1、文章编号:1009-6094(2023)04-1147-08基于管网外声场的区间隧道串联通风机调节反演*于琦1，2，王海桥1，陈方兴1，陈永平1，3，朱琴2，张凤君4(1 湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201;2 湖南理工职业技术学院，湖南湘潭 411206;3 桂林航天工业学院能源与建筑环境学院，广西桂林 541004;4 青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000)摘要:明确串联风机调节依据，可有效提高通风排烟系统的通风效率。围绕该问题，依托缩尺寸过海地铁区间隧道通风试验平台，以串联通风机组为试验对象，确定了串联风机组的 9 种工况，测定了声压级、电功消耗和风量。通
2、过噪声源频谱分析而发现，100 300 Hz 的宽频噪声对通风机组噪声贡献大，近风井端风机和远风井端通风机对各阶谐波影响不同;基频出现叠加现象，并且该基频主要受近风井端通风机的影响。最终，基于噪声场反演，提出减噪降耗的调节方法，即近风井端通风机转速不低于远风井端通风机转速。关键词:安全卫生工程技术;通风排烟系统;串联风机;声强;频谱中图分类号:X593文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.2151*收稿日期:2021 11 29作者简介:于琦，博士研究生，从事通风安全与职业危害研究，160101050002 mail hnust edu cn;王海
3、桥(通信作者)，教授，从事地下通风安全与环境控制研究，。基金项目:国家自然科学基金项目(51864014);湖南省自然科学基金项目(2021JJ60053)0引言现阶段，我国的城市地下空间利用呈现快速发展的势头，尤其是地铁网络的不断完善极大缓解了交通拥堵问题1。地铁系统网络因为结构复杂，整体长度长，伴随着诸多安全隐患，地铁隧道通风系统是保证地铁系统安全运行的关键环节2 3。因此，研究地铁隧道通风系统性能，对地铁隧道防灾救灾至关重要。过海区间隧道通风系统区别于常规的地铁隧道通风系统，因海域环境制约而不宜设置排烟竖井，可采取风机串联增加通风动力，以便通风排烟。因此，研究串联风机组的调节依据格外重要
4、。目前对于风机性能及噪声研究，主要围绕内部流场、变工况及结构等方面展开4 7。李林凌等8 引入片条理论、非线性气动力理论，建立了轴流风机叶片紊流噪声模型。徐宇峰等9 提出叶间涡是轴流风机内流场的主要特性，且低压轴流风机气动噪声以紊流噪声为主。Zhang 等10 引入节流条件，建立了轴流风机宽带噪声源模型。孙扬智等11 提出轴流风机旋转叶片的气动噪声不完全由脉动压力产生，且与叶片转速和风机直径成正比的结论。针对变工况的风机噪声及性能 研 究，可 从 频 谱 特 性 和 节 能 率 的 角 度 分析12 14。除此之外，一些学者还对风机内部结构和布置方式进行了研究15 16。2015 年，李春曦等
5、17 最先提出动叶安装角异常不仅可以增强动叶区宽频噪声，还可以分散低频段的旋转噪声。徐志胜等18 为增加风机通风效率，提出了风机横向布置最优间距。王慧萍等19 发现轴流风机在前端时可有效提高串联全压。李树强20 发现串联运行工作稳定性优于单台风机运行。丁蕴蕾21 推导出串联风机的最大有效通风距离方程式。以往的研究工作集中在单台风机的性能或噪声，在分段纵向排烟及其吊顶排烟道中，串联通风机可有效降低地铁投资规模，现阶段，串联风机噪声研究较少，不足以指导工程现场应用。本文采用物理相似模拟试验、频谱分析的方法，对串联风机组的声场、风量、功耗进行分析，并针对单风机、双风机同转速、双风机不同转速运行时的噪
6、声特性开展研究，探究串联风机调节依据，以期提高过海地铁区间隧道分段纵向排烟的经济技术效益及通风系统性能。1工程依托与试验模型1.1工程实际及模型设计工程原型是青岛地铁 8 号线大青区间隧道，起点为大洋站，终至青岛北站，全长约 7.8 km，目前是国内穿越海域段最长地铁隧道。选定区间隧道海底段及其通风排烟系统作为试验原型。根据实际通风排烟系统通风特性和相似条件，确定试验模型线性比为115;主体材料选用有机玻璃，PVC 板材、亚光薄壁板材，辅助材料选用柔性连接材料、黏合剂等，确保模型密封性;风速比为11，保证单位长度压降相等。1.2试验系统如图1 所示，通风排烟试验系统总长为13.5 m，风道系统
7、由行车道、吊顶排烟口和排烟道构成;动力系统主要由 5 个轴流风机及其通风竖井构成;电控柜属于控制系统，可对风机变频调节和实时传输数7411第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023据。以串联风机组为试验对象，图 1 中的 2、3 号风机组成串联机组，由短距管道连接。风机长为 60.5cm，管道长为 116.5 cm，风机和管道直径为 50 cm。2 号风机称为远风井端风机，3 号风机称为近风井端风机。2 号风机和 3 号风机型号为 FBC 轴流式(博亚通风设备有限公司)
8、，额定功率为 5.5 kW，风量为240 130 m3/min，转速为 2 900 r/min，风压范围为250 1 000 Pa，同时测量风机管道外的噪声。2试验方案2.1测量方法及布点布置选取对称分布的 18 个测点，各测点与风机中轴线角度均为 45，距离为 1 m，高度为风机底部垂直向下55 cm，如图2 所示。测量时环境温度为20，环境大气压为 100.9 kPa，考虑到场地背景噪声对试验的干扰，选择傍晚进行试验，噪声测量 A 声级的标准偏差为 2 dB(A)，采样时间 15 s，每组试验对每个测点连续测量 3 次取平均值以降低误差，每组测量的声 压 级 误 差 在 0.01 dB(A
9、)内。根 据 GB/T28882008 相关规定22，试验背景噪声与风机运行图 1模型试验系统及其主要功能段位Fig 1Model experiment system and its mainfunctional segments图 2测点位置Fig 2Location of measuring points噪声相差较大，测量结果可不予修正。2.2测量设备及试验工况噪音实时频谱分析仪型号为 CEL 63X(科赛乐公司)，该分析仪由主机、防风球、传声器、放大器和数据线构成，测量范围为 20 140 dB(A)，且频率范围为 12.5 20 000 Hz，配套数据管理软件，满足试验现场测量要求。风
10、速传感器型号为 S FS I20 9TH，量程为0 30 m/s，误差是 0.2 m/s，其中左侧测量断面的排烟道上在不同位置分别布设 3 个风速传感器，行车道部分布设 5 个风速传感器，右侧测量断面共布设了 3 个风速传感器。电功表型号为Hongrun HPC21301，量程为 0 12 kW，误差是24 W，电功表集成在电控柜中。串联单抽试验调节均在风机特性曲线的正常运行区，即开启 2 号、3 号抽出式风机，其余风机均不工作，左右侧 1 号、3 号、4 号风井提供新鲜气流在排烟口下方汇合进入专用排烟道，经由 2 号、3 号风机从 2 号风井排出。此次试验共有 9 种工况，其中噪声信号按照工
11、况类别，分为串联风机组的单台风机运行、双风机不同转速运行、双风机等转速运行，具体调频值以 20 Hz(1 200 r/min)、25 Hz(1 500r/min)和 45 Hz(2 700 r/min)相互搭配。3噪声与风机性能3.1工况与声压级、风量、功耗表 1 给出了各工况的运行参数。工况二的风量和噪声均大于工况一，工况三、四风量几乎相等，噪声相同，表明噪声主体为气动噪声;比较工况一、二和五，双风机运行平均提高 11 dB(A);工况三、四和六相比，双风机运行提高 9.4 dB(A)，双风机显著提高了噪声声压级;工况八和九声压级均为 86.6 dB(A)，工况九风量远大于工况八。结合工况六
12、发现，双风机运行时，调节 3 号通风机，有利于提高风机组的出风量。声压级相同的情况下，工况二比工况一的功率小;工况四比工况三的功率小;工况九比工况八的功率略大。从功耗的角度看，2 号风机在实际工作时功耗高于 3 号。综上所述，工况二比工况一的功耗小，风量大，噪声略大;当转速增大后，工况四与工况三相比，功耗小，风量相似，噪声相等;工况九与工况八相比，功率略大、风量大、噪声相等。无论是单风机运行还是双风机同时运行，开启 3 号风机对风量影响大，但对噪声和功耗的影响小。工况变化时的风量与功耗关系见表 2。左侧 48411Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期种工况变化为仅增
13、加转速，从工况一切换为工况四耗功率最小。右侧的 4 种工况变化为从单风机运行变为同转速的双风机运行，工况二切换到工况三、四的单位风量耗功率比从工况一、二切换到工况五更高。结合风量和耗功率，发现将单风机转变为双风机运行比仅调节转速更适用低风量需求。双风机开启方式对噪声的影响不同，3 号风机开启，出气均匀，风量大，产生的气动噪声小。表 1各工况运行参数Table 1Operating parameters of experimental conditions工况一二三四五六七八九2 号转速/(rmin1)1 20001 50001 2001 5002 7002 7002 7003 号转速/(rmi
14、n1)01 20001 5001 2001 5002 7001 5001 500风量/(m3s1)0.6480.7551.1101.1001.3911.6682.6481.8282.125功率/W740.2713.01 028.31 020.61 260.21 918.69 948.45 173.65 210.8平均声压级/dB(A)65.366.370.470.476.879.892.786.686.6表 2工况变化下的风量与功耗比较Table 2Comparison of flowrate and power under changing operating conditions工况变化风
15、量/(m3h1)功耗/W单位风量耗功率/(Wm3h1)工况变化风量/(m3h1)功耗/W单位风量耗功率/(Wm3h1)工况一切换到工况三1 663.2288.10.173工况一切换到工况五2 674.8520.00.194工况二切换到工况三1 278.0315.30.247工况二切换到工况五2 289.6547.20.239工况一切换到工况四1 627.2280.40.172工况三切换到工况六2 008.8890.30.443工况二切换到工况四1 242.0307.60.248工况四切换到工况六2 044.8898.00.4393.2测点与声压级3 号风机对噪声的影响见图 3 和 4。越靠近声
16、源的位置，声压级越大。在图 3 右侧，比较工况一、图 3单风机运行下的各点声压级Fig 3Sound pressure level at each point of single fan二，以及工况三、四，均为 3 号风机开启时声压级大。对于中间测点9、10，3 号风机开启的声压级均大于2号风机。左侧根据位置与声压级的关系，声压级应符合工况一大于工况二，工况三大于工况四。但是，对于测点 5 和测点 6 的声压级，发现工况一均小于工况二。当转速提升到 1 500 r/min 时，对于测点 5声压级，工况三大于工况四的声压级，对于测点 6 声压级，工况三小于工况四的声压级。图 4 中，双风机存在转速差值时，串联风机组的声场更加复杂;然而，从图 3 可见，测点 6 的工况九声压级大于工况八。这表明风机声场，尤其是测点 6 易受到近风井图 4双风机运行下的各点声压级Fig 4Sound pressure level at each point of double fan94112023 年 4 月于琦，等:基于管网外声场的区间隧道串联通风机调节反演Apr，2023端风机(3 号风机)影响。以测
