高地溫鐵路隧道降溫通風的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及長度大于鐵路隧道降溫技術手段領域，特別是設及一種高地溫鐵路隧 道降溫通風的控制方法。
【背景技術】
[0002] 當隧道原始巖溫達35°C左右，相對濕度達80% W上時，隧道中的高地溫問題已非 常嚴重;在長期運營中，若不能有效進行有效降溫，還將惡化運營環(huán)境。因此，高地溫隧道的 高溫熱害對隧道長期運營環(huán)境保證的影響是亟需解決的技術問題。
[0003] 對隧道內(nèi)進行通風是一種有效降溫方法，《鐵路隧道運營通風設計規(guī)范》 (TB10068-2010)中規(guī)定:長度大于15Km的客貨共線電氣化鐵路隧道應設置機械通風。目前 電氣化鐵路運營通風往往在"天窗時間"內(nèi)采用縱向通風方式進行換氣，其通過安裝于隧道 內(nèi)的風機使隧道內(nèi)形成氣流進行換氣。而在實際操作中，針對高地溫特長隧道(如隧道長度 大于20Km)，該段"天窗時間"時間段內(nèi)由風機產(chǎn)生的機械風往往不能將隧道內(nèi)風流的溫度 降到規(guī)定的范圍內(nèi)（28°CW下），致使隧道內(nèi)運營環(huán)境達不到規(guī)范要求。
[0004] 針對上述隧道的降溫問題，現(xiàn)有技術中的解決方案是：提高天窗時間內(nèi)的通風換 氣次數(shù);對隧道采用連續(xù)通風的方式。W上第一種解決方案的實現(xiàn)依賴于隧道內(nèi)較多的機 電設備，運樣，必然會造成用于隧道降溫的機電設備投入成本高和維護成本大、同時在多數(shù) 情況下運些機電設備被閑置，不利于鐵路附件的設備利用率;第二種方式在火車經(jīng)過隧道 時，特別是列車的行駛方向與風機所產(chǎn)生氣流的方向相反時，隧道內(nèi)火車的高速行駛產(chǎn)生 的活塞風將對風機壽命產(chǎn)生極大影響，甚至會直接損壞風機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術中隧道通風降溫控制方法存在不足的問題，本發(fā)明提供了一種 高地溫鐵路隧道降溫通風的控制方法，通過本方法提出了的風機開啟方案，可解決高地溫 隧道因通風能力不足造成的不能有效降溫、通風能力太大造成的機電設備閑置、連續(xù)通風 造成的風機損壞等問題，實現(xiàn)將隧道內(nèi)溫度降到規(guī)定的范圍內(nèi)，并達到減少風機配置和保 護風機設備的目的。
[0006] 針對上述問題，本發(fā)明提供的高地溫鐵路隧道降溫通風的控制方法通過W下技術 要點來達到目的:高地溫鐵路隧道降溫通風的控制方法，包括順序進行的W下步驟：
[0007] S1:每天均在無活塞風的情況下，運行設置于隧道中的風機，使隧道內(nèi)產(chǎn)生某一速 度值的風流對隧道進行通風降溫，并設定一天內(nèi)該風流的持續(xù)時間，若在風機運行N年后隧 道內(nèi)的溫度降低至某一設定值，則記錄該通風降溫條件下滿足降溫要求的通風周期t，所述 N為大于等于2的整數(shù)；
[000引 S2:計算通風周期t內(nèi)風機的通風能耗e;
[0009] S3:得到通風周期矩陣和通風能耗矩陣：重復步驟S1和S2，記錄滿足降溫要求的m 個通風降溫條件下的通風周期矩陣T=(tl、t2，…，tm)和每一周期的通風能耗矩陣E=(el、 Θ2，···，θη)，且每個SI步驟中，風流的速度值和/或一天內(nèi)風流的持續(xù)時間數(shù)值不等；
[0010] S4:得到隧道的最終通風方案:將S3步驟得到的通風周期矩陣T=(tl、t2，一，tm)和 通風能耗矩陣E=(el、e2，···，em)相乘，得到通風控制判別矩陣TE=(tlXel、t2Xe2，···，tmX em)，取TE中最小元素對應的通風降溫條件作為隧道的最終通風方案。
[0011] W上方案旨在實現(xiàn)在無活塞風的情況下，找到滿足隧道降溫要求機械通風方案的 最小功耗。W上方案可在隧道實地實踐：設定風機通風每天運行的時間及在該時間內(nèi)的風 速后，驗證風機運行一段時間后，隧道內(nèi)的溫度是否降低到了預定值，若滿足降溫要求，貝U 記錄滿足降溫要求的風機的總運行天數(shù)、每天的運行時間及運行時的功率，W上功率與運 行時間的乘積作為通風控制判別矩陣的值，W上通風控制判別矩陣中的最小值對應的風機 運行參數(shù)，即為滿足隧道通風降溫條件的最終通風方案。
[0012] 由于W上機械通風向隧道中引入的空氣溫度受季節(jié)的影響，為利于風機運行參數(shù) 判定的準確性，故將風機運行N年后隧道內(nèi)的溫度降低至某一設定值設定為風機運行參數(shù) 判定周期，運樣，優(yōu)選W上通風周期矩陣TW年記，則通風能耗矩陣中的參數(shù)代表一年的時 間中某一風機參數(shù)所消耗的總能量。
[0013] 通過W上方案，不僅為隧道機械通風降溫方案提出了可靠的依據(jù)，同時采用本方 案提出的機械通風降溫方式，可達到減少風機配置和保護風機設備的目的：通過風機運行 于無列車通行的情況替代現(xiàn)有隧道風機采用的連續(xù)通風方式，可有效消除風機在隧道內(nèi) 有列車通行的情況下被損壞的風險;相對于現(xiàn)有隧道采用的大功率機械通風，本方案可有 效避免隧道內(nèi)的機電設備被長時間閑置，即達到提高隧道內(nèi)通風設備使用率的目的。同時， 本方案提出了一種實現(xiàn)隧道通風降溫過程中，風機消耗功率最低的通風控制方法，采用本 方法，可有效降低隧道通風降溫的功率消耗，達到節(jié)約鐵路交通運行成本的目的。
[0014] 作為W上控制方法進一步的技術方案：
[0015] 結合現(xiàn)有我國鐵路運行的天窗時間及各地的降溫要求，為便于取得滿足隧道降溫 要求的風機運行參數(shù)，風流的速度值介于2米/秒至10米/秒之間，風流的持續(xù)時間介于2小 時/天至8小時/天之間。
[0016] 鐵路隧道具有W下特點：在隧道的縱向深度上，隧道壁面各點溫度值不等、風機引 入的機械風原始溫度受季節(jié)氣候影響、在隧道縱向長度上，隧道壁面各點與機械風的傳熱 速度不等，故為縮短最優(yōu)通風方案獲取的周期，可通過計算機運算的方式，所述控制方法采 用計算機模擬進行，在計算機模擬之前，向計算機中輸入隧道地溫曲線數(shù)據(jù)、桐外年氣溫變 化曲線數(shù)據(jù)、m個風流的速度值取值、m個風流的持續(xù)時間取值；
[0017] 所述計算機模擬通過如下方式進行:將實地獲取的隧道壁面與空氣的對流傳熱系 數(shù)、圍巖的傳熱系數(shù)輸入計算機，W隧道地溫曲線數(shù)據(jù)作為隧道壁面的原始溫度值，W桐外 年氣溫變化曲線數(shù)據(jù)作為隧道入口空氣溫度邊界值，W隧道壁面與空氣的對流傳熱系數(shù)、 各時間點的風流速度值作為空氣與隧道壁面的冷熱對流傳熱相對速度、各時間點的隧道圍 巖溫度值與空氣溫度值的差值為溫度梯度求出傳熱量，對N年內(nèi)的傳熱量進行求和，得到N 年內(nèi)的機械通風傳熱量，最后得到隧道壁面溫度降。
[0018] W上方法中，若機械風的風流速度大于一定值，則隧道壁面與空氣的傳熱量大于 圍巖向隧道壁面的傳熱量，運樣即可使得隧道內(nèi)溫度下降，采用計算機模擬進行，可將隧道 壁面劃分為多個點，W針對每個點在通風過程中，建立各點溫度隨時間的變化關系，通過計 算機的運算，在短時間內(nèi)獲得滿足降溫要求的風機參數(shù)。
[0019] 由于影響隧道溫度的Ξ個主要因素分別為：圍巖溫度、風機機械通風傳熱、列車運 行活塞風傳熱，故將活塞風傳熱考慮于總傳熱中，可獲得更接近于真實值的風機參數(shù)模擬 值，故:還包括行車產(chǎn)生活塞風的傳熱換算，即隧道活塞風傳熱計算，所述隧道活塞風傳熱 計算為:將活塞風曲線數(shù)據(jù)輸入計算機，各時間點的隧道風速度值作為空氣與隧道壁面的 冷熱對流傳熱相對速度、各時間點的隧道壁面溫度值與空氣溫度值的差值為溫度梯度求出 活塞風傳熱量，對N年內(nèi)的活塞風傳熱量進行求和，得到N年內(nèi)的隧道活塞風傳熱量，隧道活 塞風傳熱量與機械通風傳熱量的和值作為隧道巖壁的總傳熱量，最后得到隧道壁面的最終 溫度，所述最終溫度值為某一設定值的參考值。
[0020] 所述獲得隧道地溫曲線數(shù)據(jù)、桐外年氣溫變化曲線數(shù)據(jù)和活塞風曲線數(shù)據(jù)獲得方 式為如下方式：
[0021 ]所述隧道地溫曲線數(shù)據(jù)為地勘鉆孔資料擬定的隧道縱向地溫曲線數(shù)據(jù)；
[0022] 所述桐外年氣溫變化曲線數(shù)據(jù)通過下式繪制和獲得：
[0023]
[0024] 式中，ta為當?shù)啬隁饬髌骄鶞囟?U為氣流溫度振幅，τ1為桐外年氣溫變化曲線上 某點在當年所處的小時數(shù)；
[0025] 所述活塞風曲線數(shù)據(jù)通過下式繪制和獲得：
[0026] ，'
[0027]其中：V =