隧道斜井隔板式通风中应用射流风机的问题研究.pdf
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1、引用格式:杨立新.隧道斜井隔板式通风中应用射流风机的问题研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):54.YANG Lixin.Issues related to application of jet fans in partitioned ventilation of tunnel inclined shaftsJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):54.收稿日期:2023-01-16;修回日期:2023-05-24作者简介:杨立新(1967),男,河南漯河人,2002 年毕业于西南交通大学,供热供燃气通风及空调工程专业,硕士,教授级高级工程师,现从
2、事隧道与地下工程技术管理与研究工作。E-mail:ziyang0012 。隧道斜井隔板式通风中应用射流风机的问题研究杨立新(中铁隧道局集团有限公司,广东 广州 511458)摘要:为解决隧道斜井隔板式通风系统中是否应该安装射流风机的问题,采用建模分析计算的方法,并结合实例进行了研究。通过分析射流风机与轴流风机风量、作业面风量、风机输出功率、射流增压占比、单位风量能耗等的关系,得出以下结论:1)随着隔板风道内射流风机数量的增加,轴流风机风量和作业面风量会同步增加,但增幅很小,与之相比,风机总输出功率却增幅巨大;2)通过在隔板风道中安装射流风机的方法来降低风道内的负压,以解决隔板(彩钢板)承压能力
3、不足的问题,既不经济,也很难实现;3)隔板风道中安装的射流风机数量越多,作业面单位风量的能耗越大。最后,建议在隧道斜井隔板式通风的隔板风道内不要安装射流风机,以避免不必要的能耗浪费和成本增加,同时建议尝试主扇隔板式通风,降低风道百米漏风率,以提高通风效率,降低通风成本。关键词:隧道通风;斜井通风;隔板式通风;射流风机DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.007中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0054-07I Is ss su ue es s R Re el la at te ed d t to o A Ap
4、 pp pl li ic ca at ti io on n o of f J Je et t F Fa an ns s i in n P Pa ar rt ti it ti io on ne ed d V Ve en nt ti il la at ti io on no of f T Tu un nn ne el l I In nc cl li in ne ed d S Sh ha af ft ts sYANG Lixin(China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra
5、ac ct t:A case study is conducted using modeling analysis calculation method to decide whether jet fans should be installed in the tunnel inclined shaft partitioned ventilation system.Then the relationship between jet fan and axial fan air volume,working surface air volume,fan output power,the propo
6、rtion of jet boost,unit air volume energy consumption,etc.is analyzed.Following conclusions are drawn:(1)With the increasing jet fans in the partitioned air duct,the air volume of the axial flow fan and the working face increases synchronously with a small amplification,and the total output power of
7、 the fan will increase sharply.(2)Installing jet fans in the partitioned air duct to reduce the negative pressure inside the duct and further to solve the problem of insufficient pressure resistance of the partition board(color steel plate)is uneconomical and unpractical.(3)The more jet fans install
8、ed in the partitioned air duct,the higher is the energy consumption per unit air volume of the working face.Hence,it is recommended not to install jet fans in the partitioned air duct of the ventilation system for tunnel inclined shafts in order to avoid unnecessary energy consumption and cost incre
9、ase.Instead,it is suggested to try the main fan partitioned ventilation and reduce the leakage rate per hundred meters of the air duct in order to improve ventilation efficiency and reduce ventilation costs.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel ventilation;inclined shaft ventilation;partitioned ventilatio
10、n;jet fan0 引言在钻爆法施工的隧道中,特长隧道越来越多,为了实现长隧短打,多数采用设置斜井的方式,以缩短送风距离,降低通风难度。但由于目前特长隧道设置的斜增刊 1 杨立新,等:隧道斜井隔板式通风中应用射流风机的问题研究井多数为单斜井,进风和排风均通过斜井来完成,一般的通风方式均需要在斜井内布置通风管路;当斜井和正洞施工距离均较长时,则需要布设直径较大的风管,若为双洞隧道,4 个开挖面平行施工,则需要布设多路大直径风管,但通常受到斜井断面净空限制难以实施。隧道斜井隔板式通风是一种较新的施工通风方式,可以充分利用斜井断面净空,是解决这一难题的重要尝试。多用于单斜井双正洞模式的隧道施工,有
11、时也可用于单斜井单正洞模式,其原理是利用隔板将斜井井身分隔为上下 2 部分,上部为进风道,下部为回风道和交通运输通道。新风由上部风道进入,再由风机通过管路转送到各开挖面,污风由各开挖面汇总到斜井井底附近由下部通道统一排到洞外1。当然也可以根据情况下部通道进风,上部风道排风。这种通风方式无需在斜井内布置通风管路,解决了因斜井断面较小、多趟通风管路布置受限的问题,同时可适当降低风速,缩短风管送风的距离,降低风机耗能。目前,该通风方式已应用于多个隧道施工现场,并开展了多方面的研究,取得了不少研究成果。杨立新等2对隧道斜井隔板式通风和风管式通风 2 种通风方式进行了分析研究,得出当斜井风管直径达到一定
12、值时风管式通风与隔板式通风的耗能相当的结论,并对通风方式的选择提出了建议;高治国等3介绍了川藏铁路色季拉山特长隧道捌弄曲斜井的隔板式通风及通风智能化等问题;李永生4阐述了中隔板风道式通风的使用条件和注意事项;陈海锋5依托长洪岭隧道对隔板巷道和风管施工通风分别进行了研究,得出隔板巷道式通风能大大降低工程成本,具有较好经济性的结论;刁志等6结合关角隧道 7#斜井施工通风方案的比选,详细分析了隔板风道式通风的优缺点,说明该方式比较有利于节能和成本控制;武金明7通过 Fluent 数值模拟软件对隔板式通风中 4 个掌子面风流速度场进行模拟计算,确定了合理的通风参数;陈绍华8在关角隧道研发了长大斜井中隔
13、板式通风系统技术,创新了施工组织模式;韩现民等9进行了通风系统设计与风机选型,对通风效果进行了数值模拟及现场实测,得出了联合通风方案下多工作面施工时风管出口到工作面的合理距离及工作面风速与风管口到工作面距离的关系;张旭珍10详细介绍了中隔板通风方法、风机的选择、结构的设计以及通风效果;陈丽敏11认为在施工中采取斜井设置中隔板的方式,可充分利用斜井顶部弧形空间,保证隧道进风量和风速;骆阳12运用三维数值计算方法,采用风仓与隔板风道组合式通风方案对既有压入式进行优化,取得了良好的通风效果。从以上的研究可以看出,虽然隧道斜井隔板式通风的研究涉及到很多方面,但对射流风机在隧道斜井隔板式通风中应用的合理
14、性问题,尚未开展研究。实践中,时常出现在斜井隔板风道中安装射流风机的现象13-14,试图用射流风机来降低风道内的负压,以解决隔板(彩钢板)承受负压能力不足的问题,并希望通过射流风机将洞外的新鲜空气直接送到斜井底部,轴流风机直接从斜井底部吸取新风,以减少轴流风机承担的通风阻力,增加轴流风机的风量。这种方法是否经济合理,有待进一步的研究。本文通过计算隔板式通风中射流风机的增压占比以及射流风机对风量和能耗的影响变化,分析研究隔板风道中使用射流风机的合理性问题。1 隧道斜井隔板式通风模型单斜井双正洞模式隧道,斜井进入正洞后,向大、小里程 2 个方向左右线 4 个作业面同时进行钻爆法施工,通风方式为斜井
15、隔板式通风,射流风机 F1安装在斜井隔板风道内;风机 F2、F3、F4、F5安装在斜井底部的隔板风道内,通过风管 2、风管 3、风管 4、风管 5 分别为 4 个作业面同时供风。具体通风参数见表 1。表 1 斜井隔板式通风模型主要通风参数Table 1 Main ventilation parameters of inclined shaft partitioned ventilation model风管(道)长度 L当量直径 d平均百米漏风率 摩擦因数 局部阻力系数 风阻 R风机风压p风机风量 Q风机到风管转弯处的距离 L斜井隔板风道L1d1111R1p1Q1风管 2L2d2222R2p2Q
16、2L21风管 3L3d3333R3p3Q3L31风管 4L4d4444R4p4Q4L41风管 5L5d5555R5p5Q5L51斜井下部通道L6d6666R6Q6正洞L7d777R7 其中,Q6为斜井下部通道靠近斜井底部的风量;正洞各段长度和平均百米漏风率与对应通风管路相同,局部阻力系数不予考虑;R2、R3、R4、R5均包含风管所经过的正洞风阻。另外正洞左右线之间的距离为55隧道建设(中英文)第 43 卷Lh,空气密度为。隔板式通风模型如图 1 所示。图 1 斜井隔板式通风模型示意图Fig.1 Schematic of inclined shaft partitioned ventilatio
17、n model2 理论计算根据斜井隔板式通风模型,绘制通风系统网络图(如图 2 所示)。为了简化计算,将斜井井底及横通道区域视为 1 点。图 2 斜井隔板式通风系统网络图Fig.2Network diagram of inclined shaft partitioned ventilation system 根据风压平衡定律-p1-p2+h1+h2+h6=0。(1)-p2+p3+h2-h3=0。(2)-p2+p4+h2-h4=0。(3)-p2+p5+h2-h5=0。(4)根据风量平衡定律Q1=Q6。(5)Q1=Q2+Q3+Q4+Q5。(6)根据射流风机的增压公式可以得到射流增压和风道风量的关系
18、函数式15p1=F1Q1()=c1Q1+d1。(7)式中:c1=-vjAjA12()kjnj,d1=v2jAjA1()kjnj;vj为射流风机出口风速,m3/s;Aj为射流风机出口面积,m2;kj为增压系数;nj为射流风机台数。根据风机的特性曲线可以得到风压和风量的函数关系式:pi=FiQi()=aiQi3+biQi2+ciQi+di。(8)式中 ai、bi、ci、di(i=2、3、4、5)为根据风机特性曲线得出的回归系数。由通风阻力定律得a2Q23+-R1-R6+b2-R2()Q22+-R1-R6()Q32+-R1-R6()Q42+-R1-R6()Q52+2-R1-R6()Q2Q3+2-R1
19、-R6()Q2Q4+2-R1-R6()Q2Q5+2-R1-R6()Q3Q4+2-R1-R6()Q3Q5+2-R1-R6()Q4Q5+c1+c2()Q2+c1Q3+c1Q4+c1Q5+d1+d2()=0a2Q23+b2-R2()Q22+c2Q2-a3Q33-b3-R3()Q32-c3Q3+d2-d3=0a2Q23+b2-R2()Q22+c2Q2-a4Q43-b4-R4()Q42-c4Q4+d2-d4=0a2Q23+b2-R2()Q22+c2Q2-a5Q53-b5-R5()Q52-c5Q5+d2-d5=0。(9)式中 R1和 R6的计算按隔板风道不漏风考虑。R1=812d15L1+12A12。(1
20、0)R6=862d65L6+6+1()82d64。(11)R2=40022d251-2()2L2100-1ln 1-2()+22 A22 1-2()2L21100+82d24 1-2()2L2100+40072d751-2()2L2100-1ln 1-2()。(12)R3=40032d351-3()2L3100-1ln 1-3()+32 A32 1-3()2L31100+82d34 1-3()2L3100+40072d751-3()2L3100-1ln 1-3()。(13)R4=40042d451-4()2L4100-1ln 1-4()+42 A42 1-4()2L41100+82d44 1-
21、4()2L4100+40072d751-4()2L4100-1ln 1-4()。(14)R5=40052d551-5()2L5100-1ln 1-5()+52 A52 1-5()2L51100+82d54 1-5()2L5100+40072d751-5()2L5100-1ln 1-5()。(15)解方程组式(9)得到 Q2、Q3、Q4、Q5,把它们代入式(5)、式(6)可得到 Q1和 Q6,然后,再求出风管末端风量或工作面的风量 Q20、Q30、Q40和 Q50。3 计算分析结合具体算例,计算射流风机与风机风量、作业面风量、风机输出功率、射流增压占比的关系,来分析研究射流风机在隔板式通风的作用
22、问题。3.1 主要参数某高原隧道斜井工区,为单斜井双正洞模式,钻爆法施工,无轨运输,大里程方向开挖 3 800 m,小里程方65增刊 1 杨立新,等:隧道斜井隔板式通风中应用射流风机的问题研究向开挖 3 400 m,最大开挖断面 112.5 m2,衬砌后断面74.03 m2,两正洞间距40 m;斜井长度3 500 m,上部风道断面净空 15.2 m2,下部断面 34.66 m2,斜井口海拔高度 3 580 m,空气密度 0.83 kg/m3。射流风机 F1选择某型号 45 kW 射流风机作为标准射流风机,其主要性能参数为 vj=31.0 m/s,Aj=1.538 6 m2,kj=0.85。风机
23、 Fi(i=2,3,4,5)均选用某型号 290 kW 的风机,根据其性能曲线得pi=FiQi()=-0.132 575 757 6Qi3+11.819 430 569 4Qi2-392.209 457 209 5Qi+8 990.089 910 090 2。(16)其他计算参数见表 2。表 2 斜井隔板式通风计算参数表Table 2 Calculation parameters of inclined shaft partitioned ventilation 风管(道)长度 L/m当量直径 d/m平均百米漏风率/%摩擦因数 局部阻力系数 风机到风管转弯处的距离 L/m斜井隔板风道3 530
24、4.2100.052 00.60风管 23 7702.2010.016 30.2310风管 33 8102.2010.016 30.2350风管 43 3702.2010.016 30.2310风管 53 4102.2010.016 30.2350斜井下部通道3 5006.4500.045 82.00正洞9.6810.026 03.2 计算结果根据以上参数计算在射流风机数量分别为 0、2、4、6、8、10 台时的轴流风机风量、作业面风量及风机的输出功率。3.2.1轴流风机风量、作业面风量和风 机 输 出功率轴流风机风量、作业面风量和风机输出功率的计算结果分别见表 3 和表 4。表 3 不同射流
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