论隧道内风机水泵的变频调速节能分析

论隧道内风机水泵的变频调速节能分析

薛浩

上海浦江桥隧运营管理有限公司 上海 200023

摘要：本文介绍了通过对变频调速技术的原理与方法进行分析，探究变频技术在水泵、风机实际应用中的要点及风机变频技术在大连路隧道通风系统节能改造中的应用，实现了隧道通风系统的节能降耗目标，改善了隧道内的空气质量、降低了风机的能耗和噪音。文章对城市隧道实现节能降耗目标以及降低通风噪音、解决风机噪音扰民等问题具有参考价值。

关键词：城市隧道 通风系统 排水系统 节能改造 风机水泵变频技术 PLC

1. 引言

作为城市路网的重要节点，城市道路隧道的车流量近年来正在持续增加，不仅对隧道通风提出了更高的要求，对隧道运营管理的能耗和安全也带来了新的挑战。由于城市隧道紧邻居民社区，通风噪音也会给居民生活带来一定影响。如何通过新技术，对现有的隧道通风设备进行改造，减少设备运行噪音、降低能耗、延长风机使用寿命，已经成为隧道设计、建设、运营单位以及行业主管部门高度关注的一项重要工作。

2. 水泵变频技术的原理及方法

水泵负载种类较多，一般使用的节能方法主要是通过调节设备消耗功率及水泵流量来实现的，水泵流量的调节包含两种方法：出口阀调节、变速调节，出口阀调节是目前最常用的方法，主要是在水泵上安装调节阀门，来达到控制流量的方法^[3]，由功率=流量×压力这一公式可知，功率大小与流量大小有着直接关系，而流量大小受转速的影响，因此在调节流量是，可以降低水泵的转速^[1]，通过在设备上添加变频调速器来调节电机的转速，来达到节能的目的，水泵流量与电机转速的公式如2-1所示。

Q=K_Q×n

（2-1）

由公式可知，使用变频调速器进行水流量调解时，设备的消耗功率与流量呈正比，功率消耗图如图所示，从图中可以看出，使用变频调速技术对水泵水流量进行控制，能够有效的达到节约能源的效果。

水
泵设备功率-水流量图

3. 水泵变频节能技术要点

水泵的变频调速一般是以减慢速度为主，使用变频技术进行调节时，会使设备的运行发生较大的变化，而要使设备能够正常运行，需要考虑的因素较多，如管网特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调节速度造成影响，必须要控制调速在合理的范围内，才能起到节能减排的目的，相关研究表明，变频调速并不是无限制调速，使用变频调速技术进行调节后功率不能低于额定转速的一半，控制在四分之三左右最佳，具体情况还要结合实际应用进行具体调节。

1. 在进行水泵调速时，要求具有稳定的静压系统，静压是指设备具有固定的压力，不随着电气设备的转速、流量等变化而变化，在传输液体的过程中，液体上升到一定高度后，由于使用了变频调速装置，这就会使液体出口的压力发生变化，使其无法满足工程任务，因此在使用变频技术时，要配备稳定的静压系统，减小调速带来的影响。

2. 合理采用变频调速技术，对于变频调速技术的使用要根据实际情况来决定，如果使用变频技术进行调节的范围较小，那么节约的能源也较小，在这种情况下建议不采用复杂的变频技术。此外，如果水泵在进行维护的过程中更换了其他类型水泵，导致机器主体与水泵不配套，而引发的能源过度消耗现象，采用更换水泵及配件的方式比使用变频技术来节能的经济效益更高。大容量水泵的使用过程中，变频技术的使用要更加严谨，当实际应用中需要经常改变流量时，采用变频调速技术可以很好的节约能源，但如果水泵使用过程中需要运输大量液体，则不建议使用变频调速技术。

3. 在水泵的实际应用中，往往是多台联合使用的，由于变频技术需要较高的资金投入，因此不可能对所有水泵都使用变频调速技术，因此可以混合一定数量的定速泵进行供水，而在定速泵的使用中，会对与之并行的调速泵造成不同程度的影响^[2]，相同型号的定速水泵与调速水泵并列运行时，无法兼容两者的优势，因此使用变频技术调控的可行性较低，使用不同型号的定速水泵与调速水泵并列运行时，需要调节调速泵高效运行右侧端点与定速泵高效运行的左侧端点相等，此使可以使用变频技术进行调节。

变频调速技术用于水泵的调控作业过程，能够有效调节水流量，达到节能的目的，且具有较高的安全性，加强变频技术在水泵设备中的应用有助于减少能源的浪费，为工程提供良性发展。

4. 风机变频技术的原理及方法

变频技术主要应用于电气设备，通过调节电源的频率，从而调节电气设备的功率，实现节约电力的目的，变频技术可以将直流电变换成不同频率的交流电，或者将直流电变成交流电后再把交流电变成直流电，是频率上的变化而没有电能的变化[1]。

目前我国风机都是直接驱动使用的，在运行过程中经常会发生风机烧毁、机械故障等情况，使用变频调速技术可以有效减少设备的故障与损毁，不仅达到了节能的效果，还对设备起到了一定的保护作用，调节风机风量的方法主要有调节风机风速、调节出风口阀门两种，使用这两种方法都能够有效的节约能源，风压与风量的关系如图所示。

风
压与风量关系图

上述四条曲线中，曲线1-曲线3描述的均是调节出风口阀门后的节能变化曲线，曲线1与曲线2交于A点，此使值为H1、Q1，当风量减小到Q2时，增加了官网的阻力，与曲线1交于B点；曲线4描述的是调节风量的节能曲线，与风量、风压成正比关系，从图中可看出使用调节风机转速的方式节能效益更佳[2]。

5. 大连路隧道的现状与存在问题

大连路越江隧道于2003年通车道，连接了杨浦区、虹口区和浦东新区，是上海市第四条穿越黄浦江的道路隧。隧道在建设中充分考虑了环境控制的要求，安装了CO/VI空气质量检测仪和通风控制系统，确保了隧道内各项空气指标均远低于行业和国家有关标准，空气质量在上海的越江隧道中名列前茅。

随着城市的发展，大连路隧道车流量不断的被刷新，从通车时的每天1万多辆到现在的每天5万多辆，导致了隧道通风需求的大幅度提高，运营能耗也相应提高，隧道风机的运行噪音对邻近居民生活造成一定的影响。

6. 大连路隧道通风系统节能改造介绍

2019年5月，大连路隧道实施了通风系统节能降耗的专项改造，应用变频技术对隧道工作井新风系统的风机电控系统进行了升级改造，取得了良好的效果。

6.1 隧道工作井新风系统现状及存在问题

大连路隧道的现场工作井（变电站、配电房）位于浦西与浦东两侧并坐落于地下，浦西工作井有两个通道可以进入其中，一个是垂直竖井直接通向地面，另一个作为安全逃生通道与隧道内的路面相通。由于隧道内存在有害废气，所以在垂直竖井口处装有一只功率为15千瓦的三相异步电动机，24小时为工作站提供新风，并防止有害废气从安全逃生通道灌入。此种运行方式虽可满足工作站工作需要，但也一直存在着一些弊端。其主要是：

a) 电机的24小时全功率运行致使风叶所产生的风震声音在通过降噪隔音设施后，在竖井口测得的噪音为62.6分贝，仍会在寂静的深夜对垂直竖井周边的居民造成影响。

b) 通过信息采集发现在每天的不同时段车流量是有很大不同的，从而直接导致在隧道近工作站入口附近的废气含量在不同时段也有着巨大的差异。具体可分三种（分别是：7点至9点、16点至19点的高废期，23点至次日6点的低废期，以及其剩余时间段的中废期）。故新风机的24小时全功率运行势必将使设备使用率降低，耗能增加，不利节能降耗的要求。

6.2 风机变频技术的要点及节能效果

在风机的变频节能技术调节过程中，要保证风机在不同的负荷下都能取得最好的节能效果，就要根据实际情况及使用场景选取不同规格的变频器，此外还要根据风机的实际功率选择变频器，保证容量与负荷匹配，同时要留有一定的空间，减少对机器的损耗。

为了能够使变频调速的效果最佳，要减少电磁对机电设备的影响，采用屏蔽、隔离、滤波、接地等抗电磁干扰技术来保证机电设备的正常运行。

将变频调速技术作用于风机的使用中，改善了传统节电方式的弊端，减少了能源的损耗，实现节能减排的目的。且对机电设备具有一定的保护能力，能够减少风机的损毁及故障发生情况，具有积极作用。

6.3 隧道工作井新风系统风机的电控改造实施效果

在本次对隧道工作井新风系统中风机电控系统的改造中，变频技术对有效地解决问题，取得了良好的效果：

a) 无需对垂直竖井的风机等基建设施进行改动。

b) 采用变频技术可使风机根据需要调速运行，当风机在低废期工作时，自动选用预设的低速档运行，既解决深夜时分风震声扰民问题，又能及时满足为工作站提供新风的要求。

c) 根据不同时段的所需的新风量，其电机转速不尽相同，所使用的电功率也是不同的，电机低速时比高速所用能耗低，达到节能的目的。

d) 当突遇火警时，通过井内消防检测系统发出的信号，自动将风机定为全速反转状态，由此保证井内的排烟效果、降低新风量扼制火势蔓延。

本次改造拆除了原控制箱内部分不再使用的接触器、继电器后，装入了CVF-G3-4T0185系列的电压型变频器，并利用工作站内其他设备所使用的三菱PLC中剩余的输入输出点，来控制变频器工作。通过安装在控制箱门上的一些开关，工作站工作人员可方便地通过它来切换新风机进行手动和自动运行，以应对突发事件的需要。

在经过一段时间的使用，工作站在满足新风量、确保安全的情况下，在竖井口测得的噪音为35.1分贝，大大低于改造前的62.6分贝，有效减少了在寂静的深夜对垂直竖井周边居民的噪音影响，得到了竖井周边住户的肯定。

风机运行流程图

通过现场设备光环网、ACU（区域控制器）实时采集CO/VI仪的检测数据，对风机实现控制、监测等操作，实现智能风量调节。风机操作场所由机旁操作箱内场所选择开关选择确定，风机运行状态及故障信号送操作站画面显示及报警。在机旁能进行风机的启动/停止操作；在中央操作站画面上能选择中央手动、中央自动操作方式，在中央手动方式下，由操作员点击风机设备，根据操作窗提示进行风机的手动启动/停止操作。

风机系统图

通风模式分为正常运营模式以及异常（如事故、火灾）运营模式，在两种模式下均可以实现手动或自动的控制方式。

正常运营模式下，通风设备有自动、半自动和手动的风机控制，并预设置风量档次（符合通风专业的要求）。一般采用自动控制模式进行控制，系统按照时间段设定风机功率，实现自动风量调节，达到节能环保的标准。在特殊情况，可通过半自动或手动模式来实现控制。

当隧道内出现交通拥堵或者是火灾时，风机进入异常运营模式。火灾时，监控系统能够根据FAS系统传送的火灾信息，确定火灾事件，使风机自动执行紧急运行模式。自动将风机定为全速反转状态，由此保证井内的排烟效果、降低新风量扼制火势蔓延。

结束语

在我国“碳达峰、碳中和”目标的大背景下，城市交通基础设施的也面临着全新的要求。在城市道路隧道的运营管理中，如何应用各种新技术，对正在运营的隧道实施升级改造，实现低碳发展的目标已经成为建设交通行业的共识。大连路隧道应用风机变频技术对隧道通风系统进行节能改造，是城市交通基础设施低碳发展的一次有益的尝试。

参考文献

1. 张绍杰.风机变频节能技术研究[J].科技经济导刊,2018,26(17):93.

2. 朱冰. 变频调速节能技术的研究与应用[D].华北电力大学,2016.

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