分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制試驗(yàn)研究

傅長(zhǎng)榮 潘建龍 劉舟

摘 ?要：本文為研究級(jí)聯(lián)通風(fēng)的有效性，制作了50m長(zhǎng)的隧道模型，進(jìn)行了分區(qū)級(jí)聯(lián)通風(fēng)調(diào)速控制試驗(yàn)，結(jié)果表明隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)通風(fēng)理論以及相應(yīng)的原理具備較好的可靠性和可行性;分區(qū)級(jí)聯(lián)方式具備較好的通風(fēng)效果，控制系統(tǒng)操作性良好，無級(jí)調(diào)控能夠達(dá)到高效節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：分區(qū)級(jí)聯(lián);隧道;通風(fēng);試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：U453.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2021）03-0000-00

0前言

隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的選擇，要根據(jù)隧道內(nèi)部 CO、NO2、CO2等濃度最大的部分進(jìn)行風(fēng)機(jī)容量的選擇。由于行車速度、隧道線形、坡度不同都會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)每一段CO、NO2、CO2等有害氣體濃度沿隧道長(zhǎng)度分布不同，并且因天氣復(fù)雜多變，隧道內(nèi)各個(gè)區(qū)域的空氣濕度也不同。理論上要求隧道通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)負(fù)載需要經(jīng)常地變化，但是目前的風(fēng)機(jī)控制都是在最大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣不但造成了風(fēng)機(jī)工作效率過低、浪費(fèi)大量不必要的電能，而且對(duì)風(fēng)機(jī)本身造成過高的損耗，降低了使用壽命。

針對(duì)公路隧道通風(fēng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。楊盛泉等[1]建立隧道通風(fēng)灰色預(yù)測(cè)PID模型，結(jié)果表明：以風(fēng)量為PID目標(biāo)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)節(jié)能閉環(huán)控制沒有明顯的振蕩特性;楊曉莉[2]對(duì)無極調(diào)速控制技術(shù)在隧道通風(fēng)變頻應(yīng)用中的節(jié)能效率進(jìn)行了研究，表明其具有一定的節(jié)能效果?；诖耍疚耐ㄟ^試驗(yàn)研究了隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)變頻無級(jí)調(diào)速技術(shù)的可行性、有效性和可靠性。

1 分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 隧道環(huán)境分區(qū)質(zhì)量檢測(cè)

采用分區(qū)段檢測(cè)隧道內(nèi)的CO、NO2、CO2濃度以及PM10的粉塵和濕度。根據(jù)隧道的長(zhǎng)度、坡度、朝向、高程等特點(diǎn)，結(jié)合隧道內(nèi)人通、汽通分布情況，分區(qū)段設(shè)置檢測(cè)器。進(jìn)行粉塵檢測(cè)分析、溫度檢測(cè)分析、車輛排放檢測(cè)分析。

1.2 隧道排煙控制方式

采用隧道各組風(fēng)機(jī)級(jí)聯(lián)控制技術(shù)，根據(jù)各個(gè)分區(qū)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出風(fēng)機(jī)調(diào)速信號(hào)，采用各區(qū)域內(nèi)各組風(fēng)機(jī)風(fēng)速接力的方式，使隧道內(nèi)形成整體的風(fēng)速小于等于排煙臨界風(fēng)速。級(jí)聯(lián)控制排煙示意圖如圖1所示。

1.3 通風(fēng)風(fēng)機(jī)無級(jí)調(diào)速控制技術(shù)原理

根據(jù)隧道入口端的車流量檢測(cè)器檢測(cè)出當(dāng)前時(shí)刻的車流量以及車速，通過SUMO 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，由《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]計(jì)算出 CO、VI 濃度值，通過算法計(jì)算出隧道空氣中異味的濃度，與隧道中 CO、VI、空氣中異味濃度實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，確定出隧道最終的需風(fēng)量。將信號(hào)發(fā)送給變頻器，通過調(diào)節(jié)輸出功率使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，調(diào)節(jié)風(fēng)量的輸出。

2 分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制試驗(yàn)研究

2.1 室內(nèi)模擬隧道通風(fēng)控制要求

制作隧道模型，在模型中安置變頻風(fēng)機(jī)、空氣環(huán)境檢測(cè)器、煙感器等設(shè)備。使各風(fēng)機(jī)在不同頻率下進(jìn)行排煙通風(fēng)試驗(yàn)，觀測(cè)并記錄煙霧排出情況，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 模型制作

綜合考慮依托項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)條件、模擬要求等因素，設(shè)計(jì)如下隧道模型。隧道模型的尺寸為長(zhǎng)50m，寬1.85m，高1.2m，如圖2所示。隧道模型材料為全透明材料，可防紫外線，其龍骨采用扁鋼，如圖3所示。風(fēng)機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)-150，轉(zhuǎn)速為2200/2550（r/min），可實(shí)現(xiàn)至少兩個(gè)檔位的風(fēng)速控制。根據(jù)隧道長(zhǎng)度設(shè)置5個(gè)風(fēng)機(jī)，位于隧道進(jìn)出口5m處，中段間隔10m處。考慮風(fēng)機(jī)過密會(huì)影響風(fēng)機(jī)工作功效，且為使風(fēng)機(jī)位置更加靈活和可控，在隧道內(nèi)部設(shè)供風(fēng)機(jī)位置調(diào)節(jié)的軌道;合理配置了若干對(duì)應(yīng)的風(fēng)速儀、煙霧（一氧化碳）濃度檢測(cè)儀以及監(jiān)控裝置。

2.3 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)共5個(gè)工況，試驗(yàn)工況如表1所示。

工況一：全開。煙霧警報(bào)器報(bào)警后開啟所有風(fēng)機(jī)并調(diào)至相同（最高）頻率。記錄報(bào)警器報(bào)警時(shí)間與報(bào)警器停止時(shí)間;風(fēng)速傳感器自動(dòng)記錄風(fēng)速與風(fēng)量;風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間。工況二：間隔全開。煙霧警報(bào)器報(bào)警后間隔開啟風(fēng)機(jī)并調(diào)至相同（最高）頻率。記錄報(bào)警器報(bào)警時(shí)間與報(bào)警器停止時(shí)間;風(fēng)速傳感器自動(dòng)記錄風(fēng)速與風(fēng)量;風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間。工況三：全開變頻。煙霧警報(bào)器報(bào)警后開啟所有風(fēng)機(jī)并調(diào)至相同頻率，隨后根據(jù)煙霧的濃度與速度調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率。記錄報(bào)警器報(bào)警時(shí)間與報(bào)警器停止時(shí)間;風(fēng)速傳感器自動(dòng)記錄風(fēng)速與風(fēng)量;風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間。工況四：逐級(jí)遞減。煙霧警報(bào)器報(bào)警后按從里到外或從入口到出口的順序逐級(jí)遞減開啟風(fēng)機(jī)，隨后根據(jù)煙霧的濃度與速度調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率。記錄報(bào)警器報(bào)警時(shí)間與報(bào)警器停止時(shí)間;風(fēng)速傳感器自動(dòng)記錄風(fēng)速與風(fēng)量;風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間。工況五：按啟動(dòng)參數(shù)開風(fēng)機(jī)，按終止條件關(guān)閉風(fēng)機(jī)。煙霧濃度達(dá)到啟動(dòng)參數(shù)時(shí)開啟風(fēng)機(jī)，煙霧濃度下降到指定范圍時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，風(fēng)速傳感器自動(dòng)記錄風(fēng)速與風(fēng)量，記錄風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間與運(yùn)行參數(shù)。

2.4 實(shí)施試驗(yàn)

（1）模擬正常及阻滯交通時(shí)，對(duì)一氧化碳、煙霧等廢氣進(jìn)行稀釋，用洞外的新鮮空氣置換被來往車輛廢氣污染過的洞內(nèi)空氣，提高行車的安全性和舒適性，保證隧道內(nèi)部空氣環(huán)境在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，為司乘人員創(chuàng)造良好的環(huán)境。（2）發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，應(yīng)能有效控制煙氣流動(dòng)，及時(shí)排除煙氣，減少煙氣在隧道內(nèi)影響范圍，為司乘人員安全逃生和消防救援創(chuàng)造條件。（3）將傳統(tǒng)方式與級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行比較分析，測(cè)評(píng)選擇風(fēng)機(jī)的頻率與臺(tái)數(shù)，以達(dá)到最短時(shí)間、最少能耗的目的，對(duì)優(yōu)化隧道通風(fēng)效果提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（4）系統(tǒng)和設(shè)備安裝。（5）起煙方法。起煙材料：打火機(jī)（1把）;柴火爐（1個(gè)）;稻草（12斤）;木屑（5斤）;色拉油（1瓶）;鐵盆（1個(gè)）。安裝柴火爐裝置，將稻草、木屑等起煙材料混合放入柴火爐并在起煙材料上澆入色拉油點(diǎn)燃，為防止火勢(shì)過猛、煙霧四散將鐵盆置于柴火爐之上，置于隧道口或隧道中部送入隧道生煙。

3 分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制試驗(yàn)研究結(jié)果分析

對(duì)比兩種工況：（1）正常通風(fēng)、堵車排煙通風(fēng);（2）火災(zāi)報(bào)警后通風(fēng)排煙的節(jié)能分析試驗(yàn)檢測(cè)，能耗趨勢(shì)曲線如圖4所示。

由圖4可知：工況1節(jié)能率在20%-35%，工況2節(jié)能率在30%～45%，隧道通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng)，分區(qū)級(jí)聯(lián)控制通風(fēng)節(jié)能效果越好，對(duì)于長(zhǎng)隧道的節(jié)能效率更好。通過分區(qū)級(jí)聯(lián)無級(jí)調(diào)速控制，風(fēng)機(jī)頻率時(shí)時(shí)變化，大部分時(shí)間控制在10HZ-30HZ的范圍內(nèi)就能達(dá)到隧道通風(fēng)要求，實(shí)驗(yàn)分析在達(dá)到隧道內(nèi)同等通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的條件下，采用通風(fēng)智能控制，節(jié)能效率在50%以上。

由表2、表3可知：本次隧道模型通風(fēng)模擬實(shí)驗(yàn)是基于項(xiàng)目提出的分區(qū)級(jí)聯(lián)通風(fēng)理論和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)雖存在尺寸限制、工況模擬等問題，但整體應(yīng)用效果良好、結(jié)果符合理論預(yù)期，初步驗(yàn)證項(xiàng)目提出的隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)通風(fēng)理論以及控制原理具備較好的可靠性和可行性。分區(qū)級(jí)聯(lián)方式具備較好的隧道通風(fēng)效果。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了幾種傳統(tǒng)（常規(guī)）方式和分區(qū)級(jí)聯(lián)方式的通風(fēng)效果，發(fā)現(xiàn)分區(qū)級(jí)聯(lián)方式具備良好隧道通風(fēng)效果（各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)符合相關(guān)要求），較傳統(tǒng)大功率方式并不存在較大差距。隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)具備較好的可操作性。此次模擬實(shí)驗(yàn)的風(fēng)機(jī)均在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)調(diào)控下工作，過程中各風(fēng)機(jī)也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的分區(qū)級(jí)聯(lián)控制的預(yù)期效果。

4 結(jié)語

根據(jù)分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：（1）隧道分區(qū)級(jí)聯(lián)通風(fēng)理論以及相應(yīng)的控制原理具備較好的可靠性和可行性;（2）分區(qū)級(jí)聯(lián)方式具有較好的隧道通風(fēng)效果，控制系統(tǒng)具備較好的可操作性;（3）分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)控能夠達(dá)到高效節(jié)能的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊盛泉，羅偉明，王澤斌，等.灰色預(yù)測(cè)PID公路隧道通風(fēng)自動(dòng)控制方法研究[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（4）：442-448.

[2] 楊曉莉.無極調(diào)速控制技術(shù)在隧道通風(fēng)變頻中的應(yīng)用分析[J].科技視界，2019（19）：207-208.

[3] JTJ026.1-1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

收稿日期：2021-02-02

*基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目：“分區(qū)級(jí)聯(lián)式隧道通風(fēng)無級(jí)調(diào)速控制技術(shù)研究”（2018015）。

作者簡(jiǎn)介：傅長(zhǎng)榮（1970—），男，浙江麗水人，本科，正高級(jí)工程師，研究方向：路橋工程與技術(shù)。

Abstract： In order to study the effectiveness of cascade ventilation， a 50m-long tunnel model was made， and the speed control test of zone cascade ventilation was carried out， the results show that the tunnel zone cascade ventilation theory and corresponding principles have good reliability and feasibility; The partitioned cascade method has good ventilation effect， the control system has good operability， and the stepless regulation can achieve the effect of high efficiency and energy saving.

Keywords： Zoning cascade; Tunnel; Ventilation; Experimental study