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摘要:我国的公路建设日益发展，公路也逐渐由平原地区向山区转移，公路隧道越来越成为高速公路必不可少的一部分。隧道的通风设计很是需要我们研究，本文全面在几个方面对隧道通风设计做出几点分析。
关键词：公路隧道；通风；设计分析；通风控制；设备选择
Abstract: the development of highway construction in our country, the road is gradually from the plains XiangShanOu transfer, highway tunnels more and more become an indispensable part of the highway. Tunnel ventilation design is very is we need to study, this paper in the aspects of the tunnel ventilation design make some analysis.
Keywords: highway tunnel; Ventilation; Design analysis; Ventilation control; Equipment selection
中图分类号： U459.2文献标识码：A文章编号：
我国的公路建设日益发展，山区公路更是不断增多，比如在陕西的西汉高速，仅隧道就有112个，如此可见，公路隧道是下一步高速公路建設不可或缺的部分，因此，公路隧道的通风设计问题尤其值得我们去分析。
1隧道通风设计分析
公路隧道的通风设计需要从几个方面来具体分析，交通量，意外发生的情况，通风设备安装，通风设备控制和通风设备选择，都是我们需要注意的问题。
1. 1交通量分析
对于交通量的预测，无不存在一部分的误差，各个方面的原因也会造成预测不准确。而在公路建设研究阶段，为了工程立项，可能会把交通量夸大，为了不必要的浪费，我们应该仔细分析交通量。
1. 2火灾规模分析
公路隧道的通风,除了要满足正常运营外,还必须满足火灾发生时的通风需求,即把两者看作是整个通风系统的两种重要的工况。由于隧道内行驶车辆种类比较多,火灾热功率当量取值大小,很难明确规定,是按一辆小客车和一辆小货车相撞产生热量20MW计,还是按一辆小客车和一辆大货车相撞产生热量30 MW计,更是考虑安全按两辆大货车相撞产生热量50 MW计,不同的计算热功率对应风机配置数量是不一样的。同时还需要隧道防火区段的划分、横通道的设置、横通道的开启与关闭、烟流排出的路径与速度、逃生通道的空气补给、避难洞的新风需求、隔温安全段的长度和降温措施、送排风口的间距和面积、火灾时的风机控制、部分风机损坏时的风机调配等,更是增加隧道通风运营费用。因此,隧道火灾通风需要深入调查研究,合理定位隧道火灾规模。
1.3隧道风机安装
高速公路交通量预测按不同的特征年逐年增加,则隧道内车辆排放的CO和VI浓度也在逐年增加,因此,隧道通风风机配置应根据交通量增加分期安装。目前,公路隧道通风设计均采用分期实施,风机安装数量按道路开通5年、10年、15年、20年配置,不同时间段安装数量不同,降低隧道运营费用。
1.4隧道通风控制
根据隧道通风采用的设备,可分为变频控制和动力可调控制;根据隧道通风采用的控制参数,可分为直接控制法、间接控制法和混合型控制法。目前,国内公路隧道主要采用直接控制法,目前已投入运营隧道均按照直接控制法设计,通过分布在隧道内各点的CO检测仪和能见度检测仪直接检测行驶车辆在隧道内排放出的烟雾浓度和CO浓度值,给出控制信号,启动控制分布在隧道内相应点的风机,供给新鲜空气量,达到稀释CO和烟雾浓度的目的,并将有害物质引出洞外,以达到隧道规范所要求的环境标准。为了有效提高隧道通风效率,降低隧道风机运营电费,隧道内合理设置CO和VI检测器位置。隧道CO和VI浓度从隧道入口至隧道出口呈线性增长趋势,因此CO和VI检测器一般安装隧道出口后隧道内人字坡的坡顶。隧道采用斜井分段纵向通风方式,隧道内的浓度分布曲线如图1所示,隧道入口和斜井送风口处浓度最小(空气质量最好),斜井排风口和隧道出口浓度最大,隧道内环境检测器应在安装在隧道斜井排风口处和隧道出口。
1.5隧道不同通风方式的结合
调查统计全国公路隧道的通风方式,已通车或在建公路均采用纵向通风方式。集中送入通风方式、竖井排出通风方式、静电除尘通风方式、全横向和半横向通风方式五种通风方式在国内均没有实施的先例,一直停留在研究阶段,如果上述五种隧道通风方式中的静电除尘通风有成功的应用,观音岭隧道通风方案会迎刃而解。观音岭隧道长度只有3 km左右,但隧道纵坡较大,右线纵坡大于2•0%,从整个通风方案角度考虑,隧道左线和右线CO计算满足全射流纵向通风方式,右线烟雾计算需风量非常大,需要采用分段纵向通风方式,不但隧道前期建设费用较大,而且大大提高后期运营费用,隧道通风设计达不到节能的效果。在观音岭隧道通风设计初期,考虑采用静电除尘和全射流纵向通风相结合通风方案,既节省隧道建设费用,又降低隧道运营费用。但静电除尘技术仍处于探索和研究阶段,国内隧道也没有成功应用先例,无法在项目中成功实施。
1.6隧道风机设备选择
1.6.1香蕉形射流风机
在射流风机功率一定的条件下,风机的出口面积和出口风速成反比,提高风机效率的唯一办法就是降低风机在隧道拱顶的安装距离,减少射流风机与隧道拱顶的摩阻,提高风机声压效果。一种新型的香蕉形射流风机改变了传统射流风机与消音器位于同一轴线上的形式,将风机两端的消音器向下方车道处小角度倾斜(与风机轴线夹角一般≤7°),减少空气射流与隧道壁面的摩擦损失,达到提高风机的通风效率。
1.6.2动叶可调轴流风机
动叶可调轴流风机是通过调整风机叶片的角度来个改变风机风量、压力和功率,降低隧道通风运营用电费用。隧道轴流风机风量和功率计算过程中,近远期的计算数据是不一样的。如果按近远期单独考虑,轴流风机的电机功率配置是不一样的,但隧道配置相同功能轴流风并列运行要求必须是同规格、同型号,因此,近远期风机配置需要结合考虑,这样会使近期轴流风机功率配置偏大,造成运营成本的增加。动叶可调轴流风机可以解决上述问题,近期风机配置电机功率可以和远期风机功率结合,通过调节叶片的角度,减低风机功率,满足近期风机功率和风量配置要求。动叶可调轴流风机转子叶片角度可以在风机运行过程中从0%到额定最大角度100%之间连续调节,在风机启动过程中,可先将叶片角度设定为0%,即空载状态下启动电机,这样可以减低风机启动电流和缩短风机启动时间,也能实现隧道运营节能的效果。
1.6.3变频调速器
变频调速器主要用在隧道轴流风机控制上,通过改变风机电机的供电频率来改变其同步转速而实现调速。目前,变频器在建筑和矿井行业已有成功应用,但是公路行业停留在理论分析研究阶段,其主要原因在与隧道轴流风机采用地下风机房,地下机房环境对变频器设备的要求比较高,需要提高变频器的防护等级,变频器的散热有待进一步解决。隧道斜井机房采用地面风机房,变频器的防护等级和散热问题已经不存在,主要研究变频器如何根据隧道的需风量控制隧道轴流风机,将在隧道施工图阶段进一步探索和研究变频调速控制在满足隧道控制标准的条件下,尽量减少风机开启台数和风机频繁启动,延长风机的使用寿命和隧道运营节能作用。
2 结语
随着我国公路建设进入山岭地区,隧道通风设计越来越受社会及相关管理部门的重视。隧道通风措施和方法在全国高速公路隧道已有不同程度的应用,但隧道通风的新技术和新产品还需要进一步研究和开发,使隧道通风效果在工程中得以突现。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：公路隧道；通风；设计分析；通风控制；设备选择
Abstract: the development of highway construction in our country, the road is gradually from the plains XiangShanOu transfer, highway tunnels more and more become an indispensable part of the highway. Tunnel ventilation design is very is we need to study, this paper in the aspects of the tunnel ventilation design make some analysis.
Keywords: highway tunnel; Ventilation; Design analysis; Ventilation control; Equipment selection
中图分类号： U459.2文献标识码：A文章编号：
我国的公路建设日益发展，山区公路更是不断增多，比如在陕西的西汉高速，仅隧道就有112个，如此可见，公路隧道是下一步高速公路建設不可或缺的部分，因此，公路隧道的通风设计问题尤其值得我们去分析。
1隧道通风设计分析
公路隧道的通风设计需要从几个方面来具体分析，交通量，意外发生的情况，通风设备安装，通风设备控制和通风设备选择，都是我们需要注意的问题。
1. 1交通量分析
对于交通量的预测，无不存在一部分的误差，各个方面的原因也会造成预测不准确。而在公路建设研究阶段，为了工程立项，可能会把交通量夸大，为了不必要的浪费，我们应该仔细分析交通量。
1. 2火灾规模分析
公路隧道的通风,除了要满足正常运营外,还必须满足火灾发生时的通风需求,即把两者看作是整个通风系统的两种重要的工况。由于隧道内行驶车辆种类比较多,火灾热功率当量取值大小,很难明确规定,是按一辆小客车和一辆小货车相撞产生热量20MW计,还是按一辆小客车和一辆大货车相撞产生热量30 MW计,更是考虑安全按两辆大货车相撞产生热量50 MW计,不同的计算热功率对应风机配置数量是不一样的。同时还需要隧道防火区段的划分、横通道的设置、横通道的开启与关闭、烟流排出的路径与速度、逃生通道的空气补给、避难洞的新风需求、隔温安全段的长度和降温措施、送排风口的间距和面积、火灾时的风机控制、部分风机损坏时的风机调配等,更是增加隧道通风运营费用。因此,隧道火灾通风需要深入调查研究,合理定位隧道火灾规模。
1.3隧道风机安装
高速公路交通量预测按不同的特征年逐年增加,则隧道内车辆排放的CO和VI浓度也在逐年增加,因此,隧道通风风机配置应根据交通量增加分期安装。目前,公路隧道通风设计均采用分期实施,风机安装数量按道路开通5年、10年、15年、20年配置,不同时间段安装数量不同,降低隧道运营费用。
1.4隧道通风控制
根据隧道通风采用的设备,可分为变频控制和动力可调控制;根据隧道通风采用的控制参数,可分为直接控制法、间接控制法和混合型控制法。目前,国内公路隧道主要采用直接控制法,目前已投入运营隧道均按照直接控制法设计,通过分布在隧道内各点的CO检测仪和能见度检测仪直接检测行驶车辆在隧道内排放出的烟雾浓度和CO浓度值,给出控制信号,启动控制分布在隧道内相应点的风机,供给新鲜空气量,达到稀释CO和烟雾浓度的目的,并将有害物质引出洞外,以达到隧道规范所要求的环境标准。为了有效提高隧道通风效率,降低隧道风机运营电费,隧道内合理设置CO和VI检测器位置。隧道CO和VI浓度从隧道入口至隧道出口呈线性增长趋势,因此CO和VI检测器一般安装隧道出口后隧道内人字坡的坡顶。隧道采用斜井分段纵向通风方式,隧道内的浓度分布曲线如图1所示,隧道入口和斜井送风口处浓度最小(空气质量最好),斜井排风口和隧道出口浓度最大,隧道内环境检测器应在安装在隧道斜井排风口处和隧道出口。
1.5隧道不同通风方式的结合
调查统计全国公路隧道的通风方式,已通车或在建公路均采用纵向通风方式。集中送入通风方式、竖井排出通风方式、静电除尘通风方式、全横向和半横向通风方式五种通风方式在国内均没有实施的先例,一直停留在研究阶段,如果上述五种隧道通风方式中的静电除尘通风有成功的应用,观音岭隧道通风方案会迎刃而解。观音岭隧道长度只有3 km左右,但隧道纵坡较大,右线纵坡大于2•0%,从整个通风方案角度考虑,隧道左线和右线CO计算满足全射流纵向通风方式,右线烟雾计算需风量非常大,需要采用分段纵向通风方式,不但隧道前期建设费用较大,而且大大提高后期运营费用,隧道通风设计达不到节能的效果。在观音岭隧道通风设计初期,考虑采用静电除尘和全射流纵向通风相结合通风方案,既节省隧道建设费用,又降低隧道运营费用。但静电除尘技术仍处于探索和研究阶段,国内隧道也没有成功应用先例,无法在项目中成功实施。
1.6隧道风机设备选择
1.6.1香蕉形射流风机
在射流风机功率一定的条件下,风机的出口面积和出口风速成反比,提高风机效率的唯一办法就是降低风机在隧道拱顶的安装距离,减少射流风机与隧道拱顶的摩阻,提高风机声压效果。一种新型的香蕉形射流风机改变了传统射流风机与消音器位于同一轴线上的形式,将风机两端的消音器向下方车道处小角度倾斜(与风机轴线夹角一般≤7°),减少空气射流与隧道壁面的摩擦损失,达到提高风机的通风效率。
1.6.2动叶可调轴流风机
动叶可调轴流风机是通过调整风机叶片的角度来个改变风机风量、压力和功率,降低隧道通风运营用电费用。隧道轴流风机风量和功率计算过程中,近远期的计算数据是不一样的。如果按近远期单独考虑,轴流风机的电机功率配置是不一样的,但隧道配置相同功能轴流风并列运行要求必须是同规格、同型号,因此,近远期风机配置需要结合考虑,这样会使近期轴流风机功率配置偏大,造成运营成本的增加。动叶可调轴流风机可以解决上述问题,近期风机配置电机功率可以和远期风机功率结合,通过调节叶片的角度,减低风机功率,满足近期风机功率和风量配置要求。动叶可调轴流风机转子叶片角度可以在风机运行过程中从0%到额定最大角度100%之间连续调节,在风机启动过程中,可先将叶片角度设定为0%,即空载状态下启动电机,这样可以减低风机启动电流和缩短风机启动时间,也能实现隧道运营节能的效果。
1.6.3变频调速器
变频调速器主要用在隧道轴流风机控制上,通过改变风机电机的供电频率来改变其同步转速而实现调速。目前,变频器在建筑和矿井行业已有成功应用,但是公路行业停留在理论分析研究阶段,其主要原因在与隧道轴流风机采用地下风机房,地下机房环境对变频器设备的要求比较高,需要提高变频器的防护等级,变频器的散热有待进一步解决。隧道斜井机房采用地面风机房,变频器的防护等级和散热问题已经不存在,主要研究变频器如何根据隧道的需风量控制隧道轴流风机,将在隧道施工图阶段进一步探索和研究变频调速控制在满足隧道控制标准的条件下,尽量减少风机开启台数和风机频繁启动,延长风机的使用寿命和隧道运营节能作用。
2 结语
随着我国公路建设进入山岭地区,隧道通风设计越来越受社会及相关管理部门的重视。隧道通风措施和方法在全国高速公路隧道已有不同程度的应用,但隧道通风的新技术和新产品还需要进一步研究和开发,使隧道通风效果在工程中得以突现。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。