地铁隧道通风系统.doc

简介：本文结合广州地铁环控系统设计对如何充分发挥设备的设置功能从六个方面进行了讨论，提出了较为简明的隧道通风系统设计新方案，可供新建地铁环控系统设计时使用或参考 关键字：设备功能，隧道通风，系统设计，备用风机，兼用设计 前言广州地铁1、2号线已经开通运营，3号线即将开通运营，4、5号线正在进行设计。就设计进度和设计水平而言，广州处于国内最前列的位置，对广州地铁进行研究具有更大现实意义。广州地铁1号线环控制式采用开/闭式系统，对其设计问题已在个人所写的广州地铁1号线环控设计总结（收入回顾与思考一书第九章环境控制系统）中进行了讨论，文中的一些见解和意见，对其它采用开/闭系统的城市地铁设计有一定的参考价值。广州地铁2、3、4、5号线环控制式采用了屏蔽门系统，对于屏蔽门系统，个人仅参加了一些车站工点的设计或设计咨询工作，对全线系统设计的资料不够全面了解，本文就个人所了解的情况和问题发表一些见解或看法，难免存在不够准确之处，仅供同行们对这些问题进行深入研究或讨论时参考。 一、地铁隧道通风系统设计方案简介广州地铁隧道通风设备均设于车站的两端，2、3号线车站两端的隧道通风系统设计如图1所示，本文将其称为a型设计方案。4、5号线部分车站采用a型设计方案，部分车站则采用图2所示系统，本文将其称为b型设计方案。深圳地铁1号线等国内多条地铁线路均采用a型方案，已被各方面普遍接受，b型方案是最近几年出现的，虽然一些地铁线已参照采用，但尚还存在一些争议。个人认为，从a型到b型是一个巨大的前进，应当肯定，从充分发挥设备的设置功能讲对a型和b型都有进一步研究改进的空间。a型方案主要设计特征是每个车站有4个隧道通风亭、4个活塞通风道、4台tvf风机及2台tef风机。每台tvf风机的设备选型技术参数是：风量qx=60m3/s、风压hx=1000pa、电机功率nx=90kw、风机直径=2.0m、可正反转且正反转风量相等；每台tef风机的选型参数是：qx=40m3/s、hx=600pa、nx=45kw、=1.6m、只正转排风；b型方案主要设计特征是每个车站有2个隧道通风亭、2个活塞通风道、2台tvf风机及2台tv/ef风机及2台变频器。tv/ef风机即为tvf风机兼作tef风机使用，平时通过变频器按照tef风量运转，事故时则按tvf风量运转,因此tv/ef选型参数同tvf。显然a型方案比b型工程设备数量多，设计规模大，工程投资高。二、设备功能充分发挥问题的讨论地铁工程投资巨大，运营费用高昂，这是许多城市修建地铁的最大障碍，环控设备在地铁设计中占用建筑面积最大，环控设备在地铁运营中耗电最多，因此对“占地大户”和“用电大户”的环控专业进行优化研究，对降低地铁工程造价具有较大意义。为减少工程投资，降低运营成本，广州地铁建设者已经作出了艰巨的努力，将a型方案修改为b型方案，这一改进其工程的经济意义巨大，使每个车站：（1）少设2台tef风机；（2）减少了2条活塞通风道（土建规模约4m（宽）4m（高）30m（长）2（条），（3）少建2个地面风亭。遗憾的是这一设计进步没有得到充分肯定而加以全线推广采用，本人所参与的5号线工点设计咨询范围不少车站仍然采用了a型方案。个人认为对于a、b型就充分发挥设备的设置功能而言均还有进一步研究改进的空间。设备功能如何充分发挥个人认为目前可以从以下六方面进行研究，即为：设备设置的必要性、设备功能的使用性、设备设计的兼用性、设备运转的能效性、设备容量的小型化及设备控制的简明化。从这六个方面进行讨论可能有助于我们对设计中的问题进行深入研究。1、设备设置的必要性讨论地下空间十分宝贵，可设可不设的设备应尽可能不设，a型方案车站两端所设4台tvf风机属于这一问题探讨范围。设置屏蔽门后，区间隧道机械通风条件较开/闭式系统有了很大改善，计算结果及各条线的隧道通风工艺设计均表明，当列车阻塞或列车发生火灾而停在单线区间隧道内对其进行通风或排烟时，前后两个车站的tvf风机一般只需要运转2台，而不象开/闭式系统需要运转4台，多出的2台只能起备用作用。因此本问题的核心是区间隧道通风排烟在屏蔽门系统时是否必须设置备用风机的问题。个人观点是可以不设，理由是：（1）车站站厅或站台火灾时的排烟风机没有考虑备用，为何区间隧道排烟通风时需要考虑备用呢？两者的设计标准不统一；（2）采用开/闭式系统的广州1号线、南京1、2号线、上海2号线等均对tvf风机没有考虑备用，为何采用屏蔽门系统后要有备用风机，两者的设计标准不统一；（3）地铁设计规范（gb50157-2003）（以下简称为“地铁规范”）没有明确对区间隧道事故通风必须设置备用风机；（4）国外地铁对事故风机设置备用的也极为少见（本人掌握资料不多，希望见多识广者提供这方面的资料支持）（5）发生火灾概率较高的公路隧道在其公路隧道通风照明设计规范（以下简称为“公路规范”）中不仅没有规定火灾排烟风机需要有备用，而且对火灾排烟设备的设计规模与其经济性有所规定和说明，下面引用其中两例文字可能有助于我们的讨论。例1：对于大于1km的长大隧道发生车辆阻塞时，可能会出现全隧道车辆阻塞情况，但公路规范规定“阻滞段的计算长度不宜大于1km”，并说明“通风设计应考虑交通监控系统的功能，不必考虑1km以上的交通阻滞，否则过量通风设施必定长期（甚至永远）闲置，显然是浪费，piarc（1995）报告中亦指出了这点”；例2：对于火灾设计规模及排烟设计要求，公路规范规定“火灾排烟风速可按2m/s3m/s取值”，并说明该值“是按一般隧道火灾产生20mw的热量控制的排烟风速取值；对汽油车相撞产生500mw以上的热量排烟风速要求5m/s以上，如以此设计很不经济”。可能会有人说，a型设计方案可以对两条平行隧道同时进行机械通风。个人认为对于火灾隧道进行机械排烟是十分必要的，但没有必要同时对平行的另一侧未发生火灾的隧道进行机械通风,地铁规范也没有这样的要求。当然对于地铁区间隧道列车火灾排烟问题是需要我们认真对待的，但采用设置备用风机来加大其安全度的做法是值得我们深入研究的，此项措施工程代价太大，设计中的经济问题不能不加以考虑。2、设备功能的使用性和设备设计的兼用性讨论设备功能的使用性是指设置的设备应当经常运转使用，不能长期闲置不用；设备设计的兼用性是指一个设备应尽可能一机多用，充分发挥设备的使用功能。前者是针对地铁火灾专用通风设备长期闲置而提出来的，后者则是研究将这些长期闲置设备兼作其它设备平时加以利用，以节省其它设备的设置，这就是本文所说的设备兼用性设计问题，设备的使用性和兼用性密切相关，故联系在一起进行讨论。广州地铁2、3、4、5号线在车站通风空调系统中对站厅和站台层火灾事故设计了专用的排烟风机，即sef风机；对于区间隧道内的列车阻塞或列车火灾事故设计了tvf风机。sef风机和tvf风机在正常运营时是不运转的，发生事故时才进行运转，这些风机是“长期（甚至永远）闲置”着的，为保证这些设备在事故时能正常运转，还需要经常对其进行保养性运转，这些显然都是一种浪费，需要对其进行研究改进。改进途径之一，就是使其设计具有兼用性。2、3号线各个车站是按照图1所示的a型方案进行设计的，即对区间隧道设置了有tvf风机的通风系统，对站内隧道设置了有tef风机的排热系统，两个系统分别设置，相互相对独立。4、5号线部分车站对此进行了改进，出现了图2所示的b型方案。b型方案不同于a型方案的地方是区间隧道通风系统与站内隧道排热系统两个系统相互结合了在一起，并可以互为备用。这是兼用性设计的一个很好实例，即车站每端用1台tvf风机兼做tef风机使用，平时正常运营时作为tef风机使用，发生事故时作为事故风机使用，两种风机的风量匹配是通过变频器实现的（本文为了区别和表述方便起见，将tvf风机兼作tef风机时称为tv/ef风机）。对这一设计进步，作者给予高度评价，并认为全线各车站均可以采用，尤其是风亭设置较为困难的车站更应采用，在5号线工点设计咨询工作中已明白的表明了个人这一设计观点。至于sef风机个人认为可以兼做大系统的回/排风机，两者风量的差异匹配可以通过变频器或双速电机来实现，此设计比较简单，设计事例也较多，本文不多作文字说明。3、设备容量小型化的讨论通风设备容量（主要指风量和风压）小的风机总是比容量大的风机运转功率低、投资省、设备布置难度小，在一定的条件下还可以获得土建工程规模减小的效果。地铁设备系统繁多，空间十分宝贵，通风设计工作中应当尽可能将其设备小型化，以获得地下空间的最佳利用。车站大系统中的sef风机和b型方案中的tv/ef风机属于这一讨论内容。广州25号线中对车站大系统设置了专用的排烟风机sef，它与回/排风机raf并列设置，前者比后着容量大，个人认为可将sef小型化按照raf设计，平时2台raf互为备用单台运行，火灾时2台raf并联运行加大风量以满足排烟需要，广州1号线就是按照这一原则进行设计的。b型方案中的tvf和tv/ef风机其装机容量相同，是环控专业最大容量的设备，设备购置费较高。tv/ef在正常运行时通过变频器按tef技术参数运行，似为“大材小用”，如果按照2台tef设计，正常运行时2台tef互为备用单台运行满足站内隧道排热通风需要，火灾时2台tef并联运行满足隧道通风或排烟要求，当然它应具备正反转功能，为了区别本文将其称为te/vf风机。可见tv/ef是一个大容量风机兼作小容量风机使用的设计问题，而te/vf是一个小容量风机兼作大容量风机使用的设计问题，后者的优势是设备小型化和不设置变频器。变频器可以多工况使用，而tvf配置的变频器仅为单工况使用，似没有充分使用其设备功能。对于1号线2台回/排风机并联兼作排烟风机使用的设计，业内一些人士有不同看法，为此下面借用本文前面所列出的技术参数进行具体计算分析说明，以表明个人的技术观点。图2所示的b型设计方案在正常运营时由tv/ef风机通过变频器按照tef的计算风量qy=36.4m3/s和计算风压hy=546pa进行运转（计算技术参数是按照tef风机选型技术参数风量和风压均考虑选型1.1的安全系数计算，即qy=qx/1.1=36.4m3/s，hy=hx/1.1=546pa，以下各种风机的计算技术参数（风量和风压）均按选型技术参数除以1.1考虑，同时将计算风量和风压视为风机运行的风量和风压），发生事故时tv/ef风机则按照tvf的计算风量qy=60/1.1=54.6m3/s和计算风压hy=1000/1.1=910pa进行运转。将1台tv/ef改为2台te/vf后，2台te/vf风机并联运行的特性曲线如图3所示，其系统阻力关系式可用h2=r2*q2表示，图中a2点是2台风机并联运行的计算工况点，a1点是2台风机并联运行时每台风机的运行的计算工况点，a点则是单台te/vf风机运行的计算工况点，其风量q（a）q（a1）=54.6/2=27.3m3/s，h2（a）h2（a1）=910pa，当然单台te/vf风机的运行时不能针对隧道通风系统管路，而应是针对站内隧道排热系统管路，后者的系统阻力关系式应当不同于前者，若用h1=r1*q2表示排热系统阻力关系，则工作点为b点，其风量q（b）可能q（a）或q（a）或q（a），三种情况均应是q（b）q（a1）。按照前面所述的风机选型技术参数可以反算出r2=0.305r1=0.412，因此图示是q（b）q（a）。显然，te/vf风机设备选型技术参数应按照2台并联运行的工况点进行设计。即为qx=30m3/s、hx=1000pa，nx=55kw、=1.6m、正反转风量相等；这种te/vf风机的装机容量比单独设置的tef风机大，但比tvf风机小，当然te/vf风机，单台运行时要满足站内隧道排热系统风量qy=36.4m3/s要求，2台风机并联运行时又要满足区间隧道通风系统风量qy=54.6m3/s要求，设计上存在一些难度，但只要风机特性曲线选择恰当，系统管网设计合理，两者都得到满足在设计上还是可以作到的，因为管网系统阻力系数r1、r2仅与系统断面尺寸、长度、摩擦阻力和局部阻力等因素有关。4、设备运转的能效性讨论通风机的能效性在设计中需要对三个方面进行关注或把关，首先是通风管网的阻力计算必须比较准确，其次是对各个厂家产品或不同系列风机进行对比分析准确选择效率较高者，第三是将风机的运行工况点设计在风机特性曲线高效率曲线范围内，只有把握住这些才能实现高能效的节能运行，在此前提下，b型方案则存在tv/ef效率低于tef的问题，因为同样风量风压条件下，具有正反转功能的风机效率总是低于单向运转的风机，因此b型方案的运行费用高于a型方案，这是b型方案美中不足之处。但是b型比a型方案所节省土建工程投资和设备购置费用远远大于其运营电费的增加值，作者估算节省的初期投资可以静态的让增加的运营电费使用100年以上。因此，b型方案尽管存在不足之处，作者仍然认为应当给予肯定，当然对其不足的地方需要加以研究改进。对于上述2台raf和2台te/vf风机，存在平时单台运行和火灾双台并列运行2个运行工况点的设计问题，要使2个工况点均处于高效率曲线范围内一般来说较为困难，只能将单台运行工况点设于风机特性曲线高效率范围内，火灾时2台并联运行的能效较差多耗电力则是不可避免的，是其不足之处，但多耗电费次数有限，因此个人认为它仍然是有价值的可以选择的设计方案。5、设备控制的简明化讨论个人认为环控专业的各个系统（包括隧道通风系统、大系统、小系统和水系统）设计均应尽可能的作到简洁明了控制简单才好，尤其是火灾事故时的控制模式。所谓简洁明了就是在满足设计标准的前提条件下，使系统功能尽可能的简单，使运转的风机和电动控制的风阀都尽可能的少设，作到设备少而精，控制简单明确一目了然。a型方案尽管设备较多及土建工程巨大，但因其系统分工明确控制相对简单而受到各方面普遍接受，相反b型方案因其需要功能转换（由正转到反转）和控制风阀较多而受到各方面的质疑，冲淡了取消2个进站端活塞通风道及其风亭的工程意义。三、地铁隧道通风系统设计改进建议方案介绍通过以上讨论本文提出图4所示的隧道通风系统设计建议方案（简称建议方案1），其基本特点是：（1）与b型方案一样取消了2个进站端活塞通风道及其风亭（为何赞同取消，作者将在第二篇地铁风亭数量问题讨论文章中进行分析和说明）。（2）与a型方案一样tvf与tef两个