吳 煒
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計(jì)研究院,610031,成都∥高級(jí)工程師)
風(fēng)機(jī)是地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的一種重要設(shè)備,為了確保其供貨質(zhì)量,往往都由建設(shè)方通過(guò)招投標(biāo)方式進(jìn)行公開(kāi)招標(biāo)采購(gòu)。
本文根據(jù)國(guó)內(nèi)不同地鐵線路風(fēng)機(jī)設(shè)備招標(biāo)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),結(jié)合作者對(duì)目前國(guó)內(nèi)幾個(gè)地鐵風(fēng)機(jī)供貨商的實(shí)地考察和技術(shù)交流情況,針對(duì)風(fēng)機(jī)用戶需求書(shū)在編制中需要引起注意的相關(guān)技術(shù)部件進(jìn)行總結(jié),并對(duì)一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行篩選和分析。
對(duì)于軸流風(fēng)機(jī),葉輪由葉片、輪轂等構(gòu)成;對(duì)于離心風(fēng)機(jī),葉輪由輪蓋、葉片、輪盤等構(gòu)成。
地鐵風(fēng)機(jī)用的葉片材質(zhì)主要為高強(qiáng)度航空鋁,根據(jù)其成型工藝不同分為鑄鋁和鍛鋁。兩種成型工藝的特點(diǎn)如下。
鑄鋁是一種將純鋁或鋁合金錠按標(biāo)準(zhǔn)的成份比例配制后,經(jīng)過(guò)人工加熱將其變成鋁合金液體或熔融狀態(tài)后,再通過(guò)專業(yè)的模具或相應(yīng)工藝將鋁液或熔融狀態(tài)的鋁合金澆注進(jìn)型腔,經(jīng)冷卻形成所需形狀鋁件的一種工藝方法。
鍛鋁是鋁鎂硅合金,采用高溫下擠壓成型的方法。由此方法鍛造出來(lái)的構(gòu)件具有中、高等強(qiáng)度,沖擊韌性高,熱塑性極好。
從上述兩種成型工藝的介紹可以得出,由于工藝的不同,鍛鋁件要比鑄鋁件金屬組織緊密,因此在機(jī)械性能(承壓強(qiáng)度、韌性等)方面鍛鋁優(yōu)于鑄鋁。
經(jīng)過(guò)調(diào)研,除廣州地鐵所有線路的隧道風(fēng)機(jī)葉片采用鍛鋁材質(zhì)以外,多數(shù)城市地鐵的風(fēng)機(jī)葉片均采用鑄鋁材質(zhì)。經(jīng)過(guò)廠家出具的相關(guān)測(cè)試報(bào)告,鑄鋁的機(jī)械性能完全滿足地鐵風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度要求。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)幾個(gè)地鐵風(fēng)機(jī)供貨商的考察發(fā)現(xiàn):采用鑄鋁的葉片,廠家均有自己的生產(chǎn)線,加工工藝較為簡(jiǎn)單;若采用鍛鋁葉片,各個(gè)風(fēng)機(jī)廠家則需要外協(xié)(廠家外購(gòu))進(jìn)行定制,這樣一來(lái),勢(shì)必對(duì)風(fēng)機(jī)的供貨周期產(chǎn)生一定影響。
此外,從造價(jià)方面來(lái)看,采用鍛鋁葉片的單臺(tái)風(fēng)機(jī)造價(jià)約為鑄鋁葉片風(fēng)機(jī)的3~4倍多。當(dāng)數(shù)量較多時(shí),所引起的工程造價(jià)提高不容忽視。
從實(shí)際已運(yùn)行于地鐵隧道的風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式來(lái)看,除滿足早晚各約0.5h的正常通風(fēng)和事故(阻塞)或火災(zāi)模式下的運(yùn)行以外,其余時(shí)間內(nèi),區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)并不開(kāi)啟。因此,綜合以上因素分析,針對(duì)地鐵風(fēng)機(jī)的葉片型式建議仍采用目前常用的鑄鋁型式即可。這樣,在滿足功能的前提下,可最大限度地節(jié)約工程成本。
輪轂比為軸流式風(fēng)機(jī)輪轂的外徑與葉輪外徑之比。在規(guī)范GB/T 3235—2008《通風(fēng)機(jī)基本型式、尺寸參數(shù)及性能曲線》中專門針對(duì)輪轂作了規(guī)定,以指導(dǎo)實(shí)際風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造。同時(shí)在規(guī)范GB 19761—2009《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中,也專門結(jié)合輪轂比值給出了風(fēng)機(jī)最高效率等級(jí)要求,可見(jiàn)此值的重要性。
現(xiàn)就輪轂比對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響進(jìn)行分析。對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響主要表現(xiàn)在對(duì)風(fēng)機(jī)幾種損失的理解[1]。
1)風(fēng)機(jī)的環(huán)形壁面損失:當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)葉片環(huán)時(shí),氣流對(duì)輪轂及機(jī)殼的壁面有摩擦損失。隨著輪轂比的增大,環(huán)形壁面損失系數(shù)也隨之增加,此時(shí)風(fēng)機(jī)的效率會(huì)降低。
2)在軸流通風(fēng)機(jī)的各種損失中,渦流損失占的比重較大:在靠近輪轂及機(jī)殼處,由于氣流的空間流動(dòng)而產(chǎn)生的渦流損失是由輪轂及機(jī)殼附面層中的漩渦形成的。氣流流道兩側(cè)的不同壓力造成漩渦,最終變?yōu)闊崮軗p耗掉,葉片越短(即輪轂比越大),渦區(qū)所占據(jù)流道面積的比例越大,渦流損失越大。
輪轂比的選取必須合適。對(duì)于高壓力、小流量的通風(fēng)機(jī),可選取較大輪轂比;對(duì)于低壓力、大流量的通風(fēng)機(jī),則取較小的輪轂比。當(dāng)輪轂比小時(shí),通風(fēng)機(jī)的壓力曲線要平坦些,工作區(qū)域也要寬一些。
但輪轂比不能過(guò)小,否則容易引起葉片根部的附面層分離,降低壓力,同時(shí)增加制造難度,容易產(chǎn)生振動(dòng),對(duì)風(fēng)機(jī)整體強(qiáng)度不利。
經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)風(fēng)機(jī)廠家的調(diào)研,并結(jié)合實(shí)際地鐵用風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力范圍,一般輪轂比范圍都在0.3~0.5之間。
針對(duì)大型風(fēng)機(jī)即隧道通風(fēng)系統(tǒng)的隧道風(fēng)機(jī)和軌排風(fēng)機(jī)等,其風(fēng)機(jī)機(jī)殼法蘭和風(fēng)筒的連接方式不一。經(jīng)過(guò)調(diào)研得知,分直接由風(fēng)筒整體翻邊成形和法蘭單獨(dú)制作直接與風(fēng)筒焊接兩種型式。
有的廠家推薦采用利用法蘭翻邊機(jī)由風(fēng)筒整體翻邊施壓成形,在殼體和法蘭之間無(wú)焊縫。此翻邊工藝能確保風(fēng)筒的圓度達(dá)到設(shè)計(jì)的最高要求,既能保證葉輪和機(jī)殼之間的間隙在允許的公差范圍內(nèi),又能保證整臺(tái)設(shè)備的剛性和強(qiáng)度,從而保證了風(fēng)機(jī)的流量和壓力能夠符合設(shè)計(jì)要求。
有的廠家建議法蘭直接和風(fēng)筒焊接,不推薦采用上述旋壓成形。其原因是:①旋壓成型的翻邊寬度都很有限,難以滿足法蘭連接要求;②旋壓翻邊法蘭的厚度較小,無(wú)法與焊接法蘭的厚度相比,焊接法蘭厚度可根據(jù)需要進(jìn)行選擇;③旋壓法蘭在翻邊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。
不同廠家在風(fēng)機(jī)本體機(jī)殼法蘭和風(fēng)筒的連接方式上各有不同。為此,針對(duì)用戶需求書(shū)里就機(jī)殼法蘭是否旋壓成形還是焊接成形,建議不作明確限定,對(duì)兩種方法分別列出相關(guān)要求即可。如“法蘭若由風(fēng)筒旋壓翻邊加工,其厚度不低于風(fēng)筒壁厚;法蘭若采用焊接加工,其厚度應(yīng)比風(fēng)筒壁厚大2mm,并應(yīng)有足夠滿足使用的強(qiáng)度和耐蝕性能”。
電機(jī)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分,電機(jī)的好壞,直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)?,F(xiàn)就設(shè)備招標(biāo)中的電機(jī)性能要求分析如下。
風(fēng)機(jī)廠家大多直接對(duì)外采購(gòu)電機(jī),由于電機(jī)的復(fù)雜性,在編制風(fēng)機(jī)的用戶需求書(shū)中,設(shè)計(jì)方也無(wú)法針對(duì)電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的描述。因此,為確保電機(jī)質(zhì)量,建設(shè)方往往希望直接通過(guò)給定電機(jī)品牌,作為控制電機(jī)質(zhì)量的手段。
經(jīng)過(guò)調(diào)研,目前地鐵用風(fēng)機(jī)的配用電機(jī)的廠家如下:①國(guó)內(nèi)大陸品牌有臥龍電機(jī)(臥龍電器集團(tuán)有限公司)、KDS電機(jī)(順德金泰德勝電機(jī)有限公司)、河南南陽(yáng)電機(jī)、佳木斯電機(jī)、上海先鋒電機(jī)等;②國(guó)外和中國(guó)臺(tái)灣品牌有ABB電機(jī)、西門子電機(jī)、WEG電機(jī)、臺(tái)灣東元電機(jī)等。
調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn):國(guó)外和中國(guó)臺(tái)灣的品牌電機(jī)綜合性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)大陸的品牌產(chǎn)品,但整體價(jià)格較高且國(guó)外部分品牌存在貼牌生產(chǎn)現(xiàn)象;國(guó)內(nèi)大陸品牌電機(jī)現(xiàn)已非常成熟,在國(guó)內(nèi)各城市地鐵中都有成功應(yīng)用。
鑒于此,為保證地鐵風(fēng)機(jī)采購(gòu)物有所值,同時(shí)滿足相關(guān)法律、法規(guī),針對(duì)電機(jī)至少應(yīng)推薦3個(gè)及以上的品牌,同時(shí)設(shè)定絕緣等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、能效等級(jí)等方面要求,以確保供貨風(fēng)機(jī)的電機(jī)質(zhì)量。
隨著節(jié)能要求日益提高,目前地鐵隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行需分別按照初、近、遠(yuǎn)期要求進(jìn)行運(yùn)行。國(guó)內(nèi)大部分地鐵線路,針對(duì)站內(nèi)隧道通風(fēng)系統(tǒng)和公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)大多考慮了變頻技術(shù)。
目前實(shí)現(xiàn)變頻的型式,有采用普通的三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻器型式和變頻專用電機(jī)+變頻器型式這兩種。以下從電動(dòng)機(jī)的效率和溫升、諧波電磁噪聲與震動(dòng)、低轉(zhuǎn)速時(shí)的冷卻問(wèn)題等方面對(duì)這兩種變頻型式的優(yōu)劣進(jìn)行分析:
1)電動(dòng)機(jī)的效率和溫升:不論那種型式的變頻器,在運(yùn)行中均會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流,使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行。高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加,最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅損耗。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱、效率降低、輸出功率減小,如將普通三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般要增加10%~20%。
2)諧波電磁噪聲與振動(dòng):普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí),會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的振動(dòng)和噪聲變得更加復(fù)雜。當(dāng)電磁力波的頻率和電動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí),將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,從而加大噪聲。
3)低轉(zhuǎn)速時(shí)的冷卻問(wèn)題:普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí),冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,致使電動(dòng)機(jī)的低速冷卻狀況變壞,溫升急劇增加,難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。而變頻電機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻,即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
綜合以上分析,筆者認(rèn)為:當(dāng)電機(jī)處于轉(zhuǎn)速較低、功率較大的工況時(shí),不宜采用普通的三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻器型式,推薦采用變頻專用電機(jī)+變頻器型式,應(yīng)直接在用戶需求書(shū)中加以明確即可。此外,針對(duì)變頻電機(jī)應(yīng)加強(qiáng)絕緣,應(yīng)能耐受變頻器產(chǎn)生的浪涌電壓及高次諧波的影響。
地鐵風(fēng)機(jī)的實(shí)際配置,除采用變頻型式以外,還有采用滿足兩種風(fēng)量工況下的雙速電機(jī)型式。如對(duì)通風(fēng)兼排煙的風(fēng)機(jī),應(yīng)滿足低速和高速下的兩種運(yùn)行風(fēng)量。
雙速電機(jī)屬于變級(jí)調(diào)速,通過(guò)設(shè)置兩套獨(dú)立繞組,或通過(guò)定子繞組接線的變換來(lái)獲得兩種不同的速度,可以是反相變級(jí)、換相變級(jí)。以往雙速電機(jī)多選配YD系列電機(jī)。YD系列變級(jí)多速異步電動(dòng)機(jī)是利用換接引線的方法來(lái)控制轉(zhuǎn)速變化,其繞組接線型式為△/YY;而其升級(jí)版YDT型電機(jī)其繞組接線型式為Y/Y、Y/YY、3Y+Y/3Y等。
表1給出了YD250M型和YDT250M型電機(jī)在低速和高速兩種風(fēng)量工況下的功率、效率、電流的比較數(shù)據(jù)。
表1 YD250M型和YDT250M型電機(jī)的功能比較
從表1可看出,兩種電機(jī)的機(jī)座號(hào)(250M)、轉(zhuǎn)速和出線端子數(shù)完全相同,額定負(fù)載的功率因數(shù)、電機(jī)效率及堵轉(zhuǎn)電流和額定電流之比也極其接近,但兩種電機(jī)的高速和低速功率的匹配設(shè)計(jì)卻有非常明顯的差距。YDT250M型的低速額定功率配置只是高速額定功率配置的34.04%,但YD250M的低速額定功率配置卻是高速額定功率配置的76.19%。
從地鐵風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式來(lái)看,通常情況下的雙速風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是很少的,絕大部分時(shí)間是低速運(yùn)行。因而,實(shí)現(xiàn)雙速風(fēng)機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵是看低速運(yùn)行的節(jié)能情況。對(duì)于雙速風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō),雙速電機(jī)的低速負(fù)載率是電機(jī)節(jié)能問(wèn)題的核心。
經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)研,由于雙繞組造價(jià)高,廠家一般不推薦雙速風(fēng)機(jī)采用獨(dú)立雙繞組型式。但筆者認(rèn)為,目前地鐵用雙速風(fēng)機(jī)(以一座車站為例)主要有區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)、排風(fēng)兼排煙風(fēng)機(jī)等,數(shù)量相對(duì)較少,且目前雙速隧道風(fēng)機(jī)常用的是6/8極,其定子接線繞組采用Y/Y型式,雙繞組型式在高速和低速時(shí)兩者功率差別較大,有利于節(jié)能。因此,還是推薦在雙速電機(jī)的選擇中明確其電機(jī)定子繞組接線型式采用獨(dú)立雙繞組型式。
經(jīng)過(guò)調(diào)研,目前可逆隧道風(fēng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換均需通過(guò)設(shè)置制動(dòng)電阻,即采取能耗制動(dòng)方式[2],即在風(fēng)機(jī)還未完全停止時(shí),利用串接在定子兩相繞組中的制動(dòng)電阻,將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能,達(dá)到瞬間停機(jī)完成反向啟動(dòng)運(yùn)行。
制動(dòng)電阻往往設(shè)置在環(huán)控電控柜內(nèi),地鐵環(huán)控設(shè)計(jì)需考慮制動(dòng)電阻瞬間散熱對(duì)環(huán)控電控柜的影響。由于風(fēng)機(jī)環(huán)控電控柜由動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)責(zé)采購(gòu),因此對(duì)于可逆風(fēng)機(jī)采取能耗制動(dòng)方式時(shí),需提醒動(dòng)力照明專業(yè)在環(huán)控柜招標(biāo)設(shè)計(jì)文件中不能遺漏該部分的要求內(nèi)容。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置是近幾年來(lái)隨著地鐵線路的發(fā)展,逐漸應(yīng)用于地鐵隧道風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)裝置,用以確保地鐵風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)就是針對(duì)風(fēng)機(jī)本體的振動(dòng)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)。目前的設(shè)置范圍有2種:一種是在隧道風(fēng)機(jī)、軌道排風(fēng)機(jī)、推力風(fēng)機(jī)上設(shè)置;另一種是僅在區(qū)間射流風(fēng)機(jī)上設(shè)置。筆者認(rèn)為:隧道風(fēng)機(jī)、軌道排風(fēng)機(jī)、推力風(fēng)機(jī)等雖然風(fēng)量大、體積大,但基本都是落地安裝于混凝土基礎(chǔ)之上,從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看,振動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題不明顯;而設(shè)置在區(qū)間的射流風(fēng)機(jī)由于其要承受隧道內(nèi)活塞風(fēng)壓及空氣壓力交變,會(huì)影響其設(shè)備的牢固性,從而給行車安全帶來(lái)不利影響。因此,筆者建議僅對(duì)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
風(fēng)機(jī)的效率是風(fēng)機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù),也是目前評(píng)估節(jié)能的一個(gè)重要指標(biāo)。風(fēng)機(jī)效率往往通過(guò)其能效等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,在用戶需求書(shū)編制中,建設(shè)方往往要求增加對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)能效等級(jí)的設(shè)定。目前電機(jī)的能效等級(jí)限定都是針對(duì)單速給出的,對(duì)雙速、變頻電機(jī)并未有專門的能效等級(jí)規(guī)范,這在用戶需求書(shū)編制中要予以區(qū)分。
為便于招標(biāo)的順利進(jìn)行,在給定了風(fēng)機(jī)整體的能效等級(jí)要求后,針對(duì)其電機(jī),可不必再有能效要求。
針對(duì)地鐵環(huán)控設(shè)備,一定要在用戶需求書(shū)中給出相應(yīng)的接口,明確劃分其工作界面。
下面以目前地鐵風(fēng)機(jī)設(shè)備發(fā)生界面接口關(guān)系的兩個(gè)主要接口為例,進(jìn)行說(shuō)明。
1)動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)責(zé)為風(fēng)機(jī)提供三相380V/50Hz、電壓波動(dòng)≤±10%、頻率波動(dòng)≤±5%的電源。
2)動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的啟/??刂?,與風(fēng)閥聯(lián)動(dòng)/聯(lián)鎖控制,電機(jī)的缺相、短路和過(guò)載保護(hù),狀態(tài)顯示;并負(fù)責(zé)將風(fēng)機(jī)、聯(lián)鎖風(fēng)閥、故障等狀態(tài)反饋給BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)),風(fēng)機(jī)通過(guò)環(huán)控電控柜接受BAS的監(jiān)控。
3)動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)責(zé)配置風(fēng)機(jī)(車站軌道排風(fēng)機(jī)、公共區(qū)回/排風(fēng)機(jī))的變頻器。變頻器應(yīng)設(shè)置于環(huán)控電控室內(nèi)。
4)風(fēng)機(jī)接線盒內(nèi)連接動(dòng)力電纜的端子應(yīng)比正常配電容量端子尺寸大至少2個(gè)等級(jí),以滿足電纜接入的要求。在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定后,由風(fēng)機(jī)廠家提供接線盒內(nèi)接線孔孔徑及間距,供動(dòng)力照明專業(yè)落實(shí)其接線電纜。
1)除軸溫報(bào)警和振動(dòng)報(bào)警以外,風(fēng)機(jī)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)直接物理接口,而間接接口在環(huán)控電控柜處。
2)軸溫報(bào)警裝置和振動(dòng)報(bào)警裝置負(fù)責(zé)將報(bào)警信息傳遞給BAS,并具備2個(gè)輸入接口(即1臺(tái)變送器或2臺(tái)變送器監(jiān)視對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的2個(gè)軸溫或/和2個(gè)振動(dòng)信號(hào)),接口在風(fēng)機(jī)自帶變送器盒內(nèi),變送器之后與BAS控制器的電纜由BAS提供。
3)BAS通過(guò)環(huán)控電控柜對(duì)風(fēng)機(jī)的具體監(jiān)控內(nèi)容和方式由BAS與環(huán)控電控柜供貨商雙方協(xié)商解決。
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