通風機自動控制變頻節能原理論述
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1工程概況
三都隧道位于貴州省黔南州都勻市境內，全長14598m，最大埋深約600m。隧道進口沿前進方向左側設有平行導坑，距離正洞30m，長2270m，設4個橫通道與隧道相連。其運輸為無軌運輸。
2通風方案的合理性及節能研究
三都隧道進口施工開挖采用平導超前、通過橫通道增開正洞工作面的施工方法。風管壓入式通風不適用的原因是：正洞和平導作業面需風量大，風管的直徑大，平導斷面不能滿足多趟風管的布置，且壓入式通風耗電量大。混合式不適用于無軌運輸。因此，必須采用主扇通風或射流通風來解決通風問題。三都隧道進口工區的施工通風共分為4個階段，難度最大的是第2階段。以第2階段的通風方案進行分析比較。
2．1射流巷道通風方案
在第2階段，隧道的二通和三通與正洞和平導貫通，此時平導超前開挖，在正洞形成2個開挖工作面，平導有1個開挖工作面，需要3個管路分別向3個掌子面送風，形成射流巷道式的通風。
2．2采用主扇通風方案
根據原設計的通風方案，采用主扇通風時，第2階段需要的新風量最大。其通風布置見圖2。經計算比選，第2階段通風設備配置見表2。
2．3射流巷道式和主扇式通風方案技術經濟比較
2．3．1技術方面
從技術上講，射流通風和主扇通風2種方法都是可行的。射流巷道通風是在華鎣山公路隧道創造的新方法，是通過射流風機把新風從平導引入，污濁空氣從正洞排出，各開挖作業面送風的局扇放置在新鮮風流中，通過局扇和軟風管為其送風，射流風機安裝方便、靈活，阻力小。主扇通風是在平導旁邊修建送風道，建主扇房，安裝大功率通風機，同時在平導口安裝自動風門，以防止漏風，但影響平導交通。通過主扇經平導壓入新風，污風從正洞排出，各開挖作業面需要的新風由放在平導新風內的局扇通過軟風管送入。射流巷道式通風的先進性很明顯。
2．3．2經濟方面
采用射流通風和主扇通風時，其局扇的功率和軟風管數量及直徑都是一樣的。采用射流通風時，其射流風機的總功率僅僅為110kW，如采用主扇通風，其功率為330kW，采用射流通風比采用主扇通風電機功率節省220kW，僅此一項1年節省電費154．18萬元，射流巷道通風更經濟、節能。
3通風設備節能研究
在隧道施工過程中，不同的施工工序所需要的風量是不同的，如出渣、噴漿作業需要的風量大，打鉆、支護作業需要的風量相對要小，而風機出口風量往往是按隧道內最大需風量來設計的。在隧道施工過程中，風機連續運行，造成電能大量浪費。采用隧道施工通風自動控制系統，運用模糊PID控制與變頻調速技術控制交流異步電動機的輸入頻率，以隧道掘進工作面有害物質濃度與作業環境溫度等為控制對象來控制風機轉速，實現掘進工作面風量的閉環控制，在保證隧道施工作業需風要求的情況下可有效節約能源。
根據流體力學理論［6］，對于同一臺風機，當風機轉速有n1改變為n2時，風機的風量、風壓、功率與轉速的比例關系式中：n1，n2為通風機調節前后的轉速，r／min；H1，H2為通風機轉速調節前后的風壓，Pa；N1，N2為通風機轉速調節前后的功率，kW。由以上的比例關系，可以看出，風機的風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比。這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的輸入功率，達到節省電能的目的。
3．2施工通風自動控制系統的結構及風量控制模式
各作業工序需要的風量大致為打眼裝藥120m3／min，放炮排煙250m3／min，初噴350m3／min，出渣654m3／min，初期支護350m3／min。出渣運輸作業所需風量最大。隧道施工通風自動控制系統結構如圖5所示，系統由隧道通風機、自動控制柜、信號傳輸系統、傳感器組成。傳感器是用來實現對作業面相關參數的不間斷監測，信號傳輸線是用來把傳感器所監測到的信息傳輸給自動控制柜，自動控制柜根據監測數據自動控制通風機的轉速，從而控制風量的大小，以此來達到根據作業面監測數據自動調節通風機風量的目的。系統配置時，自動控制柜布置在風機附近，PLC及擴展模塊、變頻器、光端機以及電度表均設置在自動控制柜內；CO傳感器、粉塵傳感器、O2傳感器及NO2傳感器布置在掌子面附近，風速傳感器設置在風管內距離出風口10m處，傳感器通過光纖與自動控制柜連接；上位機監控系統布置在洞外監控室，并通過過程現場總線與自動控制柜連接。
4通風效果分析
三都隧道進口工區平導采用射流巷道通風方式和自動控制通風系統，不僅取得了很好的通風環境效果，而且也取得了良好的經濟社會效益。圖6為自動控制系統的相關設備。在試驗過程中，選擇一個施工循環進行分析。其施工工序為：8：10放炮—8：25開始出渣—10：55出渣結束、開始初期支護—12：55開始噴漿—13：25開始打鉆—15：25循環結束。根據監控系統采集的風速、粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度和O2濃度的變化繪制成曲線。除了放炮后存在短時間的CO濃度超標外，其他時間段未出現任何有害物質濃度的超限、O2濃度不足的情況，在炮后15min內將CO濃度降到了規范允許值以內。出渣階段，由于內燃機械的運轉，氮氧化物濃度起控制作用，變頻器頻率一直保持在50Hz的運行狀態。出渣結束進入初期支護階段時，各有害物質濃度明顯降低，變頻系統輸出頻率也相應降低，直到噴漿階段，系統檢測到粉塵濃度呈快速上升趨勢后，變頻系統輸出頻率又上升到50Hz的運行狀態。噴漿結束后到打鉆階段，粉塵濃度逐漸下降，各有害物質及O2濃度均為達標狀態，輸出頻率逐漸降到44Hz，并一直以該頻率運轉直至該班結束。在整個開挖循環時間內，有近40％的時間段系統以較低頻率運行。期間對平導耗電量進行了統計，未采用自動控制通風系統時48h內耗電量為3232kWh，采用自動控制通風系統48h內耗電量為2706kWh。可見，采用自動控制通風系統時節省耗電量526kWh，節能效率達16．3％。5結論與建議在輔助導坑條件下多作業面平行施工時，通風問題往往是影響正常施工的一個主要問題，采用射流巷道式通風方法能有效地解決其通風問題；采用施工通風自動控制系統，實現了隧道施工作業面新鮮風量的自動調節，可有效地節約電能，提高經濟效益。數據傳輸采用有線傳輸受隧道檢底，對襯砌段的影響較大，建議對數據無線傳輸作進一步研究，以消除有線傳輸的弊端。
作者：趙軍喜單位：中鐵隧道集團技術中心
