隧道軸流風機及監控系統優化升級與改進研究

趙媛媛

（中鐵十八局集團泵業有限公司，河北 涿州 072750）

軸流風機因體積小、結構簡約、運行效果良好等優點被廣泛應用于煤礦、鐵路公路隧道工程通風等領域。它可以把隧道施工時產生的有害粉塵以及有毒氣體及時排出，同時為隧道補給新鮮的空氣[1]。但傳統軸流風機缺乏監測系統，不能對故障進行分析預測和超限報警，也不具備風量自動調節功能，存在耗能大、智能化程度低、操作復雜等缺陷，不能滿足現代隧道施工智能化、信息化和自動化建設的需要[2]。

為確保隧道施工安全平穩高效，對軸流風機及監控系統軟硬件進行優化升級與改進設計，通過相關軟件驗算軸流風機最高效運行數據，力求風機達到最佳運行質量，確保隧道施工安全。

1 軸流風機優化設計

通過軟件進行建模能夠直接發現軸流風機各個零件的氣體流動和受力情況，從而分析計算及模擬出軸流風機最高效運行時的最佳參數。

1.1 設計思路

葉輪在軸流風機結構和運行中起重要作用，其設計優劣對風機運行效率產生重要影響，而輪轂設計效果也直接影響風機的穩定性，因此設計時必須考慮輪轂和葉片間的連接方法。目前軸流風機有各式設計方案，本文參照北京建筑大學牛東霞《帶后導葉動葉可調軸流風機的優化設計》，采取“后導葉+葉輪”形式進行設計，參數見表1[3]。

表1 軸流風機設計參數

1.2 建立三維模型

根據表1 參數，借助三維建模軟件Creo2.0 對其進行建模。由圖1 可知，軸流風機模型葉片數為10 片，在輪轂四周均勻布置，為確保軸流風機出風的穩定性及安全性，在中心輪轂前后位置都進行了一定厚度的突出設計。

圖1 軸流風機的三維模型

1.3 模擬計算結果分析

借助模擬進行分析研究可見，無論輪轂比值大小，隨著變環量比值的變化，軸流風機最大效率均先迅速增長、后逐漸下降，而且輪轂比值愈大，風機最高效率愈大。由圖2 分析可知：變環量比值在1.1～1.3 區間時，軸流風機最高效率漸漸趨緩,效率趨向峰值[4]。

圖2 輪轂比不同的軸流風機最高效率-變環量曲線

分別對0.68、0.66、0.64、0.62 和0.60 等輪轂比不同的軸流風機進行分析，驗算出當輪轂比為0.68 時可實現軸流風機的最高效率。但研究發現，當輪轂比大于0.68 時，輪轂比越大葉片就越短，葉片流道中氣體流動的損失就越多，造成風機綜合性能變差，不僅降低了風機運行效率，還增加了風機尾部擴散筒的軸向直徑，加大了風機體積和增加加工成本。因此，要提升軸流風機的工作效率，應適當加大輪轂比，但不能過大。

要獲得軸流風機的最大工作效率，變環量比值的選擇也很關鍵。當設備滿足相關要求后，對變環量比值進行適當設計才能確保風機穩定高效運轉,獲得最佳通風效果。通過研究不同輪轂比軸流風機最高效率—變環量比值的驗算結果，可得出風機最高效率隨變環量比值呈先迅速增長后逐漸下降的趨勢。盡管風機效率在不同輪轂比時不盡相同，但當變環量比值處于1.1～1.3 區間時，風機運行效率最高，是最佳選擇。

按照軸流風機工作原理，氣體流動壓力和速度在流體穿越葉輪后顯著增加且運動方向立即出現偏轉。通過模擬風機流場空間速度場，研究出適當選擇風機轉速可對氣體流動的壓力、方向和速度有效提升，對運行環境有效改善，從而使通風效果達到最優狀態。當風機轉速約為73.99 m3/min 時,經過葉輪排出的氣體十分穩定，不存在旋渦和回流等狀況，軸流風機穩定高效運轉。

2 監控軟件系統優化設計

2.1 安裝查詢模塊方便數據分析

為全面掌握軸流風機運行情況，便于發生事故時能對風機運行數據實時分析，在監控系統中設置查詢模塊。通過曲線或數字顯示風機所有運行數據，并借助計算機打印查詢結果。同時將風機通風量和通風壓力作為查詢的關鍵詞之一，通過預設程序，可查詢所有歷史數據。監控系統可對設備運行參數進行自動收集并及時故障報警。另外在監控系統中安裝專家診斷軟件，依據參數變化對故障類型進行判斷，把原有的人工定期檢修變為系統自動檢修，確保系統全天候安全運行[5]。

2.2 安裝網絡通訊模塊實現遠程監控

軸流風機與監控中心距離較遠，為滿足遠程監控需求，外接網絡與系統連接遵循TCP 通訊協議，借助Winsock 控件組織編程，實現風機與監控中心點對點通信，達到對風機運行狀態數據信號的傳送和遠程監控。操作人員可在調度大廳通過遠程系統操控風機，且系統維護簡便，穩定性好，可實時顯示各類參數。監控系統正常運轉時，若風機出現故障，能在不停風狀態下自動倒機維修。

3 智能優化設計

3.1 配備負載傳感器

軸流風機電動機工作時會產生很多熱能，消耗大量電能，為實時監控耗能，選取穩定、性價比高的 CTC123 型負載傳感器[6]，相關參數見表2。

表2 CTC123 型負載傳感器主要參數

3.2 配備溫度傳感器

當軸流風機長時間處于開機狀態時，電機會長期處于高溫狀態，這對風機工作性能會產生不良影響。借助PT100 型溫度傳感器采集風機溫度變化，把信息傳輸到計算機進行分析處理，從而實現實時監測[7]。

3.3 配備壓力變送器

由軸流風機工作環境可知,壓力值直接影響隧道施工安全和風機工效。通過比選，在每個風道配置2 個SMP2088 型壓力變送器。該壓力變送器檢測范圍廣、準確率高，安裝在釆集柜內，便于向傳感器電源供電，同時使系統結構緊湊。

3.4 變頻器控制設計

為便于隧道主軸流風機的調速，增設變頻器監測控制系統（見圖3）。該系統可滿足多種功能需求，能在控制面板顯示變頻器的相關信息。

圖3 變頻器監控系統

3.5 抗干擾設計

為強化電機的抗干擾能力，可把LC 濾波電路設置在輸出、輸入端。系統實際運行時，通過LC濾波電路，可有效降低干擾電磁感應，確保變頻器穩定運轉。

3.6 應用效果

傳感器測試時，該監控系統可以精準、靈敏、快速地采集到軸流風機負載、震動、溫度等參數；同時在監控系統中設置了工作溫度、震動等臨界值，當風機超過臨界值時，系統會通過聲光報警來提示，同時將風機產生故障或異常情況的位置和原因顯示在顯示器中。

4 不停風設計

4.1 改進目的

為實現倒機維修不停風，把軸流風機入口處設計成水平對空風門和立式掛網風門，其中水平對空風門借助四個百葉窗快速靈活切換的優勢，對風機進行迅速切換，確保風機在倒機維修時保持通風平穩，防止維修期間隧道通風不暢情況發生[8]。

4.2 改進步驟

分析隧道實際情況后，首先對1 號軸流風機風門及監控系統進行改造，然后是2 號（見圖4）。

圖4 軸流風機風門及監控系統改造示意

（1）拆除1 號軸流風機水平對空風門位置的基礎后，安裝就地控制裝置及一套水平對空風門。（2）安裝自動倒機維修系統、各類控制單元和控制柜等。2 號風機的安裝步驟與1 號一致。安裝時間約40 天，期間風機正常運轉不受影響。

4.3 應用效果

此次改進升級切實攻克了傳統主通風系統無法實現倒機維修不停風、故障檢測效果差等技術難題，大大延長主軸流風機壽命，降低故障率，避免了倒主機時有害氣體的積聚，極大地提升了隧道通風穩定性，確保了隧道施工的安全高效。

5 防凍設計

不論是公路還是鐵路長大隧道，其溫度和濕度四季變化都非常明顯。在冬季，當隧道的風排到外面時，由于外部溫度較低，會讓風流里攜帶的水蒸汽產生液化現象。當隧道口風機高程比隧道的通風管高，特別是處于冬季高寒區域，每當攜帶水蒸氣的流動氣體途經引壓管最低點時，會不可避免產生凍結和堵塞，進而影響隧道里的空氣向外排出，最終影響風壓監控系統的監控功能[9]。為有效規避該現象，專門設計出風壓接線盒裝置（見圖5）。該裝置借助電信號傳輸，管道實現有效縮短并保持水平，規避管道彎曲產生冰凍，同時還起到中轉集結作用，把各種信號連接在控制柜上，便于倒機維修人員集中管理、檢測電纜信號線。

圖5 接線盒機構示意

6 結語

為使軸流風機處于最佳運行狀態，確保良好通風效果的同時實現降本增效，對軸流風機及監控系統軟硬件進行了優化升級與改進設計。葉輪在軸流風機所有結構和運行過程中都起到重要作用，參照牛東霞《帶后導葉動葉可調軸流風機的優化設計》，采取“后導葉+葉輪”的形式進行設計，當風機輪轂比為0.68、變環量比值為1.1～1.3 時，軸流風機運行效率最高。

為全面掌握軸流風機運行情況，通過安裝網絡通訊和查詢模塊優化監控軟件系統。通過配備負載傳感器、溫度傳感器等一系列智能化設計以及抗干擾、不停風、防凍設計，不僅有效保證了隧道軸流風機穩定運行，還使其在節能、抗干擾能力、運行安全性、運行效率等方面得到有效提升，改善了通風環境，提升了隧道施工作業條件。