高地温铁路隧道降温通风的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及长度大于铁路隧道降溫技术手段领域，特别是设及一种高地溫铁路隧 道降溫通风的控制方法。
【背景技术】
[0002] 当隧道原始岩溫达35°C左右，相对湿度达80% W上时，隧道中的高地溫问题已非 常严重;在长期运营中，若不能有效进行有效降溫，还将恶化运营环境。因此，高地溫隧道的 高溫热害对隧道长期运营环境保证的影响是亟需解决的技术问题。
[0003] 对隧道内进行通风是一种有效降溫方法，《铁路隧道运营通风设计规范》 (TB10068-2010)中规定:长度大于15Km的客货共线电气化铁路隧道应设置机械通风。目前 电气化铁路运营通风往往在"天窗时间"内采用纵向通风方式进行换气，其通过安装于隧道 内的风机使隧道内形成气流进行换气。而在实际操作中，针对高地溫特长隧道(如隧道长度 大于20Km)，该段"天窗时间"时间段内由风机产生的机械风往往不能将隧道内风流的溫度 降到规定的范围内（28°CW下），致使隧道内运营环境达不到规范要求。
[0004] 针对上述隧道的降溫问题，现有技术中的解决方案是：提高天窗时间内的通风换 气次数;对隧道采用连续通风的方式。W上第一种解决方案的实现依赖于隧道内较多的机 电设备，运样，必然会造成用于隧道降溫的机电设备投入成本高和维护成本大、同时在多数 情况下运些机电设备被闲置，不利于铁路附件的设备利用率;第二种方式在火车经过隧道 时，特别是列车的行驶方向与风机所产生气流的方向相反时，隧道内火车的高速行驶产生 的活塞风将对风机寿命产生极大影响，甚至会直接损坏风机。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术中隧道通风降溫控制方法存在不足的问题，本发明提供了一种 高地溫铁路隧道降溫通风的控制方法，通过本方法提出了的风机开启方案，可解决高地溫 隧道因通风能力不足造成的不能有效降溫、通风能力太大造成的机电设备闲置、连续通风 造成的风机损坏等问题，实现将隧道内溫度降到规定的范围内，并达到减少风机配置和保 护风机设备的目的。
[0006] 针对上述问题，本发明提供的高地溫铁路隧道降溫通风的控制方法通过W下技术 要点来达到目的:高地溫铁路隧道降溫通风的控制方法，包括顺序进行的W下步骤：
[0007] S1:每天均在无活塞风的情况下，运行设置于隧道中的风机，使隧道内产生某一速 度值的风流对隧道进行通风降溫，并设定一天内该风流的持续时间，若在风机运行N年后隧 道内的溫度降低至某一设定值，则记录该通风降溫条件下满足降溫要求的通风周期t，所述 N为大于等于2的整数；
[000引 S2:计算通风周期t内风机的通风能耗e;
[0009] S3:得到通风周期矩阵和通风能耗矩阵：重复步骤S1和S2，记录满足降溫要求的m 个通风降溫条件下的通风周期矩阵T=(tl、t2，…，tm)和每一周期的通风能耗矩阵E=(el、 Θ2，···，θη)，且每个SI步骤中，风流的速度值和/或一天内风流的持续时间数值不等；
[0010] S4:得到隧道的最终通风方案:将S3步骤得到的通风周期矩阵T=(tl、t2，一，tm)和 通风能耗矩阵E=(el、e2，···，em)相乘，得到通风控制判别矩阵TE=(tlXel、t2Xe2，···，tmX em)，取TE中最小元素对应的通风降溫条件作为隧道的最终通风方案。
[0011] W上方案旨在实现在无活塞风的情况下，找到满足隧道降溫要求机械通风方案的 最小功耗。W上方案可在隧道实地实践：设定风机通风每天运行的时间及在该时间内的风 速后，验证风机运行一段时间后，隧道内的溫度是否降低到了预定值，若满足降溫要求，贝U 记录满足降溫要求的风机的总运行天数、每天的运行时间及运行时的功率，W上功率与运 行时间的乘积作为通风控制判别矩阵的值，W上通风控制判别矩阵中的最小值对应的风机 运行参数，即为满足隧道通风降溫条件的最终通风方案。
[0012] 由于W上机械通风向隧道中引入的空气溫度受季节的影响，为利于风机运行参数 判定的准确性，故将风机运行N年后隧道内的溫度降低至某一设定值设定为风机运行参数 判定周期，运样，优选W上通风周期矩阵TW年记，则通风能耗矩阵中的参数代表一年的时 间中某一风机参数所消耗的总能量。
[0013] 通过W上方案，不仅为隧道机械通风降溫方案提出了可靠的依据，同时采用本方 案提出的机械通风降溫方式，可达到减少风机配置和保护风机设备的目的：通过风机运行 于无列车通行的情况替代现有隧道风机采用的连续通风方式，可有效消除风机在隧道内 有列车通行的情况下被损坏的风险;相对于现有隧道采用的大功率机械通风，本方案可有 效避免隧道内的机电设备被长时间闲置，即达到提高隧道内通风设备使用率的目的。同时， 本方案提出了一种实现隧道通风降溫过程中，风机消耗功率最低的通风控制方法，采用本 方法，可有效降低隧道通风降溫的功率消耗，达到节约铁路交通运行成本的目的。
[0014] 作为W上控制方法进一步的技术方案：
[0015] 结合现有我国铁路运行的天窗时间及各地的降溫要求，为便于取得满足隧道降溫 要求的风机运行参数，风流的速度值介于2米/秒至10米/秒之间，风流的持续时间介于2小 时/天至8小时/天之间。
[0016] 铁路隧道具有W下特点：在隧道的纵向深度上，隧道壁面各点溫度值不等、风机引 入的机械风原始溫度受季节气候影响、在隧道纵向长度上，隧道壁面各点与机械风的传热 速度不等，故为缩短最优通风方案获取的周期，可通过计算机运算的方式，所述控制方法采 用计算机模拟进行，在计算机模拟之前，向计算机中输入隧道地溫曲线数据、桐外年气溫变 化曲线数据、m个风流的速度值取值、m个风流的持续时间取值；
[0017] 所述计算机模拟通过如下方式进行:将实地获取的隧道壁面与空气的对流传热系 数、围岩的传热系数输入计算机，W隧道地溫曲线数据作为隧道壁面的原始溫度值，W桐外 年气溫变化曲线数据作为隧道入口空气溫度边界值，W隧道壁面与空气的对流传热系数、 各时间点的风流速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道围 岩溫度值与空气溫度值的差值为溫度梯度求出传热量，对N年内的传热量进行求和，得到N 年内的机械通风传热量，最后得到隧道壁面溫度降。
[0018] W上方法中，若机械风的风流速度大于一定值，则隧道壁面与空气的传热量大于 围岩向隧道壁面的传热量，运样即可使得隧道内溫度下降，采用计算机模拟进行，可将隧道 壁面划分为多个点，W针对每个点在通风过程中，建立各点溫度随时间的变化关系，通过计 算机的运算，在短时间内获得满足降溫要求的风机参数。
[0019] 由于影响隧道溫度的Ξ个主要因素分别为：围岩溫度、风机机械通风传热、列车运 行活塞风传热，故将活塞风传热考虑于总传热中，可获得更接近于真实值的风机参数模拟 值，故:还包括行车产生活塞风的传热换算，即隧道活塞风传热计算，所述隧道活塞风传热 计算为:将活塞风曲线数据输入计算机，各时间点的隧道风速度值作为空气与隧道壁面的 冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道壁面溫度值与空气溫度值的差值为溫度梯度求出 活塞风传热量，对N年内的活塞风传热量进行求和，得到N年内的隧道活塞风传热量，隧道活 塞风传热量与机械通风传热量的和值作为隧道岩壁的总传热量，最后得到隧道壁面的最终 溫度，所述最终溫度值为某一设定值的参考值。
[0020] 所述获得隧道地溫曲线数据、桐外年气溫变化曲线数据和活塞风曲线数据获得方 式为如下方式：
[0021 ]所述隧道地溫曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地溫曲线数据；
[0022] 所述桐外年气溫变化曲线数据通过下式绘制和获得：
[0023]
[0024] 式中，ta为当地年气流平均溫度;U为气流溫度振幅，τ1为桐外年气溫变化曲线上 某点在当年所处的小时数；
[0025] 所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：
[0026] ，'
[0027]其中：V =