轨道交通风机运行参数的集成测量方法

刘 昶 张 瑞 蒋洪涛 惠咏薇 王绍兴 莫鑫宇

（1.广州地铁集团有限公司；2.浙江上风高科专风实业有限公司）

轨道交通风机运行参数的集成测量方法

刘 昶1张 瑞1蒋洪涛2惠咏薇1王绍兴1莫鑫宇1

（1.广州地铁集团有限公司；2.浙江上风高科专风实业有限公司）

以轨道交通风机为研究对象，重点阐述了轨道交通风机运行参数的集成测量系统，并根据电表统计数据，实时计算出轨道交通风机的在线运行效率，为轨道交通风机的运行节能提供了重要依据。

轨道交通风机；运行参数；测量；方法；效率；集成测量系统

0 引言

城市轨道交通具有改善城市环境、缓解交通拥挤及节约能源的优势，相对于其它城市公共交通工具而言，具有安全舒适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。虽然按同等运能比较，轨道交通比其他交通形式能耗小，但由于其大运量的特点，使得总耗电量相当大，是耗能大户，仍有节能潜力[1-2]。

据统计，目前我国轨道交通风机运行能耗巨大，约占轨道交通通风系统能耗的50%以上。一个特别重要的原因在于，设计选型的不合理、系统阻力计算的不准确导致风机性能参数选择裕量太大，大多数风机实际运行在大马拉小车的状态，需要经常用导叶来调节气体的流量，导致大量的功率损失消耗在导叶调节上[3]。因此，实时掌握轨道交通风机的运行参数对轨道交通通风系统的节能降耗具有十分重大的意义。

目前，风机系统的测量[4]通常都采用皮托管或其他插入式流量计在风机的进口和出口管道断面上测量气体流速（流量）和用电表测量电动机运行参数相结合的方法，此种测量方式受风机系统实际生产工艺所限。首先，市场上现有的插入式流量计[5]通常都是针对天然气、蒸汽等大流量、高流速、高压力的测量应用场合，结构笨重，一般固定安装在管道上，不能轻易移动，无法适应各类轨道交通风机的使用要求；此外，轨道交通风机系统的进出口管道通常都是密封的，而且管道内空气通常都具有一定的温度和压力，要使用皮托管或其他插入式流量计的前提是必须在管道上开孔，无论从安全性还是可操作性上来说实现都很复杂，因此开发一种轨道交通风机运行参数的集成测量方法，可以从根本上解决传统测量手段单一、测量过程复杂以及测量结果不可靠等问题。

1 轨道交通风机

城市轨道交通风机一般用于有轨电车、地铁、轻轨、磁悬浮交通、单轨交通、市郊铁路等轨道交通线路内，大部分为轴流通风机，其工作原理为：当叶轮旋转时，气体从进风口轴向进入叶轮，受到叶轮上叶片的推挤而使气体的能量升高，然后流入导叶。导叶将偏转气流变为轴向流动，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入通风管路[6]。一种典型的轨道交通风机的示意图如图1所示。

图1 壁式轴流通风机示意图Fig.1 Wall-type axial flow fan

2 集成测量流程图

2.1 风机流量测量流程图（图2）

图2 风机流量测量流程图Fig.2 Flow chart of fan flow measurement

2.2 风机运行效率测量流程图（图3）

图3 风机运行效率测量流程图Fig.3 Flow chart of fan operational efficiency

2.3 测试断面图及传感器仪表说明

图4中，测试断面1-1为风机进口1测试断面，测试断面2-2为风机进口2测试断面，测试断面3-3为风机出口测试断面。

图4 轴流通风机测试断面位置图Fig.4 Axial flow fan test section diagram

测试传感器及仪器仪表说明：温度传感器采用大连久茂温度传感器902005系列产品，压力传感器采用大连久茂压力传感器401001(2)系列产品，电表采用长沙威盛DTSD341-MB3G系列产品。

3 具体测量步骤

3.1 风机流量测量

1）如图3所示，将温度和压力传感器布置在风机进口管道断面1-1和2-2中，用以测量风机进口气体的压力和温度，风机进口1的温度传感器与风机进口1的压力传感器应布置于管道同一断面1-1上，风机进口2的温度传感器与风机进口2的压力传感器也应布置于管道同一断面2-2上，并保证互不干扰[7-8]。

2）测量风机进口1处的气体平均压力----pin1、风机进口2处的气体平均压力、风机进口1处的气体平均温度，风机进口2处的气体平均温度，并采用以下公式计算风机进口的气体流量Q：

将风机进口1处的气体压力分为N个采样点pin11，pin12……pin1N，风机进口2处的气体压力也分为N个采样点pin21，pin22……pin2N，采样点的数量及分布详细参照通风机性能测试标准[9]，在每一点测试工况下，稳定10min后进行测量，在测量期间，运行工况应保持不变，则风机进口1、进口2平均气体压力分别为

将风机进口1处的气体分为M个采样点tin11，tin12……tin1M，在每一点测试工况下，稳定10min后进行测量，在测量期间，运行方式应保持不变，则风机进口平均气体温度分别为

其中，ρin1为风机进口处的气体密度，kg/m³；△pk为风机进口1，2断面的气体静压差，Pa；p0为当地大气压力，Pa；pin1ab为风机进口绝对压力，Pa；k为流量系数，取0.9～1.3，根据风机运行工况真实风量反推计算得到。

3.2 风机效率测量

3）利用步骤2）中得到的一些参数，并进一步测量风机进出口传感器布置断面截面积，结合电表的读数，风机的运行效率可采用以下公式计算得到：

风机进出口断面气体重度的表达式为

根据风机进出口传感器布置断面截面积，得到风机进出口断面气体流速分别为

风机进出口断面气体动压表示成

风机进出口气体全压的计算公式为

根据上述计算结果推导得到风机全压的表达式

正确读出电表的读数，计算风机电动机消耗的轴功率的公式为

则最终得到风机运行效率的表达式

以上各式中，γ0为标准状态下大气重度，N/m³；γin1，γout为风机进出口处气体重度，N/m³；Fin1，Fout分别为风机进出口管道截面积，m2；vin1，vout分别为风机进出口气体流速，m/s；pdin1，pdout分别为风机进出口气体动压，Pa；Hin1，Hout分别为风机进出口气体全压，Pa；H为风机全压，Pa；U，I，P分别为电动机电压V，电流A和消耗的轴功率W；ηd，ηt，η分别为电动机效率、传动效率和风机的运行效率，其中电动机效率及传动效率根据电机厂提供的不同工况条件下的实测效率曲线数据取值。

4 结论

针对轨道交通风机这一研究对象，重点阐述了轨道交通风机运行参数的集成测量方法，获得了风机特定运行工况下的流量、压力等重要参数，并根据电表统计数据，实时计算出风机的在线运行效率[11]，为轨道交通风机的运行节能提供了重要依据。

[1]宋敏华.城市轨道交通节能技术发展趋势研究[J].工程建设与设计,2009(1):15-19.

[2]盛艳波.我国大城市轨道交通发展前景分析[J].交通建设与管理,2007(Z1):42-46.

[3]吴珂,方飞龙,朱凯，等.基于FLUENT的隧道射流风机最佳安装倾斜角研究[J].风机技术,2014(6):17-21.

[4]沈洪森.自制离心风机流量测量装置[J].化工自动化及仪表, 1983(5):32-33,22.

[5]沈新荣,单力钧,林雄伟,等.一种插入式流量计的研究[J].流体传动与控制,2008(3):4-5,8.

[6]刘宣佐.轴流风机数值模拟的若干问题探讨[D].浙江大学,2015.

[7]李一兴,叶增明,杨荣蔚,等.组态软件在风机测试及控制中的应用与改进[J].风机技术,2001(6):46-48.

[8]王振杰,张超凡.智能数据采集系统在风机测试中的应用研究[J].价值工程,2013(23):205-206.

[9]华人民共和国机械电子工业部.GB 10178-88,通风机现场试验[S].北京:中国标准出版社，1988.

[10]余学文.测定矿井风机风量的静压差法[J].江西煤炭科技,2000 (1):30-31.

[11]AMCA.风机效率在实现节能目标中的作用[C].烟台:首届中国风机学术会议,2013.

Integrated Measurement System for the Operational Parameters of a Rail Transit Fan

Chang Liu1Rui Zhang1Hong-tao Jiang2Yong-wei Hui1Shao-xing Wang1Xin-yu Mo1
（1.Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.；2.Zhejiang Shangfeng Special Blower Industrial Co.,Ltd.）

This paper focuses on an integrated measurement system for the operational parameters of a rail transit fan including the average pressure and temperature,the static pressure difference,air density,and air flow in the outlet.According to the statistical data from the ammeter,it calculates in real-time the online operational efficiency and provides an important basis for the energy-saving operation of the rail transit fan.

Rail transit fan;operational parameters;efficiency;integrated measurement system

TH413；TK05

：1006-8155-(2017)01-0076-04

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0010

2016-11-20 广东 广州 510335