铁路隧道运营通风设计计算.docx
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铁路隧道运营通风设计计算
费尔干纳隧道运营通风设计计算
中吉乌铁路是新亚欧大陆桥南部支线的重要组成部分,该线南起中国境内的南疆铁路终点站喀什车站,出境后经吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦,西接乌兹别克斯坦的安集延车站,全长约660km,是东亚通往中亚、西亚、近东和南欧的新的便捷路径。
费尔干纳隧道是铁路穿越费尔干纳山脉的越岭隧道,设计近期为内燃牵引,预留远期电力牵引条件。
隧道全长有三种方案,分别为约14km、10km和7km,三种方案的低洞口端海拔高程分别为约2500m、2700m和2800m,洞内坡度均为15%。
单面坡。
现以最控制的14km方案进行运营通风计算,通风模式按自然通风、全纵向射流式、无幕帘洞口风道式、洞口风道加射流式、利用平行导坑半横向式以及利用辅助坑道(竖井、斜井)分段通风等几种方式分别进行运营通风分析计算,以此论证内燃牵引条件下14km长隧道方案的可行性以及其最佳通风模式。
一、初步拟定的通风计算基木参数
隧道长度匚二14000m,列车长度/尸650m,列车速度VT=35km/h=9.72m/s,自然风速Vn=l.5m/sx2m/s、2.5m/s,隧道摩阻系数入=0.021,隧道过风断而积F二35m"秦岭隧道II线为33.74m:
木隧道按1520mm轨距拟定内轮廓),隧道断面当量直径d二6.37m,列车平均断而积ft二12.6m:
隧道列车阻力系数暂取《规范》值为N二86X10=预计木线列车通过对数较少,允许通风时间较宽裕,故通风时间暂按60min^75min和90min三种匸况进行计算。
二、自然通风
木模式按隧道内不设机械通风设备,计算在自然风及列车活塞作用条件下隧道内通风换气一次所需要的时间,如果计算出的时间在允许通风时间内,则不需设置通风设备,经自然通风即可满足通风要求,反之则需安装一定的通风设备,经机械通风方可满足通风要求。
自然风作用引起的洞内风速由本地区年平均主导风向、平均风速、隧道两端洞口不同高程间的压力差、一年四季洞内外温差引起的空气流动等因素综合确定,是一个很复杂的空气动力学问题。
现根据本线境内段可研时收集的乌恰气象站(高程2175.7m)和托云气象站(高程3505m)气象资料,简化计算,按自然作用引起的洞内风速1.5m/s、2.Om/s和2.5m/s三种情况进行分析计算。
当洞内为1.5m/s顺风时,经计算列车尾出洞后洞内烟气长度Lq二9558m,自然通风时间tq=6372s=106.2min;当洞内为1.5m/s逆风时,洞内烟气长度Lq=9880m,自然通风时间tq=9333s=155.6min;当洞内为2.Om/s顺风时,洞内烟气长度Lq二9435m,自然通风时间tq=4717s=78.6min;当洞内为2.Om/s逆风时,洞内烟气长度Lq二10007m,自然通风时间tq二7000s二116.7min;当洞内为2.5m/s顺风时,洞内烟气长度Lq=9278m,自然通风时间tq=3711s=61.9min;当洞内为2.5m/s逆风时,洞内烟气长度Lq=10172m,自然通风时间tq二5600s二93.3min。
计算结果见表一。
自然通风计算结果汇总表表
自然风速
Vn(m/s)
风向
烟气长度
Lq(m)
排烟长度
L(m)
所需通风时间tq(min)
备注
1.5
顺风
9558
9558
106.2
>90min
1.5
逆风
9880
14000
155.6
>90min
2.0
顺风
9435
9435
78.6
>75min
2.0
逆风
10007
14000
116.7
>90min
2.5
顺风
9278
9278
61.9
>60min
2.5
逆风
10172
11000
93.3
>90min
由表一可知,当洞内自然风为1.5m/s逆风时,所需通风时间最长,为155.6分钟,而假定的对通风排烟最有利的洞内2.5m/s顺风时,所需通风时间最短,为61.9分钟,仍大于1小时。
考虑到自然作用产生的洞内风速、风向的不确定性,虽然允许通风时间较宽裕,对14km长大隧道在内燃牵引条件下的运营通风问题,仅仅依靠自然通风是不可靠的,应当考虑机械通风模式。
三、全纵向射流通风
1、射流通风现状
射流通风是在隧道内沿隧道纵向安装一定数量的射流风机作为动力压源,从而引起洞内风流运动,达到通风目的。
射流风机一般安装在低洞口端,向高洞口端吹风,射流风机多采用叶轮直径4)630mm和e900mm两种型号,根据计算出的所需风机台数分为n组安装,每组由多台射流风机组成,射流风机组n之间的间距一般为50m〜100m,或为隧道横断面水力直径的6〜8倍。
目前国内外公路隧道采用射流风机己很普遍,铁路隧道也有一些成功的实例。
在我国公路上第一座使用射流风机的公路隧道是甘肃省境内的七道梁隧道(隧道全长1560m,双车道、双向行车,89年7月通车,采用4)900型射流风机),铁路上初次使用是在焦柳铁路牙己隧道(隧道全长2528m,73年竣工使用,89年改装通风系统,采用4)630型射流风机)。
西康铁路秦岭特长隧道(18.4km)对运营通风方式进行了专门的立项研究,决定采用全纵向射流通风,I线隧道设48台射流风机,分8组安装,每组6台,组间距100m,II线隧道设42台射流风机,分7组安装,每组6台,组间距100m,均采用©630型射流风机。
针对费尔干纳隧道为特长隧道、内燃牵引,但预计允许通风时间较宽裕的特点,我们进行了全纵向射流通风方式的分析计算。
2、计算步骤
1列车活塞作用系数Km
Km=—学一⑴
(1-半)2
F
式中:
/t=650m,A=12.6m2,F=35m2,N=86X10_4o代入上式可求得
Km=13.65
2自然风阻力系数En、活塞风阻力系数§m.活塞风速Vm
乙=1.5+丛_
(2)
式中:
X=0.021,
Lt=14000m,d=6・37m,代入⑵、⑶式可求得
氛=47.65.,45.51
=3.491、仏=3.334、=0.2058心KmVT
代入⑷式可得:
Vz„=3.8238/^/5
3烟气长度Lq、排烟所需风量Qe、风速Ve右=心1_紂
VT
⑹、
2=色、匕=¥
匚F
将己知各参数代入(5)、(6)、⑺式可求得:
=9343m、Qe=90.836/n3/,V=2.595m/s
=9343m、Qe=72.669/”、Is、Ve=2.076mls
Lq=9343m、Qe=60.557nrIs、Ve=1.730m/s
当=60min时,Lq当tq=75min时,L([当4=90nin时,
④射流风机压力Pj、隧道通风阻力P\、自然风阻力Pn
(10)
及其它己知参数代入⑻、(9)、(10)三式可求得:
当.=60min时,Pz=12.0507Pa.巧=160.4897、Pr=95.3077
当tq=75nin时,匕=12・2209久八P,=102.7134A/>Pn=95.3077
当tq=90nin时,P}=12.3343Pa>马=71.3287Pa.Pn=95.3077Pa
⑤所需射流风机台数x
假设需安装n组射流风机,每组1台,则x=n,按下式计算所需射流风
(ID
机台数:
xP]=P〉・+Pn
当tq=75nin时,x=0.66台a1台
当tg=90nin时,a=-1.75台(不需设置机械通风)
说明:
以上计算均按洞内自然风2m/s顺风条件进行计算。
3、计算结果
其它条件下的计算结果汇总于表二(采用4)630风机,Vj=39.2m/s>
Fj=0.312m:
)o
费尔干纳隧道全纵向射流通风计算结果汇总表表二
自然
风速
Vn
tq
(min)
Km
gn
gm
Vm
(m/s)
Lq
(m)
Qe
(m3/s)
Ve
(m/s)
Pj
(Pa)
PX
(Pa)
Pn
(Pa)
X
冶)
1.5
60
13.65
47.65
45.51
3.66
9605
93.39
2.668
12.06
207.49
65.58
13.0
75
13.65
47.65
45.51
3.66
9605
74.71
2.135
12.23
132.80
65.58
6.1
90
13.65
47.65
45.51
3.66
9605
62.26
1.779
12.35
92.22
65.58
2.4
-1.5
60
13.65
47.65
45.51
3.22
10307
100.20
2.863
11.99
238.89
65.58
28.0
75
13.65
47.65
45.51
3.22
10307
80.16
2.290
12.18
152.89
65.58
19.8
90
13.65
47.65
45.51
3.22
10307
66.80
1.909
12.31
106.18
65.58
15.4
2.0
60
13.65
47.65
45.51
3.82
9343
90.84
2.595
12.08
196.32
116.58
7.3
75
13.65
47.65
45.51
3.82
9343
72.67
2.076
12.25
125.64
116.58
0.8
90
13.65
47.65
45.51
3.82
9343
60.56
1.730
12.37
87.25
116.58
-2.4
-2.0
60
13.65
47.65
45.51
3.04
10591
102.97
2.942
11.97
252.26
116.58
33.9
75
13.65
47.65
45.51
3.01
10591
82.37
2.354
12.16
161.44
116.58
25.2
90
13.65
47.65
45.51
3.04
10591
68.64
1.961
12.29
112.11
116.58
20.5
2.5
60
13.65
47.65
45.51
4.03
9014
87.63
2.504
12.11
182.72
182.16
0.1
75
13.65
47.65
45.51
4.03
9014
70.11
2.003
12.28
116.94
182.16
-5.3
90
13.65
47.65
45.51
4.03
9014
58.42
1.669
12.39
81.21
182.16
-8.2
-2.5
60
13.65
47.65
45.51
2.80
10967
106.63
3.046
11.93
270.50
182.16
41.8
75
13.65
47.65
45.51
2.80
10967
85.30
2.437
12.13
173.12
182.16
32.2
90
13.65
47.65
45.51
2.80
10967
71.08
2.031
12.27
120.22
182.16
27.1
0
60
13.65
47.65
45.51
3.44
9951
96.74
2.764
12.03
222.69
0
20.4
75
13.65
47.65
45.51
3.44
9951
77.40
2.211
12.21
142.52
0
12.9
90
13.65
47.65
45.51
3.44
9951
64.50
1.843
12.33
98.97
0
8.8
由上表可知,在假定的洞内自然风速、通风时间下,最有利的计算结果是隧道内不需设置机械通风(表中风机台数为负值),最不利的计算结果出现在洞内自然风为2.5m/s逆风,通风时间为60分钟,所需射流风机台数为41.8台,考虑1.1的风机备用系数,则射流风机总台数为46台(为便于布置,可按48台安装,分6组安装,每组8台),电机总功率为N=15X48=720kwo以上计算采用叶轮直径4)630mm型风机,对4)900mm型风机可另行计算。
如果允许通风时间减少,所需风机台数将大幅增长。
四、无幕帘洞口风道式
1、模式简况
通风道与风机设在低洞口端,上坡列车岀洞后,开风机进行吹入式通风,在允许通风时间内,将烟气由高洞口端排出。
木通风模式的优点是不需设置幕帘及控制设备,对行车安全感较好,缺点是需要的风机功率较大。
2、计算步骤
1§n、Em、Vm>Lq、Qe>Ve计算同射流通风。
2风量分配系数R、风机供风量Qg
»_-b+-b)+ab门、
-b
式中:
d=2+k半+§”(A)2dVe
b=2+k^
d
c=IncosO(4)
Ft(cos。
ll=、A=1T
F°2n
现拟定风道相关参数如下:
/严60加、&=15*\厶=100加、Le.=13900/nFq=7、8、9、10、11加2。
C,=心鲁⑸
计算结果汇总如表三(取Vn=~2m/s,tq=60min计算)。
R、Qg计算表表三
序号
计算项目
风道口而积F°(m2)
7
8
9
10
11
1
a=69・845+0.936^
76.397
77.333
78.296
79.205
80.141
2
/?
=2.33+0.0046化
2.362
2.367
2.371
2.376
2.381
3
c=67.615/Fo
9.659
8.452
7.513
6.762
6.147
4
R
0.372
0.350
0.331
0.315
0.302
5
Qg
290.64
308.91
326.64
343.23
358.06
由上表计算结果可知,风量分配系数R较小,以风道口面积Fo=7m2为例,20.372,也就是说,从风机吹入隧道的风量中仅有37.2%进入通风段,被用做隧道排烟,而有62.8%的风量通过短路段漏掉,但由于通过隧道的列车对数较少,所取的允许通风排烟时间宽裕(tq=60min),所以计算出的风机供风量Qg二290.64〜358.06m7s,还不是非常大,但风机效率太低,风机所做无用功较多。
3风机全压Hg计算
风流在隧道内流动过程中需要克服各种阻力才能将烟气排出洞外,为此,风机需提供足够的压力才能保证排烟的需要,即风机全压Hg,通风系统阻力由局部阻力和摩擦阻力组成,局部阻力是指隧道进口、出口、转弯、
断面变化等处对风流所形成的阻力,摩擦阻力是指风流与隧道周壁摩擦对
风流产生的阻力。
局部阻力的基本计算公式为:
hf=^V2(6)
2g〃
摩擦阻力的基本计算公式为:
他=儿丄旷(7)
d2g
风机全压的基本计算公式为:
Hv=2(^/—V/)+X(—xV;)+/?
0+/?
()⑻2g”dj2g
以上三式中:
§为局部阻力系数,入为摩擦阻力系数,h。
为风道口动压,P。
为风道口静压。
式⑻可简化为:
比=叭(巻)2。
拟定风道各项参数后,即可根据以上公式计算出所需风机全压Hgo计
算结果如表四。
风道总风阻Me、风机全压Hg计算表四
Fo(m2)
局部风阻
摩擦风阻
Mx
短路端风阻
M
总风阻
Me
风机供风量
Qg
(m3/s)
风机全压
Hg(Pa)
7
192.51
8.12
0.65
201.28
290.64
1697.5
8
162.97
8.12
0.70
171.79
308.91
1642.9
9
142.71
8.12
0.74
151.57
326.64
1617.5
10
128.22
8.12
0.77
137.12
343.23
1612.1
11
117.50
8.12
0.80
126.43
358.06
1621.0
从上表计算结果可以看出,风道口面积F。
与风机全压Hg直接相关,从而与风机轴功率Ng直接相关,由上表可知,当F0<10n?
时,随着F。
的增大,风机全压Hg逐渐减小,则风机轴功率Ng也相应减小,而当Fo>lOm:
时,随着F。
的增大,风机全压Hg又逐渐增大,则风机轴功率Ng也相应增大,所以,理论上讲,当风道口面积Fo=lOm2时,所需风机全压最低,风机轴功率最小,风机耗能最省。
4风机型号的选择确定
当确定风道口而积F0=10后,则可根据这一风道口面积时的风机供风量Q沪343.23m7s,所需风机全压Hg=1612.1Pa选定相适应的风机型号,并确定出风机的轴功率和电机功率。
风机轴功率计算公式:
匕=佟吕伙呵(9)
'1000〃
式中H为风机效率,一般可取n=0.80〜0.90。
所需电机功率计算公式:
N曲=N£(kw)(10)
式中取系数Ke二1.15、Ac二0.98、He二0.92。
由以上两式可计算得:
风机轴功率Nf674.78kw
所需电机功率心二860.69kw
如果风道内按两台风机并联设置,则风机配置如下:
风机数量:
2台
需风量:
2X171.6m7s
风机全压:
1612.lPa(此为计算需要全压,实际所配风机全压可能远大于它)。
风机轴功率:
2X337.4kw(此为计算值,与实际选配风机不符)。
电机功率:
2X430.3kw
五、有帘幕洞口风道式
1、模式简况
通风道与风机、帘幕均设在低洞口端,上坡列车出洞后,关闭帘幕开风机进行吹入式通风,在允许通风时间内,将烟气由高洞口端排出,其通风控制程序为先关帘幕,后开风机和先停风机,后开帘幕的方式。
木通风模式的优点是帘幕能控制风流方向,提高有效风量,能耗较低,缺点是需设置帘幕及控制设备,对行车安全感较不利。
2、计算步骤
1列车活塞风速Vm、烟气段长度Lq、隧道排烟所需风速Ve、风量Qe的计算与无帘幕洞口风道式相同。
2需要的风机风量Qg
因帘幕不可能完全密闭,为安全计,计算时应计入一定的漏风率。
假
如风量分配系数为R,则漏风率为l-R,R计算同前,即:
a-b
一Z?
+Jc(a一〃)+ub
R=
其中b按下式计算(R<1):
心2+£(1+臥
式中轨为帘幕缝隙局部阻力系数,取齢=0.5;Fi为帘幕漏风孔隙总而积。
需要的风机供风量为:
2*寻"“亡用牛⑶
计算结果见表五(取Vn=-2m/s,tq=60min计算)。
R、1-RvQg计算表表五
号
计算项目
风道口面积F。
(m2)
7
8
9
10
11
1
a=69.845+0.936厲
76.397
77.333
78.296
79.205
80.141
2
b=1838.38+25.35你
2015.83
2041.18
2066.53
2091.88
2117.23
3
c=67.615/F()
9.659
8.452
7.513
6.762
6.147
4
R
0.850
0.848
0.847
0.846
0.845
5
1-R
0.150
0.152
0.153
0.154
0.155
6
Qg
127.24
127.50
127.70
127.86
127.99
在隧道低洞口端设置帘幕并考虑帘幕一定漏风率的情况下,通风所需风量大大降低,约为无帘幕所需风量的44%〜36%(F°=7〜11m2),而且由以上计算可知,在有帘幕情况下,风道口而积F。
对风量分配比R的影响很小,R的大小直接取决于帘幕漏风情况,若帘幕完全密闭(理想状态下),则R二1,所需风机供风量Qg最小,随帘幕漏风率的增大,R值减小,所需风机供风量Qg将逐渐增大。
3需要的风机全压Hg
对有帘幕洞口风道式通风,F。
大小对通风计算影响很小,应在结构和施工许可的情况下,F。
尽量取大值,现以F0=10m2进行所需风机全压计算。
在风机全压Hg的计算过程中,风道口静压换算风阻与无帘幕式通风不
同,可按下式计算:
式中丄代表风道口动压部分,其余局部风阻和摩擦风阻的计算同无帘幕洞
口风道式通风。
计算结果见表六。
风道总风阻Me、风机全压Hg计算表六
Fo(m2)
局部风阻
M©
摩擦风阻
Mx
风道口静压换算风阻M
总风阻
风机供风量
Qg
(m3/s)
风机全压
Hg(Pa)
10
66.15
8.12
379.01
153.58
127.86
741.5
由以上计算可知,有帘幕和无帘幕相比较,有帘幕洞口风道式通风方式所需风机供风量在相同计算条件下仅为无帘幕式的约37%,所需风机全压仅为无帘幕式的约46%o
4计算风机所需轴功率
根据风机供风量Qg二127.86m3/s,所需风机全压H沪741.5Pa选定相适应的风机型号,并确定出风机的轴功率和电机功率。
风机轴功率计算公式:
化=兰必生伙呵(5)
'1000〃
所需电机功率计算公式:
N曲=N(kw)(6)
由以上两式可计算得:
风机轴功率N^U5.62kw
所需电机功率血二147.47kw
计算可知,风机轴功率和所需电机功率均为无帘幕时的约17%,比无帘幕时大大降低。
如果风道内按一台风机设置,则风机配置如下:
风机数量:
1台
需风量:
127.86m7s
风机全压:
741.5Pa(此为计算需要全压,实际所配风机全压可能远大
于它)。
风机轴功率:
115.62kw(此为计算值,与实际选配风机不符)。
电机功率:
147.47kwc
5帘幕压力计算
a>正常压力P
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