分區級聯式隧道通風無級調速控制試驗研究

傅長榮 潘建龍 劉舟

摘 ?要：本文為研究級聯通風的有效性，制作了50m長的隧道模型，進行了分區級聯通風調速控制試驗，結果表明隧道分區級聯通風理論以及相應的原理具備較好的可靠性和可行性;分區級聯方式具備較好的通風效果，控制系統操作性良好，無級調控能夠達到高效節能的效果。

關鍵詞：分區級聯;隧道;通風;試驗研究

中圖分類號：U453.5 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-6903（2021）03-0000-00

0前言

隧道通風系統風機的選擇，要根據隧道內部 CO、NO2、CO2等濃度最大的部分進行風機容量的選擇。由于行車速度、隧道線形、坡度不同都會導致隧道內每一段CO、NO2、CO2等有害氣體濃度沿隧道長度分布不同，并且因天氣復雜多變，隧道內各個區域的空氣濕度也不同。理論上要求隧道通風系統的風機負載需要經常地變化，但是目前的風機控制都是在最大負荷下運轉，這樣不但造成了風機工作效率過低、浪費大量不必要的電能，而且對風機本身造成過高的損耗，降低了使用壽命。

針對公路隧道通風監測內容相關學者進行了研究。楊盛泉等[1]建立隧道通風灰色預測PID模型，結果表明：以風量為PID目標值進行動態節能閉環控制沒有明顯的振蕩特性;楊曉莉[2]對無極調速控制技術在隧道通風變頻應用中的節能效率進行了研究，表明其具有一定的節能效果。基于此，本文通過試驗研究了隧道分區級聯變頻無級調速技術的可行性、有效性和可靠性。

1 分區級聯式隧道通風無級調速控制技術簡介

1.1 隧道環境分區質量檢測

采用分區段檢測隧道內的CO、NO2、CO2濃度以及PM10的粉塵和濕度。根據隧道的長度、坡度、朝向、高程等特點，結合隧道內人通、汽通分布情況，分區段設置檢測器。進行粉塵檢測分析、溫度檢測分析、車輛排放檢測分析。

1.2 隧道排煙控制方式

采用隧道各組風機級聯控制技術，根據各個分區檢測數據，分析計算出風機調速信號，采用各區域內各組風機風速接力的方式，使隧道內形成整體的風速小于等于排煙臨界風速。級聯控制排煙示意圖如圖1所示。

1.3 通風風機無級調速控制技術原理

根據隧道入口端的車流量檢測器檢測出當前時刻的車流量以及車速，通過SUMO 軟件進行系統仿真，由《公路隧道通風照明設計規范》[3]計算出 CO、VI 濃度值，通過算法計算出隧道空氣中異味的濃度，與隧道中 CO、VI、空氣中異味濃度實測值進行比較，確定出隧道最終的需風量。將信號發送給變頻器，通過調節輸出功率使風機的轉速變化，調節風量的輸出。

2 分區級聯式隧道通風無級調速控制試驗研究

2.1 室內模擬隧道通風控制要求

制作隧道模型，在模型中安置變頻風機、空氣環境檢測器、煙感器等設備。使各風機在不同頻率下進行排煙通風試驗，觀測并記錄煙霧排出情況，最后進行數據分析。

2.2 模型制作

綜合考慮依托項目的現場條件、模擬要求等因素，設計如下隧道模型。隧道模型的尺寸為長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。風機型號為L-150，轉速為2200/2550（r/min），可實現至少兩個檔位的風速控制。根據隧道長度設置5個風機，位于隧道進出口5m處，中段間隔10m處。考慮風機過密會影響風機工作功效，且為使風機位置更加靈活和可控，在隧道內部設供風機位置調節的軌道;合理配置了若干對應的風速儀、煙霧（一氧化碳）濃度檢測儀以及監控裝置。

2.3 試驗工況

本次試驗共5個工況，試驗工況如表1所示。

工況一：全開。煙霧警報器報警后開啟所有風機并調至相同（最高）頻率。記錄報警器報警時間與報警器停止時間;風速傳感器自動記錄風速與風量;風機啟動時間與風機關閉時間。工況二：間隔全開。煙霧警報器報警后間隔開啟風機并調至相同（最高）頻率。記錄報警器報警時間與報警器停止時間;風速傳感器自動記錄風速與風量;風機啟動時間與風機關閉時間。工況三：全開變頻。煙霧警報器報警后開啟所有風機并調至相同頻率，隨后根據煙霧的濃度與速度調整風機頻率。記錄報警器報警時間與報警器停止時間;風速傳感器自動記錄風速與風量;風機啟動時間與風機關閉時間。工況四：逐級遞減。煙霧警報器報警后按從里到外或從入口到出口的順序逐級遞減開啟風機，隨后根據煙霧的濃度與速度調整風機頻率。記錄報警器報警時間與報警器停止時間;風速傳感器自動記錄風速與風量;風機啟動時間與風機關閉時間。工況五：按啟動參數開風機，按終止條件關閉風機。煙霧濃度達到啟動參數時開啟風機，煙霧濃度下降到指定范圍時關閉風機，風速傳感器自動記錄風速與風量，記錄風機開啟時間與運行參數。

2.4 實施試驗

（1）模擬正常及阻滯交通時，對一氧化碳、煙霧等廢氣進行稀釋，用洞外的新鮮空氣置換被來往車輛廢氣污染過的洞內空氣，提高行車的安全性和舒適性，保證隧道內部空氣環境在規定標準范圍內，為司乘人員創造良好的環境。（2）發生火災事故時，應能有效控制煙氣流動，及時排除煙氣，減少煙氣在隧道內影響范圍，為司乘人員安全逃生和消防救援創造條件。（3）將傳統方式與級聯方式進行比較分析，測評選擇風機的頻率與臺數，以達到最短時間、最少能耗的目的，對優化隧道通風效果提供實驗數據。（4）系統和設備安裝。（5）起煙方法。起煙材料：打火機（1把）;柴火爐（1個）;稻草（12斤）;木屑（5斤）;色拉油（1瓶）;鐵盆（1個）。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燃，為防止火勢過猛、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 分區級聯式隧道通風無級調速控制試驗研究結果分析

對比兩種工況：（1）正常通風、堵車排煙通風;（2）火災報警后通風排煙的節能分析試驗檢測，能耗趨勢曲線如圖4所示。

由圖4可知：工況1節能率在20%-35%，工況2節能率在30%～45%，隧道通風時間越長，分區級聯控制通風節能效果越好，對于長隧道的節能效率更好。通過分區級聯無級調速控制，風機頻率時時變化，大部分時間控制在10HZ-30HZ的范圍內就能達到隧道通風要求，實驗分析在達到隧道內同等通風環境質量的條件下，采用通風智能控制，節能效率在50%以上。

由表2、表3可知：本次隧道模型通風模擬實驗是基于項目提出的分區級聯通風理論和原理進行設計的，實驗雖存在尺寸限制、工況模擬等問題，但整體應用效果良好、結果符合理論預期，初步驗證項目提出的隧道分區級聯通風理論以及控制原理具備較好的可靠性和可行性。分區級聯方式具備較好的隧道通風效果。實驗對比了幾種傳統（常規）方式和分區級聯方式的通風效果，發現分區級聯方式具備良好隧道通風效果（各項監測指標符合相關要求），較傳統大功率方式并不存在較大差距。隧道分區級聯控制系統具備較好的可操作性。此次模擬實驗的風機均在項目設計的隧道分區級聯控制系統調控下工作，過程中各風機也實現了預期的分區級聯控制的預期效果。

4 結語

根據分區級聯式隧道通風無級調速控制試驗，得出如下結論：（1）隧道分區級聯通風理論以及相應的控制原理具備較好的可靠性和可行性;（2）分區級聯方式具有較好的隧道通風效果，控制系統具備較好的可操作性;（3）分區級聯式隧道通風無級調控能夠達到高效節能的效果。

參考文獻

[1] 楊盛泉，羅偉明，王澤斌，等.灰色預測PID公路隧道通風自動控制方法研究[J].西安工業大學學報，2020（4）：442-448.

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

[3] JTJ026.1-1999.公路隧道通風照明設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.

收稿日期：2021-02-02

*基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃項目：“分區級聯式隧道通風無級調速控制技術研究”（2018015）。

作者簡介：傅長榮（1970—），男，浙江麗水人，本科，正高級工程師，研究方向：路橋工程與技術。

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