李 喆，宋 雕，馮志勇，蘭 海

（1. 長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2. 四川川交路橋有限責任公司，四川 廣漢 618000）

隨著我國交通運輸業(yè)的高速發(fā)展，修建了越來越多的長大隧道，由于特長公路隧道瀝青路面鋪裝過程中有毒氣體濃度較高，因此在施工過程中面臨的首要問題是通風［1-2］。軸流風機具有流量大、揚程低、全壓低的特點，適用于大流量、阻力小的管路系統(tǒng)，廣泛應用于隧道通風［3-4］。為了使軸流風機更好地應用在隧道通風中，許多學者對隧道運營通風做了研究，代言明等［5］對大斷面隧道中的風機布置方式進行了分析；劉紅蕊等［6］對風機的轉速匹配進行了研究；溫嘉斌［7］預測了對旋軸流風機的流場并分析了風機兩級電機功率匹配問題。然而，在隧道鋪裝通風方面的文獻資料較為缺乏。隧道瀝青路面鋪裝時溫度高，有害氣體濃度大［8-9］，鋪裝時隧道內(nèi)未通電，需要為軸流風機提供發(fā)電機組。若按一般根據(jù)軸流風機的最大功率再考慮一個安全系數(shù)確定原動機功率的方法選擇原動機［10］，會因軸流風機經(jīng)常工作在較低的功率區(qū)域內(nèi)，導致原動機的經(jīng)常性工作點落在低效率區(qū)，功率浪費嚴重。本文通過對軸流風機性能曲線與柴油機特性曲線的聯(lián)合分析，確定了1種高效、穩(wěn)定、低能耗、低排放的軸流風機-柴油機功率匹配方法。

1 軸流風機特性

圖1為一般軸流風機性能曲線，其中H為揚程，p為全壓，PQ為功率。η為效率，qv為風機流量。在風阻一定的條件下，風機葉輪每轉一圈的送風量值為常數(shù)，風機流量qv與葉輪轉速呈線性關系。H、p隨qv增加先下降至b點再上升至a點，再下降；PQ與qv成反比，PQ越大，qv越小；η隨著qv增加先增大后減小，出現(xiàn)最高效率點。

可以看出，當軸流風機流量穩(wěn)定在性能曲線d點時，風機的效率η最高，為最佳工況。當軸流風機流量減小，在a點附近工作，H、p出現(xiàn)峰值。流量繼續(xù)減小，風機的揚程、全壓下降。

圖1 一般軸流風機特性曲線

由軸流風機的H-qv、p-qv性能曲線可知，a點右側區(qū)域?qū)儆诜€(wěn)定工作區(qū)。軸流風機的工作點落在穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)時，機組能安全、平穩(wěn)的工作。在a點左側，性能曲線出現(xiàn)凹形區(qū)域，屬于不穩(wěn)定工作區(qū)域。風機的工作點若落在這個區(qū)域內(nèi)，流量、揚程、全壓會出現(xiàn)大幅度波動，風機和管道系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的振動，噪聲大，這種不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為喘振。軸流風機在運轉過程中要避免發(fā)生喘振［11-12］。

同類型不同型號的軸流風機的揚程全壓曲線變化規(guī)律相同，穩(wěn)定高效工作的區(qū)段相似。由于流量為零時所耗軸功率最大，按照能夠滿足軸流風機最大功率要求的傳統(tǒng)選配方式進行選擇，會導致柴油機的工作效率低、能耗高、廢氣排放量大。

2 柴油機與發(fā)電機功率關系

2.1 柴油機功率

根據(jù)國家標準［13］，發(fā)動機銘牌上標定的功率分為4種：15min功率，1h功率，12h功率和持續(xù)功率。15min功率為發(fā)動機允許連續(xù)運轉15min的最大有效功率；1h功率為發(fā)動機允許連續(xù)運轉1h的最大有效功率；12h功率為發(fā)動機允許連續(xù)運轉12h的最大有效功率，其中包括超過10%標定功率情況下連續(xù)運行1h；持續(xù)功率為發(fā)動機允許長期連續(xù)運轉的最大有效功率。一般情況下，與發(fā)電機相配套的柴油機選用12h功率作為標定功率［14］。在發(fā)電機組中，柴油機的一部分功率在能量轉換過程中會損失掉，因此柴油機的功率大于發(fā)電機功率。從節(jié)能角度考慮，柴油機功率不宜過大，滿足發(fā)電機功率需求即可。當發(fā)電機輸出標定功率時，實際所需的柴油機輸出功率可按式（1）計算［15］：

式中 Nf/kw——柴油機輸出功率；

PH/kw——機組的輸出功率；

Pe/kw——柴油機在標準環(huán)境下的標定功率；

K1—— 柴油機功率修正系數(shù)（長期運行時，K1=0.9，連續(xù)工作時間＜12h時，K1=1）；

Η——發(fā)電機的效率。

根據(jù)此式，即可確定柴油機經(jīng)常性工作功率范圍。

2.2 負載類型的影響

不同類型的負載對發(fā)電機組容量的要求有較大差距。負載類型一般分為電阻性、電感性等線性負載與內(nèi)含整流電路的非線性負載。其中電感性負載（如籠型三相異步電動機）的特性是，啟動時有很大的電流，而且功率因數(shù)低于正常運轉值。對于軸流風機電機，它的啟動電流為額定電流的2倍多，這就要求機組容量足夠大以滿足其啟動要求。若按照啟動電流大小匹配發(fā)電機組的功率，則正常運行時功率遠小于機組的額定功率，這顯然是不經(jīng)濟的。

為了減小電動機起動時的影響，通常采用減壓起動的方法，即在啟動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，待電動機轉速接近穩(wěn)定時，再把電壓恢復到正常值。

3 柴油機特性

3.1 柴油機工況

柴油機穩(wěn)定工況的范圍取決于從動機的工作特點。根據(jù)從動機的工作特點，可將穩(wěn)定工況分為3類：固定式工況、螺旋槳工況和面工況［16］。固定式工況是指內(nèi)燃機按固定轉速驅(qū)動從動機工作，不論負荷如何改變，轉速基本保持不變的工況；螺旋槳工況指發(fā)動機作為船用主機直接驅(qū)動螺旋槳時，在穩(wěn)定工況下，發(fā)動機發(fā)出的功率與螺旋槳吸收的功率相等；面工況是指發(fā)動機的轉速可以在最低穩(wěn)定轉速和最高轉速之間變化，發(fā)動機的工況范圍是1個面。當柴油機驅(qū)動發(fā)電機工作時，不論負荷如何改變，柴油機轉速總是在某一點附近，只有小幅度的變化，屬于固定式工況。

3.2 柴油機調(diào)速特性

圖2為柴油機調(diào)速特性曲線，其中Ttq為扭矩，單位為N·m，Pe為功率，單位為kW，be為燃油消耗率，單位為g/（kW·h），n為柴油機轉速，單位為r/min，ntq為最大扭矩轉速，nbe為最佳經(jīng)濟轉速，ne為調(diào)速轉速。由于發(fā)電機組中柴油機總是在1個小的轉速范圍內(nèi)工作，屬于固定式工況，因此經(jīng)常性工作轉速應為ne，工作轉速范圍應位于圖2中的調(diào)速段B內(nèi)，此時調(diào)速器可以根據(jù)風機功率的變化，自動調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，使柴油機轉速保持在小范圍內(nèi)運轉。

圖2 柴油機調(diào)速特性曲線

3.3 柴油機負荷特性

負荷特性曲線表示發(fā)動機在某一固定轉速下，經(jīng)濟性指標和其他參數(shù)隨負荷的變化關系。對于經(jīng)常在標定轉速工作的發(fā)動機，根據(jù)標定轉速的負荷特性曲線可判斷它在各種負荷時的經(jīng)濟性。圖3為柴油機在ne轉速下負荷特性曲線，圖中B為每小時燃油消耗量，單位為kg/h，φa為過量空氣系數(shù)，ηm為機械效率，ηi為指示熱效率，Pe為柴油機功率。

柴油機零負荷時，be為無窮大。逐漸增加負荷，過量空氣系數(shù)φa減小，機械效率ηm迅速升高，燃油消耗率be下降。在負荷點E時，燃油消耗率be達到最低值，為最佳經(jīng)濟工況點。負荷繼續(xù)增加，φa減小，混合氣的形成及燃燒惡化，ηi下降，be上升。當負荷到達點1時，排氣出現(xiàn)黑煙，be快速上升（1～2段）。在達到相應于點2的供油量后，繼續(xù)增加供油量功率也無法提高。由于工作過程惡化，Pe值反而下降（2～3段）。點1相當于碳煙極限下限，點2相當于碳煙極限上限［17］?？梢钥闯觯裼蜋C在低功率區(qū)燃油消耗率高，經(jīng)濟性差，因此進行功率匹配時要避免選擇功率過大的柴油機；柴油機負荷特性燃油消耗率曲線的平坦區(qū)段C對應著柴油機的經(jīng)濟工作段，因此軸流風機理論工作功率應匹配至柴油機負荷特性燃油消耗率曲線的經(jīng)濟工作段，使柴油機在最佳經(jīng)濟工況點附近工作，以得到良好的經(jīng)濟性和較好的環(huán)保性能。

圖3 柴油機在ne轉速下負荷特性曲線

3.4 柴油機萬有特性

負荷特性只能反映柴油機在某一固定轉速下的經(jīng)濟性，當轉速波動時，不能表示燃油消耗率的變化，因此將不同轉速下的負荷特性曲線族進行坐標轉換，得到柴油機萬有特性曲線。萬有特性能夠全面地反映柴油機的性能，便于確定最經(jīng)濟的負荷和轉速范圍。最內(nèi)層的等耗油率曲線為最經(jīng)濟區(qū)域，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。軸流風機理論工作功率范圍匹配至柴油機萬有特性最佳經(jīng)濟工作區(qū)附近時，能夠得到良好的節(jié)能減排效果。當柴油機的最佳經(jīng)濟工作區(qū)在萬有特性上部，并且等耗油率曲線在縱向范圍較大時，最經(jīng)濟區(qū)域?qū)墓β瘦^大且范圍較廣，適合在發(fā)電機組中使用。圖4為EQD6102-1型柴油機萬有特性，圖5為Audi 5缸渦輪增壓柴油機萬有特性，其中pme為平均有效壓力，Pe為柴油機功率，n為柴油機轉速，be為燃油消耗率。

圖4 EQD6102-1型柴油機萬有特性

圖5 Audi 5缸渦輪增壓柴油機萬有特性

從圖4與圖5中可以看出，EQD6102-1型柴油機最低燃油消耗率be為218g/（kw·h），最大平均有效壓力pme在1800r/min時為800kPa，等油耗曲線在縱向范圍較窄，對應的經(jīng)濟工作功率區(qū)較小，轉速范圍較大；Audi 5缸渦輪增壓柴油機最低燃油消耗率為198g/（kw·h），最大平均有效壓力pme在2250r/min時為1350kPa，等耗油率曲線在縱向范圍較寬，經(jīng)濟區(qū)域?qū)墓β史秶^大，轉速范圍較小。萬有特性曲線形如Audi 5缸渦輪增壓柴油機萬有特性的柴油機在發(fā)電機組中工作時具有更好的經(jīng)濟性。

4 軸流風機-柴油機功率匹配

根據(jù)以上分析，為了讓軸流風機穩(wěn)定工作時柴油機具有良好的經(jīng)濟效益，確定如下基于風機特性和柴油機特性聯(lián)合分析的功率匹配方式。首先，根據(jù)軸流風機性能曲線，選擇合適的工作區(qū)，得到風機理論功率范圍，即得到發(fā)電機組理論輸出功率范圍，其額定功率應為此功率范圍上限。其次，將發(fā)電機組理論輸出功率上下限代入式（1）中，即可求出所需柴油機的經(jīng)常性工作區(qū)理論功率范圍。最后，根據(jù)負荷特性曲線和萬有特性選擇合適的柴油機。它滿足以下3個條件：（1）柴油機經(jīng)常性工作轉速應是其調(diào)速轉速，轉速變化范圍位于調(diào)速段內(nèi)；（2）此時柴油機負荷特性燃油消耗率曲線的經(jīng)濟工作段應包含上述功率范圍；（3）在柴油機萬有特性曲線上，其工作功率范圍與轉速范圍對應的燃油消耗率盡可能接近最佳經(jīng)濟工作區(qū)。這樣能夠保證風機穩(wěn)定高效工作的同時，柴油機工作具有良好的節(jié)能減排效果。

5 結束語

在隧道瀝青路面鋪裝過程中，為了使軸流風機與柴油發(fā)電機能夠高效、穩(wěn)定、低能耗、低排放地工作，本文通過對風機特性曲線和柴油機特性曲線分析得出了以下結論。

（1）軸流風機的工作區(qū)應選擇在最佳工況點附近，并且避免在喘振區(qū)內(nèi)，以保證它能高效穩(wěn)定工作。

（2）避免選擇功率過大的柴油機，柴油機經(jīng)常性工作轉速應是調(diào)速轉速，且工作轉速范圍位于調(diào)速段，。

（3）基于對風機特性與柴油機特性聯(lián)合分析，軸流風機理論工作功率范圍應匹配至柴油機負荷特性燃油消耗率曲線的經(jīng)濟工作段，并盡可能接近萬有特性的最佳經(jīng)濟工作區(qū)，以保證二者能夠高效、穩(wěn)定工作的同時達到節(jié)能減排的效果。