地鐵隧道風(fēng)機(jī)能效研究報(bào)告

劉沃鴻 王柳磊

摘 要： 為研究地鐵隧道風(fēng)機(jī)能效，本文采用數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的方法，利用AutoCAD建立隧道風(fēng)機(jī)二維模型，采用CFD通用求解器Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行能效模擬。結(jié)果表明，影響隧道風(fēng)機(jī)能效的因素包括風(fēng)機(jī)流量、葉片安裝角度、電機(jī)功率、葉片翼型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及輪轂比等。最后提出了提高風(fēng)機(jī)能效的建議。

關(guān)鍵詞： 隧道風(fēng)機(jī);能效;理論分析;Fluent

1 緒論

地鐵工程是一項(xiàng)旨在緩解城市交通壓力，提高城市空間利用效率的重要市政工程。地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵工程的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用的主要目的是滿足地鐵環(huán)境空氣更新和空調(diào)溫度調(diào)節(jié)等方面的需求，同時(shí)也為地鐵乘客與工作人員提供良好的環(huán)境[1-2]。

在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，地鐵風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)地鐵空間內(nèi)部與外部空間的氣體交換，主要包括消防疏散、送排風(fēng)、排煙等功能，對(duì)保證地鐵安全運(yùn)行的重要性不言而喻[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵通風(fēng)排煙和空調(diào)系統(tǒng)耗電量占整個(gè)地鐵耗電量的1/2～1/3[4-5]，其中車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)能耗約占整個(gè)車站通風(fēng)空調(diào)能耗的15%，因此對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化從而提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，降低風(fēng)機(jī)能耗，將在一定程度上降低公司的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)車站節(jié)能。

2 風(fēng)機(jī)能效分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵風(fēng)機(jī)目前的市場(chǎng)需求及生產(chǎn)情況，我國(guó)地鐵風(fēng)機(jī)可以分為三類：射流風(fēng)機(jī)、雙向軸流風(fēng)機(jī)（可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)）、單向軸流風(fēng)機(jī)[6]。

2.1 地鐵隧道風(fēng)機(jī)

地鐵隧道風(fēng)機(jī)（Fan for Tunnel Ventilation，以下簡(jiǎn)稱TVF風(fēng)機(jī)）為可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)，具有保持風(fēng)量和全壓基本不變、可正反運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)TVF風(fēng)機(jī)還具有防喘振、耐高溫及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性，能應(yīng)用于地鐵特殊的運(yùn)行環(huán)境。

TVF風(fēng)機(jī)作為隧道事故冷卻風(fēng)機(jī)，在地鐵系統(tǒng)中屬于一類負(fù)荷設(shè)備。主要用于地鐵每日運(yùn)營(yíng)前0.5h和運(yùn)營(yíng)結(jié)束后0.5h隧道的通風(fēng)除濕，或列車阻塞、火災(zāi)時(shí)的通風(fēng)和排煙。其正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行由運(yùn)行模式?jīng)Q定，以達(dá)到向隧道排風(fēng)、送風(fēng)的目的。風(fēng)機(jī)機(jī)房一般布置在車站兩端，每端各設(shè)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，分別對(duì)應(yīng)上行線、下行線區(qū)間。當(dāng)列車處于阻塞或火災(zāi)工況時(shí)，區(qū)間兩端車站TVF風(fēng)機(jī)視情況可單機(jī)運(yùn)行或多機(jī)串、并聯(lián)運(yùn)行。

2.2 隧道風(fēng)機(jī)能效分析

能效指在能源利用中，發(fā)揮作用的與實(shí)際消耗的能源量之比。TVF風(fēng)機(jī)能效應(yīng)符合《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》[7]（GB19761-2009）及《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》[8]（GB 18613-2012），具體要求如下所示。

（1）通風(fēng)機(jī)的能效等級(jí)分為3級(jí)，其中1級(jí)能效最高，3級(jí)能效最低;

（2）對(duì)于采用普通電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)，以使用區(qū)最高通風(fēng)機(jī)效率作為能效等級(jí)的考核值。

ηr= qvsg1·pF·kp 1000Pr? ?（1）

式中：

ηr——通風(fēng)機(jī)效率，%;

qvsg1——通風(fēng)機(jī)進(jìn)口滯停容積流量，單位為立方米每秒（m3/s）;

kp——壓縮機(jī)修正系數(shù);

Pr——葉輪功率，即供給通風(fēng)機(jī)葉輪的機(jī)械功率，單位為千瓦（kW）;

pF——通風(fēng)機(jī)壓力，單位為帕（Pa）。

一方面，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)流量設(shè)計(jì)一般以最大風(fēng)量計(jì)算，其流量調(diào)整方式包括回流、設(shè)置擋板、啟停電動(dòng)機(jī)以及風(fēng)門等，不僅無法形成閉合回路，且風(fēng)機(jī)能耗較大。另一方面，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電氣控制采用直接或Y-△起動(dòng)，無法進(jìn)行軟啟動(dòng)，對(duì)設(shè)備機(jī)械沖擊大，產(chǎn)生較大震動(dòng)及噪音，使得傳動(dòng)系統(tǒng)壽命短、電源容量大、效率較低。

本文選取了廣州地鐵NXT-17RNO? -? 16A型（正反風(fēng)系列高溫消防排煙軸流通風(fēng)機(jī)）TVF風(fēng)機(jī)作為能效理論分析模型，從影響風(fēng)機(jī)能效的幾個(gè)主要因素如電動(dòng)機(jī)功率、風(fēng)機(jī)流量、葉片安裝角度對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行具體能效分析。

NXT-17RNO? -? 16A型高溫消防排煙軸流通風(fēng)機(jī)為正反風(fēng)系列，采用電機(jī)直連傳動(dòng)，葉輪直徑為1600mm，轉(zhuǎn)速n=730r/min， 可配用Y180L-8、Y200L-8、Y225SL-8、Y225M-8等型號(hào)電機(jī)。根據(jù)NXT-17RNO? -? 16A風(fēng)機(jī)額定值繪制流量—效率、葉片安裝角度—效率圖，為有效進(jìn)行風(fēng)機(jī)能效分析，本文還繪制了NXT-17RNO? -? 18A風(fēng)機(jī)能效圖進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下。

圖1為隧道風(fēng)機(jī)流量—效率圖，從圖中可以看出NO? -? 16A和NO? -? 18A兩種機(jī)型效率隨流量的增加出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)效率在兩種機(jī)型流量分別為30.93m3/h和44.05m3/h達(dá)到最高值，為75.1%。從效率最高點(diǎn)到效率最低點(diǎn)，效率下降了15.45%，兩種機(jī)型流量分別下降17.02%和17.29%。

圖2為風(fēng)機(jī)葉片安裝角度—能效圖，從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)效率隨葉片安裝角度出現(xiàn)了升高后趨于平緩的趨勢(shì)。安裝角度為22°時(shí)NO? -? 16A機(jī)型效率最高，為72.68%;安裝角度為28°時(shí)NO? -? 18A機(jī)型效率最高，為65.49%。

由圖1、圖2綜合可知，風(fēng)機(jī)取得最大效率的流量和安裝角度均隨葉輪直徑的增加而增加，而風(fēng)機(jī)最大效率不隨葉輪直徑的變化發(fā)生改變，但隨安裝角度的增大而減小。因此，風(fēng)機(jī)流量和葉片安裝角度能較大地影響風(fēng)機(jī)能效值，合理的設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速、風(fēng)機(jī)流量和葉片安裝角度，對(duì)提高能效、減少能源浪費(fèi)起到較好的作用。

此外，電動(dòng)機(jī)功率對(duì)影響風(fēng)機(jī)能效也起到了較大作用，具體如下表所示。

3 能效模擬分析

以NXT-17RNO? -? 16A型TVF風(fēng)機(jī)為模擬對(duì)象，利用AutoCAD建立該風(fēng)機(jī)二維幾何模型，采用CFD通用求解器Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行能效模擬，旨在對(duì)影響隧道風(fēng)機(jī)能耗的因素進(jìn)行分析。最后結(jié)合模擬數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，提出提高風(fēng)機(jī)效率的建議。

3.1模型建立

圖3為TVF風(fēng)機(jī)實(shí)物圖，圖4為采用AutoCAD建立的TVF風(fēng)機(jī)幾何模型，以此為模型進(jìn)行模擬分析，其中AB端為風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)進(jìn)口端、CD為出口端、E為電動(dòng)機(jī)及葉片幾何模型，具體如下圖所示。

3.2 邊界條件

以圖4為模型，其中AB端為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)端，設(shè)定為速度入口（velocity-inlet），CD端為風(fēng)機(jī)出口端，設(shè)定為自由出流outflow。采用有限體積法離散控制方程，對(duì)風(fēng)機(jī)的三維定常流場(chǎng)進(jìn)行分離式隱式求解。計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍紊流模型，近壁區(qū)的流動(dòng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，差分格式為二階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法進(jìn)行求解[9]。

3.3 模擬結(jié)果分析

利用網(wǎng)格工具Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為三角形網(wǎng)格。模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7為NXT-17RNO16A型軸流通風(fēng)機(jī)渦流云圖，從圖中可以看出在風(fēng)機(jī)入口及電機(jī)位置易產(chǎn)生渦流，風(fēng)機(jī)效率因渦流數(shù)量增多而降低。一種易產(chǎn)生較大渦流損失的方法是使用帶有底座和安裝架的電機(jī)，使得靜葉支撐不能沿圓周方向均勻分布。電機(jī)底座（超出輪轂直徑）和電機(jī)安裝架均成為流道中的障礙物，由此導(dǎo)致較大附加噪聲和渦流損失，目前國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)為應(yīng)淘汰這種落后結(jié)構(gòu)，且各類風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)應(yīng)明確表明避免采用這種結(jié)構(gòu)型式。

圖8為NXT-17RNO16A型軸流通風(fēng)機(jī)速度流線圖，從風(fēng)機(jī)整體的流場(chǎng)與氣動(dòng)結(jié)構(gòu)綜合考慮，在結(jié)構(gòu)上風(fēng)機(jī)應(yīng)保證內(nèi)部流道光滑、無阻，以減少不必要的內(nèi)部壓力損失，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行效率并降低噪聲。

目前B5型內(nèi)置電機(jī)是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的先進(jìn)電機(jī)，如上海地鐵1號(hào)線從德國(guó)進(jìn)口的voith風(fēng)機(jī)（如圖9、圖10所示）。其流道結(jié)構(gòu)合理，出風(fēng)側(cè)整流內(nèi)筒（內(nèi)機(jī)匣）直徑與輪轂相同，形狀為圓筒形，靜葉支撐沿圓周均勻分布，有利于提高風(fēng)機(jī)效率。

（1）不同葉片翼型能效分析。TVF風(fēng)機(jī)要保證在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況下都具有相同或相近的風(fēng)機(jī)性能，故對(duì)其葉片的翼型就有著特殊的要求——在正向和逆向送風(fēng)時(shí)，翼型都能提供良好的氣動(dòng)性能。

根據(jù)地鐵可逆軸流通風(fēng)機(jī)翼型的使用要求，常用的翼型有3種常見形式：S形機(jī)翼翼型、S形圓弧板翼型和平直板翼型。本文對(duì)這3種常用翼型進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，通過對(duì)比分析，確定采用哪一種翼型更適合地鐵可逆轉(zhuǎn)軸流通風(fēng)機(jī)。

圖11中a、b、c分別給出3種翼型風(fēng)機(jī)葉片徑向350mm處剖面上的流場(chǎng)相對(duì)速度矢量分布。可以看出，3種翼型葉片都沒有發(fā)生流動(dòng)分離，說明葉片安裝角設(shè)計(jì)合理。機(jī)翼翼型前后緣流場(chǎng)流動(dòng)性能最好，出口速度分布比較均勻，而且速度偏轉(zhuǎn)相對(duì)較小，流動(dòng)損失最小，風(fēng)機(jī)效率為66.67%。圓弧板翼型風(fēng)機(jī)效率為61.75%。平直板翼型流動(dòng)性能最差，流動(dòng)損失最大，風(fēng)機(jī)效率為60.26%。

經(jīng)過以上對(duì)比分析可以看出，S形機(jī)翼翼型流動(dòng)性能最好，流動(dòng)損失最小，效率最高，總體性能最好。S形圓弧板翼型流動(dòng)性能居中，平直板翼型流動(dòng)性能最差。因此，S形機(jī)翼翼型更適合地鐵可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)采用。

（2）不同輪轂比能效分析。由于地鐵隧道在日常通風(fēng)、列車阻塞與火災(zāi)排煙時(shí)葉輪需正反轉(zhuǎn)都能運(yùn)轉(zhuǎn)，并且正反轉(zhuǎn)兩個(gè)工況風(fēng)機(jī)的流量Q與全壓P要基本保持一致。因此，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只能采用葉輪前后無導(dǎo)葉的單獨(dú)葉輪級(jí)的設(shè)置。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，軸流風(fēng)機(jī)中氣流的運(yùn)動(dòng)形式是旋渦流動(dòng)與軸向流動(dòng)疊加而成的螺旋形軸向流動(dòng)，葉柵出口流動(dòng)損失功耗為：

NDS=2QP/ ρω2R2 1+γ2? ? （2）

式中：

NDS——風(fēng)機(jī)功率損耗，%;

ρ——空氣密度，Kg/m3;

ω——風(fēng)機(jī)角速度，rad/s;

R——葉輪半徑，m;

γ——輪轂比。

在給定流量Q與全壓P條件下，適當(dāng)選取較大的葉輪直徑R與輪轂比γ有益于降低軸流風(fēng)機(jī)的功率損耗NDS。

4 結(jié)論

本文對(duì)地鐵隧道風(fēng)機(jī)能效進(jìn)行了理論分析與數(shù)值模擬。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)流量及安裝角度等能較大影響風(fēng)機(jī)能效，風(fēng)機(jī)效率隨流量增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，隨葉片角度增大呈現(xiàn)先增加后趨于平緩趨勢(shì)。合理的設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)流量、葉片安裝角度、葉片翼型及輪轂比等對(duì)提高能效、降低成本具有重要作用，具體提高隧道風(fēng)機(jī)能效的建議措施如下：

（1）合理選擇風(fēng)機(jī)流量：NXT-17RNO? -? 16A型流量在為30.93m3/h效率達(dá)到最高值;

（2）葉片角度應(yīng)根據(jù)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速、功率、流量等進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝;

（3）可配置變頻電機(jī)功率，根據(jù)行車對(duì)數(shù)及隧道內(nèi)溫度來控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率;

（4）在結(jié)構(gòu)上風(fēng)機(jī)應(yīng)保證內(nèi)部流道光滑、無阻，以減少風(fēng)機(jī)不必要的內(nèi)部壓力損失;

（5）葉片翼型選擇S形機(jī)翼翼型可有效降低流動(dòng)損失，提高能效;

（6）適當(dāng)選取較大的葉輪直徑與輪轂比有益于降低軸流風(fēng)機(jī)功率損耗。

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備多、耗能大，隧道風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng)重要的組成部分，提高其能效有較大的實(shí)用意義。技術(shù)人員應(yīng)從最初的設(shè)備選型到后期設(shè)備運(yùn)行綜合考慮，全面了解提高風(fēng)機(jī)能效的措施。

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作者簡(jiǎn)介： 劉沃鴻（1987—），男，漢族，廣東廣州人，碩士，工程師，研究方向：城市軌道交通機(jī)電一體化;王柳磊（1987—），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究方向：城市軌道交通機(jī)電一體化。