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1、6 610km10km 单线铁路长隧道运营通风设计方案研究单线铁路长隧道运营通风设计方案研究第二册第二册6 610km10km 单线非电化铁路长隧道单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告运营通风分项研究报告第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告2目 录1、概述1.1 国内非电气化铁路隧道通风概况1.2 国外非电气化铁路隧道通风概况2、非电气化铁路隧道运营通风特征2.1 隧道内风流运动的特点2.2 隧道内风流运动的空气动力学方程2.3 非电气化铁路隧道运营通风的特点及基本要求2.3.1 内燃牵引的运营铁路隧道内有害气体的防治2.3.2 多机内燃牵引的铁路隧道内机车降热要求2.3.3
2、内燃牵引的铁路隧道内机械通风特点2.3.3 非电化铁路隧道内机械通风的要求2.4 常用的几种通风方式2.4.1 全射流通风2.4.2 洞口风道式通风2.4.2 辅助坑道分段式通风2.5 列车活塞作用及隧道通风所需风量2.5.1 列车活塞作用2.5.2 隧道所需风量3、全射流纵向式通风3.1 射流风机纵向式通风空气动力学特性第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告33.2 不提前通风时全射流纵向式通风计算理论与设计3.3 提前通风时全射流纵向式通风计算理论与设计3.4 射流风机选型3.5 全射流纵向式通风时风机在隧道内的布置4. 辅助坑道分段式通风4.1 辅助坑道分段式通风特点和适用范围
3、4. 竖井吸出式纵向通风4.3 竖井吹入式纵向通风4. 竖井送排式纵向通风5. 洞口风道式通风5.1 概述5.2 洞口风道轴流风机和隧道内射流风机联合通风6. 赣龙线蛟洋隧道运营通风设计方案研究第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告41、概述1.1 国内非电气化铁路隧道通风概况随着我国铁路建设的不断发展，山区铁路的修建日益增多，长隧道不断出现。由于初期运量和电力设施配套等问题，一般较少采用电力牵引，大都采用内燃牵引。在内燃机车运行的铁路长隧道中，隧道通风系统是长隧道不可缺少的部分。若在隧道中不设置运营通风系统，仅靠列车运行时产生的活塞风或自然风很难将机车排出的废气完全从隧道内排出，则
4、列车（尤其是上坡列车）通过隧道后产生的有害气体将使养护人员、乘务人员、旅客有可能受到身体健康的危害，也可能对隧道内各种设备和隧道衬砌造成腐蚀。因此，为使隧道内具有符合卫生标准的空气环境，同时减少有害气体、湿气、高温等对隧道内各种设施和衬砌的不利影响，根据现行的铁路隧道运营通风设计规范的有关规定，对于内燃机车牵引、长度在 2Km 以上的单线隧道宜设置机械通风。迄今全国已完成运营通风设计的铁路隧道已有 300 多座，其采用的通风方式多属纵向式通风，其中很大一部分为无帘幕洞口风道式，而在一些长隧道中通过技术经济比选，采用了帘幕式洞口风道通风，其消耗的动力较少；而竖井式和斜井式辅助坑道分段通风方式一般
5、系结合施工使用的竖井和斜井用作风道，采用得较少，尤其是不采用机械通风而利用竖井加强自然通风的隧道，基本上是不成功的。射流风机与常用的轴流风机相比，无论在其本身的构造、功率和所引起的土建工程等方面都有着独特的优点，因此在交通隧道中，射流风机使用日益广泛，无论是单独使用还是配合轴流风机使用，都取得了较理想的效果。第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告5射流风机应用于公路隧道通风，国内外已经相当广泛，但在国外铁路隧道中采用射流通风的资料尚不多见，而在国内铁路隧道近几年中射流通风已经推广应用。如枝柳线的牙己隧道是第一座采用射流风机的单线隧道，其后在滨绥线和京包线的隧道中推广应用，而在新近建成
6、的横南线、南昆线和神延线等铁路隧道中已得到普及应用。如横南线分水关隧道，长 7252m，内燃牵引，原设计采用洞口风道吹入式通风和射流通风相结合的方案，后来在运营实践中，发现近期安装 28 台射流风机进行射流纵向通风即可满足初、近期行车对数需要，故该隧道运营通风采用全射流通风方案，现场测试表明，通风效果可达到近期设计要求。在一些山区铁路中，受线路条件限制需要采用内燃机车双机牵引，而在一些长大隧道中，双机牵引的后续机车往往会吸入前方机车排出的废气，从而使内燃机车燃烧不充分，更主要的是造成机车内部过热，使机车功率下降甚至在隧道中出现停机现象。根据调查，在我国内燃牵引的长隧道中，双机牵引的列车在通过隧
7、道约 4km 后很容易发生这种现象，因此在长隧道运营通风设计时，必须将机车降热通风和排出废气一并考虑，而迎列车提前通风迎列车提前通风则是解决这一问题的有效方法。这是铁路隧道运营通风的一个新课题，有待于进一步的深入研究和设计实践。第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告61.2国外非电气化铁路隧道通风概况铁路隧道运营通风（机械通风）在国外已有一个多世纪，首先是在西欧发起来的。在早期的隧道通风中，有利用竖井进行自然通风来排出隧道内烟气，后来发现效果不大，随即在铁路隧道采用机械通风。萨卡托喷咀式通风是较早采用的机械通风型式，但由于该种通风方式风机动力消耗较大，实际效果也不甚理想，后即为竖井式
8、和有帘幕洞口风道式机械通风所代替。如 1906 年建成的辛普伦隧道（长 19780m）便是采用洞口帘幕吹吸联合的通风方式，利用施工中的平行导坑作为风道，隧道两端均设置帘幕，在平导两端设置风机，从一端吹入新鲜空气，同时由另一端吸出烟气。20 世纪中叶，欧洲各国的铁路网已基本形成，在铁路隧道通风方面并无多大发展。随着铁路运输量的增加，机车类型开始采用牵引力大的电力机车，以提高通过能力，长隧道内烟气问题不复存在。而在北美地区，由于牵引动力一度由电力改为内燃，曾对内燃机车牵引的隧道通风问题进行过一些研究。如美国 Hoosac 隧道（7645 米）1946 年由电力牵引改为内燃牵引时，研究了兼顾排除烟气
9、与解决机车超热的通风方案，采用了洞口风道式机械通风，配置有自动遥控启闭的帘幕装置；加拿大的 Mount Macdonald 隧道（14.5Km）是北美地区最长的单线隧道，为多机内燃牵引，该隧道采用了复杂的竖井分段式通风系统，在隧道进口和中部设置有通风帘幕，结合位于隧道中部的通风竖井，根据列车在隧道内的不同位置，通过复杂而有效的通风监控系统来综合控制帘幕的第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告7开闭和风机的运转，从而满足了机车降热和排除烟气的通风要求。与 Mount Macdonald 隧道相邻的 Mount Shaughnessy 隧道长约 1.86Km，该隧道采用了 20台射流风机
10、来解决隧道内机车降热通风问题。综合国外的经验来看，内燃牵引的长隧道通风问题已经有行之有效的解决方法，而辅助坑道分段式通风和自动监控的帘幕装置是采用得比较多的手段。这些比较复杂的通风系统要求有完善可靠的通风监控系统才能保证通风系统安全和顺利的运转，同时帘幕也由新型的脆性材料制成，即使在通风监控系统失效的情况下，列车也可以直接穿帘幕而过，如此则不会对行车造成重大隐患。这些成熟的经验对我国的非电化长隧道运营通风设计有着很好的借鉴意义。目前我国内燃牵引的铁路隧道尚未有成功的采用竖井（斜井）分段式机械通风系统的实例，这可能在很大程度上与比较落后的通风监控系统有关系；钢帘幕在我国铁路隧道通风中也有采用，主
11、要用于洞口风道通风系统中，而据运营部门反映，现有的帘幕通风系统对铁路行车干扰较大，同时具有一定的安全隐患，因此结合我国实际情况研制出操作灵便、安全可靠的新型帘幕装置是解决非电气化铁路隧道运营通风的一条有效途径，也是通风设计的一项新的课题。第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告82、非电气化铁路隧道运营通风特征2.1 隧道内风流运动的特点在通常状况下，流体分子的运动相互之间会产生内摩擦力，即流体具有粘性。而且当流体所受的压力增大时，流体分子间的距离会变小，产生体积压缩，这就是自然界普遍存在的真实流体。气体分子间的平均距离远大于其它流体，虽然其运动时的粘滞阻力较小，但当其受压时，更容易产
12、生体积压缩。对于真实流体进行动力学研究十分困难，研究的结果也十分复杂。为研究方便，对真实流体，包括标准状态、低速运动下的空气，一般作如下假设: i. 流体移动时，不存在内摩擦力；ii.流体不可压缩。 这种没有内摩擦力又没有压缩性的流体，称为理想流体。理想流体为连续的介质，其内部没有空隙，有关运动要素压力、速度、密度等也都是连续分布的。在通风工程中，由于和空气宏观运动的尺度相比，气体分子的间距十分微小，所以按连续性假设把空气视为理想流体，运用连续介质理论进行研究与所得结果与实际相符。任何流体的运动都是在三维空间发生和发展，但当只有一个主要运动方向时，其它两个方向可以忽略，从而简化为一维运动。隧道
13、通风系统中，隧道正洞及风道中的风流主要沿着二者的轴线方向运动，因此可以将其视为一维理想流体连续运动。对于理想流体，流场中流体质点通过空间点的运动要素的数学表达式为：p = p( x, y, z, t) v = v (x, y, z, t) = (x, y, z, t) （2.1-1）式中： p流体的压力 v流体的速度 流体的密度第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告9x, y, z空间点的三维坐标 t时间对于隧道及其风道，由于其结构特征、壁面温度、风机压力、隧道通风量等在某一时期内变化不大，因此，常把隧道内风流近似的视为稳定流，即式（2.1-1）中 p、v 不是时间 t 的函数，只是
14、位置的函数， 则不随时间和位置而变化。同时，隧道内风流可视为一维流动，且由于 V50m/s，所以式（2.1-1）可以近似为： p = p (x) v = v (x) = const (2.1-2)式(2.1-2)表明隧道内风流的压力 p、速度 v 只是风流运动方向即 x 方向的函数，而密度为常数。根据连续介质的特性，流经任意给定断面的流体质量，x 将继续流经其下游的所有断面。总流稳定流动的连续性方程为：Q = vA =const (2.1-3)式中：Q断面流量 v断面平均流速 A断面积在不可压缩流体的稳定流动中，同一个总流上各断面的流量均相同，断面平均流速和断面积成反比，断面大的地方平均流速小
15、，断面小的地方平均流速大，而断面相等的地方平均流速也相等。第二册 单线非电化铁路长隧道运营通风分项研究报告102.22.2 隧道内风流运动的空气动力学方程隧道内风流运动的空气动力学方程（1） 、隧道内风流的能量方程由隧道内一维理想流体微流束的能量方程可得：v12 /(2g) + P1/r +z1 = v22 /(2g) + P2/r +z2 （2.2-1）隧道通风系统中，风流实质上是具有粘性的，其显示为对风流流动的阻力。为了克服这个阻力，风流就必须消耗一部分机械能，而转变为其它形式的能量，其主要为热能。因此，对于隧道内实际风流，则式（2.2-1）应改为：v12 /(2g) + P1/r +z1
16、 = v22 /(2g) + P2/r +z2 +hf （2.2-2）hf 为实际流体在流动过程中的能量损失对式（2.2-2）积分，便得到隧道内实际风流的能量方程为：v12 /(2g) + P1/r +z1 = v22 /(2g) + P2/r +z2 +hf （2.2-3）式中 z 表示每单位重量流体所具有的位能；v12 /(2g)表示平均每单位重量流体所具有的动能；P/r 表示每单位重量风流所具有的压能；hf 表示每单位重量风流由一个断面流过另一断面时的能量损失，也即风流流动所受的阻力。由能量方程可知，每单位重量流体所具有的位能、动能和压能是可以互相转化的，如果不计所受的阻力 hf ，这三种形式的能量总和
