CN112412518B - 一种隧道掌子面循环供风系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掌子面循环供风系统，涉及隧道通风领域，其掌子面由正洞风机和除尘器风机向气室共同供风，并通过气室风机向掌子面供风，气室还连接有除尘器。本发明通过在隧道预设距离处设置气室容纳正洞风机吹入的自然风，并通过隧道风机吸收隧道内预设距离处与掌子面之间的隧道污气，处理后输入至气室，再通过气室风机将混合风输出至掌子面，利用隧道污气的回收再利用，使得正洞风机无需根据供风量需要长距离满额输出，一部分供风量由隧道风机短距离提供，从而减小掌子面通风机组的总装机功率。

Description

一种隧道掌子面循环供风系统

技术领域

本发明涉及隧道通风领域，具体涉及一种隧道掌子面循环供风系统。

背景技术

在长大隧道多掌子面施工过程中，隧道内污染空气均由洞外风机(正洞风机)压入新鲜空气进行置换，风机功率和隧道通风长度呈立方比的关系，当隧道距离4000m(隧道截面积，由于地质原因，存在暗河、喀斯特地质等不稳定地貌的存在，不能借助斜井或竖井进行通风)时，一个掌子面的风机装机功率可达1500kw以上，而此时若有多个掌子面需要同时通风，那么风机组装机功率将非常之大，施工现场配电设施不能满足风机运行电力需求，且通风能耗非常大，现场无法接受。

因此，如何提供一种长大隧道对各个掌子面进行施工的可控循环通风节能系统设计方法，并在满足通风效果的情况下，减小通风机组总装机功率，降低能耗，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

现有技术中，如公开号为CN104879157A的中国专利，公开了一种公路隧道施工通风结构及其通风量控制方法。该申请的通风结构包括进风巷和回风巷，所述进风巷和回风巷前端为掌子面，所述进风巷和回风巷前段连通有的前段横通道，所述进风巷中设置有朝向隧道前端的风机，所述回风巷中设置有背向隧道前端的风机，所述前段横通道与隧道洞口之间还设置有至少一个与前段横通道同时通风的中段横通道，所述中段横通道连接于进风巷和回风巷之间，所述前段横通道和各中段横通道内均设置有朝向回风巷的风机。采用该通风结构及其通风量控制方法在保证污染物浓度保持在设计范围内的基础上，可极大程度地降低能耗，并且通过各横通道的进风量，还可实现回风巷污染物浓度的分段控制。

然而该申请采用的是双通风巷，利用双通风巷形成风路环路，从而实现新鲜空气的压入与污染空气的排出，但该方法并不适用于采用单通风巷的隧道建设，无法通过该方法实现空气的循环，同时也达不到降低通风机组总装机功率的目的。

发明内容

为解决上述问题，提供一种长大隧道多掌子面施工可循环通风的系统，同时能够适用于多种施工环境，本发明提出了一种隧道掌子面循环供风系统，所述掌子面由正洞风机和除尘器风机向气室共同供风，并通过气室风机向掌子面供风，气室还连接有除尘器，其中

正洞风机，用于吸收隧道外空气输出自然风并通过第一风筒输出至气室；

除尘器风机，用于将隧道预设距离处与掌子面之间的隧道污气输入至除尘器；

除尘器，用于将隧道污气净化并输出过滤风至气室；

气室，用于容纳自然风与过滤风混合而成的混合风；

气室风机，用于根据供风量公式将混合风按供风量计算值通过第二风筒输出至掌子面。

进一步地，所述供风量公式为：

式中，Q_fan7气室风机供风风量，Q_max为掌子面作业风量,L为通风极限距离，k为百米漏风率。

进一步地，所述掌子面作业风量的计算公式为：

Q_max＝Max(Q₁,Q₂,Q₃)

式中，Q₁为允许风速风量，Q₂为内燃机废气稀释风量，Q₃为人工呼吸量。

进一步地，所述允许风速风量的计算公式为：

Q₁＝SV

式中S为掌子面最大断面面积，V为隧道内允许最小风速。

进一步地，所述内燃机废气稀释风量到的计算公式为：

式中，N_i内燃机功率，T_i内燃机利用率系数，K为隧道内出碴时使用内燃机每kw所需风量，n为内燃机数目。

进一步地，所述人工呼吸量的计算公式为：

Q₃＝qkm

式中，q为每人每分钟空气供应标准量，k为风量备用系数，m为隧道内同一时间最多工作人数。

进一步地，还包括功率统计器，用于根据供风量利用能耗计算公式计算各风机能耗，并根据计算结果控制正洞风机和气室风机的运转效率，所述能耗计算公式为：

N_fan＝0.001×(P_fan·Q_fan)/η_fan

式中，N_fan为风机所需功率，P_fan为风机的供风压力，Q_fan为风机的供风量，η_fan为风机本身的工作效率。

进一步地，所述风机的供风压力P_fan由静压P_S、动压P_d和补偿压P_shock叠加组成，其中，静压P_S的计算公式为：

式中，P_S为静压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，L为风筒长度，d为风筒直径，λ为沿途的摩擦阻力系数，η_V为动力粘度修正系数，η_K为温度修正系数，η_B为大气压修正系数。

进一步地，所述动压P_d的计算公式为：

式中，P_d为动压，ρ为空气密度，v为风筒内空气平均流速。

进一步地，所述补偿压P_shock的计算公式为：

P_shock＝0.5ρv²·∑ξ_i

式中，P_shock为补偿压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，ξ_i为风筒固有阻力系数。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种隧道掌子面循环供风系统与方法，通过在隧道预设距离处设置气室容纳正洞风机吹入的自然风，并通过除尘器风机吸收隧道内预设距离处与掌子面之间的隧道污气，处理后输入至气室，再通过气室风机将混合风输出至掌子面，利用隧道污气的回收再利用，使得正洞风机无需根据供风量需要长距离满额输出，一部分供风量由除尘器风机短距离提供，从而减小了掌子面通风机组的总装机功率；

(2)适用性强，所有设备均可设置于同一通风巷中，无需依靠其它通风巷来布置设备以实现相应的功能；

(3)采用隧道污气再利用的方式，在满足供氧需求的前提下，降低了对自然风的需求，从而降低了通风机组的总装机功率。

附图说明

图1为一种隧道掌子面循环供风系统的系统结构组成示意图；

图2为一种隧道掌子面循环供风系统的实际应用示意图。

附图标记说明：正洞风机-1、隧道洞口-2、第一风筒-3、气室-4、除尘器风机-5、除尘器-6、气室风机-7、第二风筒-8、掌子面-9，箭头为气流流动方向,Q1-自然风、Q2-混合风、Q3-隧道污气、Q4-第一部分隧道污气、Q5-第二部分隧道污气、Q6-过滤风。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为解决上述问题，提供一种长大隧道多掌子面施工可循环通风的系统，同时能够适用于多种施工环境，如图1和图2所示，本发明提出了一种隧道掌子面循环供风系统，所述掌子面9由正洞风机1和除尘器风机5向气室4共同供风，并通过气室风机7向掌子面9供风，气室4还连接有除尘器6，其中

正洞风机1，用于吸收隧道外空气输出自然风并通过第一风筒3输出至气室4；

除尘器风机5，用于将隧道预设距离处与掌子面9之间的隧道污气输入至除尘器6；

除尘器6，用于将隧道污气净化并输出过滤风至气室4；

气室4，用于容纳自然风与过滤风混合而成的混合风；

气室风机7，用于根据供风量公式将混合风按供风量计算值通过第二风筒8输出至掌子面9。

详细地，当正洞风机1运行，并通过第一风筒3输出自然风Q1至气室4时，第一风筒3、气室4、第二风筒8内气压增大，风筒内气流受压排出至掌子面9。隧道污气Q3受风筒排出气流的挤压，在掌子面9和隧道本身柱状结构共同作用下沿隧道反方向流动。当反向流动的隧道污气流经隧道内预设距离处的除尘器风机5时，第二部分隧道污气Q5继续沿隧道排出，第一部分隧道污气Q4在除尘器风机5的作用下被吸入气室4，并在气室4中经除尘器6处理为过滤风Q6与自然风Q1混合为混合风Q2，通过气室风机7经第二风筒8排出至掌子面9。

需要说明的是，因为气体具有流动性，当正洞风机1输出的自然风Q1进入气室4的同时，隧道污气Q3也同步进入气室4，因此气室4内气体始终由自然风Q1与过滤风Q6混合组成。

而对于除尘器风机5的供风量，本实施例通过供风量公式确定，具体公式为

式中，Q_fan7气室风机供风风量，Q_max为掌子面作业风量,L为通风极限距离，k为百米漏风率。

其中，所述掌子面作业风量的计算公式为：

Q_max＝Max(Q₁,Q₂,Q₃)

式中，Q₁为允许风速风量，Q₂为内燃机废气稀释风量，Q₃为人工呼吸量。

因为掌子面作业风量受多方面影响，主要包括：

允许风速风量，受隧道内允许平均风速影响，需要足够大的风速才能保证隧道内的空气流通；

内燃机废气稀释风量，针对隧道开采设备释放的废气，需要对其进行稀释，以保证稀释后的废气能够不影响作业人员的正常工作和身体健康；

人工呼吸量，满足所有作业人员呼吸所需要的通风量。

其中，所述允许风速风量的计算公式为：

Q₁＝SV

式中S为掌子面最大断面面积，V为隧道内允许最小风速。

所述内燃机废气稀释风量到的计算公式为：

式中，N_i内燃机功率，T_i内燃机利用率系数，K为隧道内出碴时使用内燃机每kw所需风量，n为内燃机数目。

所述人工呼吸量的计算公式为：

Q₃＝qkm

式中，q为每人每分钟空气供应标准量，k为风量备用系数，m为隧道内同一时间最多工作人数。

为了更好的根据系统的实时能耗以及现场实际供电设备的上限控制各风机的运转，同时方便作业人员能更清楚的了解系统实时能耗，避免能耗过高导致通风机组跳闸断电，导致隧道内作业人员无法及时获取风筒通风，从而导致人身伤害，本系统还设有功率统计器，用于根据供风量利用能耗计算公式计算各风机能耗，并根据计算结果控制正洞风机和气室风机的运转效率，所述能耗计算公式为：

N_fan＝0.001×(P_fan·Q_fan)/η_fan

式中，N_fan为风机所需功率，P_fan为风机的供风压力，Q_fan为风机的供风量，η_fan为风机本身的工作效率。

而所述风机的供风压力P_fan由静压P_S、动压P_d和补偿压P_shock叠加组成，其中，静压P_S的计算公式为：

式中，P_S为静压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，L为风筒长度，d为风筒直径，λ为沿途的摩擦阻力系数，η_V为动力粘度修正系数，η_K为温度修正系数，η_B为大气压修正系数。

动压P_d的计算公式为：

式中，P_d为动压，ρ为空气密度，v为风筒内空气平均流速。

补偿压P_shock的计算公式为：

P_shock＝0.5ρv²·∑ξ_i

式中，P_shock为补偿压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，ξ_i为风筒固有阻力系数。

通过上述几个公式分别计算气室风机和正洞风机的功率，并加上所需数量除尘器风机的总功率，即为本系统的总功率。

实施例二

为了更好得体现本发明对通风机组总装机功率需求的降低，本实施例以具体数据进行说明。

本实施例中，施工隧道长6000m，掌子面截面积150m²。

假使在一工况条件下，允许风速风量、内燃机废气稀释风量、人工呼吸量中允许风速风量为三者中最大值，那么此时掌子面作业风量Q_max＝45m³/s。取通风极限距离L为3000m，百米漏风率k为1.0％，那么此时气室风机的供风量Q_fan7为60.8m³/s。

因为采用可循环通风，气室内过滤风与自然风的比例，在保证作业人员正常呼吸前提下，本实施例设置循环比为40％，此时正洞风机的总输出量

Q₃₄＝Q_fan7×60％

式中，Q₃₄为正洞风机通过第一风筒输入至气室的风量，Q_fan7为气室风机的供风量。但考虑气流在第一风筒中输送时沿途的漏风率，则实际正洞风机的输出量，通过公式

得到可循环通风情况下正洞风机的最终供风量为49.35m³/s。

而采用正洞风机直接通风时，由上述已知掌子面所需供风量为45m³/s，那么考虑到沿途漏风率，此时正洞风机实际供风量，由公式

得到直接通风情况下正洞风机的最终供风量为82.2m³/s。

知道正洞风机不同系统下的供风量后，通过功率计算器利用能耗计算公式计算各系统的实际功率。因为考虑到气流在风筒中传输时的静压和动压，风机供风压力由这两者组成。其中，

静压计算公式为：

式中，P_S为静压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，L为风筒长度，d为风筒直径，λ为沿途的摩擦阻力系数，η_V为动力粘度修正系数，η_K为温度修正系数，η_B为大气压修正系数。

其中，摩擦阻力系数λ与空气在风筒内的流动状态和风筒筒壁的粗糙度有关，隧道通风系统中，风筒的空气流动状态属于紊流光滑区和粗糙区之间，计算公式为：

式中，λ为摩擦阻力系数，K为风筒内壁粗糙度，d为风筒直径，Re为雷诺系数。

动压计算公式为：

式中，P_d为动压，ρ为空气密度，v为风筒内空气平均流速。

同时考虑到风机集流口、出风口以及转弯局部损失，供风风压还要考虑到补偿压。

补偿压计算公式为：

P_shock＝0.5ρv²·∑ξ_i

式中，P_shock为补偿压，v为风筒内空气平均流速，ρ为空气密度，ξ_i为风筒固有阻力系数。

综上，风机的供风压力为：

P_fan＝P_S+P_d+P_shock

通风机的功率计算公式为

N_fan＝0.001×(P_fan·Q_fan)/η_fan

式中，N_fan为风机所需功率，η_fan为风机本身的工作效率，本实施例中取70％。

根据上述公式，当风筒直径选取1.8m时，

在可循环通风系统中：

气室风机的各压力值为P_S7＝7352Pa，P_d7＝259Pa，P_shock7＝735Pa，P_fan7＝8346Pa，而Q_fan7＝60.8m³/s

那么气室风机的功率N_fan7＝725kw。

正洞风机的各压力值为P_S1＝4837Pa，P_d1＝171Pa，P_shock1＝484Pa，P_fan1＝5491Pa，而Q_fan1＝49.35m³/s

那么正洞风机的功率N_fan1＝387kw。

同时还有除尘器的功率，以37kw功率的除尘器为例

Q_C＝Q_fan7×α

式中，Q_C为除尘器处理的风量，Q_fan7为气室风机的供风量，α为循环比。那么根据计算此时仅需三台除尘器即可。

那么此时可循环通风系统的总功率为1223kw。

在直接通风系统中：

正洞风机的各压力值为P_S＝21253Pa，P_d＝375Pa，P_shock＝2125Pa，P_fan＝23753Pa，而Q_fan＝82.2m³/s

那么此时直接通风系统的总功率为2791kw。

通过本实施例的计算，可以得出相比于直接通风系统，本发明提出的可循环通风系统能够减少56％的通风机组总装机功率。

综上所述，本发明所述的一种隧道掌子面循环供风系统与方法，通过在隧道预设距离处设置气室容纳正洞风机吹入的自然风，并通过除尘器风机吸收隧道内预设距离处与掌子面之间的隧道污气，处理后输入至气室，再通过气室风机将混合风输出至掌子面，利用隧道污气的回收再利用，使得正洞风机无需根据供风量需要长距离满额输出，一部分供风量由除尘器风机短距离提供，从而减小了掌子面通风机组的总装机功率。

同时，适用性强，所有设备均可设置于同一通风巷中，无需依靠其它通风巷来布置设备以实现相应的功能。采用隧道污气再利用的方式，在满足供氧需求的前提下，降低了对自然风的需求，从而降低了通风机组的总装机功率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述隧道为单通风巷，所述掌子面由正洞风机和除尘器风机向气室共同供风，并通过气室风机向掌子面供风，气室还连接有除尘器，在掌子面与气室之间的隧道空间内形成空气循环，其中：

正洞风机，用于吸收隧道外空气输出自然风并通过第一风筒输出至气室；

除尘器风机，用于将隧道预设距离处与掌子面之间的隧道污气输入至除尘器；

除尘器，用于将隧道污气净化并输出过滤风至气室；

气室，用于容纳自然风与过滤风混合而成的混合风；

气室风机，用于根据供风量公式将混合风按供风量计算值通过第二风筒输出至掌子面；

隧道内气体流动的具体流向如下：

当正洞风机运行，并通过第一风筒输出自然风至气室时，第一风筒、气室、第二风筒内气压增大，风筒内气流受压排出至掌子面；隧道污气受风筒排出气流的挤压，在掌子面和隧道本身柱状结构共同作用下沿隧道反方向流动；

当反向流动的隧道污气流经隧道内预设距离处的除尘器风机时，部分隧道污气继续沿隧道排出，其余隧道污气在除尘器风机的作用下被吸入气室，并在气室中经除尘器处理为过滤风与自然风混合为混合风，通过气室风机经第二风筒排出至掌子面。

2.如权利要求1所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述供风量公式为：

式中，

为气室风机供风风量，/>

为掌子面作业风量，L为通风极限距离，k为百米漏风率。

3.如权利要求2所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述掌子面作业风量的计算公式为：

式中，

为允许风速风量，/>

为内燃机废气稀释风量，/>

为人工呼吸量。

4.如权利要求3所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述允许风速风量的计算公式为：

式中S为掌子面最大断面面积，V为隧道内允许最小风速。

5.如权利要求3所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述内燃机废气稀释风量到的计算公式为：

式中，

为内燃机功率，/>

为内燃机利用率系数，K为隧道内出碴时使用内燃机每kw所需风量，n为内燃机数目。

6.如权利要求3所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述人工呼吸量的计算公式为：

式中，q为每人每分钟空气供应标准量，j为风量备用系数，m为隧道内同一时间最多工作人数。

7.如权利要求2所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，还包括功率统计器，用于根据供风量利用能耗计算公式计算各风机能耗，并根据计算结果控制正洞风机和气室风机的运转效率，所述能耗计算公式为：

式中，

为风机所需功率，/>

为风机的供风压力，/>

为风机的供风量，/>

为风机本身的工作效率。

8.如权利要求7所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述风机的供风压力由静压、动压和补偿压叠加组成，其中，静压的计算公式为：

式中，

为静压，v为风筒内空气平均流速，/>

为空气密度，/>

为风筒长度，d为风筒直径，

为沿途的摩擦阻力系数，/>

为动力粘度修正系数，/>

为温度修正系数，/>

为大气压修正系数。

9.如权利要求8所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述动压的计算公式为：

式中，

为动压，/>

为空气密度，v为风筒内空气平均流速。

10.如权利要求8所述的一种隧道掌子面循环供风系统，其特征在于，所述补偿压的计算公式为：

式中，

为补偿压，v为风筒内空气平均流速，/>

为空气密度，/>

为风筒固有阻力系数。/>

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