[發明專利]隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法

無效

• 申請號: 201210174066.3
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102661284A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 戴宇;馬丁乙
• 申請（專利權）人: 中鐵一局集團有限公司
• 主分類號: F04D27/00
• 分類號: F04D27/00;E21F1/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

技術領域

本發明屬于隧道施工通風技術領域，尤其是涉及一種隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法。

背景技術

隧道建設施工一般采取一條隧道雙頭或多作業面掘進，多工序作業，逐漸延伸，最后實現貫通。施工中，由于鉆孔、炸藥爆破、裝渣、噴射混凝土、內燃機械和運輸車輛的廢氣排放等會產生大量的有毒有害氣體和粉塵，使隧道內狹窄空間的空氣非常污濁，使作業環境惡劣。在這種環境中作業，會對施工人員身體健康造成了極大的危害，如導致一氧化碳中毒、人員呼吸困難、工作效率降低等。施工過程中必須向洞內供給足夠的新鮮空氣，稀釋和置換排出有毒有害氣體和降低粉塵濃度,改善勞動條件,保障施工作業人員的身體健康和施工裝備正常運轉，實現安全生產，提高勞動生產率。

隧道施工中向洞內供給足夠的新鮮空氣是依靠通風系統實現的。通風系統是由風機和與風機連接的風管構成，若采用壓入式通風模式，風機一般采用軸流風機，風管從隧道外一直延伸至作業面附近。通風系統向作業面提供足夠的新鮮空氣量（風量）以滿足隧道正常施工對風量的要求。隧道正常施工對風量的要求包括以下幾個方面：

（1）滿足隧道內作業人員呼吸到足夠的新鮮空氣量，按洞內作業人員每人呼吸所需新鮮空氣量為3m³/min計算。

（2）滿足作業面有害氣體的濃度在規定時間內降低到允許濃度以下。要求的相應風量與一次同時爆炸的炸藥量等有關。

（3）滿足洞內最低風速不低于0.15m/s，要求的相應風量與隧道斷面面積和由于洞內外溫差產生的對流效果有關。

（4）滿足內燃機械和運輸車輛在洞內正常運行需要，要求的相應風量與同時在洞內作業內燃設備的數量、功率以及是否安裝廢氣凈化裝置有關。

（5）滿足隧道內氣溫不超過28℃，要求的相應風量與隧道掘進的長度和氣候條件等有關。

要滿足隧道施工對風量的要求，通風系統必須具有足夠的壓力（即風壓）以克服通風阻力并使風管出口風流具有一定的動壓。通風阻力主要是由風管摩擦阻力和局部阻力構成，它們與風管的摩阻系數、通風距離（風管長度）、風管直徑、空氣密度、空氣在風管內的流動速度、風管的平順度和風管的接頭數量等有關。風管出口風流的動壓要滿足隧道施工時不同作業工序對風量的相應要求。

隧道施工過程中通風系統風量和風壓的乘積決定了風機的負載，風機的負載也就是驅動風機的電動機的負載。隧道施工用風機的驅動電動機一般采用三相交流異步電動機。電動機的負載決定了電動機的能耗。

隧道施工是多工序作業，長度逐漸延伸，這就決定了隧道施工通風系統負載不是恒定的。在進行不同工序作業時系統要求的風量不同，隨著隧道長度逐漸延伸，系統要求的風壓逐漸增加。歸納起來，隧道施工中通風系統的負載有以下四類工況：低風壓小風量工況、低風壓大風量工況、高風壓小風量工況、高風壓大風量工況。通風系統在不同工況下，由于負載不同，其消耗的能量也不同。小風量低風壓工況系統消耗的能量較少；高風壓大風量工況系統消耗的能量較多。

在配置隧道施工通風系統風機時，要求風機的額定輸出風壓和風量滿足通風系統最大負載要求，即風機的額定輸出風壓大于等于實現最長通風距離（風管長度）正常通風所要求風壓，風機的額定輸出風量大于等于用風量最大的作業工序所要求的風量和最長通風距離時風管的漏風量之和。

風機的轉速決定了風機的輸出風量，風機由電動機驅動，電動機的轉速決定了風機的輸出風量，因此改變電動機的轉速就可以實現對風機輸出風量的調節。

由電機理論可知,交流異步電動機的轉速與電源頻率成正比，與電動機極對數成反比，即由下式確定：n=kf(1-s)/p，其中：f為電動機的電源頻率，n為異步電動機的轉速，s為電動機轉差率，p為電動機磁極對數。由上式可以看出，通過調節電動機交流電源頻率，可以實現對電動機的轉速進行調節。因此采用電動機變頻調速技術，對風機轉速進行調節，可以實現使風機輸出風量適應不同工況所要求的風量，減少能源浪費，達到節能的目的。

但是，國內隧道施工通風中，大多數風機沒有采用電動機變頻調速技術，沒有做到通過調節風機轉速使風機輸出風量適應不同工況所要求的風量，造成了能源浪費。少數風機配置了變頻器，盡管可以利用變頻器改變風機電源頻率，實現對風機轉速調節，但調整是由工作人員手動操作完成，由于隧道施工通風系統是一種非線性、多干擾系統，系統的風速與風機的轉速間的關系不是線性的，且受多種因素影響，使得利用變頻調速技術實現隧道施工節能的潛力沒有得到充分利用。

發明內容