靜電除塵裝置在公路隧道通風(fēng)中的使用條件研究

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摘要：隧道通風(fēng)需風(fēng)量的確定是取CO濃度指標(biāo)和煙霧指標(biāo)計(jì)算出來的較大者作為需風(fēng)量。如果是煙霧濃度指標(biāo)的需風(fēng)量大于CO指標(biāo)需風(fēng)量，則靜電除塵裝置的使用可以降低隧道內(nèi)的需風(fēng)量，從而提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在不同的坡度和車速下，機(jī)動(dòng)車的CO和煙霧的排放特性會(huì)發(fā)生變化。本文研究了不同的坡度和車速下，靜電除塵裝置的基本使用條件的確定。本文的研究成果可用于隧道通風(fēng)的設(shè)計(jì)與研究中。關(guān)鍵詞：隧道工程靜電除塵使用條件濃度指標(biāo)

  0引言在交通事業(yè)發(fā)展迅猛的今天，公路隧道建設(shè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。公路隧道通風(fēng)設(shè)施的費(fèi)用一般為工程造價(jià)的20％～30％，長(zhǎng)大隧道甚至可達(dá)50％[1]，因此公路隧道的通風(fēng)問題是十分值得關(guān)注的研究課題。目前的隧道通風(fēng)方式分為以下幾種，如圖1所示。當(dāng)交通流量不大，隧道長(zhǎng)度比較短時(shí)，隧道采用自然通風(fēng)即可滿足要求。1924年，美國(guó)匹茲堡室自由隧道（長(zhǎng)1800米）發(fā)生交通堵塞，洞內(nèi)CO濃度增高，導(dǎo)致很多人中毒，從此，隧道的設(shè)計(jì)中開始采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。美國(guó)紐約市的荷蘭隧道，采用盾構(gòu)法施工，圓形斷面，所以車道下面作為送風(fēng)道，上部作為排風(fēng)道，氣流從下往上橫向流動(dòng)。世界上首次采用全橫向通風(fēng)方式。對(duì)于圓形斷面的隧道，車道的上部、下部空間可以作為風(fēng)道，而對(duì)于其他斷面形式的隧道就沒有這種便利了。1934年，英國(guó)人在修建莫爾西隧道（長(zhǎng)3226米）時(shí)，對(duì)盡量減少管道斷面的方式做了研究，首次采用半橫向通風(fēng)系統(tǒng)。取得了很好的效果。全橫向和半橫向通風(fēng)方式，需要隔離較大的隧道斷面空間作為風(fēng)道，需要大功率的軸流風(fēng)機(jī)通過斜（豎）井排出洞內(nèi)廢氣，因此需要花費(fèi)較大的工程費(fèi)用和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用?？v向通風(fēng)方式浮出水面。對(duì)于縱向通風(fēng)的研究，日本人一直走在世界的前列。1976年，日本在修建關(guān)越隧道（長(zhǎng)10855米），首次將縱向通風(fēng)應(yīng)用于10km以上的隧道。并對(duì)隧道通風(fēng)編程模擬，模擬的結(jié)果表明靜電除塵裝置加送排式縱向通風(fēng)系統(tǒng)可以應(yīng)用在關(guān)越隧道上，并得出了不論交通方式、隧道長(zhǎng)短如何，均可采用靜電除塵裝置加分段縱向通風(fēng)的結(jié)論。本文通過對(duì)柴油車和汽油車在不同坡度和速度情況下的CO和煙霧的排放的分析，得出靜電除塵裝置的基本使用條件的計(jì)算方法。1靜電除塵裝置簡(jiǎn)介及其在隧道中的應(yīng)用靜電除塵裝置的使用場(chǎng)所大致分為兩種類型，一是以改善隧道內(nèi)視距為主要目的的隧道內(nèi)設(shè)置型；一是以改善隧道口環(huán)境為主要目的的換氣處設(shè)置型。本文討論的是前者的以改善隧道內(nèi)部空氣品質(zhì)為目的的靜電除塵裝置。1.1靜電除塵裝置原理如圖2所示，在帶負(fù)電的放電極周圍的空氣電離形成電離區(qū)（叫做電暈區(qū)），電暈區(qū)通常局限于放電極周圍幾毫米處。電離后，負(fù)離子向帶正電的正極移動(dòng)。含沉空氣通過靜電除塵裝置時(shí)，獲得負(fù)電荷，沉積在正極板（因此正極板也叫做集塵板）上，只有少量在電暈區(qū)通過（因?yàn)殡姇瀰^(qū)范圍很?。?，沉積在負(fù)極板上。1.2靜電除塵裝置的開發(fā)過程靜電除塵裝置從第一號(hào)機(jī)的開發(fā)到現(xiàn)在，處理風(fēng)速和除塵效率都在不斷提高。表1靜電除塵裝置發(fā)展過程第一代第二代第三代第四代1978~19891986~19961996~現(xiàn)在1999~現(xiàn)在空氣洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置處理風(fēng)速7m/s處理風(fēng)速7m/s處理風(fēng)速9m/s處理風(fēng)速9m/s效率80%效率80%效率80%效率90%2靜電除塵裝置的使用條件分析當(dāng)按照煙霧濃度指標(biāo)計(jì)算得到的隧道通風(fēng)需風(fēng)量大于按照CO濃度指標(biāo)計(jì)算得到的隧道通風(fēng)需風(fēng)量時(shí)，隧道滿足了采用靜電除塵裝置的必要條件。此時(shí)，若在隧道中采用靜電除塵裝置，則可以降低隧道的需風(fēng)量，從而降低了隧道通風(fēng)量，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。2.1滿足CO指標(biāo)的隧道通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算方法2.1.1CO排放量計(jì)算（1）式中：——隧道全長(zhǎng)CO排風(fēng)量，m3/s；——CO基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為0.01m3/輛·km；——考慮CO的車況系數(shù)；——車密度系數(shù)；——考慮CO的海拔高度系數(shù)；——考慮CO的縱坡－車速系數(shù)；——考慮CO的車型系數(shù)；——車型類別數(shù)；——相應(yīng)類型的設(shè)計(jì)交通量，輛/h。2.1.2稀釋CO的需風(fēng)量計(jì)算（2）中：——隧道全長(zhǎng)稀釋CO的需風(fēng)量，m3/s；——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取為101.325kPa；——隧道選址設(shè)計(jì)大氣壓；——標(biāo)準(zhǔn)氣溫，取為273K；——隧道夏季設(shè)計(jì)氣溫，K。2.2滿足煙霧指標(biāo)隧道通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算方法2.2.1煙霧排放量計(jì)算（3）式中：——隧道全長(zhǎng)煙霧排風(fēng)量，m2/s；——煙霧基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為2.5m2/輛·km；——考慮煙霧的車況系數(shù)；——考慮煙霧的縱坡－車速系數(shù)；——考慮煙霧的海拔高度系數(shù)，取為1.0；——考慮煙霧的車型系數(shù)；——柴油車的車型類別數(shù)；——相應(yīng)車型的設(shè)計(jì)交通量，輛/h。2.2.2稀釋煙霧的需風(fēng)量計(jì)算（4）式中：——隧道全長(zhǎng)稀釋煙霧的需風(fēng)量，m3/s；——煙霧設(shè)計(jì)濃度，m-1。2.3臨界柴油車比例臨界柴油車比例是當(dāng)按CO指標(biāo)計(jì)算的需風(fēng)量等于按煙霧指標(biāo)計(jì)算的需風(fēng)量時(shí)的柴油車比例。如果柴油車比例超過臨界柴油車比例，則隧道就有可能需要使用靜電除塵裝置。臨界柴油車比例的計(jì)算方法為，利用公式（2）得出按CO指標(biāo)計(jì)算的需風(fēng)量，利用公式（4）得出按煙霧指標(biāo)計(jì)算的需風(fēng)量。令二者相等，得出臨界柴油車比例的計(jì)算公式為：（5）式中：——臨界柴油車比例；——煙霧設(shè)計(jì)濃度，m-1；——CO設(shè)計(jì)濃度，ppm；——CO基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為0.01m3/輛·km；——煙霧基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為2.5m2/輛·km；——考慮CO的縱坡－車速系數(shù)；——考慮煙霧的縱坡－車速系數(shù)。表2縱向通風(fēng)時(shí)不同行車速度、坡度下的臨界柴油車比例（％）車速（km/h）坡度（％）－4－3－2－101234臨界柴油車比例（％）8037.328.020.414.08.64.3－－－7038.729.021.114.510.56.43.7－－6040.030.021.816.012.08.35.5－－5044.033.024.017.613.29.16.0－－4048.036.026.220.616.913.19.96.5－3042.732.025.621.317.817.814.511.08.02046.939.135.228.223.524.420.717.114.11051.242.738.430.725.621.318.114.912.32.4不同坡度組合情況下的臨界柴油車比例因?yàn)槠露鹊淖兓瘜?duì)隧道通風(fēng)需風(fēng)量的計(jì)算指標(biāo)影響較大，故需研究不同坡度組合情況下的臨界柴油車比例。隧道由兩段組成，按照行車方向，第一段長(zhǎng)度為，坡度為；第二段長(zhǎng)度為，坡度為。根據(jù)公式（5），得到此隧道的臨界柴油車比例為：（6）式中：——臨界柴油車比例；——煙霧設(shè)計(jì)濃度，m-1；——CO設(shè)計(jì)濃度，ppm；——CO基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為0.01m3/輛·km；——煙霧基準(zhǔn)排風(fēng)量，取為2.5m2/輛·km；——考慮CO的第一段的縱坡－車速系數(shù)；——考慮CO的第二段的縱坡－車速系數(shù)；——考慮煙霧的第一段的縱坡－車速系數(shù)；——考慮煙霧的第二段的縱坡－車速系數(shù)；——隧道第一段長(zhǎng)度，m；——隧道第二段長(zhǎng)度，m。3結(jié)論本文通過對(duì)于隨著隧道坡度和柴油車比例變化下，隧道需風(fēng)量的變化的分析，討論了靜電除塵裝置的使用條件，即在一定坡度下，柴油車比例達(dá)到所謂臨界柴油車比例時(shí)，才有使用靜電除塵裝置的需要，并且計(jì)算了不同坡度和車速下的臨界柴油車比例的值。在此基礎(chǔ)上，討論了當(dāng)隧道中有坡度變化時(shí)的情況下，臨界柴油車比例的計(jì)算方法。參考文獻(xiàn)[1]王永東.長(zhǎng)大公路隧道縱向通風(fēng)數(shù)值模擬研究.[D]西安：西安公路交通大學(xué)，2000.6[2]公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026.1-1999）[S].北京：人民交通出版社，2000[3]李德英.靜電吸塵在公路隧道通風(fēng)中的應(yīng)用.[J]現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002.1[4]韓星，張旭.不同坡度下柴油車比例對(duì)隧道通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算指標(biāo)的影響.[J]現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005.6[5]AndrewJamesKean.EffectsofVehicleSpeedandEngineLoadonEmissionsfromIn-UseLight-DutyVehicles.DoctoralDissertationofUniversityofCalifornia,Berkeley