長(zhǎng)大隧道鋪裝通風(fēng)中軸流風(fēng)機(jī)與柴油機(jī)功率匹配

李 喆，宋 雕，馮志勇，蘭 海

（1. 長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618000）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，修建了越來(lái)越多的長(zhǎng)大隧道，由于特長(zhǎng)公路隧道瀝青路面鋪裝過(guò)程中有毒氣體濃度較高，因此在施工過(guò)程中面臨的首要問(wèn)題是通風(fēng)［1-2］。軸流風(fēng)機(jī)具有流量大、揚(yáng)程低、全壓低的特點(diǎn)，適用于大流量、阻力小的管路系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于隧道通風(fēng)［3-4］。為了使軸流風(fēng)機(jī)更好地應(yīng)用在隧道通風(fēng)中，許多學(xué)者對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)做了研究，代言明等［5］對(duì)大斷面隧道中的風(fēng)機(jī)布置方式進(jìn)行了分析；劉紅蕊等［6］對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配進(jìn)行了研究；溫嘉斌［7］預(yù)測(cè)了對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)并分析了風(fēng)機(jī)兩級(jí)電機(jī)功率匹配問(wèn)題。然而，在隧道鋪裝通風(fēng)方面的文獻(xiàn)資料較為缺乏。隧道瀝青路面鋪裝時(shí)溫度高，有害氣體濃度大［8-9］，鋪裝時(shí)隧道內(nèi)未通電，需要為軸流風(fēng)機(jī)提供發(fā)電機(jī)組。若按一般根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的最大功率再考慮一個(gè)安全系數(shù)確定原動(dòng)機(jī)功率的方法選擇原動(dòng)機(jī)［10］，會(huì)因軸流風(fēng)機(jī)經(jīng)常工作在較低的功率區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)的經(jīng)常性工作點(diǎn)落在低效率區(qū)，功率浪費(fèi)嚴(yán)重。本文通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)與柴油機(jī)特性曲線(xiàn)的聯(lián)合分析，確定了1種高效、穩(wěn)定、低能耗、低排放的軸流風(fēng)機(jī)-柴油機(jī)功率匹配方法。

1 軸流風(fēng)機(jī)特性

圖1為一般軸流風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)，其中H為揚(yáng)程，p為全壓，PQ為功率。η為效率，qv為風(fēng)機(jī)流量。在風(fēng)阻一定的條件下，風(fēng)機(jī)葉輪每轉(zhuǎn)一圈的送風(fēng)量值為常數(shù)，風(fēng)機(jī)流量qv與葉輪轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性關(guān)系。H、p隨qv增加先下降至b點(diǎn)再上升至a點(diǎn)，再下降；PQ與qv成反比，PQ越大，qv越小；η隨著qv增加先增大后減小，出現(xiàn)最高效率點(diǎn)。

可以看出，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)流量穩(wěn)定在性能曲線(xiàn)d點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率η最高，為最佳工況。當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)流量減小，在a點(diǎn)附近工作，H、p出現(xiàn)峰值。流量繼續(xù)減小，風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程、全壓下降。

圖1 一般軸流風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)

由軸流風(fēng)機(jī)的H-qv、p-qv性能曲線(xiàn)可知，a點(diǎn)右側(cè)區(qū)域?qū)儆诜€(wěn)定工作區(qū)。軸流風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)時(shí)，機(jī)組能安全、平穩(wěn)的工作。在a點(diǎn)左側(cè)，性能曲線(xiàn)出現(xiàn)凹形區(qū)域，屬于不穩(wěn)定工作區(qū)域。風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)若落在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，流量、揚(yáng)程、全壓會(huì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，風(fēng)機(jī)和管道系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，噪聲大，這種不穩(wěn)定現(xiàn)象稱(chēng)為喘振。軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中要避免發(fā)生喘振［11-12］。

同類(lèi)型不同型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程全壓曲線(xiàn)變化規(guī)律相同，穩(wěn)定高效工作的區(qū)段相似。由于流量為零時(shí)所耗軸功率最大，按照能夠滿(mǎn)足軸流風(fēng)機(jī)最大功率要求的傳統(tǒng)選配方式進(jìn)行選擇，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的工作效率低、能耗高、廢氣排放量大。

2 柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)功率關(guān)系

2.1 柴油機(jī)功率

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［13］，發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)定的功率分為4種：15min功率，1h功率，12h功率和持續(xù)功率。15min功率為發(fā)動(dòng)機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15min的最大有效功率；1h功率為發(fā)動(dòng)機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1h的最大有效功率；12h功率為發(fā)動(dòng)機(jī)允許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12h的最大有效功率，其中包括超過(guò)10%標(biāo)定功率情況下連續(xù)運(yùn)行1h；持續(xù)功率為發(fā)動(dòng)機(jī)允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大有效功率。一般情況下，與發(fā)電機(jī)相配套的柴油機(jī)選用12h功率作為標(biāo)定功率［14］。在發(fā)電機(jī)組中，柴油機(jī)的一部分功率在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)損失掉，因此柴油機(jī)的功率大于發(fā)電機(jī)功率。從節(jié)能角度考慮，柴油機(jī)功率不宜過(guò)大，滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)功率需求即可。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出標(biāo)定功率時(shí)，實(shí)際所需的柴油機(jī)輸出功率可按式（1）計(jì)算［15］：

式中 Nf/kw——柴油機(jī)輸出功率；

PH/kw——機(jī)組的輸出功率；

Pe/kw——柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的標(biāo)定功率；

K1—— 柴油機(jī)功率修正系數(shù)（長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，K1=0.9，連續(xù)工作時(shí)間＜12h時(shí)，K1=1）；

Η——發(fā)電機(jī)的效率。

根據(jù)此式，即可確定柴油機(jī)經(jīng)常性工作功率范圍。

2.2 負(fù)載類(lèi)型的影響

不同類(lèi)型的負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)組容量的要求有較大差距。負(fù)載類(lèi)型一般分為電阻性、電感性等線(xiàn)性負(fù)載與內(nèi)含整流電路的非線(xiàn)性負(fù)載。其中電感性負(fù)載（如籠型三相異步電動(dòng)機(jī)）的特性是，啟動(dòng)時(shí)有很大的電流，而且功率因數(shù)低于正常運(yùn)轉(zhuǎn)值。對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)，它的啟動(dòng)電流為額定電流的2倍多，這就要求機(jī)組容量足夠大以滿(mǎn)足其啟動(dòng)要求。若按照啟動(dòng)電流大小匹配發(fā)電機(jī)組的功率，則正常運(yùn)行時(shí)功率遠(yuǎn)小于機(jī)組的額定功率，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

為了減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的影響，通常采用減壓起動(dòng)的方法，即在啟動(dòng)時(shí)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)，再把電壓恢復(fù)到正常值。

3 柴油機(jī)特性

3.1 柴油機(jī)工況

柴油機(jī)穩(wěn)定工況的范圍取決于從動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)。根據(jù)從動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，可將穩(wěn)定工況分為3類(lèi)：固定式工況、螺旋槳工況和面工況［16］。固定式工況是指內(nèi)燃機(jī)按固定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)工作，不論負(fù)荷如何改變，轉(zhuǎn)速基本保持不變的工況；螺旋槳工況指發(fā)動(dòng)機(jī)作為船用主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳時(shí)，在穩(wěn)定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與螺旋槳吸收的功率相等；面工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之間變化，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況范圍是1個(gè)面。當(dāng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)，不論負(fù)荷如何改變，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速總是在某一點(diǎn)附近，只有小幅度的變化，屬于固定式工況。

3.2 柴油機(jī)調(diào)速特性

圖2為柴油機(jī)調(diào)速特性曲線(xiàn)，其中Ttq為扭矩，單位為N·m，Pe為功率，單位為kW，be為燃油消耗率，單位為g/（kW·h），n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min，ntq為最大扭矩轉(zhuǎn)速，nbe為最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，ne為調(diào)速轉(zhuǎn)速。由于發(fā)電機(jī)組中柴油機(jī)總是在1個(gè)小的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，屬于固定式工況，因此經(jīng)常性工作轉(zhuǎn)速應(yīng)為ne，工作轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)位于圖2中的調(diào)速段B內(nèi)，此時(shí)調(diào)速器可以根據(jù)風(fēng)機(jī)功率的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速保持在小范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 柴油機(jī)調(diào)速特性曲線(xiàn)

3.3 柴油機(jī)負(fù)荷特性

負(fù)荷特性曲線(xiàn)表示發(fā)動(dòng)機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和其他參數(shù)隨負(fù)荷的變化關(guān)系。對(duì)于經(jīng)常在標(biāo)定轉(zhuǎn)速工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性曲線(xiàn)可判斷它在各種負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。圖3為柴油機(jī)在ne轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性曲線(xiàn)，圖中B為每小時(shí)燃油消耗量，單位為kg/h，φa為過(guò)量空氣系數(shù)，ηm為機(jī)械效率，ηi為指示熱效率，Pe為柴油機(jī)功率。

柴油機(jī)零負(fù)荷時(shí)，be為無(wú)窮大。逐漸增加負(fù)荷，過(guò)量空氣系數(shù)φa減小，機(jī)械效率ηm迅速升高，燃油消耗率be下降。在負(fù)荷點(diǎn)E時(shí)，燃油消耗率be達(dá)到最低值，為最佳經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)。負(fù)荷繼續(xù)增加，φa減小，混合氣的形成及燃燒惡化，ηi下降，be上升。當(dāng)負(fù)荷到達(dá)點(diǎn)1時(shí)，排氣出現(xiàn)黑煙，be快速上升（1～2段）。在達(dá)到相應(yīng)于點(diǎn)2的供油量后，繼續(xù)增加供油量功率也無(wú)法提高。由于工作過(guò)程惡化，Pe值反而下降（2～3段）。點(diǎn)1相當(dāng)于碳煙極限下限，點(diǎn)2相當(dāng)于碳煙極限上限［17］?？梢钥闯?，柴油機(jī)在低功率區(qū)燃油消耗率高，經(jīng)濟(jì)性差，因此進(jìn)行功率匹配時(shí)要避免選擇功率過(guò)大的柴油機(jī)；柴油機(jī)負(fù)荷特性燃油消耗率曲線(xiàn)的平坦區(qū)段C對(duì)應(yīng)著柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作段，因此軸流風(fēng)機(jī)理論工作功率應(yīng)匹配至柴油機(jī)負(fù)荷特性燃油消耗率曲線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)工作段，使柴油機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)附近工作，以得到良好的經(jīng)濟(jì)性和較好的環(huán)保性能。

圖3 柴油機(jī)在ne轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性曲線(xiàn)

3.4 柴油機(jī)萬(wàn)有特性

負(fù)荷特性只能反映柴油機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，不能表示燃油消耗率的變化，因此將不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線(xiàn)族進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到柴油機(jī)萬(wàn)有特性曲線(xiàn)。萬(wàn)有特性能夠全面地反映柴油機(jī)的性能，便于確定最經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍。最內(nèi)層的等耗油率曲線(xiàn)為最經(jīng)濟(jì)區(qū)域，曲線(xiàn)越向外，經(jīng)濟(jì)性越差。軸流風(fēng)機(jī)理論工作功率范圍匹配至柴油機(jī)萬(wàn)有特性最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)附近時(shí)，能夠得到良好的節(jié)能減排效果。當(dāng)柴油機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)在萬(wàn)有特性上部，并且等耗油率曲線(xiàn)在縱向范圍較大時(shí)，最經(jīng)濟(jì)區(qū)域?qū)?yīng)的功率較大且范圍較廣，適合在發(fā)電機(jī)組中使用。圖4為EQD6102-1型柴油機(jī)萬(wàn)有特性，圖5為Audi 5缸渦輪增壓柴油機(jī)萬(wàn)有特性，其中pme為平均有效壓力，Pe為柴油機(jī)功率，n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，be為燃油消耗率。

圖4 EQD6102-1型柴油機(jī)萬(wàn)有特性

圖5 Audi 5缸渦輪增壓柴油機(jī)萬(wàn)有特性

從圖4與圖5中可以看出，EQD6102-1型柴油機(jī)最低燃油消耗率be為218g/（kw·h），最大平均有效壓力pme在1800r/min時(shí)為800kPa，等油耗曲線(xiàn)在縱向范圍較窄，對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)工作功率區(qū)較小，轉(zhuǎn)速范圍較大；Audi 5缸渦輪增壓柴油機(jī)最低燃油消耗率為198g/（kw·h），最大平均有效壓力pme在2250r/min時(shí)為1350kPa，等耗油率曲線(xiàn)在縱向范圍較寬，經(jīng)濟(jì)區(qū)域?qū)?yīng)的功率范圍較大，轉(zhuǎn)速范圍較小。萬(wàn)有特性曲線(xiàn)形如Audi 5缸渦輪增壓柴油機(jī)萬(wàn)有特性的柴油機(jī)在發(fā)電機(jī)組中工作時(shí)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

4 軸流風(fēng)機(jī)-柴油機(jī)功率匹配

根據(jù)以上分析，為了讓軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，確定如下基于風(fēng)機(jī)特性和柴油機(jī)特性聯(lián)合分析的功率匹配方式。首先，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)，選擇合適的工作區(qū)，得到風(fēng)機(jī)理論功率范圍，即得到發(fā)電機(jī)組理論輸出功率范圍，其額定功率應(yīng)為此功率范圍上限。其次，將發(fā)電機(jī)組理論輸出功率上下限代入式（1）中，即可求出所需柴油機(jī)的經(jīng)常性工作區(qū)理論功率范圍。最后，根據(jù)負(fù)荷特性曲線(xiàn)和萬(wàn)有特性選擇合適的柴油機(jī)。它滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：（1）柴油機(jī)經(jīng)常性工作轉(zhuǎn)速應(yīng)是其調(diào)速轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變化范圍位于調(diào)速段內(nèi)；（2）此時(shí)柴油機(jī)負(fù)荷特性燃油消耗率曲線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)工作段應(yīng)包含上述功率范圍；（3）在柴油機(jī)萬(wàn)有特性曲線(xiàn)上，其工作功率范圍與轉(zhuǎn)速范圍對(duì)應(yīng)的燃油消耗率盡可能接近最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。這樣能夠保證風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效工作的同時(shí)，柴油機(jī)工作具有良好的節(jié)能減排效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在隧道瀝青路面鋪裝過(guò)程中，為了使軸流風(fēng)機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)能夠高效、穩(wěn)定、低能耗、低排放地工作，本文通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)和柴油機(jī)特性曲線(xiàn)分析得出了以下結(jié)論。

（1）軸流風(fēng)機(jī)的工作區(qū)應(yīng)選擇在最佳工況點(diǎn)附近，并且避免在喘振區(qū)內(nèi)，以保證它能高效穩(wěn)定工作。

（2）避免選擇功率過(guò)大的柴油機(jī)，柴油機(jī)經(jīng)常性工作轉(zhuǎn)速應(yīng)是調(diào)速轉(zhuǎn)速，且工作轉(zhuǎn)速范圍位于調(diào)速段，。

（3）基于對(duì)風(fēng)機(jī)特性與柴油機(jī)特性聯(lián)合分析，軸流風(fēng)機(jī)理論工作功率范圍應(yīng)匹配至柴油機(jī)負(fù)荷特性燃油消耗率曲線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)工作段，并盡可能接近萬(wàn)有特性的最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，以保證二者能夠高效、穩(wěn)定工作的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。