长大隧道铺装通风中轴流风机与柴油机功率匹配

2020-03-13冯志勇

建筑机械 2020年1期

李喆，宋雕，冯志勇，兰海

（1. 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064；2. 四川川交路桥有限责任公司，四川广汉 618000）

随着我国交通运输业的高速发展，修建了越来越多的长大隧道，由于特长公路隧道沥青路面铺装过程中有毒气体浓度较高，因此在施工过程中面临的首要问题是通风［1-2］。轴流风机具有流量大、扬程低、全压低的特点，适用于大流量、阻力小的管路系统，广泛应用于隧道通风［3-4］。为了使轴流风机更好地应用在隧道通风中，许多学者对隧道运营通风做了研究，代言明等［5］对大断面隧道中的风机布置方式进行了分析；刘红蕊等［6］对风机的转速匹配进行了研究；温嘉斌［7］预测了对旋轴流风机的流场并分析了风机两级电机功率匹配问题。然而，在隧道铺装通风方面的文献资料较为缺乏。隧道沥青路面铺装时温度高，有害气体浓度大［8-9］，铺装时隧道内未通电，需要为轴流风机提供发电机组。若按一般根据轴流风机的最大功率再考虑一个安全系数确定原动机功率的方法选择原动机［10］，会因轴流风机经常工作在较低的功率区域内，导致原动机的经常性工作点落在低效率区，功率浪费严重。本文通过对轴流风机性能曲线与柴油机特性曲线的联合分析，确定了1种高效、稳定、低能耗、低排放的轴流风机-柴油机功率匹配方法。

1 轴流风机特性

图1为一般轴流风机性能曲线，其中H为扬程，p为全压，PQ为功率。η为效率，qv为风机流量。在风阻一定的条件下，风机叶轮每转一圈的送风量值为常数，风机流量qv与叶轮转速呈线性关系。H、p随qv增加先下降至b点再上升至a点，再下降；PQ与qv成反比，PQ越大，qv越小；η随着qv增加先增大后减小，出现最高效率点。

可以看出，当轴流风机流量稳定在性能曲线d点时，风机的效率η最高，为最佳工况。当轴流风机流量减小，在a点附近工作，H、p出现峰值。流量继续减小，风机的扬程、全压下降。

图1 一般轴流风机特性曲线

由轴流风机的H-qv、p-qv性能曲线可知，a点右侧区域属于稳定工作区。轴流风机的工作点落在稳定工作区内时，机组能安全、平稳的工作。在a点左侧，性能曲线出现凹形区域，属于不稳定工作区域。风机的工作点若落在这个区域内，流量、扬程、全压会出现大幅度波动，风机和管道系统产生强烈的振动，噪声大，这种不稳定现象称为喘振。轴流风机在运转过程中要避免发生喘振［11-12］。

同类型不同型号的轴流风机的扬程全压曲线变化规律相同，稳定高效工作的区段相似。由于流量为零时所耗轴功率最大，按照能够满足轴流风机最大功率要求的传统选配方式进行选择，会导致柴油机的工作效率低、能耗高、废气排放量大。

2 柴油机与发电机功率关系

2.1 柴油机功率

根据国家标准［13］，发动机铭牌上标定的功率分为4种：15min功率，1h功率，12h功率和持续功率。15min功率为发动机允许连续运转15min的最大有效功率；1h功率为发动机允许连续运转1h的最大有效功率；12h功率为发动机允许连续运转12h的最大有效功率，其中包括超过10%标定功率情况下连续运行1h；持续功率为发动机允许长期连续运转的最大有效功率。一般情况下，与发电机相配套的柴油机选用12h功率作为标定功率［14］。在发电机组中，柴油机的一部分功率在能量转换过程中会损失掉，因此柴油机的功率大于发电机功率。从节能角度考虑，柴油机功率不宜过大，满足发电机功率需求即可。当发电机输出标定功率时，实际所需的柴油机输出功率可按式（1）计算［15］：

式中 Nf/kw——柴油机输出功率；

PH/kw——机组的输出功率；

Pe/kw——柴油机在标准环境下的标定功率；

K1—— 柴油机功率修正系数（长期运行时，K1=0.9，连续工作时间＜12h时，K1=1）；

Η——发电机的效率。

根据此式，即可确定柴油机经常性工作功率范围。

2.2 负载类型的影响

不同类型的负载对发电机组容量的要求有较大差距。负载类型一般分为电阻性、电感性等线性负载与内含整流电路的非线性负载。其中电感性负载（如笼型三相异步电动机）的特性是，启动时有很大的电流，而且功率因数低于正常运转值。对于轴流风机电机，它的启动电流为额定电流的2倍多，这就要求机组容量足够大以满足其启动要求。若按照启动电流大小匹配发电机组的功率，则正常运行时功率远小于机组的额定功率，这显然是不经济的。

为了减小电动机起动时的影响，通常采用减压起动的方法，即在启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机转速接近稳定时，再把电压恢复到正常值。

3 柴油机特性

3.1 柴油机工况

柴油机稳定工况的范围取决于从动机的工作特点。根据从动机的工作特点，可将稳定工况分为3类：固定式工况、螺旋桨工况和面工况［16］。固定式工况是指内燃机按固定转速驱动从动机工作，不论负荷如何改变，转速基本保持不变的工况；螺旋桨工况指发动机作为船用主机直接驱动螺旋桨时，在稳定工况下，发动机发出的功率与螺旋桨吸收的功率相等；面工况是指发动机的转速可以在最低稳定转速和最高转速之间变化，发动机的工况范围是1个面。当柴油机驱动发电机工作时，不论负荷如何改变，柴油机转速总是在某一点附近，只有小幅度的变化，属于固定式工况。

3.2 柴油机调速特性

图2为柴油机调速特性曲线，其中Ttq为扭矩，单位为N·m，Pe为功率，单位为kW，be为燃油消耗率，单位为g/（kW·h），n为柴油机转速，单位为r/min，ntq为最大扭矩转速，nbe为最佳经济转速，ne为调速转速。由于发电机组中柴油机总是在1个小的转速范围内工作，属于固定式工况，因此经常性工作转速应为ne，工作转速范围应位于图2中的调速段B内，此时调速器可以根据风机功率的变化，自动调节循环供油量，使柴油机转速保持在小范围内运转。

图2 柴油机调速特性曲线

3.3 柴油机负荷特性

负荷特性曲线表示发动机在某一固定转速下，经济性指标和其他参数随负荷的变化关系。对于经常在标定转速工作的发动机，根据标定转速的负荷特性曲线可判断它在各种负荷时的经济性。图3为柴油机在ne转速下负荷特性曲线，图中B为每小时燃油消耗量，单位为kg/h，φa为过量空气系数，ηm为机械效率，ηi为指示热效率，Pe为柴油机功率。

柴油机零负荷时，be为无穷大。逐渐增加负荷，过量空气系数φa减小，机械效率ηm迅速升高，燃油消耗率be下降。在负荷点E时，燃油消耗率be达到最低值，为最佳经济工况点。负荷继续增加，φa减小，混合气的形成及燃烧恶化，ηi下降，be上升。当负荷到达点1时，排气出现黑烟，be快速上升（1～2段）。在达到相应于点2的供油量后，继续增加供油量功率也无法提高。由于工作过程恶化，Pe值反而下降（2～3段）。点1相当于碳烟极限下限，点2相当于碳烟极限上限［17］。可以看出，柴油机在低功率区燃油消耗率高，经济性差，因此进行功率匹配时要避免选择功率过大的柴油机；柴油机负荷特性燃油消耗率曲线的平坦区段C对应着柴油机的经济工作段，因此轴流风机理论工作功率应匹配至柴油机负荷特性燃油消耗率曲线的经济工作段，使柴油机在最佳经济工况点附近工作，以得到良好的经济性和较好的环保性能。

图3 柴油机在ne转速下负荷特性曲线

3.4 柴油机万有特性

负荷特性只能反映柴油机在某一固定转速下的经济性，当转速波动时，不能表示燃油消耗率的变化，因此将不同转速下的负荷特性曲线族进行坐标转换，得到柴油机万有特性曲线。万有特性能够全面地反映柴油机的性能，便于确定最经济的负荷和转速范围。最内层的等耗油率曲线为最经济区域，曲线越向外，经济性越差。轴流风机理论工作功率范围匹配至柴油机万有特性最佳经济工作区附近时，能够得到良好的节能减排效果。当柴油机的最佳经济工作区在万有特性上部，并且等耗油率曲线在纵向范围较大时，最经济区域对应的功率较大且范围较广，适合在发电机组中使用。图4为EQD6102-1型柴油机万有特性，图5为Audi 5缸涡轮增压柴油机万有特性，其中pme为平均有效压力，Pe为柴油机功率，n为柴油机转速，be为燃油消耗率。

图4 EQD6102-1型柴油机万有特性

图5 Audi 5缸涡轮增压柴油机万有特性

从图4与图5中可以看出，EQD6102-1型柴油机最低燃油消耗率be为218g/（kw·h），最大平均有效压力pme在1800r/min时为800kPa，等油耗曲线在纵向范围较窄，对应的经济工作功率区较小，转速范围较大；Audi 5缸涡轮增压柴油机最低燃油消耗率为198g/（kw·h），最大平均有效压力pme在2250r/min时为1350kPa，等耗油率曲线在纵向范围较宽，经济区域对应的功率范围较大，转速范围较小。万有特性曲线形如Audi 5缸涡轮增压柴油机万有特性的柴油机在发电机组中工作时具有更好的经济性。

4 轴流风机-柴油机功率匹配

根据以上分析，为了让轴流风机稳定工作时柴油机具有良好的经济效益，确定如下基于风机特性和柴油机特性联合分析的功率匹配方式。首先，根据轴流风机性能曲线，选择合适的工作区，得到风机理论功率范围，即得到发电机组理论输出功率范围，其额定功率应为此功率范围上限。其次，将发电机组理论输出功率上下限代入式（1）中，即可求出所需柴油机的经常性工作区理论功率范围。最后，根据负荷特性曲线和万有特性选择合适的柴油机。它满足以下3个条件：（1）柴油机经常性工作转速应是其调速转速，转速变化范围位于调速段内；（2）此时柴油机负荷特性燃油消耗率曲线的经济工作段应包含上述功率范围；（3）在柴油机万有特性曲线上，其工作功率范围与转速范围对应的燃油消耗率尽可能接近最佳经济工作区。这样能够保证风机稳定高效工作的同时，柴油机工作具有良好的节能减排效果。