0 引言
國道108線廣元段沙溪壩至棋盤關(guān)公路包括劍門關(guān)至凌江高速公路,;凌江至瓷窯鋪一級公路,;瓷窯鋪至棋盤關(guān)二級公路。該設(shè)計中的明月峽隧道就位于瓷棋段二級汽車專用公路的路段中,。明月峽隧道主要技術(shù)指標如下:公路等級:雙向二車道二級高速公路,;計算行車速度為40 km/h;隧道:單洞雙車道,,隧道凈寬10.9 m,,高5 m;隧道長度為8 660 m,。
公路隧道通風控制系統(tǒng)是保證隧道內(nèi)車輛運營安全和效率的關(guān)鍵,。它直接決定隧道行車安全性和舒適性,起到稀釋有害氣體和污染物質(zhì)濃度的作用,高效可靠的隧道通風控制系統(tǒng)可以使隧道中各種通風機電設(shè)備最大限度地發(fā)揮作用,,使運營條件惡劣的隧道內(nèi)的服務(wù)水平與整個高速公路其他路段相適應(yīng)。所以本文對明月峽隧道通風控制系統(tǒng)進行了深入具體地分析研究,,提出一種改進型通風控制系統(tǒng)設(shè)計方案并對其進行仿真分析,。
1 隧道通風控制系統(tǒng)功能描述
通風控制系統(tǒng)主要是對隧道的通風狀況和風機的運行狀態(tài)進行檢測,具備數(shù)據(jù)采集處理功能,、風機控制功能和運轉(zhuǎn)狀態(tài)反饋功能及全部信息的記錄功能,。并能夠根據(jù)隧道內(nèi)的風速、風向,、C0,,VI的數(shù)據(jù)信息以及風機轉(zhuǎn)向給出相應(yīng)的控制方案,對隧道風機的開啟,、停止,、正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)進行控制。系統(tǒng)要具備正常情況條件下的通風控制功能和發(fā)生火災(zāi)條件下的通風控制功能,。
1.1 正常通風控制方案
本方案采用分區(qū)域單機控制方式,,控制通風系統(tǒng)的運行。
在通風監(jiān)控系統(tǒng)中,,根據(jù)隧道內(nèi)車行方向,、地理特征和建筑特征等實際具體的特征,考慮到隧道火災(zāi)狀況等因素,,將隧道通風狀況分成區(qū)域進行總體控制,。
在自動控制方式下,通風系統(tǒng)由隧道監(jiān)控中心計算機及現(xiàn)場通風控制PLC自動控制,。通過CO,,VI傳感器測量的過濾信號、測量地點的定位以及控制算法將通風系統(tǒng)保持在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi),。通常情況下,,風機的控制順序取決于風機工作時間,這樣工作時間最短的風機將被放在優(yōu)先起動的位置,。
1.2 火災(zāi)排煙方案
火災(zāi)發(fā)生時,,依據(jù)隧道內(nèi)火災(zāi)位置,按照防災(zāi)排煙方案采用緊急狀態(tài)的排煙措施,,按洞內(nèi)縱向風速為2~3 m/s控制風機運行,,控制火勢及煙霧的擴散速度及范圍。
1.3 設(shè)備監(jiān)測
(1)風速風向檢測
實時檢測隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風向,、風速數(shù)據(jù),,用以判斷通風系統(tǒng)運行狀況。
(2)軸流風機檢測
軸流風機及其控制設(shè)備是保證隧道正常運營的最重要、最昂貴的設(shè)備,,設(shè)置在通風豎井附近地下風機房內(nèi),。地下風機房遠離隧道口,陰冷潮濕,,空氣污染嚴重,,不適合工作人員長期值守。為保障隧道內(nèi)司機和乘客的安全和舒適,,軸流風機需在惡劣的環(huán)境下連續(xù)運轉(zhuǎn),,因此,應(yīng)及時掌握軸流風機的運行工況,,監(jiān)測其主要部件的工作參數(shù)(如主電機的溫升等),。并將這些參數(shù)定時傳送至中控室,進行遠程監(jiān)測,。
(3)射流風機狀態(tài)檢測
實時檢測射流風機的正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn)和停機狀態(tài),并將風機工作時間進行記錄,。
(4)CO檢測器,、能見度檢測器、風速風向儀工作狀態(tài)檢測
定期檢測CO檢測器,、能見度檢測器,、風速風向儀的工作狀態(tài),設(shè)備故障時發(fā)出報警信息,。
2 隧道通風控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
通風控制采用分區(qū)域單機控制方式(也介紹了前饋式模糊控制方式,,即通過預(yù)測短期交通量,控制通風系統(tǒng),,以達到節(jié)約能源的目的),。
系統(tǒng)由CO及能見度檢測儀、風速風向儀,、通風控制計算機,、軸流風機控制器、射流風機控制器及軸流風機,、射流風機組成,。
(1)CO,VI檢測器布置:CO,,VI檢測器自動測定隧道內(nèi)燈光照明下的合成能見度,,自動測定隧道內(nèi)CO濃度分布,能見度及CO濃度檢測器設(shè)在主隧道內(nèi),,每個通風段內(nèi)設(shè)置3臺,,設(shè)置間距依據(jù)通風段長度不同而不同,。每段最后一臺設(shè)于距通風豎井排風通道口或隧道出口100~150 m范圍內(nèi)。
(2)風速風向檢測儀:實時檢測隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風向,、風速數(shù)據(jù),,用以判斷通風系統(tǒng)運行狀況。風速風向檢測器設(shè)在通風豎井出入口處主隧道內(nèi),、距隧道出口100~150 m范圍內(nèi)及豎井與隧道聯(lián)絡(luò)風道內(nèi),。
(3)豎井處的軸流風機:布置在隧道三處豎井的地下風機房內(nèi),依據(jù)交通量及隧道內(nèi)的坡度,,軸流風機有時處于并聯(lián)運行狀態(tài)中。
(4)隧道內(nèi)的射流風機:均勻布置在隧道內(nèi),,間隔約350 m/臺,。
風機設(shè)置界面如圖1所示。
3 隧道通風控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案
綜合本地區(qū)的氣候特征及本隧道實際的交通量,、環(huán)境條件等因素,,隧道的通風控制采用分區(qū)域單機控制方式。
在各通風控制區(qū)域中設(shè)置隧道專用CO,,VI檢測裝置,,定點定時檢測隧道內(nèi)煙霧及CO的濃度,實時通風控制時根據(jù)檢測裝置的檢測值,,逐一連續(xù)按需啟動或停止風機,,從而較理想地實現(xiàn)隧道的通風控制。
3.1.1 正常情況下的通風控制
在沒有火警及停電狀況下,,以時間為主,,配合交通高低峰時間設(shè)定下的控制程序,不論隧道是單向交通還是雙向交通,,若隧道內(nèi)測點CO濃度δ≤125 ppm或煙霧濃度K≤0.007 5 m-1時,,正常交通狀況下交通活塞作用所產(chǎn)生的風速足夠完成隧道通風,則射流風機組無需啟動,;若測點CO濃度δ>250 ppm或煙霧濃度K>0.009 m-1,,并持續(xù)15 min,射流風機已全部啟動,,則禁止車輛進入,,關(guān)閉隧道。
單向交通狀態(tài)下,,由于本隧道的通風控制檢測裝置設(shè)置在通風控制區(qū)域的兩端及區(qū)域結(jié)合部,,同時在這種狀態(tài)下,隧道內(nèi)CO濃度分布情況是由隧道入口端至出口端逐漸遞增,,因此,,在每個區(qū)域內(nèi)檢測點CO濃度最大值δ大于安全值時,,風機由出口端向入口端逐一連續(xù)的順序啟動,關(guān)機順序則相反,。測點CO濃度最大值δ每增加15 ppm,,并持續(xù)5 min,則增開1對風機,;測點CO濃度最大值δ每減少15 ppm,,并持續(xù)5min,則關(guān)閉1對風機,。同樣,,測點煙霧濃度每增加0.000 4m-1,并持續(xù)5min,,則增開1對風機,;測點煙霧濃度每減少0.000 4m-1,并持續(xù)5min,,則關(guān)閉1對風機,。
雙向交通狀態(tài)下,若測點CO濃度δ>250 ppm,,則同時啟動所有風機,。
隧道通風控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。
3.1.2 火災(zāi)情況下的通風控制
若某條隧道發(fā)生火災(zāi),,開啟該隧道內(nèi)的所有風機,,控制隧道風速為2.5 m/s左右,按原通風方向排煙,;特殊情況下,,如火災(zāi)發(fā)生點靠近原通風方向的上游洞口,且在原通風方向的下游段停滯的車輛很多,,而上游段車輛很少時,,用控制隧道內(nèi)風速的方法,采用風速零化措施,,開啟隧道兩端的集中排風和進風風機,,限制煙霧向下擴散,盡快將火災(zāi)煙霧排出隧道,,并確保良好的避難環(huán)境,。
各隧道正常單向行車時,以測報的CO,,VI值為主要參數(shù),,使用計算機程序進行風機的自動控制。風機以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風控制單元,,控制周期為10 min,。
隧道在雙向行車時,,當設(shè)置的風機全部投入使用后CO濃度值將放寬到250 ppm。利用平時積累的經(jīng)驗參數(shù)車流量,,按通風設(shè)備能力限制交通量,。可以采用手動調(diào)節(jié)方式作為輔助手段,。
自動控制隧道風機由隧道管理計算機根據(jù)通風控制原則,,編制自動控制程序,自動選擇控制方案,,通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風機運行狀態(tài),。
手動控制方式隧道風機由操作員根據(jù)計算機推薦的控制方案或CO,VI值和交通量,,利用控制方案菜單,,手動選擇控制方案,確定需要投入運轉(zhuǎn)的射流風機編號及其運行狀態(tài)(正轉(zhuǎn),、停機)等,通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風機的運轉(zhuǎn),。
目前國內(nèi)隧道通風控制都采用上述直接控制法,,由于CO,VI設(shè)備可靠性較差,,從而降低了通風控制的可靠性,。因為沒有考慮交通流的發(fā)展變化,從而造成風機剛開啟時,,即使交通量在下降,,實際是不需要開風機,但由于設(shè)備運轉(zhuǎn)的需要不得不開啟風機運行一段時間,,從而造成浪費,,提高了營運成本。
3.2 系統(tǒng)軟件的改進型設(shè)計方案
(1)采用CO,,VI和交通量作為控制參數(shù),,提高可靠性;
(2)采用模糊控制法,,預(yù)測交通流的發(fā)展變化趨勢,,控制既考慮當前需要,又考慮未來發(fā)展,,并使設(shè)備運轉(zhuǎn)平衡,,提高使用壽命,降低通風控制營運成本,。本項目可采用混合控制方案,,如圖3,,圖4所示。
采用混合控制方案實施的通風控制,,結(jié)合隧道實際運營狀態(tài)及發(fā)展變化,,通過控制風機開啟臺數(shù),使之既能滿足《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1—1999》對環(huán)境的要求,,又能延長風機使用壽命與節(jié)能的目的,。由此可見,通風控制涉及通風方式,、交通組成與變化,、交通狀態(tài)與變化、風機運行時間及啟停時間幾方面的因素,,作為控制決策,,在通風方式確定以后,影響通風的主要因素有隧道內(nèi)的車輛數(shù)和車輛類型,,其決定了CO,,VI的排放量;車輛行駛速度,,決定了車輛在隧道內(nèi)的滯留時間,。從而通風控制問題轉(zhuǎn)換為隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的檢測和預(yù)測問題。在得到隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的當前和其后一段時間的發(fā)展變化規(guī)律后,,則可計算CO,,VI排放量值,得到CO,,VI排放量隨時間變化的曲線(表),,根據(jù)通風計算模型,得到風機開啟臺數(shù)隨時間變化的曲線(表),,根據(jù)各臺風機運行時間和啟停時刻記錄,,選擇啟動或停止的風機,使風機運轉(zhuǎn)平衡,。
4 隧道通風系統(tǒng)實現(xiàn)的模擬仿真分析
隧道的通風控制采用分區(qū)域單機控制方式,。風機以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風控制單元,為了分析方便,,在模擬仿真時,,以單臺風機工作所提供的風量作為測試。其有以下兩種工作方式:
(1)單臺風機與通風道部分連接,;
(2)單臺風機與通風道完全連接,。
針對以上兩種連接結(jié)構(gòu)形式進行了有限元分析模擬。采用流體動力學(CFD)軟件CFDesign建立了相應(yīng)計算模型并進行仿真分析,,得到一系列明月峽隧道通風設(shè)計的結(jié)果,。
4.1 單臺風機與通風道部分連接的仿真模擬結(jié)果
(1)工況1
幾何參數(shù):通風道長度為50 m,;通風道漸變段長度為4 m;連接段長度為7.35 m,;軸流風機斷面積為3.108 33 m2,。
計算參數(shù):風機流量為114 m3/s;通風道入口處壓強為0 Pa,;通風道出口處壓強為0 Pa,。
對以上工況采用CFDesign仿真模擬,采集到的數(shù)據(jù)如表1所示,。
(2)工況2
幾何參數(shù):同上,。
計算參數(shù):風機流量為164 m3/s;通風道入口處壓強為0 Pa,;通風道出口處壓強為0 Pa,。
對以上工況采用CFDesign仿真模擬,采集到的數(shù)據(jù)如表2所示,。
4.2 單臺風機與通風道完全連接的仿真模擬結(jié)果
(1)工況1
幾何參數(shù):同上,。
計算參數(shù):風機流量為114 m3/s;通風道入口處壓強為0 Pa,;通風道出口處壓強為0 Pa,。
對以上工況采用CFDesign仿真模擬,采集到的數(shù)據(jù)如表3所示,。
(2)工況2
幾何參數(shù):同上,。
計算參數(shù):風機流量為164 m3/s,;通風道入口處壓強為0 Pa,;通風道出口處壓強為0 Pa。
對以上工況采用CFDesign仿真模擬,,采集到的數(shù)據(jù)如表4所示,。
5 結(jié)論
由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:
(1)在所計算的兩種工況下,單臺風機與通風道部分連接時,,風機需要提供的壓強較大,;而單臺軸流風機與通風道完全連接時,風機需要提供的壓強則相對比較小,。
(2)從計算結(jié)果可以看出,,兩種不同連接形式,風機所需提供的壓強差均大于11%,;特別在4.2節(jié)所述的工況下,,風機所需提供的壓強差值達到33.05 %。
(3)在不同的工況,,當幾何尺寸一定時,,風機需要提供的壓強隨流量的增大而增大,,這與實際情況是相吻合的。
(4)根據(jù)計算結(jié)果,,建議明月峽隧道在具體通風系統(tǒng)設(shè)計中,,采用風機與通風道完全連接的連接方式。