高速公路隧道通风设计的分析研究

2020-03-01黄志伟彭晓春

西部交通科技 2020年6期

关键词：模糊控制节能减排

黄志伟彭晓春

摘要：隧道通风系统为隧道运营安全和行车舒适提供有效保障。文章分析了隧道通风计算过程，梳理了隧道通风节能计算的相关思路，采用模糊控制的隧道通风控制策略，提高隧道行车环境的安全性和舒适性，降低隧道通风系统的运营成本，从而起到节能减排的效果。

关键词：隧道通风;模糊控制;节能减排

0 引言

随着《广西高速公路网规划（2018—2030年）》的正式发布，到2030年，广西高速公路总里程将达到15200km，形成“1环12横13纵25联”的高速公路网。

越来越多的高速公路向山区延伸，意味着高速公路桥隧比越来越高，隧道越来越长，由此带来的高速公路隧道运营成本势必增加。如何在确保隧道运营安全的基础上按需通风、有效节能，成为了迫在眉睫的研究课题。隧道通风系统旨在把隧道内的烟尘和CO、NO2等汽车排放有害气体排除到隧道外，提供一个有利于行车安全和舒适的环境。而且，在火灾情况下，隧道通风系统会形成定向的空气流动，压制火灾烟雾避免形成回流，为隧道应急疏散、救援提供有利条件。但隧道通风系统的运行产生了巨大的能耗，如何确保通风计算过程的精确性和通风控制方案的合理性，对降低隧道通风系统的初期投资和运营成本显得尤为重要。

1 隧道通风设计过程

本文的高速公路隧道通风系统设计参照《隧道通风设计细则》的相关规定及计算过程。

1.1 初步判定

根据隧道《公路隧道通风设计细则》的规定：单向交通隧道，当符合式L·N≥2×106时，可设置机械通风;双向交通隧道，当符合式L·N≥6×105时，可设置机械通风。

制定隧道火灾防烟和排烟的设计原则：不同隧道长度（如：L≤1000m、1000m5000m）的高速公路隧道分别采用火灾防烟和排烟方式。

1.2 计算特征年的设计交通量

根据预测年度交通量，设计小时交通量系数和方向不均匀系数等参数，计算项目所处路段的设计特征年高峰小时交通量。

1.3 确定设计标准

计算或设定在设计时速下每10km/h一档的参数，主要包括隧道内CO允许浓度、隧道烟雾允许浓度、隧道空间不间断换气频率或换气风速，以及隧道火灾热释放率和火灾临界风速。

1.4 计算需风量

计算设计时速下每10km/h一档的稀释烟尘、CO、换气的需风量，取其较大者作为设计需风量，另根据火灾临界风速确定火灾排烟需风量。

1.5 计算通风力及风机数量

计算隧道内沿程阻力、局部阻力、自然通风力、交通通风力等，根据风力平衡式：△Pr+△Pm=△Pt+∑△Pj，确定射流风机总升压力和射流风机数量。

2 广西区内隧道通风系统现状分析

目前广西区内的隧道通风控制系统主要采用的控制方法有反馈控制法、程序控制法。

2.1 反馈控制法

反馈控制法如图1所示，隧道现场PLC采集CO/NO2、方向风速值，通风系统自动控制程序判断是否超出阈值，并根据结果自动控制风机的启停。也可以由本地PLC输出报警信号至路段监控分中心，由监控值班人员进行远程确认后自动控制，或采取远程手动控制方式。该方法以预先设定的阈值为判定依据，当检测值超出阈值时，即控制风机运转一定的时间，使隧道内CO/VI检测值逐渐接近并低于设定值，改善隧道环境。

显然，由于CO/NO2检测器采用点式采集方式，无法全方位实时反映隧道内实际环境情况，使采用反馈控制法的隧道通风系统具有一定的延时性。

2.2 程序控制法

基于隧道长时间运营后，运营单位统计不同时段的交通量及隧道内环境情况，分析隧道内污染物变化规律后，制定出分时段开启风机的通风控制策略，将控制策略转化为通风自动控制程序。该方法灵活性较差，仅适用于污染物规律性变化的隧道环境。

3 改进型隧道通风系统研究

考虑隧道阻滞工况和火灾工况发生的概率较低，本文仅对日常运营通风工况进行研究。日常运营隧道通风系统以满足行车安全性及舒适性为基本准则，通风系统设计与纵坡、隧道长度、时速及交通量存在紧密联系。其中，时速和交通量作为变量因子，对隧道通风设计的节能控制策略研究具有较高价值。

总结设计经验，长度<4km的隧道凭借活塞风的作用即可满足隧道日常运营的通风、除尘、换气要求;长度>4km的隧道，在交通量达到一定数值时需要开启一定数量的风机进行通风除尘、换气，并且随着隧道长度增加，通风除尘成为隧道通风系统的主要功能要求。来宾至都安高速公路的龙湾2号隧道长度约为5km，本文以此为研究对象，分析时速、交通量对于隧道通风系统的扰动关系。

3.1 通风系统-时速关系分析

图2所示曲线基本规律包括以下两点：

（1）近景年

当隧道行车时速>60km/h时，隧道所需风机升压力<0，即不需要开启风机;隧道行车时速<60km/h时，隧道行车时速越低，隧道所需风机升压力越大，开启的风机也越多。

（2）远景年

当隧道行车时速处于90～120km/h之间时，行车时速越小，则隧道所需风机升压力越大;当隧道行车时速处于70～90km/h之间时，行车时速越小，则隧道所需风机升压力越小;当隧道行车时速处于10～70km/h之间时，行车时速越小，则隧道所需风机升压力越大。

不同时速下对隧道通风系统的需求不同，基于时速的通风控制策略输出，可避免通风不足或风能过剩的情况发生，对精细化控制具有积极意义。

3.2 通风系统-交通量关系分析

如图3所示，说明交通量和隧道通风系统之间存在最佳平衡点，即当交通量为某个值时，对机械通风驱动力的额外需求最小，直接反映为需开启的风机数量最少，当交通量高于或低于该交通量时，即表现为需开启的通风换气风机或通风除尘风机数量的直接增加。

3.3 基于模糊控制决策的通风控制方法

隧道通风需风量和所需射流风机升压力的变化规律与隧道行车时速、交通量密切相关，根据二者的变化趋势，采用模糊化的控制方法进行预测。如图4所示，输出最优化的通风控制策略，通过动态调整射流风机运行时间，可实现按需通风，确保隧道行车安全性和舒适性。

（1）实时检测隧道内行车平均车速，模糊化其变化规律，作为通风控制系统的输入因子。