《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)型隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真分析
摘要: 公路隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)是保證隧道內(nèi)車輛運(yùn)營(yíng)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(fēng)控制系統(tǒng)可以使隧道中各種通風(fēng)機(jī)電設(shè)備最大限度地發(fā)揮作用,,使運(yùn)營(yíng)條件惡劣的隧道內(nèi)的服務(wù)水平與整個(gè)高速公路其他路段相適應(yīng),。所以本文對(duì)明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入具體地分析研究,提出一種改進(jìn)型通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并對(duì)其進(jìn)行仿真分析,。
Abstract:
Key words :
 

  0 引言

  國(guó)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(jí)公路;瓷窯鋪至棋盤關(guān)二級(jí)公路,。該設(shè)計(jì)中的明月峽隧道就位于瓷棋段二級(jí)汽車專用公路的路段中,。明月峽隧道主要技術(shù)指標(biāo)如下:公路等級(jí):雙向二車道二級(jí)高速公路;計(jì)算行車速度為40 km/h,;隧道:?jiǎn)味措p車道,,隧道凈寬10.9 m,高5 m,;隧道長(zhǎng)度為8 660 m,。

  公路隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)是保證隧道內(nèi)車輛運(yùn)營(yíng)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(fēng)控制系統(tǒng)可以使隧道中各種通風(fēng)機(jī)電設(shè)備最大限度地發(fā)揮作用,,使運(yùn)營(yíng)條件惡劣的隧道內(nèi)的服務(wù)水平與整個(gè)高速公路其他路段相適應(yīng)。所以本文對(duì)明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入具體地分析研究,,提出一種改進(jìn)型通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并對(duì)其進(jìn)行仿真分析,。

  1 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)功能描述

  通風(fēng)控制系統(tǒng)主要是對(duì)隧道的通風(fēng)狀況和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),具備數(shù)據(jù)采集處理功能,、風(fēng)機(jī)控制功能和運(yùn)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(fēng)速、風(fēng)向,、C0,,VI的數(shù)據(jù)信息以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向給出相應(yīng)的控制方案,對(duì)隧道風(fēng)機(jī)的開啟,、停止,、正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行控制。系統(tǒng)要具備正常情況條件下的通風(fēng)控制功能和發(fā)生火災(zāi)條件下的通風(fēng)控制功能,。

  1.1 正常通風(fēng)控制方案

  本方案采用分區(qū)域單機(jī)控制方式,,控制通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

  在通風(fēng)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(shí)際具體的特征,考慮到隧道火災(zāi)狀況等因素,,將隧道通風(fēng)狀況分成區(qū)域進(jìn)行總體控制,。

  在自動(dòng)控制方式下,通風(fēng)系統(tǒng)由隧道監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)控制PLC自動(dòng)控制,。通過CO,,VI傳感器測(cè)量的過濾信號(hào)、測(cè)量地點(diǎn)的定位以及控制算法將通風(fēng)系統(tǒng)保持在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi),。通常情況下,,風(fēng)機(jī)的控制順序取決于風(fēng)機(jī)工作時(shí)間,這樣工作時(shí)間最短的風(fēng)機(jī)將被放在優(yōu)先起動(dòng)的位置,。

  1.2 火災(zāi)排煙方案

  火災(zāi)發(fā)生時(shí),,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(fēng)速為2~3 m/s控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行,,控制火勢(shì)及煙霧的擴(kuò)散速度及范圍。

  1.3 設(shè)備監(jiān)測(cè)

  (1)風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)

  實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風(fēng)向,、風(fēng)速數(shù)據(jù),,用以判斷通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

  (2)軸流風(fēng)機(jī)檢測(cè)

  軸流風(fēng)機(jī)及其控制設(shè)備是保證隧道正常運(yùn)營(yíng)的最重要,、最昂貴的設(shè)備,,設(shè)置在通風(fēng)豎井附近地下風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi),。地下風(fēng)機(jī)房遠(yuǎn)離隧道口,陰冷潮濕,,空氣污染嚴(yán)重,,不適合工作人員長(zhǎng)期值守。為保障隧道內(nèi)司機(jī)和乘客的安全和舒適,,軸流風(fēng)機(jī)需在惡劣的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),,因此,應(yīng)及時(shí)掌握軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況,,監(jiān)測(cè)其主要部件的工作參數(shù)(如主電機(jī)的溫升等),。并將這些參數(shù)定時(shí)傳送至中控室,進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),。

  (3)射流風(fēng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)

  實(shí)時(shí)檢測(cè)射流風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn)和停機(jī)狀態(tài),并將風(fēng)機(jī)工作時(shí)間進(jìn)行記錄,。

  (4)CO檢測(cè)器,、能見度檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向儀工作狀態(tài)檢測(cè)

  定期檢測(cè)CO檢測(cè)器,、能見度檢測(cè)器,、風(fēng)速風(fēng)向儀的工作狀態(tài),設(shè)備故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信息,。

  2 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式(也介紹了前饋式模糊控制方式,即通過預(yù)測(cè)短期交通量,,控制通風(fēng)系統(tǒng),,以達(dá)到節(jié)約能源的目的)。

  系統(tǒng)由CO及能見度檢測(cè)儀,、風(fēng)速風(fēng)向儀,、通風(fēng)控制計(jì)算機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)控制器,、射流風(fēng)機(jī)控制器及軸流風(fēng)機(jī),、射流風(fēng)機(jī)組成。

  (1)CO,,VI檢測(cè)器布置:CO,,VI檢測(cè)器自動(dòng)測(cè)定隧道內(nèi)燈光照明下的合成能見度,自動(dòng)測(cè)定隧道內(nèi)CO濃度分布,,能見度及CO濃度檢測(cè)器設(shè)在主隧道內(nèi),,每個(gè)通風(fēng)段內(nèi)設(shè)置3臺(tái),設(shè)置間距依據(jù)通風(fēng)段長(zhǎng)度不同而不同,。每段最后一臺(tái)設(shè)于距通風(fēng)豎井排風(fēng)通道口或隧道出口100~150 m范圍內(nèi),。

  (2)風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀:實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風(fēng)向,、風(fēng)速數(shù)據(jù),用以判斷通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況,。風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器設(shè)在通風(fēng)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(fēng)道內(nèi)。

  (3)豎井處的軸流風(fēng)機(jī):布置在隧道三處豎井的地下風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi),,依據(jù)交通量及隧道內(nèi)的坡度,,軸流風(fēng)機(jī)有時(shí)處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)中。

  (4)隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī):均勻布置在隧道內(nèi),,間隔約350 m/臺(tái),。

  風(fēng)機(jī)設(shè)置界面如圖1所示。

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  3 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

  3.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

  綜合本地區(qū)的氣候特征及本隧道實(shí)際的交通量,、環(huán)境條件等因素,,隧道的通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式。

  在各通風(fēng)控制區(qū)域中設(shè)置隧道專用CO,,VI檢測(cè)裝置,,定點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)隧道內(nèi)煙霧及CO的濃度,實(shí)時(shí)通風(fēng)控制時(shí)根據(jù)檢測(cè)裝置的檢測(cè)值,,逐一連續(xù)按需啟動(dòng)或停止風(fēng)機(jī),,從而較理想地實(shí)現(xiàn)隧道的通風(fēng)控制。

  3.1.1 正常情況下的通風(fēng)控制

  在沒有火警及停電狀況下,,以時(shí)間為主,,配合交通高低峰時(shí)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(cè)點(diǎn)CO濃度δ≤125 ppm或煙霧濃度K≤0.007 5 m-1時(shí),,正常交通狀況下交通活塞作用所產(chǎn)生的風(fēng)速足夠完成隧道通風(fēng),則射流風(fēng)機(jī)組無需啟動(dòng),;若測(cè)點(diǎn)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(fēng)機(jī)已全部啟動(dòng),,則禁止車輛進(jìn)入,,關(guān)閉隧道。

  單向交通狀態(tài)下,,由于本隧道的通風(fēng)控制檢測(cè)裝置設(shè)置在通風(fēng)控制區(qū)域的兩端及區(qū)域結(jié)合部,,同時(shí)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(gè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)CO濃度最大值δ大于安全值時(shí),風(fēng)機(jī)由出口端向入口端逐一連續(xù)的順序啟動(dòng),,關(guān)機(jī)順序則相反,。測(cè)點(diǎn)CO濃度最大值δ每增加15 ppm,,并持續(xù)5 min,則增開1對(duì)風(fēng)機(jī),;測(cè)點(diǎn)CO濃度最大值δ每減少15 ppm,,并持續(xù)5min,則關(guān)閉1對(duì)風(fēng)機(jī),。同樣,,測(cè)點(diǎn)煙霧濃度每增加0.000 4m-1,并持續(xù)5min,,則增開1對(duì)風(fēng)機(jī),;測(cè)點(diǎn)煙霧濃度每減少0.000 4m-1,并持續(xù)5min,,則關(guān)閉1對(duì)風(fēng)機(jī),。

  雙向交通狀態(tài)下,若測(cè)點(diǎn)CO濃度δ>250 ppm,,則同時(shí)啟動(dòng)所有風(fēng)機(jī),。

  隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

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  3.1.2 火災(zāi)情況下的通風(fēng)控制

  若某條隧道發(fā)生火災(zāi),,開啟該隧道內(nèi)的所有風(fēng)機(jī),,控制隧道風(fēng)速為2.5 m/s左右,按原通風(fēng)方向排煙,;特殊情況下,,如火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)靠近原通風(fēng)方向的上游洞口,且在原通風(fēng)方向的下游段停滯的車輛很多,,而上游段車輛很少時(shí),,用控制隧道內(nèi)風(fēng)速的方法,采用風(fēng)速零化措施,,開啟隧道兩端的集中排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī),限制煙霧向下擴(kuò)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(shí),,以測(cè)報(bào)的CO,,VI值為主要參數(shù),使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制,。風(fēng)機(jī)以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風(fēng)控制單元,,控制周期為10 min。

  隧道在雙向行車時(shí),,當(dāng)設(shè)置的風(fēng)機(jī)全部投入使用后CO濃度值將放寬到250 ppm,。利用平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)車流量,,按通風(fēng)設(shè)備能力限制交通量??梢圆捎檬謩?dòng)調(diào)節(jié)方式作為輔助手段,。

  自動(dòng)控制隧道風(fēng)機(jī)由隧道管理計(jì)算機(jī)根據(jù)通風(fēng)控制原則,編制自動(dòng)控制程序,,自動(dòng)選擇控制方案,,通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

  手動(dòng)控制方式隧道風(fēng)機(jī)由操作員根據(jù)計(jì)算機(jī)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(dòng)選擇控制方案,,確定需要投入運(yùn)轉(zhuǎn)的射流風(fēng)機(jī)編號(hào)及其運(yùn)行狀態(tài)(正轉(zhuǎn),、停機(jī))等,通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),。

  目前國(guó)內(nèi)隧道通風(fēng)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(fēng)控制的可靠性,。因?yàn)闆]有考慮交通流的發(fā)展變化,從而造成風(fēng)機(jī)剛開啟時(shí),,即使交通量在下降,,實(shí)際是不需要開風(fēng)機(jī),但由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的需要不得不開啟風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間,,從而造成浪費(fèi),,提高了營(yíng)運(yùn)成本。

  3.2 系統(tǒng)軟件的改進(jìn)型設(shè)計(jì)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(cè)交通流的發(fā)展變化趨勢(shì),,控制既考慮當(dāng)前需要,又考慮未來發(fā)展,,并使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平衡,,提高使用壽命,降低通風(fēng)控制營(yíng)運(yùn)成本,。本項(xiàng)目可采用混合控制方案,,如圖3,圖4所示。

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  采用混合控制方案實(shí)施的通風(fēng)控制,,結(jié)合隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)及發(fā)展變化,,通過控制風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù),使之既能滿足《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999》對(duì)環(huán)境的要求,,又能延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命與節(jié)能的目的,。由此可見,通風(fēng)控制涉及通風(fēng)方式,、交通組成與變化,、交通狀態(tài)與變化、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間及啟停時(shí)間幾方面的因素,,作為控制決策,,在通風(fēng)方式確定以后,影響通風(fēng)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(shí)間,。從而通風(fēng)控制問題轉(zhuǎn)換為隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的檢測(cè)和預(yù)測(cè)問題。在得到隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的當(dāng)前和其后一段時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律后,,則可計(jì)算CO,,VI排放量值,得到CO,,VI排放量隨時(shí)間變化的曲線(表),,根據(jù)通風(fēng)計(jì)算模型,得到風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(表),,根據(jù)各臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間和啟停時(shí)刻記錄,,選擇啟動(dòng)或停止的風(fēng)機(jī),使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡,。

  4 隧道通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的模擬仿真分析

  隧道的通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式,。風(fēng)機(jī)以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風(fēng)控制單元,為了分析方便,,在模擬仿真時(shí),,以單臺(tái)風(fēng)機(jī)工作所提供的風(fēng)量作為測(cè)試。其有以下兩種工作方式:

  (1)單臺(tái)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接,;

  (2)單臺(tái)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接。

  針對(duì)以上兩種連接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了有限元分析模擬,。采用流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件CFDesign建立了相應(yīng)計(jì)算模型并進(jìn)行仿真分析,,得到一系列明月峽隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。

  4.1 單臺(tái)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接的仿真模擬結(jié)果

  (1)工況1

  幾何參數(shù):通風(fēng)道長(zhǎng)度為50 m,;通風(fēng)道漸變段長(zhǎng)度為4 m,;連接段長(zhǎng)度為7.35 m,;軸流風(fēng)機(jī)斷面積為3.108 33 m2。

  計(jì)算參數(shù):風(fēng)機(jī)流量為114 m3/s,;通風(fēng)道入口處壓強(qiáng)為0 Pa,;通風(fēng)道出口處壓強(qiáng)為0 Pa。

  對(duì)以上工況采用CFDesign仿真模擬,,采集到的數(shù)據(jù)如表1所示,。

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  (2)工況2

  幾何參數(shù):同上。

  計(jì)算參數(shù):風(fēng)機(jī)流量為164 m3/s,;通風(fēng)道入口處壓強(qiáng)為0 Pa,;通風(fēng)道出口處壓強(qiáng)為0 Pa。

  對(duì)以上工況采用CFDesign仿真模擬,,采集到的數(shù)據(jù)如表2所示,。

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  4.2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)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(jì)算參數(shù):風(fēng)機(jī)流量為114 m3/s,;通風(fēng)道入口處壓強(qiáng)為0 Pa,;通風(fēng)道出口處壓強(qiáng)為0 Pa。

  對(duì)以上工況采用CFDesign仿真模擬,,采集到的數(shù)據(jù)如表3所示,。

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  (2)工況2

  幾何參數(shù):同上。

  計(jì)算參數(shù):風(fēng)機(jī)流量為164 m3/s,;通風(fēng)道入口處壓強(qiáng)為0 Pa,;通風(fēng)道出口處壓強(qiáng)為0 Pa。

  對(duì)以上工況采用CFDesign仿真模擬,,采集到的數(shù)據(jù)如表4所示,。

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  5 結(jié)論

  由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:

  (1)在所計(jì)算的兩種工況下,單臺(tái)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接時(shí),,風(fēng)機(jī)需要提供的壓強(qiáng)較大,;而單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接時(shí),風(fēng)機(jī)需要提供的壓強(qiáng)則相對(duì)比較小,。

  (2)從計(jì)算結(jié)果可以看出,,兩種不同連接形式,風(fēng)機(jī)所需提供的壓強(qiáng)差均大于11%,;特別在4.2節(jié)所述的工況下,,風(fēng)機(jī)所需提供的壓強(qiáng)差值達(dá)到33.05 %。

  (3)在不同的工況,,當(dāng)幾何尺寸一定時(shí),,風(fēng)機(jī)需要提供的壓強(qiáng)隨流量的增大而增大,這與實(shí)際情況是相吻合的。

  (4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,,建議明月峽隧道在具體通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,,采用風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接的連接方式。

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