通风计算（共11篇）
通风计算 篇1
一、引言
隧道工程在公路铁路中的应用有着悠久的历史, 隧道通风的研究也有比较丰硕的经验成果, 在隧道通风设计中也得到了应用。但是从整个交通行业来看, 我们对隧道施工阶段的通风设计重视不够, 实际施工中采取的通风方式不妥, 很多隧道施工通风效果不是很理想或不经济。
二、隧道掘进通风方法
隧道掘进通风方法分为用自然风压通风和采取动力设备的通风方法。自然风压通风在短隧道中采用较多, 一般通风时间较长, 但不产生任何安装维护费用。在实际施工中, 要采取措施检测工作面的空气质量。如果没有足够的风压, 需要较长的通风时间时不得采用。采取动力设备通风, 按照工作方式分为压入式通风、抽出式通风和混合式通风。
1. 压入式通风
如图1 (A) 所示, 工作面爆破后, 烟尘充满迎头, 形成了一个炮烟抛掷区。风流由风筒射出后, 按紊动射流的特性, 使炮烟被卷吸到射出的风流中, 二者掺混共同向前移动, 风流从风筒出口到转向点的距离叫有效射程Lj。为了能有效排出炮烟, 风筒出口与工作面的距离应≤Lj, 否则会在工作附近出现烟流停滞区。根据理论分析和实践经验, 压入式通风风筒出口到工作面的距离Lp为:Lp≤Lj= (4~5) S, m。式中:S为掘进隧道断面积, m2。
2. 抽出式通风
如图1 (B) 所示, 新鲜风流由巷道流入, 污风通过铁风筒排出。这种通风方式在风筒吸口附近形成一股流入风筒的风流, 离风筒越远速度越小, 这个距离即为有效吸程Ls, 有效吸程外的炮烟处于停滞状态。抽出式通风风筒口到工作面的距离Lc须满足:Lc≤Ls=1.5S, m。
上述两种方式各有利弊。压入式通风由于风机处于隧道口外新鲜风流中, 在有瓦斯的隧道运转安全;风筒出口有效射程长, 排烟能力强, 工作面的通风时间短。但这种通风方式的污风都沿隧道排出, 污染范围广。抽出式通风的优缺点与压入式相反, 可以解决大面积污染问题。另外, 其在机械化程度不断提高和光面爆破技术的推广、粉尘越来越严重的情况下尤其重要。
3. 混合式通风
它是由压入式和抽出式联合工作, 兼有二者的优点。这种通风效果好, 适用于大断面、长距离的隧道掘进。
混合式通风方式见图2, (A) 为长压短抽式, 以压入式通风为主, 靠近工作面一段用抽出式通风, 配备有除尘装置, 风筒重叠段风速V>0.5 m/s (排瓦斯) 或V>0.15 m/s (除尘) 。其优点是主要采用柔性风筒, 成本低;缺点是除尘器常随风筒移动, 且增大通风阻力, 除尘效果较差时使隧道受到一定程度的污染。 (B) 为长抽短压式, 以抽出式通风为主, 不需要配备除尘装置, 能够解决
隧道通风的污染问题。但抽出段要用带刚性骨架的柔性风筒或硬质风筒, 成本较高。
三、隧道掘进工作面所需风量计算
对于隧道开挖工作面所需要的风量, 除了考虑炸药消耗量外, 还要考虑通风时烟流流动和稀释过程的关系, 而这种关系又和通风方式有关。
1. 压入式通风
工作面所需风量或风筒出口的风量应为:
式中:t为通风时间, min;
A为一次爆破的炸药消耗量, kg;
S为隧道掘进断面积, m2。
Ld从工作面至炮烟被稀释到安全浓度的距离, 可按下式计算:Ld=400 A/S, m。
当掘进隧道的长度小于Ld时, 用隧道长度置换Ld。
2. 抽出式通风
工作面所需的风量为:
式中:lt为炮烟抛掷长度, m。它取决于起爆方式和炸药消耗量, 即电雷管起爆时, lt=15+A/5, m;
火雷管起爆时, lt=15+A, m
3. 混合式通风
在长抽短压的通风方式中, 应满足抽出式风筒入口的风量Qbc大于压入式风筒出口的风量Qbp, 以防止循环风和维持风筒重叠段内的隧道中具有排尘或稀释污风的最低速度。因此, 应先用 (1) 式计算Qbp, 再用下式计算Qbc:
式中:V为排尘的最低风速0.15~0.25m/s;或稀释污风的最低风速0.5m/s;
S为风筒重叠段的隧道面积, m2。一般应使Qbc:Qbp=3:1~5:1为宜。
在长压短抽的混合布置方式中, 为防止产生循环风和满足重叠段具有最低风速, 要求Qbp>Qbc。所以, 先用 (2) 式计算Qbc, 再用下式计算Qbp:
4. 用以上各式计算的风量都要进行验算
(1) 除尘最低风速0.15 m/s, 最低风量≥9 Sm3/min, 最大风速4 m/s (对最大风速的规定各种规范不统一, 公路工程施工安全技术规程并未做出规定, 可采用矿山岩巷掘进标准) ;
(2) 粉尘浓度≤2 mg/m3, O2≥20%, CH4或CO2≤0.5%, CO≤30 mg/m3, 隧道施工应保证每人每分钟供给新鲜空气1.5~3 m3。
二、隧道掘进通风设备的选择
1. 风筒的选择
(1) 风筒的种类
掘进通风采用的风筒有金属风筒和帆布、胶布、人造革等柔性风筒。柔性风筒重量轻, 易于储存和搬运, 连接悬挂简便, 胶布和人造革风筒防水性能好, 但柔性风筒只适用于压入式通风。为了满足抽出式通风的要求, 可以采用以金属整体弹簧钢丝为骨架的塑料布风筒。
(2) 风筒的风阻
风筒的风阻包括摩擦风阻Rf和局部风阻Rf, 金属风筒采用法兰盘连接可以不考虑接头风阻。实际施工当中, 风阻较难用公式进行精确计算, 一般都是根据实测百米风阻作为衡量风筒管理质量和设计的数据。我们在隧道施工通风选型时, 主要考虑的就是风筒的漏风。
(3) 风筒的漏风
一般情况, 金属风筒的漏风主要在接头处。胶布、帆布风筒不仅接头, 而且全长都存在漏风。所以, 漏风属于连续漏风。风筒漏风使风筒始端风量 (即风机工作风量Qf) 与风筒末端风量 (即工作面风量Q) 不等, 其差值即为风筒的漏风量Ql。风筒始末两端风量的几何平均值为风筒的平均风量, 即。
1) 风筒漏风率
La反映了风筒的漏风情况, 但不能作为比较的指标, 常采用百米漏风率La100;La100= (Qf-Q) / (Qf×L/100) , %。
式中:L为风筒的使用长度, m。
一般要求, 柔性风筒的百米漏风率应满足表1的数值。
2) 风筒的有效风量率Ef, 指工作面风量占风机工作风量的百分数, 即
3) 风筒漏风备用系数φ
φ也可以按以下方法计算。其中,
式中:K相当于直径1m的金属风筒每个接头的漏风系数, 须实测得出;
D为风筒的直径, m;
N为风筒接头数, 个;
R0为风筒延米风阻, N·s2/m8;
L为风筒全长, m。
柔性风筒φ=1/ (1-n Li)
式中:n为风筒接头数, 个;
Li是一个接头的漏风率, 插接时Li=0.01~0.02, 罗圈反边连接时Li=0.005。
在选择风筒直径时, 须考虑送风量、送风距离以及隧道断面的大小等因素, 经计算后综合考虑。
2. 风机选择
常用的风机有轴流式和离心式两种。轴流式风机体积小, 便于安装和串联运转, 效率较高, 但噪音较大。风机选型考虑的参数主要有风机工作风量Qf和风机工作风压hf。
(1) 根据掘进工作面所需的风量和风筒的漏风情况, 计算风机工作风量
Qf=φ×Q, m3/s。
(2) 风机工作风压hf
风机的工作风压用于克服风筒的通风阻力, 由于风筒漏风, 计算风筒通风阻力时应通过风筒的平均风量计算。压入式风机工作风压要用风机的全风压hft,
hft=Rp×Qa2=Rp×Qf×Q, Pa。
式中:Rp为压入式风筒的总风阻,
hfs=Rc×Qa2=Rc×Qf×Q, Pa。
式中:Rc为抽出式风筒的总风阻。
风机的选型可根据上面算得的Qf和hf值, 选择合适于相应隧道施工的风机。
参考文献
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通风计算 篇2
隧道掘进施工通风风量计算与设备选择
给出了隧道掘进施工通风所需风量、选配通风机械设备时相关参数的计算方法,阐明了如何根据相关参数选配通风机械设备的.基本知识,就日常通风技术管理和安全管理措施做了简要的介绍.
作 者：李纵 Li Zong 作者单位：中交一航局第三工程有限公司,辽宁,大连,116001刊 名：华东公路英文刊名：EAST CHINA HIGHWAY年，卷(期)：“”(3)分类号：U4关键词：隧道掘进 施工通风 风量 设备选择
通风计算 篇3
关键词 ：道路绿化；绿化型式；自然通风；计算流体力学；仿真分析
中图分类号： TU024；X7
文献标识码：A
文章编号：1671-2641（2012）06-0000-00
近年来，随着CFD（计算流体力学）技术的长足进步，计算机仿真模拟设计不仅在绿色建筑和城市规划领域得到了极大的应用和普及，还从室内走向了建筑外环境。一些研究者开始尝试在不同绿化型式对于室外热环境和风环境的影响方面开展数值模拟研究比较[1]。但是，由于植物自身具有的流动性冠层、蒸腾介导热质传递等特性，用对于计算机模拟绿化植物的流体环境计算机模拟仍面临着是个难题，制约了CFD技术在定量预测绿化对于通风环境和热环境的影响方面的发展[2]。本文通过建立绿化植物的三维冠层模拟方法，结合植物冠层分析技术，建立绿化植物多孔介质模型，模拟研究了两种绿化型式对广州城市道路自然通风环境的不同影响。在此基础上，与现场测试结果进行拟合度验证，以期帮助定量化评价、优化道路绿化设计，进而为改善城市自然通风环境和建设生态城市提供技术支撑。
1研究方法
1.1样地概况：
测试的道路绿地斑块位于广州市海珠区的南洲路（E113°19′， N22°47′），测试路段为东西走向，道路绿化植物种类简单，长势良好。绿化型式分为两种：一种为纯行道树绿化，乔木层种类为非洲桃花心木（Khaya senegalensis）；另一种型式为行道树
基金/项目： 国家星火计划项目（No.2011GA7800）、广东省科技攻关项目（ 2009B021500004）、广东省教育厅高层次人才项目和广州市教育局羊城学者科技计划项目（10B004D）。
第一作者简介： 聂磊（ 1973- ） ， 男， 吉林长春人， 博士， 教授， 研究方向为园林生态、绿地植物。
下整齐种植有灌木层，种类为黄金榕（Ficus microcarpa cv.Golden Leaves），其组成效果如图1所示。测试路段的道路两侧退界距离达到20 m以上，参考岩田达明等的分析结论，对道路绿化风场的影响视为忽略不计[1]。
1.2 植物冠层结构建模：
测量单株植物的树高、枝下高、冠幅、胸径、树冠外轮廓曲率拐点坐标等形态特征数据，其中曲率拐点坐标采用手持红外线测距仪测定。运用3DMAX软件建模出圆柱形、圆球形、尖塔形、圆锥形、卵圆形、倒卵形、钟形、伞形等园林植物冠层的不同结构类型。其中非洲桃花心木为倒卵形树冠，黄金榕为卵圆形树冠。
1.3多孔介质模型参数设定：
由于植物冠层可视为多孔介质，因此必须计算不同植物冠层模型的空隙度。冠层空隙度可由冠层分析仪测出，在阴天或晴天清晨，采用基于半球摄影的HEMIVIEW冠层分析仪对单株植物进行冠层数据采集，用鱼眼镜头捕获不同方向的冠层图象后，应用Delta-D软件计算太阳光直射透过系数，从而得出群落的叶面积指数（LAI）及冠层空隙大小、间隙率参数等指标数值。经计算非洲桃花心木树冠的空隙率在0.09～0.15范围内，黄金榕在0.04～0.10范围。
1.4 CFD仿真分析
：模拟工具为英国CHEM公司开发的PHOENICS软件，设定的气候条件参数为：东南方向（广州夏季主导风向），参考风速为2.0m.s-1（广州夏季平均风速），区域温度为28℃（广州最热月室外平均温度）[3]。边界风速满足梯度风变化v/v0=（z/z0）α，其中，v0为标准高度处的风速， 取2.0m.s-1，z0为标准高度，取10m，α为地面粗糙程度， 取0.0333。自然通风环境通用模拟体系由空气模型、植物冠层模型、下垫面固体传热模型构成[4]。采用流场模拟计算耦合迭代求解，利用有限差分法求解空气流场模拟计算的边界条件，由空气流场计算程序模拟得到整个计算区域空气的速度场和压力场，通过软件设置固定观测点，得出1.5m和3.0m高度的风速云图与压力图。
1.5计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验
：采用风速衰减率（R）来讨论不同绿化型式影响下的自然通风效果。R=1-Vi/Vo，其中，Vi，Vo分别指绿化带下风向及上风向观测点的风速（m·s-1）。从绿化带设定起点每隔5m共设置10处观测点，在每处观测点的前后各5m，采用美国Kestrel 4500手持式气象仪测定不同型式绿化带上风向及下风向的实时风速，高度为1.5 m。在计算机模型内输入上风向的实时风速，测出相同坐标的10处观测点的下风向模拟风速，并计算风速衰减率。采用SPSS18.0软件进行风速计算机模拟理论值与实际观测数值的拟合度回归模型检验。
2 结果与分析
2.1 不同绿化型式对自然通风的影响结果
大约2m高度以下的城市空间是人们经常活动的区域高度大约在2 m以下，同时，3 m高度以上的道路绿化空间中，仅存在有乔木层分布，灌木层是无法达到这个高度的。故本文对1.5 m和3 m高度处的风速进行了分析。一般认为，风速>1m.s-1时，在夏季室外人们感觉是舒适的，风速>5m.s-1时， 会影响人们的活动[5]。所以，1～5m.s-1之内的风速，是比较理想的室外风速。经CFD仿真模拟，结果表明单纯乔木绿化的型式下，1.5 m高度的模拟风速达到了1.64 m.s-1的风速，而3 m高度的模拟风速达到了1.31m.s-1的风速，都有着令人感觉较为舒适的自然通风效果（图2、3）。
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绿化型式对于城市道路空气流动有着重要影响。有研究表明，行道树对污染物扩散的阻碍作用主要受控于树木郁闭度而非绿量。当行道树植株间距较密，形成枝杈搭接时，茂密树冠会在道路上方产生顶盖效应，阻碍污染物向上扩散，导致道路两侧污染物浓度升高，恶化街区大气环境。污染物扩散速率很大程度上受到街道内气流铅直湍流强度的影响。对于没有树冠顶盖的街道，街谷内有较大的风速梯度，这将会有利于增强机械湍流的增强[6]。但在行道树郁闭度较高的街道内，高大茂密植物在减低风速的同时，不仅导致街区内部气流的垂直涡动减小，也大大减弱了绿化带内外气流的垂直交换。我们的计算机仿真模拟结果表明，1.5 m高度时单纯乔木的绿化型式较乔木+灌木绿化型式的0.47m.s-1的风速多出了近70%，而3 m高度的模拟风速较乔木+灌木绿化型式的0.73 m.s-1多出了44.3%，表明有灌木层的存在，直接导致道路空气流通速度明显下降（图2～、3）。之所以1.5 m处单纯乔木绿化的道路风速较高，主要是因为非洲桃花心在1.5 m处仍处于枝下高以下，且无灌木层遮挡阻碍空气流通，因为风速衰减的较少；而在3.0 m高度时，乔木冠层对于自然空气流通起到了明显的阻碍效应，因此下风向观测点的风速纪录仅为1.5 m处风速的79.9%，整个模拟区域的风速也明显下降。
2006年建设部发布的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃，同时夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于1.5Pa[7]。CFD计算机模拟结果表明，由于道路绿化处于开阔的室外空间，道路绿化带上下风向之间的正负风压维持在0.5～0.8Pa之间，基本上无法维持较为明显的风压。
2.2计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验结果
对1.5 m和3 m的CFD模拟风速衰减率和实地观测的风速衰减率计算结果进行了线性回归模型的拟合度检验分析，其中1.5 m风速衰减率的拟合度R2=0.726（P<0.01），3 m风速衰减率的拟合度R2=0.815（P<0.01）。结果表明，计算机模拟与实际观测的上下风向及风速衰减率数值有着良好的拟合度，CFD仿真分析能够较好地再现道路绿化实际自然通风状况（图4）。
3结论与讨论
CFD（Computational Fluid Dynamics）是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物。随着近年来 CFD 物理模型和计算方法的不断完善和改进，计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD计算软件得到了不断地推广。CFD研究以 3 大守恒定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律）作为计算的控制方程，采用有限体积法（Finite Volume Method）把连续的计算域离散成许多个子区域（体积单元），借助高性能计算机在每个体积单元上对控制方程组进行数值求解，进而在整个计算域上分析流体流动、传热和传质的规律[8]。近年来，CFD技术已广泛应用于绿色建筑领域，在该领域 CFD 被用来模拟室内外气候环境，然而在园林绿化领域，仍属于应用的初步阶段。目前通用的CFD 软件主要有CFX、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS以及FIDAP等类型，其中PHOENICS是世界上第一个投放市场的 CFD 商用软件（1981），可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由该软件的创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，并得到广泛验证和应用[9，～10]。
城市绿化对于改善环境质量、获得清新洁净的空气、有效降低城市热岛效应有着不可替代的重要意义。自然通风是城市绿地实现节能、健康、生态等功能目标的重要形式。城市绿地的绿化型式对于环境的自然通风效果有着重要影响。例如在我们以往的研究中发现，当前道路绿化方面，由于种植密度过大，物种之间竞争激烈，植株普遍生长不良，、干旱甚至枯死现象比较普遍，不仅浪费了大量的投资和养护成本， 而且也不利于发挥绿地的生态功能，尤其是阻碍了道路的自然通风[11]。然而长期以来对于不同绿化型式在影响自然通风的场效应方面，仍然缺乏有效可靠的定量预测分析方法。在本研究中，利用CFD仿真软件模拟出的分析图形直接显示出不同绿化型式对道路自然通风效果确实存在不同效果。乔、灌木绿化型式下的自然风速明显低于单纯乔木绿化型式，验证证明了灌木层的存在直接导致了道路空气流通速度明显下降。试验结果显示，如果从道路绿化的空气扩散、通风散热的生态功能来说，单纯乔木层的道路绿化结构效果反而更佳；然而，考虑到绿地的滞尘吸污、固碳释氧以及增加空气湿度等方面的整体生态功能，则更应推荐乔灌草的群落式绿化结构。综合考虑，道路绿化型式的最优方案应为既具备立体结构、同时又留有足够扩散空间的的疏落式乔灌草立体绿化结构。
试验结果表明，计算机模拟与实际观测的风速衰减率数值存在良好的拟合度，证明CFD仿真分析能较好地预测道路绿化实际自然通风状况。在本项研究中，通过测定冠层空隙度来设定植物冠层多孔介质模型参数以及完成冠层三维结构建模的计算模式，在今后推广CFD分析绿地自然通风方面有一定的参考价值。 当前我国在建设低碳可持续社会中大力提倡绿色建筑标准，逐步实行了绿色建筑评价标识制度，对于评价为星级的绿色建筑乃至绿色低碳园区、居住小区予以高额的资金补贴。当前使用的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃[7]。城市绿地在改善热环境、降低热岛效应方面有着得天独厚的优势。以往在绿化领域欠缺良好可靠的计算机模拟分析技术，而CFD仿真分析能够建立通用辐射计算体系，结合植物与环境的热质传递模型及地表、植被、水体、建筑等表面导热的有限差分计算方法，对有绿化情况下的城市热环境进行详细可靠的预测分析。因此，今后在城市绿化建设中，应大力推广CFD仿真技术在预测绿化方案在自然通风及热环境方面的实施效果应用，帮助定量化优化绿化设计方案，从而在真正意义上实现使城市绿化在真正意义上走上生态可持续设计的道路。
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作者简介：
聂磊（ 1973- ） ， 男， 吉林长春人， 博士， 教授， 研究方向为园林生态、绿地植物
E-mail：215787845@qq.com
通风计算 篇4
关键词：隧道掘进,施工通风,风量,设备选择
1 通风方式及其应用
通风方式根据隧道长度、施工方法和设备条件确定,分为自然通风和机械通风两种。自然通风既利用隧道内、外的大气压差进行通风,无需机械设备;机械通风是采用风机为动力,配以风筒送、排风的通风方式(压入式通风、抽出式通风、混合式通风)。机械通风两种基本方式(压入式通风和抽出式通风)见隧道施工基本通风方式图(图1);混合式通风是两种基本通风方式相配合使用,分为长压短抽式、长抽短压式(前压后抽式、前抽后压式)。各自的适用性及优缺点如见表1。
2 施工隧道所需风量的计算
确定隧道施工过程中所需风量的因素包括:隧道内同时工作最多人数;一次爆破所用最多炸药量;隧道内规定的最小风速;瓦斯、二氧化碳等有毒有害气体涌出情况及隧道内所用内燃机械数量等。
(1)按隧道内同时工作的最多人数需要的新鲜空气计算风量
Q=4N (1)
式中:Q— 隧道内所需风量,m3/min;
4—每人每分钟应供给的最小风量,m3/min·人;
N—隧道内同时施工(指导施工)的最多人数,人。
(2)按炸药量计算
Q=25A (2)
式中:25—在规定时间内将每千克炸药爆炸所产生的有害气体稀释到允许浓度以下,每分钟所需的最小风量,m3/min·kg;
A—一次爆破所需的最大炸药量,kg。
(3)按隧道内规定的最小风速计算
Q≥Vmin·S (3)
式中:Vmin—隧道内规定的最小风速,m/min;
S—施工隧道的最小断面积, m2。
(4)按有毒有害气体(瓦斯、二氧化碳等)涌出量计算
Q=100·q·k (4)
式中:100—按规定(瓦斯、二氧化碳涌出隧道工作面浓度不高于1%)得出的系数;
q—隧道内有毒有害气体的绝对涌出量,m3/min。根据实测统计数值的平均值取值;
k—隧道内有毒有害气体涌出的不均衡系数。它是最大涌出量与平均涌出量之比,由实测统计而得。一般在1.5~2.0之间。
按以上4种方法计算后,选取Q值最大者作为隧道内施工通风所需风量值,并根据此数值选择通风设备。此外,还要考虑隧道内内燃机械设备的使用数量,适当加大通风量。
3 通风设备的选择
3.1 风筒相关参数的计算
(1)风筒的风阻
风筒的风阻理论上包括风筒的摩擦风阻、接头风阻、弯头风阻、风筒出口风阻(压入式通风)或风筒入口风阻(抽出式通风),且根据通风方式的不同,各有相应繁琐的计算公式。但在实际应用中,风筒风阻除与上述因素有关外,还与风筒的吊挂、维护、风压大小等管理质量密切相关,因此,很难用相应的计算公式进行精确计算,一般都根据实测风筒百米平均风阻(包括局部风阻)作为衡量风筒管理质量和设计的数据。其百米平均风阻由风筒生产厂家在出厂产品参数说明中给出。故风筒风阻计算式:
R= R100·L/100 Ns2/m8 (5)
式中:R—风筒风阻,Ns2/m8;
R100—风筒百米平均风阻,简称百米风阻,Ns2/m8;
L—风筒全长,m,L/100构成R100的系数。
(2)风筒的漏风
正常情况下,金属和透气性极小的塑料风筒的漏风主要发生在接头处,只要加强接头处理,漏风较少,可忽略不计。而胶布风筒等不仅接头而且全长的壁面和针眼都有漏风,故其风筒漏风属连续的不均匀漏风。漏风使风筒和风机连接端的风量Qf与风筒靠近出口端的风量(即隧道内所需风量)Q不等。因此,应按始末端风量的几何平均值作为通过风筒的风量Qa,则:
显然,Qf与Q之差就是风筒的漏风量QL 。即:
QL=Qf-Q (7)
QL与风筒的种类、接头的数目、方法和管理质量以及风筒直径、风压等有关,但更主要是与风筒的维护和管理密切相关。反映风筒漏风程度的指标参数有:
①风筒漏风率Le:风筒漏风量占风机工作风量的百分数,即:
Le=QL/Qf×100%=(Qf-Q)/ Qf ×100% (8)
Le虽然能反映某一风筒的漏风情况,但不能作为比较的指标。故常用百米漏风率Le100表示:
Le100=【(Qf-Q)/(Qf ·L/100)】×100% (9)
风筒的百米漏风率由风筒生产厂家在出厂产品的参数说明中给出。一般要求柔性风筒的百米漏风率应达到表2要求。
②风筒的有效风量率Ef :即掘进工作面风量占风机工作风量的百分数。
Ef =(Q/ Qf)×100%
=【(Qf-QL)/ Qf】×100%
=(1-Le)×100% (10)
由式(9)得:Qf=100Q/(100-L·Le100) (11)
式(11)代入式(10)得:Ef=【(100-L·Le100)/100】×100%=(1-L·Le100/100)×100% (12)
③风筒漏风备用系数ф:即风筒有效风量率的倒数。
ф= Qf/Q=1/ Ef =1/(1-Le)=100/(100-L·Le100) (13)
(3)风筒直径
风筒直径的选择取决于送风量、送风距离及隧道断面的大小等因素,实际应用中,多是根据与风机出口直径的匹配情况,选取标准直径。随着隧道施工技术日益发展,长大隧道采用全断面开挖越来越多。利用大口径风管进行施工通风可大大简化隧道施工工序,有利于全断面开挖的推广使用,便于一次成洞,可节约大量的人力和物资,并使通风管理大大简化,是解决长大隧道施工通风的主要途径。
3.2 确定所需风机的工作参数
(1)确定风机的工作风量Qf
Qf=ф·Q=【100/(100-L·Le100)】·Q (14)
(2)确定风机的工作风压hf
hf=R·Qa2=R·Qf·Q (15)
3.3 设备的选择
3.3.1 风机的选择
(1)在风机的选择上,由于轴流式风机具有体积小、质量轻、噪声低、便于安装和效率高等优点而被广泛应用。
(2)风机的工作风量应满足Qf的要求。
(3)风机的工作风压应满足hf的要求,但不宜大于风筒的允许工作压力(风筒出厂参数)。
3.3.2 风筒的选择
(1)隧道掘进通风使用的风筒分无骨架柔性风筒、带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒。无骨架柔性风筒重量轻、易于贮存、搬运、连接和悬吊,且成本低,但只适用于压入式通风;在抽出式通风中,只能使用带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒,由于其成本高,且重量大、不易于贮存、搬运和安装,压入式通风中使用较少。
(2)风筒的选择考虑风筒直径与风机的出口直径相匹配。
(3)其它条件相差不多时,易选择百米风阻小和百米漏风率低的风筒。
4 辅助通风方法——应用引射器通风原理,快速排除掌子面炮烟
引射器通风的原理是利用压力水或压缩风经喷嘴高速喷出产生射流,在上述射流作用下周围静止的空气被卷吸到射流中,且又不断卷吸周边空气,其结果是射流边界不断向外扩展(自由射流),断面和流量也不断增加。同时,由于静止空气掺入发生动量交换而产生阻滞作用,使射流边界的流线减低,经一定距离后使整个射流成为紊动射流。
应用此原理,在隧道开挖掘进施工中,掌子面爆破后,为了加快掌子面爆破后产生的烟尘和有害气体,可用高压水管做成的简易水引射器(见图2),向掌子面喷射高压水。一方面根据引射器原理,加快了掌子面风流速度,加强通风效果,同时,喷射的水末端雾状后也可起降尘、降温和溶解部分有毒有害气体。
用这种方法配合施工通风,对掌子面爆破后通风除尘、排烟和降温,简单易行,安全有效。
5 通风技术管理
5.1 风筒的改进措施
(1)对柔性风筒和带刚性骨架的柔性风筒,应适当增大每节风筒的长度,减少接头数量。
(2)改进风筒接头方法。柔性风筒常用的插接方式虽简单,但不牢固,漏风大。建议采用接头严密、漏风小的反边接头法、多反边接头法、螺圈接头法等方法可有效地克服这一缺点。
(3)及时修补风筒破损处和堵补风筒针眼,以减少漏风量。
5.2 降低风筒的风阻,提高有效风量
对于风筒可选用大直径风筒以减少风筒的各种风阻,但更主要的是提高通风设备的安装质量。
(1)吊挂风筒力求平、直、紧;
(2)风机出口轴线应与风筒轴线保持在同一直线上;
(3)在淋水大的隧道中,风筒应安装如图3所示的放水嘴,及时放掉积水,尽量减少附加阻力。
5.3 避免污风污染隧道
风机安装位置要与隧道口有一定距离(不少于10m),并应考虑风向的影响,避免污风再次被送入隧道,造成循环风流,降低通风效果。
6 安全管理措施
(1)采用压入式通风时,通风机的入风口应设防护罩,避免衣物、木棒等被卷吸入风机造成伤人。
(2)通风机应设防雨棚,避免通风机被雨水淋湿,造成带电伤人或出现短路故障。
讲稿矿井通风系统及通风设计 篇5
主要内容：
一、矿井通风系统——基本任务、类型及其适用条件、主要通风机的工作方式与安装地点、通风系统的选择；
二、采区通风——基本要求、采区进风上山与回风上山的选择、采煤工作面上行风与下行风、采煤工作面通风系统；
三、通风构筑物及漏风——通风构筑物、漏风及有效风量、减少漏风措施；
四、矿井通风设计——矿井通风设计的内容与要求、优选通风系统、矿井风量计算、阻力计算、通风设备选择
一、矿井通风系统
矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网路的总称。
（一）矿井通风系统的基本任务
矿井通风系统的基本任务如下：
（1）供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要。
（2）冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产。
（3）调节井下气候，创造良好的工作环境。
（二）矿井通风系统的类型及其适用条件
按进、回风井在井田内的位置不同，通风系统可分为中央式、对角式、区域式及混合式。
1．中央式
进、回风井均位于井田走向中央。根据进、回风井的相对位置，又分为中央并列式和中央边界式（中央分列式）（见图1）。
图1 2．对角式
（1）两翼对角式
进、回风分别位于井田的两翼。
进风井大致位于井田走向的中央，两个回风井位于井田边界的两翼（沿倾斜方向的浅部），称为两翼对角式；如果只有一个回风井，且进、回风分别位于井田的两翼称为单翼对角式。
（2）分区对角式
进风井位于井田走向的中央，在各采区开掘一个不深的小回风井，无总回风巷。
两翼对角式与分区对角式通风系统如图2所示。
图2 3．区域式
在井田的每一个生产区域开凿进、回风井，分别构成独立的通风系统。
4．混合式
由上述诸种方式混合组成。例如，中央分列与两翼对角混合式，中央并列与两翼对角混合式等等。
（三）主要通风机的工作方式与安装地点
主要通风机的工作方式有三种，即抽出式、压入式和压抽混合式。1． 抽出式
如图3所示，主要通风机安装在回风井口，在抽出式主要通风机的作用下，整个矿井通风系统处在低于当地大气压力的负压状态。当主要通风机因故停止运转时，井下风流的压力提高，比较安全。2．压入式
如图4所示，主要通风机安装在入风井口，在压入式主要通风机的作用下，整个矿井通风系统处在高于当地大气压的正压状态。在冒落裂隙通达地面时，压入式通风矿井采区的有害气体通过塌陷区向外漏出。当主要通风机因故停止运转时，井下风流的压力降低。
图3
图4
3．压抽混合式
如图5所示，在入风井口设一风机做压入式工作，回风井口设一风机做抽出式工作。通风系统的进风部分处于正压，回风部分处于负压，工作面大致处于中间，其正压或负压均不大，采空区通连地表的漏风因而较小。其缺点是使用的通风机设备多，管理复杂。
图5
（四）矿井通风系统的选择
根据矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、矿井瓦斯涌出量、煤层自燃倾向性等条件，在确保矿井安全及兼顾中、后期生产需要的前提下，通过对多个可行的矿井通风系统方案进行技术经济比较后确定。
中央式通风系统具有井巷工程量少、初期投资省的优点，因此矿井初期宜优先采用。
有煤与瓦斯突出危险的矿井、高瓦斯矿井、煤层易自燃的矿井及有热害的矿井，应采用对角式通风或分区对角式通风。
当井田面积较大时，初期可采用中央式通风，逐步过渡为对角式或分区对角式。
矿井通风方法一般采用抽出式。当地形复杂、露头发育老窑多、采用多风井通风有利时，可采用压入式通风。
二、采区通风系统
采区通风系统是矿井通风系统的主要组成单元, 包括采区进、回风和工作面进、回风巷道组成的风路连接形式及采区内的风流控制设施。
（一）采区通风系统的基本要求
（1）每一个采区都必须布置回风道，实行分区通风。
（2）采煤工作面和掘进工作面应采用独立的通风系统。有特殊困难必须串联通风时，应符合有关规定。（串联通风，必须在被串联工作面的风流中装设甲烷断电仪，且瓦斯和二氧化碳浓度都不得超过0.5%,其他有害气体浓度都应符合《煤矿安全规程》的规定）
（3）煤层倾角大于12°的采煤工作面采用下行通风时，报矿总工程师批准。（4）采煤工作面和掘进工作面的进风和回风，都不得经过采空区或冒落区。
（二）采区进风上山与回风上山的选择
上（下）山至少要有两条；对生产能力大的采区可有三条或四条上山。1．轨道上山进风，运输机上山回风 2．运输机上山进风、轨道上山回风
比较：轨道上山进风，新鲜风流不受煤炭释放的瓦斯、煤尘污染及放热影响，输送机上山进风，运输过程中所释放的瓦斯可使进风流的瓦斯和煤尘浓度增大，影响工作面的安全卫生条件。
（三）采煤工作面上行风与下行风
上行风与下行风是相对于进风流方向与采煤工作面的关系而言的。如图6所示，当采煤工作面进风巷道水平低于回风巷时，采煤工作面的风流沿倾斜向上流动，称上行通风，否则称下行通风。
图6
优、缺点：
（1）下行风的方向与瓦斯自然流向相反，二者易于混合且不易出现瓦斯分层流动和局部积存的现象。
（2）上行风比下行风工作面的气温要高。
（3）下行风比上行风所需要的机械风压要大。
（4）下行风在起火地点瓦斯爆炸的可能性比上行风要大。
（四）采煤工作面通风系统
1．U形与Z形通风系统(见图7)
图7 2．Y形、W形及双Z形通风系统(见图8)
图8 3．H形通风系统(见图9)
图9
三、通风构筑物及漏风
矿井通风系统网路中适当位置安设的隔断、引导和控制风流的设施和装置，以保证风流按生产需要流动。这些设施和装置，统称为通风构筑物。
（一）通风构筑物
风构筑物分为两大类：一类是通过风流的通风构筑物，如主要通风机风硐、反风装置、风桥、导风板和调节风窗；另一类是隔断风流的通风构筑物，如井口密闭、挡风墙、风帘和风门等。
1． 风门
风门：在需要通过人员和车辆的巷道中设置的隔断风流的门
安设地点：在通风系统中既要断风流又要行人或通车的地方应设立风门。在行人 或通车不多的地方，可构筑普通风门；而在行人通车比较频繁的主要运输道上，则应构筑自动风门。风门表示方式、调节风门表示方法如图10所示。
图10
设置风门的要求：
（1）每组风门不少于两道，通车风门间距不小于一列车长度，行人风门间距不小于5 m。入排风巷道之间要需设风门处同时设反向风门，其数量不少于两道。
（2）风门能自动关闭，通车风门实现自动化，矿井总回风和采区回风系统的风门要装有闭锁装置，风门不能同时敞开（包括反风门）。
（3）门框要包边沿口，有垫衬，四周接触严密，门扇平整不漏风，门扇与门框不歪扭。门轴与门框要向关门方向倾斜80°至85°。
（4）风门墙垛要用不燃材料建筑，厚度不小于0.5 m，严密不漏风。墙垛周边要掏槽，见硬顶、硬帮与煤岩接实，墙垛平整，无裂缝、重缝和空缝。
（5）风门水沟要设反水池或挡风帘，通车风门要设底坎，电管路孔要堵严。风门前后各5 m内巷道支护良好，无杂物、积水和淤泥。2．风桥
设在进、回风交叉处而又使进、回风互不混合的设施称为风桥。
当通风系统中进风巷道与回风巷道需水平交叉时，为使进风与回风互相隔开，需要构筑风桥。风桥按其结构不同可分为以下三种：
（1）绕道式风桥：开凿在岩石里，最坚固耐用，漏风少。（见图11）（2）混凝土风桥：结构紧凑，比较坚固。（见图12）
图11
图12
（3）铁筒风桥：可在次要风路中使用。3．密闭
密闭是隔断风流的构筑物，设置在需隔断风流、不需要通车行人的巷道中（见图13）。密闭的结构随服务年限的不同而分为两类：
（1）临时密闭，常用木板、木段等修筑，并用黄泥、石灰抹面。
（2）永久密闭，常用料石、砖、水泥等不燃性材料修筑。
图13 4．导风板
在矿井中应用以下几种导风板：
（1）引风导风板。（2）降阻导风板。（3）汇流导风板。
（二）漏风及有效风量 1．漏风及其危害
矿井有效风量：矿井中流至各用风地点，起到通风作用的风量总和。
漏风：未经用风地点而经过采空区、地表塌陷区、通风构筑物和煤柱裂隙等通道直接流（渗）入回风道或排出地表的风量。
漏风的危害：使工作面和用风地点的有效风量减少，气候和卫生条件恶化，增加无益的电能消耗，并可导致煤炭自燃等事故。减少漏风、提高有效风量是通风管理部门的基本任务。
2．漏风的分类及原因
（1）漏风的分类
矿井漏风按其地点可分为：
矿井外部漏风（或称井口漏风）：泛指地表附近如箕斗井井口、地面主通风机附近的井口、防爆盖、反风门、调节闸门等处的漏风。
矿井内部漏风（或称井下漏风）：指井下各种通风构筑物的漏风、采空区以及碎裂的煤柱的漏风。
（2）漏风的原因
当有漏风通路存在，并在其两端有压差时，就可产生漏风。漏风风流通过孔隙的流态，视孔隙情况和漏风大小而异。3．矿井漏风率及有效风量率
矿井有效风量：风流通过井下各工作地点实际风量总和。
矿井有效风量率：矿井有效风量与各台主要通风机风量总和之比。矿井有效风量率应不低于85%。
矿井外部漏风量：直接由主要通风机装置及其风井附近地表漏失的风量总和。（可用各台主要通风机风量的总和减去矿井总回或进风量）
矿井外部漏风率：矿井外部漏风量与各台主要通风机风量总和之比。矿井主要通风机装置外部漏风率无提升设备时不得超过5％，有提升设备时不得超过15％。
（三）减少漏风，提高有效风量
1．外部漏风
漏风风量与漏风通道两端的压差成正比，和漏风风阻的大小成反比。应增加地面主要通风机的风硐、反风道及附近的风门的气密性，以减少漏风。
2．内部漏风
（1）采用中央并列式通风系统时，进、回风井保持一定的距离，防止井筒漏风。（2）进、回风巷间的岩柱和煤柱要保持足够的尺寸，防止被压裂而漏风，进、回风巷间应尽量减少联络巷，必须设置两道以上的高质量的风门及两道反向风门。
（3）提高构筑物的质量，防止漏风，加强通风构筑物的严密性是防止矿井漏风的基本措施。
（4）采空区要注浆、洒浆、洒水等，可提高压实程度，减少漏风。（5）利用箕斗回风时，井底煤仓要有一定的煤量，防止漏风。（6）采空区和不用的风眼及时关闭。
四、矿井通风设计
（一）矿井通风设计的内容与要求
矿井通风设计的基本任务是建立一个安全可靠、技术先进和经济合理的矿井通风系 统。矿井通风设计一般分为两个时期，即基建时期与生产时期，分别进行设计。
1． 矿井通风设计的内容（1）确定矿井通风系统。
（2）矿井风量计算和风量分配。（3）矿井通风阻力计算。（4）选择通风设备。（5）概算矿井通风费用。2．矿井通风设计的要求
（1）将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件；（2）通风系统简单，风流稳定，易于管理，具有抗灾能力；（3）发生事故时，风流易于控制，人员便于撤出；
（4）有符合规定的井下环境及安全监测系统或检测措施；（5）通风系统的基建投资省，营运费用低、综合经济效益好。
（二）优选矿井通风系统
1．矿井通风系统的要求
（1）每一矿井必须有完整的独立通风系统。
（2）进风井口按全年风向频率，必须布置在不受粉尘、煤尘、灰尘、有害气体和高温气体侵入的地方。
（3）箕斗提升井或装有胶带输送机的井筒不应兼作进风井，如果兼作回风井使用，必须采取措施，满足安全的要求。
（4）多风机通风系统，在满足风量按需分配的前提下，各主要通风机的工作风压应接近。
（5）每一个生产水平和每一采区，必须布置回风巷，实行分区通风。
（6）井下爆破材料库必须有单独的新鲜风流，回风风流必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。
（6）井下充电室必须采用单独的新鲜风流通风，回风风流应引入回风巷。
2．确定矿井通风系统
根据矿井瓦斯涌出量、矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、煤层自燃倾向性及兼顾中后期生产需要等条件，提出多个技术上可行的方案，通过优化或技术经济比较后确定矿井通风系统。
（三）矿井风量计算
1．矿井风量计算原则
矿井需风量，按下列要求分别计算，并必须采取其中最大值。
（1）按井下同时工作最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4 m3。（2）按采煤、掘进、硐室及其他实际需要风量的总和进行计算。
2．矿井需风量的计算
（1）采煤工作面需风量的计算
按瓦斯涌出量计算、按工作面进风流温度计算、按使用炸药量计算、按工作人员数量计算按工作人员数量计算、按风速进行验算。
（2）掘进工作面需风量的计算 按瓦斯涌出量计算、按炸药量计算、按局部通风机吸风量计算、按工作人员数量计算、按风速进行验算。
（3）硐室需风量计算
机电硐室、爆破材料库、充电硐室。3．矿井总风量计算
矿井的总进风量，应按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总和进行计算。
（四）矿井通风总阻力计算
1．矿井通风总阻力计算原则
（1）矿井通风设的总阻力，不应超过3 000 Pa。
（2）矿井井巷的局部阻力，新建矿井按井巷摩擦阻力的10%计算，扩建矿井宜按井巷摩擦阻力的15%计算。
2．矿井通风总阻力计算
矿井通风总阻力：风流由进风井口起，到回风井口止，沿一条通路（风流路线）各个分支的摩擦阻力和局部阻力的总和，简称矿井总阻力，用hm表示。
对于矿井有两台或多台风主要通风机工作，矿井通风阻力按每台主要通风机所服务的系统分别计算。
在主要通风机的服务年限内，随着采煤工作面及采区接替的变化，通风系统的总阻力也将因之变化。当根据风量和巷道参数直接判定最大总阻力路线时，可按该路线的阻力计算矿井总阻力；当不能直接判定时，应选几条可能是最大的路线进行计算比较，然后定出该时期的矿井总阻力。
矿井通风系统总阻力最小时称通风容易时期。通风系统总阻力最大时亦称为通风困难时期。
对于通风困难和容易时期，要分别画出通风系统图。按照采掘工作面及硐室的需要分配风量，再由各段风路的阻力计算矿井总阻力。
计算方法：沿着风流总阻力最大路线，依次计算各段摩擦阻力hf，然后分别累计得出容易和困难时期的总摩擦阻力hf1 和 hf2。
（五）矿井通风设备的选择
矿井通风设备是指主要通风机和电动机。
1．矿井通风设备的要求
(1)矿井必须装设两套同等能力的主通风设备，其中一套备用。
(2)选择通风设备应满足第一开采水平各个时期工况变化，并且使通风设备长期高效率 运行。
（3）风机能力应留有一定的余量。
（4）进、出风井井口的高差在150 m以上，或进、出风井井口标高相同，但井深 400 m以上时，宜计算矿井的自然风压。
2．主要通风机的选择
（1）计算通风机风量Qf。
（2）计算通风机风压。
（3）初选通风机。
（4）求通风机的实际工况点。
（5）确定通风的型号和转速。
（6）电动机选择
（六）概算矿井通风费用
吨煤通风成本是通风设计和管理的重要经济指标。
吨煤通风成本主要包括下列费用：
(1)电费（W1）。
（2）设备折旧费。
（3）材料消耗费用。
（4）通风工作人员工资费用。
（5）专为通风服务的井巷工程折旧费和维护费折算至吨煤的费用。
通风计算 篇6
关键词：职业道德 安全意识 基本技能
煤矿安全通风工作需要具有系统和科学性，同时将矿井中的各种资源情况进行结合，提出科学有效的安全措施，对煤矿中安全生产具有很大的意义。
1 煤矿安全通风管理
1.1 制约煤矿安全通风的人为因素。①已经有研究表明，如果矿工在工作中都注意自己和他人的安全，领导也真正对安全重视，确保工作中安全需要的财和物，那么事故的发生是可以防止的。②煤矿安全通风管理就是人与自然环境之后的抗衡，要求能够适应和改造环境，这是最基本的必备能力。同时需要矿工具备安全通风的基本技能，对通风管理的基本知识掌握，能够操作通防仪器仪表。对各种安全隐患能够快速识别，及时采取相对应的管理措施。③要求矿工能够适应复杂多变环境，和具有现代化安全工作的能力。需要煤矿企业要经常对员工进行安全教育的培训，让他们对工作相关的安全知识和技能完全掌握，重视自己和他人的安全，能够在工作中做到安全作业。
1.2 制约煤矿安全通风的物质因素。矿井中会存在过量的能力和危险的物质，这些物质的存在就是一种潜在的安全隐患。因为那些过量的能力和危险的物质如果意外释放就很可能导致事故的发生，所以矿井中物质的状态是控制管理过程的依据，需要依靠多种方法把物质存在的状态搞清楚，不同的情况需要采取不同的措施，对其进行处理，尽量将安全隐患都消除，保护自己和他人的安全。
1.3 制约煤矿安全通风的环境因素。①通常事故的发生多半都是因为潜在的安全隐患引发。因此我们需要对安全隐患以彻底预防为主，对潜在的安全隐患进行超前识别，对其及时进行排查和治理。煤矿安全通风中的通防系统是多变的动态系统，对安全隐患的分析需要连续和系统的。②通防事故发生的直接原因是危险大气存在的状态，要加强对危险大气存在状态的监测，对其进行动态检测和分析，对测定密度、监测强度、危险值、相关测试人员责任和汇报处理等程序进行一个明确的规定。③因为硬环境的缺陷是灾难发生的必要原因，所以要对硬环境的监测加强，保证在矿中设备能够适应工作场所，能够灵敏可靠的施工。可以对井下人员配备保护的装备和手段，构建避灾硐室，制定相关的应急措施，减少能量与安全隐患造成的危害和事故发生。
1.4 制约煤矿安全通风的管理因素。煤矿领导管理疏漏也是发生通风事故的原因之一。在管理中，相关的规章制度落实不到位，控制的不够严格，甚至领导缺乏管理方面的相关知识，对安全隐患的存在不重视。①煤矿安全通风管理中，疏漏任何一个环节都可能导致事故的发生，因此安全通风管理需要创造优良的通防环节和可靠的安全系统。对安全管理中的每个环节都要引起重视。②以安全指标、多方面的具体工程、承受风险的最大限度作为安全的目标，实现安全通风的管理。③分配专业的人员来实施安全管理工作，需要具有很高的安全意识、技能素质、应变能力、组织能力等。根据安全通风管理的需求，设立动态的考核，来选拔安全管理的人才，把人才用到最合适的岗位中去。④对煤矿安全通风管理的资料进行分析，对存在的安全隐患制定对应的措施。在安全管理中实现责任明确制，奖惩分明。⑤针对工作和环境中的一些潜在隐患，建立起相对的应急处理程序，及时消除隐患、防止事故、避免灾害恶化。
2 煤矿安全通风事故防范
2.1 环境因素的防范。①对矿井通风、瓦斯和煤尘的控制管理制订相关的方案并且实施。将技术手段充分的利用起来，加强对环境的预测。②对于开拓矿井需要先对其进行合理的设计，加强对矿井安全通风管理，完善矿井通风的系统，确保矿井风量足够。③机电和通风机都需要加强管理，确保矿井通风正常。④建立起瓦斯抽放的系统，设立专用的通风巷，采取综合的治理措施，将科技与实践结合，落实各项制度。⑤矿井中必须做到有巷必有管，有管必有水。⑥切合实践做好煤矿安全评估与通风能力核实的工作，保证生产安全。⑦提高矿井中装备的安全水平。实现所有数据和管理部门监控系统的联网通信，配备瓦斯监测的专业人员，对环境进行巡查，对问题及时反馈。
2.2 人为因素的防范。①对各种规章制度和法律法规进行完善，配备专业的管理人员。确保事故应急救援的体系，将应急救援产业化进一步实现。②为煤矿工作创造良好通防环节，并建立出完善的通风安全系统。提高通防人员的整体素质和能力。③按照严格的预评价，对施工提出问题，并进行及时的改善，完工后，要进行安全验收，分析矿井在生产中会有什么潜在的安全隐患出现，采取相应的措施。④根据实际情况将矿工的驾驭现场自然环境复杂多变的能力提高。⑤对职工进行延伸教育，提高他们的职业道德和思想素质。⑥煤矿安全管理中的人员，需要关注职工的安全和健康，定时为职工进行体检，保存好健康档案，实行轮休制度，让职工能够充分的休息，有好的精力投入到工作中。
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通风计算 篇7
目前,指导机械排烟量计算的规范有GB 50016-2014《建筑设计防火规范》、GB 50157-2003《地铁设计规范》。在最新的《建筑设计防火规范》与《地铁设计规范》中,对于防排烟量的设计计算没有给出具体的公式和方法,只有一些硬性要求。《地铁设计规范》第19条规定:地下车站站台、站厅火灾时的排烟量,应根据一个防烟分区的建筑面积按1m3/(m2·min)计算,每个防烟分区的面积不超过750m2。《建筑设计防火规范》在隧道内通风排烟设计时,针对不同隧道环境确定合适的通风排烟方式和排烟量。表1为国际道路协会(PIARC)在实验的基础上给出的排烟量。
笔者在建立全面通风排烟数学模型基础上,分析防排烟各影响因素,通过对全面通风排烟微分方程的推导,给出排烟量计算的一般公式。
1 全面通风排烟
1.1 全面通风排烟工作原理
全面通风排烟是把正压送风和负压机械排烟两者结合起来的防排烟方式。这种防排烟方式在地面建筑中应用较广。当建筑物发生火灾时,着火区域既有烟区利用机械排烟风机把烟气排至室外,造成微负压,以防止烟气蔓延扩散出去;在非着火区域采用送风机加压,造成微正压,以防止烟气的侵入,形成无烟区。
1.2 全面通风排烟微分方程式
防排烟设计中所要控制的火灾烟气的浓度主要有以下两个方面,一是火灾烟气中烟粒子的浓度μs或光学浓度cs;二是火灾烟气中有毒气体的浓度,通常以容积成分ri表示。显然,以不同的火灾烟气浓度作为指标,防排烟的设计结果是不同的。笔者以某有毒气体的容积成分为控制指标,从理论上导出全面通风排烟的微分方程式,如式(1)所示。
式中:Vi为任何一种有毒气体的容积体积;Vy为烟气的总容积。
以烟气中某有害气体的容积成分ri,作为控制指标,控制体内该有害气体的生成量为qi(m3/s),控制体的体积为V(m3),温度为Ti,压强为Pi;送风量为Qf(m3/s),送风中所含某有害气体的容积成分为r’,新风的温度为Tf,压强为Pf;排出控制体内的烟量为Qpy(m3/s),排出烟气的气体状态参数与控制体内气体状态参数相同,如图1所示。
为了导出微分方程式,做如下假设:
(1)气体在控制体内是均匀分布的;
(2)烟以及控制体内有毒气体的生成处在稳定的工况下,即送风量Qf、排烟量Qpy以及有毒气体的生成量qi是常量;
(3)通风排烟的气流组织是合理的,排出烟气的气体状态参数与控制体内气体的状态参数近似相同。
对于这样一个控制体,从某一时刻τ起,经过时间微元dτ后,即从τ到τ+dτ的时间间隔内,该控制体内某有害气体的体积的变化如下:
控制体内新的某种有害气体体积,如式(2)所示。
随送风进入控制体内的某有害气体的体积,如式(3)所示。
气体进入控制体后经过混合充分,新进的气体状态参数与控制体内气体状态参数相同,根据理想气体状态方程,式(3)变化为式(4)。
随排烟排出控制体的某种有害气体的体积,如式(5)所示。
riτ为τ 时刻控制体内某有害气体的容积成分。在τ+dτ时刻,控制体内某有害气体的体积容积成分变化为riτ+driτ,相应于从τ+dτ时间间隔内,控制体内某有害气体的体积变化,如式(6)所示。
由式(2)、式(4)、式(5)和式(6)控制体内气体体积平衡方程式得式(7)。
式(7)就是以烟气中某有害气体的容积成分ri为控制指标的全面通风排烟的微分方程式。由式(7)不难看到,全面通风排烟微分方程式是一个一阶常微分方程式,其初始条件为τ=0,riτ=ri0。求解式(7)得式(8)。
2 在防排烟工程计算中的应用
2.1 防排烟工程控制指标的选择
绝大部分火灾为不完全燃烧,所以CO产生量较大,在各种毒气中CO是公认的造成人员死亡的主要有毒气体。CO对人体的影响,如表2所示。
一次火灾中排烟风机能将CO的体积分数控制到2×10-4以下,对于人体的危害就相对很小。
2.2 全面通风排烟微分方程的计算命题
根据全面通风排烟微分方程式的解,可以计算工程上的各种计算命题。通常计算命题是在给定的排烟区和要求的通风排烟时间以及有毒气体浓度比下,计算通风排烟量以确定风机的容量。以CO容积成分rCO为控制指标的排烟微分方程式,推导风机排烟量。
2.2.1 工程应用中以CO为控制指标计算排烟量
防排烟工程中,送风应为新鲜洁净空气,不应该含有毒性气体,即rCO’=0;排烟区内由于火灾的燃烧会产生有毒气体,即qCO≠0。则式(8)可简化为式(9)。
可得排烟量计算公式,如式(10)所示。
式中:V为排烟区体积,m3;τ为排烟时间,s;qi为一氧化碳生成量m3/s;分别为0时刻与τ时刻一氧化碳体积分数。
式(10)中只有Qpy为未知数需要计算,可以利用数值计算中不动点迭代方法求解该非线性方程的解,借助数值计算软件MATLAB编程辅助求解排烟量。以排烟量Qpy为未知数x,进行不动点迭代计算时,初始的迭代值建议取CO生成量qCO=0,x的值即迭代初值,方程解的区间为,该方程的一般迭代格式如式(11)所示。
特别是当送风中不含有CO即送风为新鲜洁净空气时,rCO’=0,控制体内也不再发烟,qCO=0,则排烟量计算公式简化为式(12)。
2.2.2 排烟量计算的一般步骤
整理以上分析,式(10)可以作为计算排烟量的一般公式,防排烟工程中计算排烟量的步骤如下:
(1)整理计算参数,确定排烟区体积V,排烟时间τ。
(2)确定有毒气体控制指标的稀释倍数ri0/riτ。
(3)可根据经验对火灾中某毒害气体容积成分生成量qi估值。对于不同的建筑由于其材料特性、空间特性及火灾规模等诸多因素的影响,烟气中某有毒有害气体占烟气生成量的比例有所差别。如在火灾中生成的CO体积分数为:地下室0.04%~0.85%;闷顶阁楼0.01%~0.1%;楼内或室内0.1%~0.4%;浓烟区域0.02%~0.1%;赛璐珞燃烧38.4%;火药爆炸2.47% ~15.0%;可燃物爆炸5%~7% 。其他的有毒气体,如HCN、HCL及NH3也有相关的指导计算的数值。
(4)利用计算机软件编程辅助计算排烟量。设排烟量Qpy为x,通过式(13)进行不动点迭代计算。
这里迭代初值x0选取无发烟qi=0时计算的排烟量值,即。计算相应xn与n值,xn即为计算的排烟量。
3 算例分析
通过模拟火灾烟气在隧道中的扩散,探究全面通风微分方程在隧道防排烟工程中应用的可行性。隧道中通常采取重点排烟,其通风排烟的原理与全面通风排烟的原理相近,以全面通风排烟原理计算的排烟量方法也适用于隧道内重点排烟的方法。现假设一隧道采用重点排烟的排烟方式,通过火灾动力学软件PyroSim模拟运行,设计不同的排烟工况来检验其排烟效果。
3.1 PyroSim烟气模拟
设计一隧道重点排烟部分长宽高为100m×6m×6m。发生火灾后烟气在隧道内均匀扩散,通过CO发射器控制排烟区CO初始平均体积分数平均值为0.161 2%,CO生成量为qCO=0.002m3/s分析。通过PyroSim模拟检验隧道开启防排烟,控制体内CO体积分数在9min内能否降到预期浓度以下。火源的规模为5 MW,在隧道各段距离及相关高度设置CO监测点。监测点在水平方向每隔10m布置;垂直方向每隔1m布置,分析比较各层高度CO平均体积分数。
3.1.1 PIARC推荐的风量
已知排烟区有CO生成,qCO=0.002 m3/s,初始CO平均体积分数为0.161 2%,通风排烟9 min,以PIARC推荐的排烟量模拟,计算9min后排烟区内的CO体积分数,如图2所示。PIARC推荐风量表中,当火灾规模为5MW时,Qpy=20m3/s。
各高度CO平均体积分数为0.001 8%、0.004 3%、0.008 0%、0.013 3%、0.031 3%、0.030 7%,总的平均体积分数为rCO=0.014 9%。由表2可知,0.014 9%的体积分数对于人体影响是相对较小的,符合前期安全疏散的要求。下面以rCO=0.014 9%通过全面通风微分方程推导的排烟量公式计算排烟量,将该排烟量与PIARC推荐的排烟量比较。
将参数值qCO=0.002m3/s、、τ=540s带入式(10),通过MATLAB辅助计算,将排烟量设定为未知数函数x,迭代初值,迭代17步,得x=21.841 2,则计算的排烟量Qpy=21.841 2 m3/s,与PIARC推荐的20 m3/s很接近。
3.1.2 CO控制指标计算排烟量
排烟区有CO生成,qCO=0.002m3/s,初始CO平均体积分数为0.161 2%。通风排烟9min,9min后将排烟区CO浓度rCO控制在某个定值以下,排烟量通过该给定值计算。以下可以通过给定不同的rCO值的6个工况进行模拟。
工况1:9min后排烟区的CO体积分数rCO控制在0.015 0%以下。通过排烟量公式计算得Qpy=21.762 5m3/s;
工况2:9min后排烟区CO平均体积分数rCO控制在0.014 0%以下。通过排烟量公式计算得Qpy=22.587 1m3/s;
工况3:9min后排烟区CO平均体积分数rCO控制在0.013 0%以下。通过排烟量公式计算得Qpy=23.507 4m3/s;
工况4:9min后排烟区CO平均体积分数rCO控制在0.012 0%以下。通过排烟量公式计算得Qpy=24.547 2m3/s;
工况5:9min后排烟区CO平均体积分数rCO控制在0.011 0%以下。通过排烟量公式计算得Qpy=25.739 0m3/s;
工况6:9min后排烟区CO平均体积分数rCO控制在0.010 0%以下。由排烟量公式计算得Qpy=27.130 3m3/s。
工况1~5都能将排烟区内CO平均体积分数控制在设计的体积分数以下;工况6设计的CO平均体积分数为0.01%,通过模拟计算排烟区内的体积分数降低到0.010 3%,虽未降低到0.01% 以下,但与设计的CO体积分数较接近了。各工况计算结果汇总如表3所示。
通过分析各高度层CO体积分数发现,在2.5 m高度以下通过该公式计算的排烟量都能将CO平均体积分数降低到设计的控制体积分数以下,一般人的高度在2m以下,这对于人员疏散极其有利。由《中国消防手册》可知,烟气的毒性是人员疏散安全三个判据指标之一,通常若CO体积分数低于0.02% 不会对人员疏散造成影响,另两个判据指标为能见度与烟气温度。不同控制浓度各层高度CO平均体积分数变化曲线,如图3所示。
4 结论
(1)通过全面通风微分方程计算的排烟量,适用于针对特定气体控制指标的排烟量设计,这对于工程中排烟区风量计算具有指导作用。
(2)通过全面通风微分方程计算的排烟量,在人员安全疏散的高度以内,烟气的毒性判据指标(如CO体积分数)可以控制在设计的浓度以下。
参考文献
[1]GB 50016-2014,建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2014.
[2]GB 50517-2003,地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[3]赵杰,朱明学.火灾烟雾中的有毒气体及中毒机制[J].中华急诊医学杂志2004,13(7):497-498.
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[5]黄恒动,谯京旭.建筑火灾防治与救生方法[M].武汉:华中理工大学出版社,1996.
[6]李靖,李鸿博.通风微分方程在隧道通风中的应用[J].农村经济与科技,2012,23(3):125-126.
[7]张甲雷.长通道内火灾烟气中一氧化碳生成[D].合肥:中国科学技术大学,2012.
通风计算 篇8
1 离心通风机临界转速的概念
转子的振幅随转速的增大而增大, 到某一转速时振幅达到最大值, 超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少, 且稳定于某一范围内, 这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。这个转速等于转子的故有频率, 当转速继续增大, 接近2倍故有频率时振幅又会增大, 当转速等于2倍故有频率时称为二阶 (级) 临界转速, 依次类推有三阶、四阶……
2 离心通风机的结构
根据离心通风机结构形状的分析可知, 其图形显示就是将气动设计计算所得的各部件 (如叶轮前后盘和叶片、蜗壳、进风口等) 离散点轨迹用直线或圆弧这两种基本形状表示并显示出来。对于直线段只要知道线段端点坐标值就可以确定, 而曲线段则须根据离散点的值进行圆弧拟合, 从而得到圆弧半径、圆心坐标等, 这样风机形状就可确定。从数学上讲, 圆弧拟合可以采用如下方法, 设 (xi, yi) (i=1, 2…, k) 为设计计算后须进行圆弧拟合的离散点, 则xi、yi之间满足关系式
其中R为圆弧半径, (a, b) 为圆心坐标, 它们是待定参数。
欲使该函数达到最小值, 必有
由此可得:
这是一个关于R、a、b的非线性方程组, 可用常见的方法求解。
3 离心通风机计算临界转速的方式
有限元法主要是指, 通过把连续的转子系统进行离散运算, 然后形成一些单元, 并且通过节点连接单元。规定将惯性的离散单元表示方式以及弹性的离散单元的表示方式都是矩阵, 然后建立支承系统-转子的计算模型。转子离散的数目为N-1段, 因此可以用以下的表达式表示系统位移向量:
通过对所有轴段和所有圆盘及轴段的离散单元进行分析, 并结合其运动方程, 则可以求出转子系统的运动方程:
其中用符号[M1]表示质量矩阵, 用符号ω[J1]表示回转矩阵, 符号[K1]表示刚度矩阵, 这三个矩阵都是2N×2N阶矩阵, 而且是成对称分布的带状稀疏矩阵。在对转子系统进行分析运算, 并确定了其运动微分方程后, 通过对方程进行求解可以得到齐次解, 通过齐次解可以求出自转角速度的值等于ω, 且涡动频率的值等于Ω及其模态振型, 还可以计算出, 在Ω=ω的情况下, 转子所产生的临界转速和转子的相应振型。通过使用有限元分析软件ANSYS建造转子结构模型, 通过beam188梁单元创建模型, 并且使用ANSYS软件提供的动力分析功能模块, 完成转子的谐响应分析、模态分析以及以坎贝尔图为分析方法的临界转速分析。最后, 可以得到该转子可以达到457.2rad/s的一阶临界转速, 同时对应产生的频率是72.764Hz。
4 结论
本文首先通过传递矩阵法对转子模型进行分析, 然后使用有限元法再次对该转子模型进行分析, 并且分别求出该模型转子达到的临界转速, 但是得到的结果是不同的。经过对计算结果的分析, 可以看出, 通过有限元法得到的结果虽然具有较高的精度, 但是需要占用大量系统内存, 同时需要较长的耗机时间;传递矩阵法在计算时会忽略转轴本身的质量, 而转轴本身的质量会影响到转子所达到临界转速, 因此会产生偏差。但是使用传递矩阵法计算小质量的转轴时, 计算精度也可以达到要求, 而且可以更加方便快捷的计算出为转子达到的临界转速。所以可以根据需求和条件灵活应用两种方法。
摘要：离心通风机在实际生产工作时, 叶轮会被电动机等动力机的带动在蜗形机壳中产生旋转动作, 叶轮中心产生吸力通过吸气口将吸入空气。而且叶片的转动时产生的空气动力学作用会增加气体的速度和压力, 因此离心力会使气体从叶道运动到机壳, 然后通风机的排风口会将气体排除。本文主要通过对离心通风机的原理进行分析, 然后论述了计算离心通风机临界转速的方法。
关键词：离心通风机,临界转速,计算方法
参考文献
[1]顾家柳, 等.转子动力学[M].国防工业出版社, 2005.
通风计算 篇9
小型燃气锅炉, 即直接提供蒸汽或热水的燃气锅炉, 或提供夏季制冷和冬季采暖的带燃烧装置的燃气型中央空调机组, 因不像工业锅炉那么拥有庞杂的烟气处理系统, 如何寻找一种简便的计算方法来确定和校核烟囱高度以及烟道设计, 是本文探讨的主要内容。通过总结日本“空气调和卫生工学会”发布的《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》以及中国“《工业锅炉设计计算方法》编委会”发布的《工业锅炉烟风阻力计算方法》等文献, 认为《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》比较适合于小型燃气锅炉的烟囱通风力计算及其设计。
本文参考《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》对小型燃气锅炉的排烟系统编制了通风力计算方法并进行分析和举例说明。
1 烟囱通风力计算基准概要
小型燃气锅炉通过燃料燃烧产生的热量来加热水或溶液制取蒸汽或热水, 燃料燃烧后会产生烟气, 通过烟道和烟囱排放到大气中。燃料一般都是清洁能源, 比如天然气、液化石油气或其他可燃气体等, 整个锅炉系统只有送风机没有引风机, 且锅炉的排烟出口压力一般接近大气压, 因此属于自然通风方式。
自然通风是指利用烟囱和烟道内的热烟气与外界冷空气间密度差所形成的自生通风力Z来克服锅炉通风阻力ΔP。
1.1 烟囱自生通风力
因为烟道高度差不太大, 即烟道虽然有一定的自生通风力, 但通常在通风力计算上烟道自生通风力可以省略不计。
式中Z1——烟囱自生通风力 (Pa) ;
Z2——烟道产生的自生通风力 (Pa) ;
H1——烟道与烟囱结合处至烟囱顶部高度 (m) ;
H2——锅炉排烟出口至烟道中心高度 (m) ;
ρa——大气密度 (kg/m3) ;
ρg——烟囱内烟气密度 (kg/m3) ;
ta——大气温度 (℃) ;
tg——烟囱内烟气平均温度 (℃) ;
tg1——烟囱入口部温度 (℃) ;
tg2——烟囱排出口温度 (℃) ;
g——标准重力加速度 (g=9.8 m/s2) 。
对于海拔较高地区, 需要对大气密度和排烟密度进行修正。
式中P——海拔高度下大气压 (Pa) ;
P0——标准大气压 (101 325 Pa) ;
ρ——修正后密度 (kg/m3) 。
另外, 烟道各区段内的温度下降可以根据表1来判断。
烟囱内的温度下降可以根据以下方法求得:
式中Ki——烟囱壁体热通过率[W/ (m2×K) ], 如表2所示;
Ai——烟囱高度方向每米内表面积 (m2/m) ;
B——锅炉燃气消耗量 (Nm3/h) ;
Vg——单位燃气消耗量的湿排烟量[Nm3/ (Nm3燃气) ], 如表3所示。
注:Nm3表示标态下气体体积 (1 atm, 0℃) 。
单位:W/ (m2×K)
单位:Nm3/ (Nm3燃气)
1.2 锅炉通风阻力
锅炉通风阻力ΔP包括烟囱的通风阻力ΔP1、烟囱出口通风阻力ΔP2、烟道的通风阻力ΔP3、锅炉炉内压ΔP4, 即:
1.2.1 烟囱通风阻力ΔP1
包括烟囱沿程摩擦阻力ΔPf1 (Pa) 、烟囱局部阻力ΔPb (Pa) 。
式中λ——烟囱内摩擦系数;
ζb——局部阻力系数;
νg——烟囱内排烟平均速度 (m/s) ;
d——烟囱内径或当量直径 (m) 。
式中Ac——烟囱断面积 (m2) ;
P——内圆周长 (m) 。
1.2.2 烟囱排出部通风阻力ΔP2
包括烟囱排出口动压头ΔPν (Pa) 以及烟囱顶部防护伞阻力ΔPr (Pa) 。
式中ζr——烟囱顶部防护伞阻力系数;
ν0——烟囱排出口烟气速度 (m/s) (排出口部尺寸无明显变化时ν0=νg) 。
1.2.3 烟道的通风阻力ΔP3
包括烟道内沿程摩擦阻力ΔPf2 (Pa) 、流路转向局部阻力ΔPt (Pa) 、断面变化局部阻力ΔPs (Pa) 、合流局部阻力ΔPc (Pa) 、调节挡板全开时阻力ΔPd (Pa) 。
注意计算包括直流部和合流部两部分阻力。
式中λ——烟道内摩擦系数;
ν——烟道内烟气平均速度 (m/s) ;
L——烟道长度 (m) ;
d——烟囱内径或当量直径 (m) ;
ζt——不同流向局部阻力系数;
ζs——不同断面局部阻力系数;
ζc——不同合流部局部阻力系数;
ζd——调节挡板全开时局部阻力系数。
说明:λ、ζb、ζr、ζt、ζs、ζc、ζd应根据《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》来进行选取。
1.2.4 锅炉内阻力ΔP4
因小型燃气锅炉排烟出口压设计一般略高于大气压, 所以仅考虑与锅炉连接的烟道和烟囱的通风阻力即可, 此处锅炉内阻力ΔP4=0 Pa。
1.3 烟囱通风力计算结果校核
自然通风锅炉的校核条件如下:
烟囱高度H1≥8 m (周围200 m以内有建筑物时, 烟囱应高出最高建筑物3 m以上) ;烟囱出口烟气速度2 m/s≤ν0≤5 m/s;烟道内烟气平均速度2 m/s≤ν≤5 m/s;通风力与通风阻力的差值0≤Z-ΔP≤49 Pa (即5 mm H2O) 。
说明:当Z-ΔP>49 Pa时, 烟道内需要设置通风调节阀。
2 工程应用实例计算
如表4所示, 通过对单台燃气锅炉 (图1) , 两台燃气锅炉 (图2) 的计算实例来提供工程应用参考。
海拔高度忽略不计, 烟囱烟道为金属圆形, 自然通风式。
3 结论
从编制的计算案例可以看出:两台燃气锅炉共用一个烟囱的通风力计算相对单台要复杂些, 同时两台要求的烟囱截面尺寸和高度都会增大。另外, 冬季和夏季都需要对烟道烟囱分别进行通风力计算校核, 以判断是否需要在烟道内设置通风调节阀。本文的计算案例全部选用相同规格的燃气锅炉, 实际工程应用中经常会遇到不同规格的燃气锅炉多台组合或带燃烧装置的中央空调机组与燃气锅炉多台组合, 因此对于其烟囱、烟道的设计与校核可参考和借鉴本文介绍的计算方法。
参考文献
[1]SHASE-S 111-2004烟囱计算基准[S].
[2]《工业锅炉设计计算方法》编委会.工业锅炉烟风阻力计算方法[M].中国标准出版社, 2005.
[3]林宗虎, 徐通模.实用锅炉手册[M].2版.化学工业出版, 2009.
[4]周懿, 钟崴, 童水光.通用锅炉烟风阻力计算系统的研究与开发[J].电站系统工程, 2008 (6) .
[5]高田秋一.吸收式制冷机[M].机械工业出版社, 1987.
通风计算 篇10
关键词：计算机,通风机,个体特性曲线,拟合
0 引言
风机的主要工作性能参数有风压、风量、功率、效率与转速, 它们不仅是矿井通风系统设计的重要参数, 也是通风系统运行的重要参数, 各参数之间的关系通常用特性曲线来描述。在实际运行中常需要测定风机的特性曲线, 以分析通风系统的运行工况是否满足通风要求。
《煤矿安全规程》第一百二十一条规定:“新安装的主要通风机投入使用前, 必须进行1次通风机性能测定和试运转工作, 以后每5 a至少进行一次性能测定”[1]。
虽然, 风机性能测定工作的关键在于精心组织和测定工作的安排, 方能获得可靠、科学的数据, 通风机个体特性曲线的绘制仅是风机性能测定数据处理的最后一项工作, 但绘制是否精确, 对日后的应用有着重要的影响。
随着计算机技术的广泛运用, 用计算机绘制通风机个体特性曲线, 不但过程简单, 而且应用方便。
1 用Exce l绘制通风机个体特性曲线
1.1 软件介绍
Excel 2003是微软公司Office 2003套装办公系列软件中的一员, 其功能完整, 技术先进, 使用简便;集快速制表、图表处理、数据管理分析、数据共享和发布等功能于一身的集成化软件, 并具有强有力的数据库管理、丰富的宏命令和函数, 有决策支持分析等功能, 是目前使用最广泛的电子表格软件。
1.2 绘制原理
通风机的H-Q曲线一般可用下面的多项式进行拟合:
H=a0+a1Q+a2Q2+…+anQn
式中, a1、a2、…、an为曲线的多项式次根据计算精度要求确定, 一般n取2～5。
当n=2时, 该多项式称为一元三点二次插值公式;当n≥3时, 该多项式称为一元多点高次插值公式。
在通风机的风压特性曲线的工作段上选i个有代表性的工况点 (Hi, Qi) 值, 代入上式, 解线性方程组, 即得风压特性曲线方程中的各项拟合系数a1、a2、…an。确定拟合系数a1、a2、…an更精确的方法为最小二乘法。Excel 2003中回归分析的原理也是最小二乘法, 即找到一条曲线, 使散点的值与对应曲线值之差趋于最小, 因此就可以用Exce2003的回归分析功能来拟合并绘制通风机特性曲线。
1.3 通风机个体特性曲线的绘制
首先把通风机性能测定所取得的数据进行计算处理, 为特性曲线的绘制做好基础工作。旗山煤矿中央风井所安装的主要通风机为沈阳产K4-73-№.28F离心式风机。
表1为2006年风机性能鉴定时1号风机512 r/min的性能参数, 把表1中的参数输入Exce2003, 根据对话窗口“选项”, 即可得到需要绘制的风机H-Q特性曲线及相应的数字公式, 如图1所示。
把表1中的参数输入Excel 2003, 绘制风机个体特性曲线, 如图1所示。
η-Q, N-Q可用相同的方法进行绘制。当然也可以把同一台风机多个转速 (轴流式风机的多个叶片角度) 的H-Q、η-Q、N-Q特性曲线分别绘制在一张图上。
2 用AutoCAD绘制通风机个体特性曲线
2.1 软件介绍
AutoCAD (Auto Computer Aided Design) 是美国Autodesk公司首次于1982年开发的计算机辅助设计软件, 用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。AutoCAD是目前计算机辅助设计领域最流行的CAD软件包, 此软件功能强大、使用方便, 在国内外广泛应用于机械、建筑、家居、纺织等诸多行业。
2.2 绘制原理
用一元三点二次插值公式在拟合通风机特性曲线时, 由于通风机风量允许工作区间以外的参数无法测定, 其风压特性曲线左侧的不稳定运转区域的特性曲线用一条等压水平线取代, 不能完全真实地拟合风机的特性曲线, 忽视了通风机可能发生的喘振问题, 而且不能认为插值公式次数愈高就愈好。
三次样条函数不同于插值公式, 其结点处可微性的特点和优点应用在一般工程上会带来很多好处;其全域的光滑性在气动工程中更为突出。三次样条函数应用在风机特性曲线拟合中, 可有效提高精度及提高风网设计计算、调节设计计算精度。
Auto CAD中的“样条曲线”工具正是使用三次样条函数这一科学的计算方法, 因此用AutoCAD来绘制通风机的特性曲线更为精确。
2.3 通风机个体特性曲线的绘制
首先在AutoCAD中绘制好坐标系, 然后使用“绘图”中的“点”工具把处理好的数据标到坐标系中, 最后选择三个测点 (两个端点和中间一个点) 用“样条曲线”联接起来就可以了。为了更精确地描绘通风机的特性, 可以更换三个测点中中间这一点, 多画几条曲线, 选择通过测点最多的这一条曲线作为通风机的特性曲线。旗山煤矿1号风机512 r/min的H-Q、η-Q、N-Q特性曲线如图2所示。
3 通风机特性曲线的应用
通风机特性曲线绘制的目的, 用于通风系统调整、设计时进行通风机的工况点预测, 以便更快、更好地进行通风系统调整等。
3.1 Exce l中的应用
在使用Excel所绘制的通风机特性曲线时, 只要在“添加趋势线”对话框中, 选取“选项”中的“显示公式”选项, 即可得到一个函数公式。如1号风机512 r/min H-Q的函数公式为:
y=-0.0267 x2-4.0628 x+3924
只要把需要的风量值作为x值代入公式, 即可计算出通风机的工况点。计算过程也可以在Excel进行中, 计算方便、简单。
3.2 AutoCAD中的应用
使用AutoCAD绘制通风机的特性曲线, 如果要得到一个函数公式, 需要人工或使用计算机来解大型方程组, 而且三次样条函数也不直观。不过在AutoCAD中, 可以用一条直线在x轴 (Q轴线) 把需要的风量值标出来, 然后使用“标注”工具中的“线性”直接量出y值, 再进行比例换算即可得到风压等参数。如果在“标注样式”中设好“比例因子”, 那么就可以使用“标注”工具直接标出y值。
4 两种方法的比较
使用Excel绘制通风机特性曲线时, 方法简单, 而且可以得到一个直观的函数关系式, 在工程计算中十分方便。但要把H-Q、η-Q、N-Q三种曲线绘制在一张图上不便观看, 特别是η-Q几乎变成一条直线。
使用Auto CAD绘制通风机特性曲线图, 不但可以把三种曲线绘制在一张图上, 而且可以通过“图层”来管理各条曲线, 观看方便, 精度较高。但是, 使用Auto CAD的绘制过程比Excel相对复杂, 而且没有直观的函数关系式, 只有通过测量来取得数据。
参考文献
通风计算 篇11
局部通风机通风是利用局部通风机做动力源, 用风筒作为导风工具的通风方法。在使用风筒作为导风工具的局部通风机通风中, 风筒沿途不可避免的会存在漏风, 供风量Q是一个不断衰减的过程, 同时会导致风压值的下降, 因此风筒内风流变化的数据处理及分析是一个十分复杂而细致的过程。所以利用计算机管理软件分析系统, 简化数据处理过程, 找出通风系统中的薄弱环节, 提出改进措施对改善局部通风机通风有重要的意义。
本文所介绍的计算机管理软件分析系统是通过数学模型, 分析得到通风系统参数所需要的数据。然后通过实际测量, 将测得的数据输入编制好的软件中, 实现理论与实际的对比, 并找出主要的漏风地段和通风阻力较大的地点或区段, 查找原因, 以便采取有效的对策及措施, 减少漏风, 降低通风阻力, 减少电能消耗。
1 现有的通风系统简介
上海市青草沙水源地原水工程7 200 m过江隧道内径5.84 m, 采用直接利用大功率局部通风机为动力源, 大直径风筒作导风工具的长隧道的压入式独头掘进通风方式, 其独头掘进通风系统简图如图1所示。
在本通风系统中, 风机型号为SDF (c) -No11.5型低噪节能变极多速隧道专用通风机, 风筒为密封性能好的φ1 200 mm特制阻燃型通风软管, 接头采用传统的拉链式, 每节风筒长度为30 m, 风筒共由240节组成。此种方法辅助工程量小, 风筒安装、拆卸比较方便[1]。
2 计算机管理软件分析系统建立的模型[1]
由通风系统中风筒第一个接头前后通风阻力的等价关系, 得方程组:
式中, h节1为第一节风筒的通风阻力, Pa;R1为第一节风筒的风阻, N·s2/m8;Q0为风机初始风量, m3/s;ΔQ为第一节风筒的漏风量, m3/s;R漏为风筒接头处风阻, N·s2/m8;P大为大气压, Pa;P0为风筒初始位置的绝对压力, Pa。
根据方程组 (1) 的解可得:
由于每节风筒的长度、断面、摩擦阻力系统等参数相同, 因此, 可以认为每节风筒的风阻及每段风筒接头处的风阻均相同, 为常数。
由此得:
式中, ΔQn为第n节风筒的漏风量, m3/s;Qn-1为第n节风筒的初始风量, m3/s;Pn-1为第n节风筒的绝对压力, Pa。
其中, Qn-1=Qn-2-ΔQn-1
所以, 可以得出结论:
(1) 第1节风筒到第n节风筒的总漏风量计算公式:
式中, ΔQ总为第1节风筒到第n节风筒的总漏风量, m3/s;ΔQi为第i节风筒的漏风量, m3/s。
综上可得, 通过公式 (2) , 可以求出第1节风筒漏风量, 通过公式 (3) 可以求出每一个风筒的漏风量, 通过公式 (5) 可以求出从风筒初始位置到第n节风筒的总漏风量。
(2) 由公式 (3) 可以推出每一节风筒的百米漏风率的计算公式:
(3) 每一节风筒通风阻力的计算公式:
式中, h节n为第n节风筒的通风阻力, Pa。
所以, 风筒初始位置到第n节风筒的通风总阻力为第i节风筒的通风阻力之和。
3 利用计算机管理软件计算通风系统各参数
3.1 计算机管理软件分析系统编程简介
针对上海市青草沙水源地原水工程7 200 m过江隧道的通风系统而特别设计的计算机管理软件分析系统是利用Visual Basic开发的, 通过此软件, 将实测数据输入到主界面中, 可以计算出通风系统中每节风筒的风量、风速、漏风量、漏风率、通风阻力, 并且可以绘制出上述各参数随风筒长度变化的曲线, 从而得出通风系统的工作情况。若得到的结果不满足超长隧道的掘进要求, 应尽快采取相应的措施。
由数学模型可得, 各段风筒参数具有递推关系, 因此利用计算机编程计算通风系统各参数非常方便。
3.2 计算机管理软件分析系统编程注意事项
(1) 由于本通风系统使用的风筒接头为拉链式, 风筒漏风主要集中在接头处。因此本程序只考虑风筒接头处漏风。
(2) 考虑到风筒接头处两端风筒内部绝对压力 (Pn-1、Pn, Pn-1>Pn) 受局部阻力影响很小, 因此可认为Pn=k·Pn-1, 其中k=0.9999。利用此数学模型, 循环递推可得到每一节风筒的风量。根据公式 (6) 和公式 (7) , 可算出每节风筒的风速、漏风率及任意点的通风阻力。
利用本程序, 将已经测得的或计算得到的初始风量、风压、风阻等参数输入计算机管理软件中, 点击计算按钮, 便可以得到风筒各点风量、百米漏风率、通风阻力等参数的值。如果所得结果与实际不符, 会有相应的提示。同时, 点击菜单栏上的参数绘图项, 可得到风量、风速、通风阻力和百米漏风率随风筒长度变化的关系曲线。
4 结论
本计算机管理软件分析系统是专门为上海市青草沙水源地原水工程7 200 m设计的。通过本软件, 可以简化数据处理过程, 并得到通风系统各参数随风筒长度的变化曲线, 从而找出通风系统主要的漏风地段和通风阻力较大的地点或区段, 以便采取有效的对策及措施, 减少漏风, 降低通风阻力, 减少电能消耗。
摘要：结合上海市青草沙水源地原水工程7 200 m过长隧道施工通风系统的实际情况, 建立计算机管理软件分析系统, 增加数据处理的速度并得出通风系统参数的变化曲线, 找出通风系统的通风薄弱环节, 从而有针对性的采取措施, 解决了超长隧道掘进过程中的通风问题。
关键词：超长隧道,计算机,风筒,百米漏风率,防漏降阻
参考文献