隧道轴流风机及监控系统优化升级与改进研究

赵媛媛

（中铁十八局集团泵业有限公司，河北 涿州 072750）

轴流风机因体积小、结构简约、运行效果良好等优点被广泛应用于煤矿、铁路公路隧道工程通风等领域。它可以把隧道施工时产生的有害粉尘以及有毒气体及时排出，同时为隧道补给新鲜的空气[1]。但传统轴流风机缺乏监测系统，不能对故障进行分析预测和超限报警，也不具备风量自动调节功能，存在耗能大、智能化程度低、操作复杂等缺陷，不能满足现代隧道施工智能化、信息化和自动化建设的需要[2]。

为确保隧道施工安全平稳高效，对轴流风机及监控系统软硬件进行优化升级与改进设计，通过相关软件验算轴流风机最高效运行数据，力求风机达到最佳运行质量，确保隧道施工安全。

1 轴流风机优化设计

通过软件进行建模能够直接发现轴流风机各个零件的气体流动和受力情况，从而分析计算及模拟出轴流风机最高效运行时的最佳参数。

1.1 设计思路

叶轮在轴流风机结构和运行中起重要作用，其设计优劣对风机运行效率产生重要影响，而轮毂设计效果也直接影响风机的稳定性，因此设计时必须考虑轮毂和叶片间的连接方法。目前轴流风机有各式设计方案，本文参照北京建筑大学牛东霞《带后导叶动叶可调轴流风机的优化设计》，采取“后导叶+叶轮”形式进行设计，参数见表1[3]。

表1 轴流风机设计参数

1.2 建立三维模型

根据表1 参数，借助三维建模软件Creo2.0 对其进行建模。由图1 可知，轴流风机模型叶片数为10 片，在轮毂四周均匀布置，为确保轴流风机出风的稳定性及安全性，在中心轮毂前后位置都进行了一定厚度的突出设计。

图1 轴流风机的三维模型

1.3 模拟计算结果分析

借助模拟进行分析研究可见，无论轮毂比值大小，随着变环量比值的变化，轴流风机最大效率均先迅速增长、后逐渐下降，而且轮毂比值愈大，风机最高效率愈大。由图2 分析可知：变环量比值在1.1～1.3 区间时，轴流风机最高效率渐渐趋缓,效率趋向峰值[4]。

图2 轮毂比不同的轴流风机最高效率-变环量曲线

分别对0.68、0.66、0.64、0.62 和0.60 等轮毂比不同的轴流风机进行分析，验算出当轮毂比为0.68 时可实现轴流风机的最高效率。但研究发现，当轮毂比大于0.68 时，轮毂比越大叶片就越短，叶片流道中气体流动的损失就越多，造成风机综合性能变差，不仅降低了风机运行效率，还增加了风机尾部扩散筒的轴向直径，加大了风机体积和增加加工成本。因此，要提升轴流风机的工作效率，应适当加大轮毂比，但不能过大。

要获得轴流风机的最大工作效率，变环量比值的选择也很关键。当设备满足相关要求后，对变环量比值进行适当设计才能确保风机稳定高效运转,获得最佳通风效果。通过研究不同轮毂比轴流风机最高效率—变环量比值的验算结果，可得出风机最高效率随变环量比值呈先迅速增长后逐渐下降的趋势。尽管风机效率在不同轮毂比时不尽相同，但当变环量比值处于1.1～1.3 区间时，风机运行效率最高，是最佳选择。

按照轴流风机工作原理，气体流动压力和速度在流体穿越叶轮后显著增加且运动方向立即出现偏转。通过模拟风机流场空间速度场，研究出适当选择风机转速可对气体流动的压力、方向和速度有效提升，对运行环境有效改善，从而使通风效果达到最优状态。当风机转速约为73.99 m3/min 时,经过叶轮排出的气体十分稳定，不存在旋涡和回流等状况，轴流风机稳定高效运转。

2 监控软件系统优化设计

2.1 安装查询模块方便数据分析

为全面掌握轴流风机运行情况，便于发生事故时能对风机运行数据实时分析，在监控系统中设置查询模块。通过曲线或数字显示风机所有运行数据，并借助计算机打印查询结果。同时将风机通风量和通风压力作为查询的关键词之一，通过预设程序，可查询所有历史数据。监控系统可对设备运行参数进行自动收集并及时故障报警。另外在监控系统中安装专家诊断软件，依据参数变化对故障类型进行判断，把原有的人工定期检修变为系统自动检修，确保系统全天候安全运行[5]。

2.2 安装网络通讯模块实现远程监控

轴流风机与监控中心距离较远，为满足远程监控需求，外接网络与系统连接遵循TCP 通讯协议，借助Winsock 控件组织编程，实现风机与监控中心点对点通信，达到对风机运行状态数据信号的传送和远程监控。操作人员可在调度大厅通过远程系统操控风机，且系统维护简便，稳定性好，可实时显示各类参数。监控系统正常运转时，若风机出现故障，能在不停风状态下自动倒机维修。

3 智能优化设计

3.1 配备负载传感器

轴流风机电动机工作时会产生很多热能，消耗大量电能，为实时监控耗能，选取稳定、性价比高的 CTC123 型负载传感器[6]，相关参数见表2。

表2 CTC123 型负载传感器主要参数

3.2 配备温度传感器

当轴流风机长时间处于开机状态时，电机会长期处于高温状态，这对风机工作性能会产生不良影响。借助PT100 型温度传感器采集风机温度变化，把信息传输到计算机进行分析处理，从而实现实时监测[7]。

3.3 配备压力变送器

由轴流风机工作环境可知,压力值直接影响隧道施工安全和风机工效。通过比选，在每个风道配置2 个SMP2088 型压力变送器。该压力变送器检测范围广、准确率高，安装在釆集柜内，便于向传感器电源供电，同时使系统结构紧凑。

3.4 变频器控制设计

为便于隧道主轴流风机的调速，增设变频器监测控制系统（见图3）。该系统可满足多种功能需求，能在控制面板显示变频器的相关信息。

图3 变频器监控系统

3.5 抗干扰设计

为强化电机的抗干扰能力，可把LC 滤波电路设置在输出、输入端。系统实际运行时，通过LC滤波电路，可有效降低干扰电磁感应，确保变频器稳定运转。

3.6 应用效果

传感器测试时，该监控系统可以精准、灵敏、快速地采集到轴流风机负载、震动、温度等参数；同时在监控系统中设置了工作温度、震动等临界值，当风机超过临界值时，系统会通过声光报警来提示，同时将风机产生故障或异常情况的位置和原因显示在显示器中。

4 不停风设计

4.1 改进目的

为实现倒机维修不停风，把轴流风机入口处设计成水平对空风门和立式挂网风门，其中水平对空风门借助四个百叶窗快速灵活切换的优势，对风机进行迅速切换，确保风机在倒机维修时保持通风平稳，防止维修期间隧道通风不畅情况发生[8]。

4.2 改进步骤

分析隧道实际情况后，首先对1 号轴流风机风门及监控系统进行改造，然后是2 号（见图4）。

图4 轴流风机风门及监控系统改造示意

（1）拆除1 号轴流风机水平对空风门位置的基础后，安装就地控制装置及一套水平对空风门。（2）安装自动倒机维修系统、各类控制单元和控制柜等。2 号风机的安装步骤与1 号一致。安装时间约40 天，期间风机正常运转不受影响。

4.3 应用效果

此次改进升级切实攻克了传统主通风系统无法实现倒机维修不停风、故障检测效果差等技术难题，大大延长主轴流风机寿命，降低故障率，避免了倒主机时有害气体的积聚，极大地提升了隧道通风稳定性，确保了隧道施工的安全高效。

5 防冻设计

不论是公路还是铁路长大隧道，其温度和湿度四季变化都非常明显。在冬季，当隧道的风排到外面时，由于外部温度较低，会让风流里携带的水蒸汽产生液化现象。当隧道口风机高程比隧道的通风管高，特别是处于冬季高寒区域，每当携带水蒸气的流动气体途经引压管最低点时，会不可避免产生冻结和堵塞，进而影响隧道里的空气向外排出，最终影响风压监控系统的监控功能[9]。为有效规避该现象，专门设计出风压接线盒装置（见图5）。该装置借助电信号传输，管道实现有效缩短并保持水平，规避管道弯曲产生冰冻，同时还起到中转集结作用，把各种信号连接在控制柜上，便于倒机维修人员集中管理、检测电缆信号线。

图5 接线盒机构示意

6 结语

为使轴流风机处于最佳运行状态，确保良好通风效果的同时实现降本增效，对轴流风机及监控系统软硬件进行了优化升级与改进设计。叶轮在轴流风机所有结构和运行过程中都起到重要作用，参照牛东霞《带后导叶动叶可调轴流风机的优化设计》，采取“后导叶+叶轮”的形式进行设计，当风机轮毂比为0.68、变环量比值为1.1～1.3 时，轴流风机运行效率最高。

为全面掌握轴流风机运行情况，通过安装网络通讯和查询模块优化监控软件系统。通过配备负载传感器、温度传感器等一系列智能化设计以及抗干扰、不停风、防冻设计，不仅有效保证了隧道轴流风机稳定运行，还使其在节能、抗干扰能力、运行安全性、运行效率等方面得到有效提升，改善了通风环境，提升了隧道施工作业条件。