jié)氣體的流量，導(dǎo)致大量的功率損失消耗在導(dǎo)葉調(diào)節(jié)上[3]。因此，實(shí)時(shí)掌握軌道交通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)軌道交通通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能降耗具有十分重大的意義。

目前，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量[4]通常都采用皮托管或其他插入式流量計(jì)在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口和出口管道斷面上測(cè)量氣體流速（流量）和用電表測(cè)量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合的方法，此種測(cè)量方式受風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)工藝所限。首先，市場(chǎng)上現(xiàn)有的插入式流量計(jì)[5]通常都是針對(duì)天然氣、蒸汽等大流量、高流速、高壓力的測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)笨重，一般固定安裝在管道上，不能輕易移動(dòng)，無(wú)法適應(yīng)各類軌道交通風(fēng)機(jī)的使用要求；此外，軌道交通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)出口管道通常都是密封的，而且管道內(nèi)空氣通常都具有一定的溫度和壓力，要使用皮托管或其他插入式流量計(jì)的前提是必須在管道上開(kāi)孔，無(wú)論從安全性還是可操作性上來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)都很復(fù)雜，因此開(kāi)發(fā)一種軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的集成測(cè)量方法，可以從根本上解決傳統(tǒng)測(cè)量手段單一、測(cè)量過(guò)程復(fù)雜以及測(cè)量結(jié)果不可靠等問(wèn)題。

1 軌道交通風(fēng)機(jī)

城市軌道交通風(fēng)機(jī)一般用于有軌電車(chē)、地鐵、輕軌、磁懸浮交通、單軌交通、市郊鐵路等軌道交通線路內(nèi)，大部分為軸流通風(fēng)機(jī)，其工作原理為：當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體從進(jìn)風(fēng)口軸向進(jìn)入葉輪，受到葉輪上葉片的推擠而使氣體的能量升高，然后流入導(dǎo)葉。導(dǎo)葉將偏轉(zhuǎn)氣流變?yōu)檩S向流動(dòng)，同時(shí)將氣體導(dǎo)入擴(kuò)壓管，進(jìn)一步將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，最后引入通風(fēng)管路[6]。一種典型的軌道交通風(fēng)機(jī)的示意圖如圖1所示。

圖1 壁式軸流通風(fēng)機(jī)示意圖Fig.1 Wall-type axial flow fan

2 集成測(cè)量流程圖

2.1 風(fēng)機(jī)流量測(cè)量流程圖（圖2）

圖2 風(fēng)機(jī)流量測(cè)量流程圖Fig.2 Flow chart of fan flow measurement

2.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率測(cè)量流程圖（圖3）

圖3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率測(cè)量流程圖Fig.3 Flow chart of fan operational efficiency

2.3 測(cè)試斷面圖及傳感器儀表說(shuō)明

圖4中，測(cè)試斷面1-1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口1測(cè)試斷面，測(cè)試斷面2-2為風(fēng)機(jī)進(jìn)口2測(cè)試斷面，測(cè)試斷面3-3為風(fēng)機(jī)出口測(cè)試斷面。

圖4 軸流通風(fēng)機(jī)測(cè)試斷面位置圖Fig.4 Axial flow fan test section diagram

測(cè)試傳感器及儀器儀表說(shuō)明：溫度傳感器采用大連久茂溫度傳感器902005系列產(chǎn)品，壓力傳感器采用大連久茂壓力傳感器401001(2)系列產(chǎn)品，電表采用長(zhǎng)沙威盛DTSD341-MB3G系列產(chǎn)品。

3 具體測(cè)量步驟

3.1 風(fēng)機(jī)流量測(cè)量

1）如圖3所示，將溫度和壓力傳感器布置在風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道斷面1-1和2-2中，用以測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣體的壓力和溫度，風(fēng)機(jī)進(jìn)口1的溫度傳感器與風(fēng)機(jī)進(jìn)口1的壓力傳感器應(yīng)布置于管道同一斷面1-1上，風(fēng)機(jī)進(jìn)口2的溫度傳感器與風(fēng)機(jī)進(jìn)口2的壓力傳感器也應(yīng)布置于管道同一斷面2-2上，并保證互不干擾[7-8]。

2）測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)口1處的氣體平均壓力----pin1、風(fēng)機(jī)進(jìn)口2處的氣體平均壓力、風(fēng)機(jī)進(jìn)口1處的氣體平均溫度，風(fēng)機(jī)進(jìn)口2處的氣體平均溫度，并采用以下公式計(jì)算風(fēng)機(jī)進(jìn)口的氣體流量Q：

將風(fēng)機(jī)進(jìn)口1處的氣體壓力分為N個(gè)采樣點(diǎn)pin11，pin12……pin1N，風(fēng)機(jī)進(jìn)口2處的氣體壓力也分為N個(gè)采樣點(diǎn)pin21，pin22……pin2N，采樣點(diǎn)的數(shù)量及分布詳細(xì)參照通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[9]，在每一點(diǎn)測(cè)試工況下，穩(wěn)定10min后進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量期間，運(yùn)行工況應(yīng)保持不變，則風(fēng)機(jī)進(jìn)口1、進(jìn)口2平均氣體壓力分別為

將風(fēng)機(jī)進(jìn)口1處的氣體分為M個(gè)采樣點(diǎn)tin11，tin12……tin1M，在每一點(diǎn)測(cè)試工況下，穩(wěn)定10min后進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量期間，運(yùn)行方式應(yīng)保持不變，則風(fēng)機(jī)進(jìn)口平均氣體溫度分別為

其中，ρin1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的氣體密度，kg/m3；△pk為風(fēng)機(jī)進(jìn)口1，2斷面的氣體靜壓差，Pa；p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa；pin1ab為風(fēng)機(jī)進(jìn)口絕對(duì)壓力，Pa；k為流量系數(shù)，取0.9～1.3，根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況真實(shí)風(fēng)量反推計(jì)算得到。

3.2 風(fēng)機(jī)效率測(cè)量

3）利用步驟2）中得到的一些參數(shù)，并進(jìn)一步測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口傳感器布置斷面截面積，結(jié)合電表的讀數(shù)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率可采用以下公式計(jì)算得到：

風(fēng)機(jī)進(jìn)出口斷面氣體重度的表達(dá)式為

根據(jù)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口傳感器布置斷面截面積，得到風(fēng)機(jī)進(jìn)出口斷面氣體流速分別為

風(fēng)機(jī)進(jìn)出口斷面氣體動(dòng)壓表示成

風(fēng)機(jī)進(jìn)出口氣體全壓的計(jì)算公式為

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果推導(dǎo)得到風(fēng)機(jī)全壓的表達(dá)式

正確讀出電表的讀數(shù)，計(jì)算風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)消耗的軸功率的公式為

則最終得到風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的表達(dá)式

以上各式中，γ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣重度，N/m3；γin1，γout為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處氣體重度，N/m3；Fin1，F(xiàn)out分別為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道截面積，m2；vin1，vout分別為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口氣體流速，m/s；pdin1，pdout分別為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口氣體動(dòng)壓，Pa；Hin1，Hout分別為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口氣體全壓，Pa；H為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；U，I，P分別為電動(dòng)機(jī)電壓V，電流A和消耗的軸功率W；ηd，ηt，η分別為電動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)效率和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，其中電動(dòng)機(jī)效率及傳動(dòng)效率根據(jù)電機(jī)廠提供的不同工況條件下的實(shí)測(cè)效率曲線數(shù)據(jù)取值。

4 結(jié)論

針對(duì)軌道交通風(fēng)機(jī)這一研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述了軌道交通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的集成測(cè)量方法，獲得了風(fēng)機(jī)特定運(yùn)行工況下的流量、壓力等重要參數(shù)，并根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出風(fēng)機(jī)的在線運(yùn)行效率[11]，為軌道交通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行節(jié)能提供了重要依據(jù)。

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Integrated Measurement System for the Operational Parameters of a Rail Transit Fan

Chang Liu1Rui Zhang1Hong-tao Jiang2Yong-wei Hui1Shao-xing Wang1Xin-yu Mo1
（1.Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.；2.Zhejiang Shangfeng Special Blower Industrial Co.,Ltd.）

This paper focuses on an integrated measurement system for the operational parameters of a rail transit fan including the average pressure and temperature,the static pressure difference,air density,and air flow in the outlet.According to the statistical data from the ammeter,it calculates in real-time the online operational efficiency and provides an important basis for the energy-saving operation of the rail transit fan.

Rail transit fan;operational parameters;efficiency;integrated measurement system

TH413；TK05

：1006-8155-(2017)01-0076-04

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0010

2016-11-20 廣東 廣州 510335