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1、广州地铁环控系统设计方案研究（一） 前言前言广州地铁 1、2 号线已经开通运营，3 号线即将开通运营，4、5 号线正在进行设计。就设计进度和设计水平而言，广州处于国内最前列的位置，对广州地铁进行研究具有更大现实意义。广州地铁 1 号线环控制式采用开/闭式系统，对其设计问题已在个人所写的广州地铁 1 号线环控设计总结（收入回顾与思考一书第九章环境控制系统）中进行了讨论，文中的一些见解和意见，对其它采用开/闭系统的城市地铁设计有一定的参考价值。广州地铁 2、3、4、5 号线环控制式采用了屏蔽门系统，对于屏蔽门系统，个人仅参加了一些车站工点的设计或设计咨询工作，对全线系统设计的资料不够全面了解，本文
2、就个人所了解的情况和问题发表一些见解或看法，难免存在不够准确之处，仅供同行们对这些问题进行深入研究或讨论时参考。一、地铁隧道通风系统设计方案简介一、地铁隧道通风系统设计方案简介广州地铁隧道通风设备均设于车站的两端，2、3 号线车站两端的隧道通风系统设计如图 1 所示，本文将其称为 A 型设计方案。4、5 号线部分车站采用 A 型设计方案，部分车站则采用图 2 所示系统，本文将其称为 B 型设计方案。深圳地铁 1 号线等国内多条地铁线路均采用 A 型方案，已被各方面普遍接受，B 型方案是最近几年出现的，虽然一些地铁线已参照采用，但尚还存在一些争议。个人认为，从 A 型到 B 型是一个巨大的前进，
3、应当肯定，从充分发挥设备的设置功能讲对 A 型和 B 型都有进一步研究改进的空间。A 型方案主要设计特征是每个车站有 4 个隧道通风亭、4 个活塞通风道、4 台 TVF 风机及 2 台 TEF 风机。每台 TVF 风机的设备选型技术参数是：风量 QX=60m3/s、风压 HX=1000Pa、电机功率 NX=90KW、风机直径=2.0m、可正反转且正反转风量相等；每台 TEF 风机的选型参数是：QX=40m3/s、HX=600Pa、NX=45KW、=1.6m、只正转排风；B 型方案主要设计特征是每个车站有 2 个隧道通风亭、2 个活塞通风道、2 台 TVF 风机及 2 台 TV/EF 风机及 2
4、 台变频器。TV/EF 风机即为 TVF 风机兼作 TEF 风机使用，平时通过变频器按照 TEF 风量运转，事故时则按 TVF 风量运转,因此 TV/EF 选型参数同 TVF。显然 A 型方案比 B 型工程设备数量多，设计规模大，工程投资高。二、设备功能充分发挥问题的讨论二、设备功能充分发挥问题的讨论地铁工程投资巨大，运营费用高昂，这是许多城市修建地铁的最大障碍，环控设备在地铁设计中占用建筑面积最大，环控设备在地铁运营中耗电最多，因此对“占地大户”和“用电大户”的环控专业进行优化研究，对降低地铁工程造价具有较大意义。为减少工程投资，降低运营成本，广州地铁建设者已经作出了艰巨的努力，将 A 型方
5、案修改为 B 型方案，这一改进其工程的经济意义巨大，使每个车站：（1）少设 2 台TEF 风机；（2）减少了 2 条活塞通风道（土建规模约 4m（宽）4m（高）30m（长）2（条），（3）少建 2 个地面风亭。遗憾的是这一设计进步没有得到充分肯定而加以全线推广采用，本人所参与的5 号线工点设计咨询范围不少车站仍然采用了 A 型方案。个人认为对于 A、B 型就充分发挥设备的设置功能而言均还有进一步研究改进的空间。设备功能如何充分发挥个人认为目前可以从以下六方面进行研究，即为：设备设置的必要性、设备功能的使用性、设备设计的兼用性、设备运转的能效性、设备容量的小型化及设备控制的简明化。从这六个方面进
6、行讨论可能有助于我们对设计中的问题进行深入研究。1、设备设置的必要性讨论地下空间十分宝贵，可设可不设的设备应尽可能不设，A 型方案车站两端所设 4 台 TVF 风机属于这一问题探讨范围。设置屏蔽门后，区间隧道机械通风条件较开/闭式系统有了很大改善，计算结果及各条线的隧道通风工艺设计均表明，当列车阻塞或列车发生火灾而停在单线区间隧道内对其进行通风或排烟时，前后两个车站的 TVF 风机一般只需要运转 2 台，而不象开/闭式系统需要运转 4 台，多出的 2 台只能起备用作用。因此本问题的核心是区间隧道通风排烟在屏蔽门系统时是否必须设置备用风机的问题。个人观点是可以不设，理由是：（1）车站站厅或站台火
7、灾时的排烟风机没有考虑备用，为何区间隧道排烟通风时需要考虑备用呢？两者的设计标准不统一；（2）采用开/闭式系统的广州 1 号线、南京 1、2 号线、上海 2 号线等均对 TVF 风机没有考虑备用，为何采用屏蔽门系统后要有备用风机，两者的设计标准不统一；（3）地铁设计规范（GB50157-2003）（以下简称为“地铁规范”）没有明确对区间隧道事故通风必须设置备用风机；（4）国外地铁对事故风机设置备用的也极为少见（本人掌握资料不多，希望见多识广者提供这方面的资料支持）（5）发生火灾概率较高的公路隧道在其公路隧道通风照明设计规范（以下简称为“公路规范”）中不仅没有规定火灾排烟风机需要有备用，而且对火
8、灾排烟设备的设计规模与其经济性有所规定和说明，下面引用其中两例文字可能有助于我们的讨论。例 1：对于大于 1Km 的长大隧道发生车辆阻塞时，可能会出现全隧道车辆阻塞情况，但公路规范规定“阻滞段的计算长度不宜大于 1Km”，并说明“通风设计应考虑交通监控系统的功能，不必考虑 1Km 以上的交通阻滞，否则过量通风设施必定长期（甚至永远）闲置，显然是浪费，PIARC（1995）报告中亦指出了这点”；例 2：对于火灾设计规模及排烟设计要求，公路规范规定“火灾排烟风速可按 2m/s 3m/s 取值”，并说明该值“是按一般隧道火灾产生 20MW 的热量控制的排烟风速取值；对汽油车相撞产生 500MW 以上
9、的热量排烟风速要求 5m/s 以上，如以此设计很不经济”。可能会有人说，A 型设计方案可以对两条平行隧道同时进行机械通风。个人认为对于火灾隧道进行机械排烟是十分必要的，但没有必要同时对平行的另一侧未发生火灾的隧道进行机械通风, 地铁规范也没有这样的要求。当然对于地铁区间隧道列车火灾排烟问题是需要我们认真对待的，但采用设置备用风机来加大其安全度的做法是值得我们深入研究的，此项措施工程代价太大，设计中的经济问题不能不加以考虑。2、设备功能的使用性和设备设计的兼用性讨论设备功能的使用性是指设置的设备应当经常运转使用，不能长期闲置不用；设备设计的兼用性是指一个设备应尽可能一机多用，充分发挥设备的使用功
10、能。前者是针对地铁火灾专用通风设备长期闲置而提出来的，后者则是研究将这些长期闲置设备兼作其它设备平时加以利用，以节省其它设备的设置，这就是本文所说的设备兼用性设计问题，设备的使用性和兼用性密切相关，故联系在一起进行讨论。广州地铁 2、3、4、5 号线在车站通风空调系统中对站厅和站台层火灾事故设计了专用的排烟风机，即SEF 风机；对于区间隧道内的列车阻塞或列车火灾事故设计了 TVF 风机。SEF 风机和 TVF 风机在正常运营时是不运转的，发生事故时才进行运转，这些风机是“长期（甚至永远）闲置”着的，为保证这些设备在事故时能正常运转，还需要经常对其进行保养性运转，这些显然都是一种浪费，需要对其进
11、行研究改进。改进途径之一，就是使其设计具有兼用性。2、3 号线各个车站是按照图 1 所示的 A 型方案进行设计的，即对区间隧道设置了有 TVF 风机的通风系统，对站内隧道设置了有 TEF 风机的排热系统，两个系统分别设置，相互相对独立。4、5 号线部分车站对此进行了改进，出现了图 2 所示的 B 型方案。B 型方案不同于 A型方案的地方是区间隧道通风系统与站内隧道排热系统两个系统相互结合了在一起，并可以互为备用。这是兼用性设计的一个很好实例，即车站每端用 1 台 TVF 风机兼做 TEF 风机使用，平时正常运营时作为 TEF风机使用，发生事故时作为事故风机使用，两种风机的风量匹配是通过变频器实
12、现的（本文为了区别和表述方便起见，将 TVF 风机兼作 TEF 风机时称为 TV/EF 风机）。对这一设计进步，作者给予高度评价，并认为全线各车站均可以采用，尤其是风亭设置较为困难的车站更应采用，在 5 号线工点设计咨询工作中已明白的表明了个人这一设计观点。至于 SEF 风机个人认为可以兼做大系统的回/排风机，两者风量的差异匹配可以通过变频器或双速电机来实现，此设计比较简单，设计事例也较多，本文不多作文字说明。3、设备容量小型化的讨论通风设备容量（主要指风量和风压）小的风机总是比容量大的风机运转功率低、投资省、设备布置难度小，在一定的条件下还可以获得土建工程规模减小的效果。地铁设备系统繁多，空
13、间十分宝贵，通风设计工作中应当尽可能将其设备小型化，以获得地下空间的最佳利用。车站大系统中的 SEF 风机和 B 型方案中的TV/EF 风机属于这一讨论内容。广州 25 号线中对车站大系统设置了专用的排烟风机 SEF，它与回/排风机 RAF 并列设置，前者比后着容量大，个人认为可将 SEF 小型化按照 RAF 设计，平时 2 台 RAF 互为备用单台运行，火灾时 2 台 RAF 并联运行加大风量以满足排烟需要，广州 1 号线就是按照这一原则进行设计的。B 型方案中的 TVF 和 TV/EF 风机其装机容量相同，是环控专业最大容量的设备，设备购置费较高。TV/EF 在正常运行时通过变频器按 TE
14、F技术参数运行，似为“大材小用”，如果按照 2 台 TEF 设计，正常运行时 2 台 TEF 互为备用单台运行满足站内隧道排热通风需要，火灾时 2 台 TEF 并联运行满足隧道通风或排烟要求，当然它应具备正反转功能，为了区别本文将其称为 TE/VF 风机。可见 TV/EF 是一个大容量风机兼作小容量风机使用的设计问题，而TE/VF 是一个小容量风机兼作大容量风机使用的设计问题，后者的优势是设备小型化和不设置变频器。变频器可以多工况使用，而 TVF 配置的变频器仅为单工况使用，似没有充分使用其设备功能。对于 1 号线 2台回/排风机并联兼作排烟风机使用的设计，业内一些人士有不同看法，为此下面借用
15、本文前面所列出的技术参数进行具体计算分析说明，以表明个人的技术观点。图 2 所示的 B 型设计方案在正常运营时由 TV/EF 风机通过变频器按照 TEF 的计算风量 QY=36.4m3/s 和计算风压 HY=546Pa 进行运转（计算技术参数是按照 TEF 风机选型技术参数风量和风压均考虑选型 1.1 的安全系数计算，即 QY=QX/1.1=36.4m3/s，HY=HX/1.1=546Pa，以下各种风机的计算技术参数（风量和风压）均按选型技术参数除以 1.1 考虑 ，同时将计算风量和风压视为风机运行的风量和风压），发生事故时TV/EF 风机则按照 TVF 的计算风量 QY=60/1.1=54.
16、6m3/s 和计算风压 HY=1000/1.1=910Pa 进行运转。将 1台 TV/EF 改为 2 台 TE/VF 后，2 台 TE/VF 风机并联运行的特性曲线如图 3 所示，其系统阻力关系式可用H2=R2*Q2 表示，图中 A2 点是 2 台风机并联运行的计算工况点，A1 点是 2 台风机并联运行时每台风机的运行的计算工况点，A 点则是单台 TE/VF 风机运行的计算工况点，其风量 Q（A）Q（A1）=54.6/2=27.3m3/s，H2（A）H2（A1）=910Pa，当然单台 TE/VF 风机的运行时不能针对隧道通风系统管路，而应是针对站内隧道排热系统管路，后者的系统阻力关系式应当不同于前者，若用 H1=R1*Q2 表示排热系统阻力关系，则工作点为 B 点，其风量 Q（B）可能Q（A）或Q（A）或Q（A），三种情况均应是 Q（B）Q（A1）。按照前面所述的风机选型技术参数可以反算出 R2 =0.305R1=0.412，因此图示是Q（B）Q（A）。显然，TE/VF 风机设备选型技术参数应按照 2 台并联运行的工况点进行设计。即为Q
