CN105240299A - 地下洞室施工期通排风风机系统及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下洞室施工期通排风风机系统及其实施方法，地下洞室施工期通排风风机系统，包括排风机和送风机；所述的送风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道和尾水调压室内的主厂房送风机、主变室送风机、尾水隧道送风机和尾水调压室送风机；所述排风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道、尾水调压室以及排风隧道内的主厂房排风机、主变室排风机、尾水隧道排风机、尾水调压室排风机以及排风隧道排风机。本发明改善了地下洞室施工期现场工作面的作业环境，同时较好地控制了能耗，尤其是风机系统的能耗，提高风机的利用率。

Description

地下洞室施工期通排风风机系统及其实施方法

技术领域

本发明涉及特大型水电站地下洞室施工期通风散烟领域，具体涉及一种地下洞室施工期通排风风机系统及其实施方法。

背景技术

通过调研猴子岩水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站等大型水电站地下洞室群施工期通排风系统布置，结合国内外专家在白鹤滩水电站导流洞现场试验发现，目前我国水电行业地下工程开挖阶段的通风状况主要存在以下几个问题：

(1)地下洞室群的整体和局部通风状况均缺乏通风理论方面的系统研究。

(2)通风机械的配置多从感性、历史经验出发，缺乏设备最佳布置点选择以及自然通风与相邻工作面的统筹考虑，各洞室内气流极不稳定。

(3)通、排风能力与洞室开挖需求不匹配。

(4)压风系统漏风率高，通风距离较长时，供风量小，通风设备不能满足长距离供风要求。

(5)施工通道和通风通道没有进行系统的研究。

(6)自然通风利用不够充分，基本没有设置排风系统，仅靠压入风解决施工所需新鲜空气；机械通风效率没有得到充分有效发挥，工作面有效风量使用率低、风机运行效率低，主要表现在局部回流循环损失和风流短路现象严重。

风机的选型和配置从根本上决定着工作面的供风量和排烟能力，必须通过严谨的研究和试验，有序规划配置，而为了减少风机能耗，匹配工作面开挖通排风能力，目前先进的通风散烟系统大多采用变频式风机，如何使风机运行参数和现场施工完美匹配也是需要深入研究的问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种地下洞室施工期通排风风机系统及其实施方法。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种地下洞室施工期通排风风机系统，包括排风机和送风机；所述的送风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道和尾水调压室内的主厂房送风机、主变室送风机、尾水隧道送风机和尾水调压室送风机；所述排风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道、尾水调压室以及排风隧道内的主厂房排风机、主变室排风机、尾水隧道排风机、尾水调压室排风机以及排风隧道排风机。

更进一步的技术方案是主变室排风机设置在所述主变室的排风平洞内。

更进一步的技术方案是尾水隧道排风机设置在尾水隧道排风竖井顶部。

更进一步的技术方案是尾水调压室排风机设置在尾水调压室通气洞内。

更进一步的技术方案是还包括挡风墙，所述排风机通过所述挡风墙固定。

更进一步的技术方案是挡风墙设置有检修门。

更进一步的技术方案是提供一种地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，所述的实施方法包括以下步骤：

风机选型

(1)三维数值计算及初步选项

对地下洞室施工通风采用三维数值计算，对主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾水调压室、尾水隧道进行网格划分，确定风机的布置位置；

(2)根据风机的频率、风速和耗电量确定风机型号；

(3)根据风机的布置位置、最短取风距离及风带直径，按照通风控制性参数标准，通过风机静压计算公式和作业面空气流量计算公式确定风机型号；

风机运行参数选定

根据各风机开度工况下能耗，将风机分为三个开度区间，所述三个开度区间分别为：0～30Hz开度区间，30～40Hz开度区间以及40～50Hz开度区间。

更进一步的技术方案是三维数值计算及初步选项步骤中，施工断面和竖井处网格进行局部加密，对隧道壁面网格进行加密；尾调通气支洞与尾水调压室连接处网格进行局部加密；尾水调压室中间区域网格进行加密。

更进一步的技术方案是主变室和尾水管检修闸门室共用一台供风机供风，通过风门调各工作面风量；

排风机分别安装在主厂房、主变室、排风竖井排风平洞和尾水管检修闸门室排风竖井排风平洞内，通过挡风墙密闭；

尾水隧道分上下游分别供风，上下游面各布置两台风机，每台风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量；

排风机安装在尾水隧道竖井排风平洞内，通过挡风墙密闭；

尾水调压室布置两台供风机，每台供风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量；

布置两组排风机，安装在尾水调压室通气支洞内，通过挡风墙密闭。

更进一步的技术方案是风机运行参数选定步骤中，

主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾水隧道第一层开挖阶段的排风机在40～50Hz开度区间；

工作面钻孔作业时，通风机开度为0～30Hz开度区间；

出渣及喷混凝土作业时，通风机开度为30～40Hz开度区间；

爆破散烟作业时，通风机开度为40～50Hz开度区间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明改善了地下洞室施工期现场工作面的作业环境，同时较好地控制了能耗，尤其是风机系统的能耗，提高风机的利用率。

附图说明

图1为本发明一个实施例中尾水隧道布局结构俯视图。

图2为本发明一个实施例中主厂房、主变室、尾水管检修闸门的供风布局结构示意图。

图3为本发明一个实施例中主厂房、主变室、尾水管检修闸门的排风布局结构示意图。

图4为本发明一个实施例中主厂房、主变室、尾水管检修闸门的挡风墙结构示意图。

图5为本发明一个实施例中尾水隧道供风布局结构示意图。

图6为本发明一个实施例中尾水隧道排风布局结构示意图。

图7为本发明一个实施例中尾水隧道挡风墙结构示意图。

图8为本发明一个实施例中尾水调压室供风布局结构示意图。

图9为本发明一个实施例中尾水调压室排风布局结构示意图。

图10为本发明一个实施例中尾水调压室挡风墙结构示意图。

图11为本发明一个实施例中尾水调压室排风风机布局结构示意图。

图12为本发明一个实施例中引水下平洞供风布局结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1至图12所示，根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种地下洞室施工期通排风风机系统，它包括排风机和送风机；送风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道和尾水调压室内的主厂房送风机、主变室送风机、尾水隧道送风机和尾水调压室送风机；具体的，排风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道、尾水调压室以及排风隧道内的主厂房排风机、主变室排风机、尾水隧道排风机、尾水调压室排风机以及排风隧道排风机。具体的，主变室排风机设置在所述主变室的排风平洞内。尾水隧道排风机设置在尾水隧道排风竖井顶部。尾水调压室排风机设置在尾水调压室通气洞内。

本实施例还包括挡风墙，排风机通过挡风墙密闭，形成负压强排工作面污染空气。优选的，挡风墙设置有检修门。

根据本发明的另一个实施例，如图1至图12所示，本实施例公开一种地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，具体的，该实施方法包括以下步骤：

1、风机选型

(1)三维数值计算及初步选型

对地下洞室群施工通风计算采用是三维数值计算(计算流体力学，即CFD)方法进行研究。模型采用SIMPLE算法,主厂房的施工断面和竖井处由于有污染空气溢出，该处污染物浓度梯度较大，且流动也较为复杂，网格进行局部加密，其余网格较为稀疏；由于数值计算采用湍流模型进行计算，对壁面采用壁面函数进行处理，为了保证计算结果的准确度，对隧道壁面网格进行加密，隧道中心网格较为稀疏。主变室、尾水管检修闸门室的网格划分原则及方法与主厂房相同。

对尾水调压室进行网格划分，尾调通气支洞与尾水调压室连接处流动较为复杂，该处网格进行局部加密，风机送风直接送到尾水调压室内，尾水调压室中间区域流动较为紊乱，中间网格密度也较大，壁面网格同样进行加密。

尾水隧道网格划分原则与主厂房等其他地方相同，其中工作区域1前端设置有排风竖井2。

通过数值计算和相关还算计算公式得出四大洞室工作面开挖所需风压、排风机风量及风压，如表1、表2所示：

表1

表2

根据以上各风机风量及风压计算，本实施例地下洞室群施工期通风系统风机设备初步选型如表3所示。

表3

(2)进口、国产风机能耗对比

为保证地下洞室开挖通风散烟质量，分析风机性能，对1台进口风机、1台国产风机进行了对比功效测试(两台风机均布置在泄洪洞1#施工支洞进口)，进口风机型号为1*AVH160.160.4.10，国产风机型号为FSD60-6-NO18/2*185kw。采用Model8908迷你易携带风速温度计，分别对两台风机在频率为10HZ、20HZ、30HZ、40HZ、50HZ运行时风筒出口的风速进行测定(末端位置通风距离相当)，并通过电表读数测得风机在某一频率下单位小时的耗电量。测试成果见表4。

表4

对比试验成果表明：相同频率下(或开度)，进口风机(160KW)与国产风机(185KW)在一个机组工作时与相比，在风筒末端，进口风机风速大于国产风机，且进口风机风速增长趋势大于国产风机；在经济角度上，相同频率下(或开度)，国产风机耗电要多，相比较而言国产风机运行成本高于进口风机。

(3)风机型号最终确定

在研究了洞室开挖通风散烟系统结构布置和通风思路后，依据确定的各风机布置位置、最短取风距离及风带直径，按照通风控制性参数标准，通过风机静压计算公式和作业面空气流使用厂家专用的选型软件选出各个作业面最优风机型号配置。

静压计算公式：

Ps＝v2*б/2*L/D*λ

Ps:(Pa)静压

v:(m/s)风带内风速

б:(kg/m3)空气比重

L:(m)风带长度

D:风带直径

λ:摩擦系数(通常钻爆法施工项目介于0.015-0.018之间)

作业面空气流量计算公式：

Q1＝Q0*[1-(leakage/100)](L/100)

Q1:风带末端流量

Q0:风机出口流量

L:(m)风带长度

Leakage:漏风率：通常钻爆法条件下，漏风率每百米介于1.0-2.0之间。具体的，以右岸主副厂房为例说明计算过程：

右岸主副厂房，南北侧各布置一台通风机供风，南北侧最远通风距离分别为2100m和1100m，交通洞净空允许安装的风管最大直径2m，主副厂房体积为438.00m×31.00m(34.00m)×88.70m(长×宽×高)按照每台风机置换50％的空气，一小时置换完成，可以算出工作面需要的供风流量为：438.00m×31.00m(34.00m)×88.70m×50％/3600s＝36m3/s,带入作业面空气流量计算公式可反算出风机出口空气流量分别为39m3/s和41m3/s，将该数据与厂家风机型号匹配，最终确定厂房南北侧风机型号为：2×AVH140.132.4.8和1×AVH140.132.4.8，风管直径排风机最大排污量与进风量匹配，最终确定右岸主厂房排风机型号为1×AVH180.110.4.4，设计排污量90m3/s。

各工作面风机型号匹配过程如下：

左右岸主厂房、主变室和尾水管检修闸门室供风机

主变室和尾水管检修闸门室共用一台风机供风，通过风门调各工作面风量。风管直径主厂房、主变室和尾水管检修闸门室最远取风距离按南侧2100m、北侧1100距离控制，左岸南侧风机编号1#、2#，型号均为2×AVH140.132.4.8，北侧风机编号3#、4#，型号均为1×AVH140.132.4.8。右岸南侧风机编号5#、6#，型号均为2×AVH140.132.4.8，北侧风机编号7#、8#，型号均为1×AVH140.132.4.8。通风机选型示意图见图2所示。主厂房、主变室和尾水管检修闸门室内设置有第二排风竖井23，第二供风机21通过第二风管传输至主厂房、主变室和尾水管检修闸门室内。

左右岸主厂房、主变室和尾水管检修闸门室排风机选型

如图3和图4，排风机分别安装在主厂房31、主变室32的2#排风竖井排风平洞和尾水管检修闸门室33排风竖井排风平洞内(尾水管检测闸门室风机后期调整至新增排风平洞口)，通过第三挡风墙35密闭，形成负压强排工作面污染空气，第三挡风墙还设置有第三检修门41。主厂房31、主变室32和尾水管检修闸门室33连接排风洞34。左岸主厂房排风机编号为9#，型号为1×AVH180.110.4.4，设计排污量90m3/s；主变室排风机编号为11#，型号为1×AVH160.90.4.4，设计排污量60m3/s；尾水管检修闸门室排风机编号13#，型号为1×AVH140.75.4.4，设计排污量50m3/s。右岸主厂房排风机编号为10#，型号为1×AVH180.110.4.4，设计排污量90m3/s；主变室排风机编号为12#，型号为1×AVH160.90.4.4，设计排污量60m3/s；尾水管检修闸门室排风机编号14#，型号为1×AVH140.75.4.4，设计排污量50m3/s。后期为保证尾水连接管开挖空气质量，在13#、14#部位各增加一台型号为1×AVH140.75.4.4的排风机，编号为60#和61#。

左右岸尾水隧道供风机

如图5，尾水隧道分上下游分别供风，上下游面各布置两台第五供风机51，每台供风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量。上游侧穿第五排风竖井52延伸至工作面供风，下游通过施工支洞向工作面供风。风管直径m。最远取风距离按2100m距离控制，左右岸尾水隧道上游面风机编号分别为15#、16#和19#、20#，下游面风机编号分别为17#、18#和21#、22#，型号均为2×AVH160.160.4.10。

左右岸尾水隧道排风机

如图6和图7所示，尾水隧道61连通第六排风洞62，排风机分别安装在左右岸尾水隧道61竖井排风平洞内，通过第六挡风墙63、71密闭，形成负压强排工作面污染空气。第六挡风墙上设置有第六检修门72和第六排风管73。左岸1#～4#尾水隧道和右岸5#～8#尾水隧道排风机编号分别为26#、25#、24#、23#和27#、28#、29#、30#，型号均为1×AVH140.75.4.4，每台风机设计排污量均为50m3/s。

左右岸尾水调压室供风机

如图8所示，尾水调压室81布置两台第八供风机82，每台风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量。风管直径风管穿过第八挡风墙83。最远取风距离按1300m距离控制，左右岸尾水调压室供风机编号分别为33#、34#和35#、36#，型号均为2×AVH160.200.4.10。

左右岸尾水调压室排风机

如图9和图10、11所示，左右岸各布置两组排风机，安装在左右岸尾水调压室91通气支洞内，通过第九挡风墙92密闭，形成负压强排工作面污染空气，第九挡风墙92上设置第九检修门101。左右岸尾水调压室排风机编号分别为37#、38#和39#、40#，型号均为1×AVH160.90.4.4，每台风机设计排污量均为62m3/s。由于右岸尾调通气平洞开挖进度影响，后期对右岸尾水调压室排风方式进行了优化调整，如图10，在右岸尾调锚固观测洞内各布置1条直径2m的第九通风竖井121至4个尾水调压室穹顶，每条竖井井口设置风门调节，将调压室污染空气排入尾调锚固观测洞；在尾调锚固洞靠近尾调通气洞122适当部位布置耳洞，在耳洞内布置2条直径2m竖井与尾调通气洞下部耳洞连通，将尾调排风竖井口安装的两台风机移至在尾调通气洞下部耳洞中，设置风墙强排污染空气。

左右岸引水下平洞

如图12所示，引水下平洞各布置一台第十一供风机111，分别向八个作业面供风，通过风门调各工作面风量。风管直径最远取风距离按3500m距离控制，左右岸引水下平洞供风机编号分别为48#和55#，型号均为3×AVH160.160.4.10。

左右岸灌排廊道供风机

各层廊道布置一台供风机，满足两个工作面同时施工。主风管直径分风管直径最远取风距离按3700m距离控制，左右岸1层～7层灌排廊道编号分别为41#、42#、43#、44#、45#、46#、47#和63#、49#、50#、51#、52#、53#、54#，考虑到各层廊道开挖长度，左右岸1层～7层廊道风机型号分别为1×AVH90.75.2.8、1×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、3×AVH90.25.2.8和2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、1×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、2×AVH90.75.2.8、3×AVH71.25.2.8。

其他部位风机

为解决局部施工部位通风散烟不利现象，布置排风机解决3#、4#公路交通散烟，编号为31#和32#，型号均为1×AVH180.110.4.4。布置供风机解决左右岸尾水管施工通风散烟问题，编号为58#和59#，型号为2×AVH160.160.4.10。左右岸各布置一台型号为FSD60-NO18/1×185的国产风机解决左右岸进厂交通洞排烟不理想问题。对于施工期较长的尾水管1#施工支洞，允许布置前期采购的型号为1×AVH140.175.4.4的科研风机，局部通风散烟。

2、风机运行参数选定

为达到地下洞室通风散烟及时有效，同时降低风机能耗的设计目标，必须调查研究各风机不同开度工况下能耗情况，制定相应的风机运行管理办法，为此，对已安装的各风机1h和2h不同工况下能耗进行测试实验。

测试成果表明，各风机电耗量随变频数(或开度)增加成抛物线增长。

在0～60％开度(0～30Hz)区间，风机电耗增长缓慢，适合工作面需风量较少的钻孔作业，考虑到风筒鼓圆最小开度为30％开度(15Hz)，故选择工作面钻孔作业时，风机开度为60％(30Hz)。

在60％～80％开度(30～40Hz)区间，风机通风效果良好，电耗增长适中，此时处于风机通风散烟最优开度，适合作业面作业循环比重最大出渣及喷混凝土作业，考虑到水电站洞室埋深深，取上限80％开度(40Hz)。

在80％～90％开度(40～50Hz)区间，风机满负荷工作，通风效果最大，电耗呈几何倍数剧烈增长，适用于作业面要求通风量最大，持续时间较短的爆破后散烟作业，同样，考虑到水电站洞室埋深深，取上限100％开度(50Hz)。

考虑到水电站地下洞室埋深深，布置错综复杂，对运行参数稍作放宽，优选的，选定施工期通风散烟风机运行参数为：主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾水隧道第一层开挖阶段的排风机按照50Hz(100％功率)开度全天候运行，通风机按照爆破散烟(50Hz，100％功率)、出渣及喷混凝土(40Hz，80％功率)、钻孔(30Hz，60％功率)三种工况运行。

通过本实施例的实施后，极大地改善了水电站地下洞室现场工作面的作业环境，同时较好地控制了能耗。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种地下洞室施工期通排风风机系统，包括排风机和送风机；其特征在于：所述的送风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道和尾水调压室内的主厂房送风机、主变室送风机、尾水隧道送风机和尾水调压室送风机；所述排风机包括：分别设置在主厂房、主变室、尾水隧道、尾水调压室以及排风隧道内的主厂房排风机、主变室排风机、尾水隧道排风机、尾水调压室排风机以及排风隧道排风机。

2.根据权利要求1所述的地下洞室施工期通排风风机系统，其特征在于所述的主变室排风机设置在所述主变室的排风平洞内。

3.根据权利要求1所述的地下洞室施工期通排风风机系统，其特征在于所述的尾水隧道排风机设置在尾水隧道排风竖井顶部。

4.根据权利要求1所述的地下洞室施工期通排风风机系统，其特征在于所述的尾水调压室排风机设置在尾水调压室通气洞内。

5.根据权利要求1所述的地下洞室施工期通排风风机系统，其特征在于还包括挡风墙，所述排风机通过所述挡风墙固定。

6.根据权利要求5所述的地下洞室施工期通排风风机系统，其特征在于所述的挡风墙设置有检修门。

7.一种地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，其特征在于所述的实施方法包括以下步骤：

风机选型

(1)三维数值计算及初步选项

对地下洞室施工通风采用三维数值计算，对主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾水调压室、尾水隧道进行网格划分，确定风机的布置位置；

(2)根据风机的频率、风速和耗电量确定风机型号；

(3)根据风机的布置位置、最短取风距离及风带直径，按照通风控制性参数标准，通过风机静压计算公式和作业面空气流量计算公式确定风机型号；

风机运行参数选定

根据各风机开度工况下能耗，将风机分为三个开度区间，所述三个开度区间分别为：0～30Hz开度区间，30～40Hz开度区间以及40～50Hz开度区间。

8.根据权利要求7所述的地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，其特征在于所述的三维数值计算及初步选项步骤中，施工断面和竖井处网格进行局部加密，对隧道壁面网格进行加密；尾调通气支洞与尾水调压室连接处网格进行局部加密；尾水调压室中间区域网格进行加密。

9.根据权利要求7所述的地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，其特征在于所述的主变室和尾水管检修闸门室共用一台供风机供风，通过风门调各工作面风量；

排风机分别安装在主厂房、主变室、排风竖井排风平洞和尾水管检修闸门室排风竖井排风平洞内，通过挡风墙密闭；

尾水隧道分上下游分别供风，上下游面各布置两台风机，每台风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量；

排风机安装在尾水隧道竖井排风平洞内，通过挡风墙密闭；

尾水调压室布置两台供风机，每台供风机向两个作业面供风，通过风门调节各工作面风量；

布置两组排风机，安装在尾水调压室通气支洞内，通过挡风墙密闭。

10.根据权利要求7所述的地下洞室施工期通排风风机系统实施方法，其特征在于所述的风机运行参数选定步骤中，

主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾水隧道第一层开挖阶段的排风机在40～50Hz开度区间；

工作面钻孔作业时，通风机开度为0～30Hz开度区间；

出渣及喷混凝土作业时，通风机开度为30～40Hz开度区间；

爆破散烟作业时，通风机开度为40～50Hz开度区间。