1研究方案
1.1研究思路针对前述问题，提出以下研究思路：一是对轴流风机核心部件——叶轮重新进行设计改造，调整叶片安装角度，减少单位时间内的能耗。二是将变频技术应用到隧道通风控制中，实现对风机启动、运行的变频控制。三是隧道通风系统的节能降耗直接体现在风机工作时产生的风量与其耗电量的关系上，所以需要采集风机工作产生的风量及其耗电量数据进行分析。
1.2风量及耗电量采集方案风机风速及耗电量的采集在研究过程中，隧道通风的综合节能效果直接体现在每一次通风所能产生的风量及其耗电量的关系上。研究时采集记录每次风机工作所能输送的风量及其耗电量，借此观察在对风机进行改造及使用变频器之后，风机在产生相同风量的同时，耗电量是否明显减少。在不考虑天气因素的情况下，在同一个隧道的相同位置及相同时间内，通过该位置的风量只与通过的风速有关，即风量=风速*隧道截面积*通风时间。隧道引风洞的长度为28m左右，项目组选择将风速计安装在引风洞的出风口处，即距风机约27m处，这样能够尽量减少引风洞洞壁对测量的影响，能更好地采集到送入到隧道的风量。为了能够获得更加准确的风速数据，项目组在该处安装了3台风速计，左右洞壁各1台，在同一截面的中部安装1台，3台风速计呈正面三角形，分别测量左右洞壁处及中间处的风速。风机耗电量的采集则使用三相电参数采集器。原隧道通风设备的启动方式为软启动，风机改造之后启动方式改为变频启动。对风速及耗电量的采集在不同启动方式下采集方案略有不同，由此可以分为软启动采集方案及变频采集方案，这两种采集方案的框架图见图2所示。从方案框架图可以看出，变频采集方案只是在软启动采集方案中加入了变频器，通过变频器来改变风机的转动速度。
2轴流风机的改造及节能效果分析
基于计算流体动力学技术（简称CFD），对彭莫山在用的轴流风机的叶轮进行了三维建模，通过计算找到叶轮高效、稳定的工作点，同时通过模拟计算改变叶片的安装角，获得不同叶片安装角的工作特性曲线，并与国内同类型风机对比，得到以下研究结论：一是数值模拟的全压、轴功率特性变化规律符合轴流通风机的普遍规律；二是将叶片安装角按逆时针方向开大，风机流量、全压都会增大，需要功率也会增加；将叶片安装角按顺时针方向关小，风机的流量、全压都会减小，需要的功率会减小，但同时风机效率会有一定的下降；三是在实际工程应用中，由于加工、装配及工作环境的影响，实际工作效率一般比计算效率低，为了达到较高的工作效率，须注意控制叶尖间隙、控制叶片型面加工质量。
2.1风机改造方案根据以上研究结论，对风机进行了以下改造。
2.1.1减小叶片的截面积及增大叶片的浆距原老风机叶片的设计是使用常压风机设计，并不能充分利用火车通过隧道时产生的负压通风条件，使得通风的效率不高。新风机叶片对比老风机在设计上充分考虑到了火车在通过隧道时所产生的负压通风条件的特殊工作环境，针对此特殊工作环境重新设计了适合此工作环境的负压风机叶片，即减小叶片的截面积及增大叶片的浆距，使得新风机能够更加有效的利用火车通过时所产生的负压进行通风。
2.1.2叶片采用铝合金铸造新风机叶片采用铝合金精密铸造，增大了叶片一致性的优良性能，降低了叶轮在运行中因为各个叶片切风不一致而产生的空气喘震和各种有害的震动，并且新叶片重量更轻，降低叶轮运行时的惯性，提高工作效率。由于电机运转的负荷减轻，启动电流更小，能耗降低。
2.1.3对风机壳体和叶片的间隙进行填充使用玻璃钢环氧树脂对风机壳体和叶片之间的间隙进行填充，使得间隙保持在5mm以内，减少了风机的漏压，提高工作效率。
2.1.4调整叶片安装角度根据上述研究结论及安装经验，对新风机分别采用40°、42°、44°安装角进行了现场试验。根据试验结果，这3个角度中只有44°安装角的新风机与旧风机具有相同的出风量，且耗电量更低，所以叶片的安装角确定为44°。2.2风机改造前后的通风及节能效果分析在软启动情况下，旧风机每次通风时的风量及耗电量基本一致，但由于隧道内环境变化，如气温、自然风风速及风向不同，加上每次列车进入隧道的速度不同，监测点所监测到的风速会有一些差别。对风机改造前一个多月的监测数据进行分析可知，旧风机通风一次为12min，在监测点监测到的旧风机鼓风所能产生的平均风速保持在23~26m/s之间，通风一次的总耗电量约为20kw.h，每天平均需对隧道通风22~26次，则每天一台旧风机所消耗的电量为440~520kw.h，耗电量很大。在同为软启动方式下，新、旧风机的通风效果对比见表2所示。由于新风机对风机叶片设计和加工采用了新技术新材料，新风机叶片质量更轻，比旧风机整体轻了15kg，整体性能优于旧风机。所以在同为软启动、产生相同风速的情况下，新风机所消耗的电量比旧风机少1.3kw.h，即此时的新风机比旧风机节能6.4%。
3变频技术在隧道通风中的应用
彭莫山隧道通风系统中的风机设备采用交流异步电机直接驱动的方式运行，该方式存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现电机被烧毁的现象。出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，采用变频调速器（简称变频器）驱动的方案。隧道通风控制中应用变频调速技术是指通过改变供给电机的电源频率达到改变电机转速，进而控制风机风速的目的。而电机的能耗与风机的风速增加成三次方的关系，因此在满足风速要求的前提下，降低风机风速就能大幅降低电机的能耗，以达到高效、节能的目的。公式表明，n的变化是根据调整f、p和s而改变的。转差率s一般为0.01~0.07，在电动机的极对数不变的情况下，对交流电机进行调速的本质取决于同步转速的变化，即供电频率f的变化。所以，通过改变供给电机的电源频率，就可以达到改变风机风速的目的，进而达到降低通风系统节能降耗的要求。
4新风机与旧风机节能效果对比
新风机与旧风机在各种工况下，它们的通风效果不同，新、旧风机在各工况下某一次风机正常稳定工作情况下的通风效果对比见表3。对新、旧风机在各工况下A相电流进行统计可以看出，在软启动情况下，新、旧风机的相电流在开机瞬间会出现一个620A以上的大电流，然后才会下降到正常工作电流；而在使用变频器情况下，相电流没有出现瞬间大电流的情况，主要是平稳上升到正常工作电流。通过上述对比分析，可得出如下结论：1）旧风机在使用变频器的情况下，不能达到与软启动时等量的风量，因此旧风机不能通过变频达到节能的效果。2）在软启动情况下，新风机产生的风速与旧风机产生的风速基本一样，都达到了25m/s左右，但是新风机总耗电量为19.1kw.h，而旧风机总耗电量为20.4kw.h，据此计算，软启动下新风机比旧风机节省约6%的电量。3）新风机在风速为23~26m/s相同的情况下，在工频50HZ变频时，新风机能够比旧风机节能达到23%，而新风机在48HZ或45HZ变频工作时，新风机比旧风机更是能够节能到达30%~42%。这说明在使用了新风机并结合变频技术后，新风机的通风效果好且节能效果非常明显。4）从启动方式上看，软启动有一瞬间电流达到620A以上，该大电流对电机的冲击较大，而且该方式下风机产生的风速是瞬间从低风速达到稳定值20m/s以上，这将会严重影响风机的使用寿命；而变频启动的电流主要是平稳上升到稳定值，对电机的影响较小，该方式下风机产生的风速是缓慢增加到稳定值20m/s以上的，即风机先是慢速运转再是快速运转，对风机的冲击较小，延长风机的使用寿命。
5结束语
隧道通风系统由软启动方式变为变频启动、运行控制方式，避免了风机在软启动方式下对电机及风机造成的冲击，在节能的同时也延长了设备使用寿命。同时通过对风机进行物理改造及安装改进，确保风机在产生等量风量的情况下，比旧风机最大节省40%的电量，其节能效果非常明显，推广前景广阔。
作者：曾惠明 单位：南宁铁路局
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