基于半导体温差发电的隧道应急照明和疏散救援技术

2021-08-20浦敏

机电工程技术 2021年11期

摘要：傳统的应急照明通常需要由大型发电机供电，由于应急发电机主要由内燃机发电，如果照明系统出现问题，发电机将无法及时启动，当紧急情况发生时，应急照明系统无法正常工作，导致许多不必要的事故发生，另一方面，随着负载的增加，发电机供电电压也会降低，从而引起电压波动，波动大会影响设备并损坏设备。针对隧道烟气特征速度计算不准确、影响测算可用安全疏散时间的问题，基于半导体温差发电提出隧道应急照明和疏散救援技术。采用非稳态模型模拟火源，构建隧道火灾烟气蔓延模型，利用半导体温差发电跟踪应急照明最大功率点，得到发电组件的输出功率。根据动态追踪结果，实时求出当量长度值，更新空间拥挤度，以此确定疏散救援路径。实验结果表明，当距离疏散点最远的位置（500 m处）时，测试得到的4种隧道工况的可用安全疏散时间分别高出必需时间175.29 s、89.21 s、145.6 s和195.46 s ，满足安全疏散和救援要求。

关键词：半导体;温差发电;隧道应急照明;疏散救援

中图分类号：U458文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0258-03

Tunnel Emergency Lighting and Evacuation Rescue Technology Based onSemiconductor Thermoelectric Power Generation

Pu Min

（Suzhou Lumlux Power Technology Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215143， China）

Abstract： The traditional emergency lighting usually needs to be powered by a large generator. Because the emergency generator is mainly powered by an internal combustion engine， if there is a problem with the lighting system， the generator will not start in time. When an emergency occurs， the emergency lighting system will not work normally， resulting in many unnecessary accidents. On the other hand， with the increase of load， the power supply voltage of the generator will also be reduced， resulting in voltage fluctuation， which will affect the equipment and damage the equipment. Aiming at the problem of inaccurate calculation of the characteristic velocity of tunnel smoke， which affects the estimation and calculation of the available safe evacuation time， tunnel emergency lighting and evacuation rescue technologies were proposed based on semiconductor thermoelectric power generation. The non-steady state model was used to simulate the fire source， the tunnel fire smoke spreading model was constructed， and the semiconductor temperature difference power generation was used to track the maximum power point of emergency lighting to obtain the output power of the power generation component. According to the dynamic tracking results， the equivalent length value was obtained in real time， and the space congestion degree was updated to determine the evacuation rescue path. The experimental results show that when the distance to the evacuation point is the farthest position （at 500 m）， the available safe evacuation time of the four tunnel conditions obtained by the test is 175.29 s， 89.21 s， 145.6 s and 195.46 s higher than the necessary time， respectively， which meets the safety requirements.

Key words： semiconductor; thermoelectric power generation; tunnel emergency lighting; evacuation rescue

0 引言

现阶段我国交通建设事业迅速发展，高速公路的规模和数量持续增加。在交通建设中，火灾是运营期公路隧道面临的主要风险之一，由于隧道狭长的结构形式，使得隧道火灾往往会造成严重的经济损失和人员伤亡。隧道能够克服地形限制，缩短道路长度，在一定程度上可以减少对生态环境的破坏，避免发生地质灾害[1-2]。因此，隧道的建设对于高速公路的发展来说至关重要。随着施工技术的不断进步，隧道不再局限于直线形式，呈现出向曲线隧道发展的趋势，在样式多样化发展的同时，隧道的长度也在不断延长，世界各国开始出现特长隧道。由于隧道本身出入口少，具有一定封闭性的特点，再加上隧道中车流量密度大、货物种类繁多，导致隧道易发生火灾等事故[3-4]。受到隧道形态的限制，一旦发生火灾，如果不能得到有效的控制，将造成严重的后果。隧道内的火灾事故不但破坏隧道结构，更对驾驶员和其他随行人员的人身安全带来巨大伤害，威胁社会稳定。对此，需要利用有效的隧道应急照明和疏散救援技术，对隧道内部环境和结构进行控制，降低火灾事故带来的风险，减少事故引起的人身威胁和财产损失。本文基于半导体温差发电对隧道应急照明和疏散救援技术进行研究，避免火灾高温对隧道承载力带来威胁，增强隧道行驶的安全性，为隧道抢险救援等任务提供技术支持。

1 基于半导体温差发电的隧道应急照明和疏散救援技术

1.1 构建隧道火灾烟气蔓延模型

在隧道中，火灾可能发生在列车的任意位置，其中中部位置发生火灾事故对逃生的影响最大。在中部位置，无论何种风向，都有一半人员处于烟气下游的位置，该位置最不利于安全逃生[5-6]。假定火灾发生在列车中部车厢内，同一时刻只存在一起火灾，其规模设定为25 MW 。为保证火灾数值模拟的准确性，本文采用非稳态模型模拟火源。该模型可表示为：

式中：R 为火灾的热释放率;τ为时间;χ为热释放率的增长系数。

根据增长系数的数值大小，将隧道火源按慢到超快分为4种类型，分别对应不同的火源规模时间。考虑列车减速进站的时间，本文设定达到火源规模的时间为250 s 。依据隧道的实际集合尺寸建立计算模型，并在该模型上划分网格，以便于后续计算。要使模型与原型的两个流场相似，需要确保雷诺数大于1000[7]。通过这一条件，可以建立火灾模型与隧道原型的尺度关系。发生火灾时，烟气受热驱动发生流动，此时认为烟气的速度为火羽流的特征速度，具体可以表示为：

式中：v 为烟气的特征速度。

根据上述公式可以计算得到不同位置的火源特征直径，并将其与网格尺寸相对应。单位网格的划分服从泊松分布。在此基础上，设计模型的边界条件，主要包括入口速度、初始温度、两端压力以及环境参数等。

1.2 基于半导体温差发电跟踪应急照明最大功率点

以构建的隧道火灾烟气蔓延模型为基础，利用半导体温差发电跟踪应急照明最大功率点，由此得到发电组件的输出功率，为疏散救援路线的設计提供数据支持[8-9]。在理想状态下，半导体温差发电组件可以被认定为电压源，此时存在：

式中：w 为最大输出功率; V1为输出电压;r1和 r2分别为内阻和负载电阻。

在线性化电路中，匹配内阻和负载电阻，即可得到最大输出功率。在同等温差的外界条件下，通过对参考电压施加扰动，可以得到放大信号并实现电压控制。直接给出功率占比后，每一个变换器都处于开环状态。此时施加反馈电压回路，得到的电压与原来的方向相反[10]。输出动力变化后，意味着工作点向最大功率点的方向趋近。上述过程利用计算公式可表示为：

Δα=β+[β-β（l -1）]sign[p -p（l -1）] （4）

式中：Δα为扰动变量的振幅，即固定步长;β为扰动变量;l 为时间间隔;p 为输出功率;sign为符号函数。

上述计算方法的优点是无需测量温度等外界条件。只利用固定最终补偿就可以得到功率振荡与时间效率。在状况变化不稳定的情况下，仍具有较高的最终效果，适合用于隧道模型的动态特性分析，并且能够减少功率损失。

1.3 设计隧道疏散救援最优路径

根据应急照明最大功率的动态跟踪结果，设计路径权重算法，筛选隧道疏散救援的最优路径。在实际的隧道火灾疏散救援中，现场环境随时都会出现剧烈的变化，需要以某一固定时间间隔更新疏散空间的温度和烟气等有害气体浓度信息[11-12]。以环境探测装置得到的数据为基础，实时求出当量长度值，以此确定疏散路径。完成全局路径优化的同时，更新空间拥挤度值。为提高计算效率，将具有相同属性的节点进行合并，减少空间节点总量。更新后节点具有对应的参数值。同理，当空间范围较大时，将节点进行拆分，以此提高计算精度。例如，当隧道连接处坡度发生变化，或者相邻通道数不一致时，可将隧道分解为若干段，每一段视作一个节点，以此完成岔路口或转弯点的节点分割。根据宽度或坡度变化对节点位置进行相应的调整。如果某一节点没有与其他特殊通道相连接，则可剔除该节点，顺次连接下一层次。隧道内疏散通道主要为疏散站台和横通道，整个逃生路线位于同一平面内。以上述两种通道为例，同时考虑行使列车的车门以及横通道出入口的位置，以此构建逃生路径节点。

2 实验

2.1 实验准备

本文基于半导体温差发电设计了隧道应急照明和疏散救援技术，为检验本文技术的实际应用效果，下面设计实验进行验证。本次实验选取我国某高速公路隧道为研究对象，该隧道全长23.51 km ，采用左右双线分修的双洞方案。其中左线长22.18 km ，右线长21.56 km 。隧道内具有人字形状的纵坡。紧急救援站位于隧道中部，并与左线和右线通道互为救援通道。站内设置有正线区域和疏散站台。为避免产生黑洞和白洞效应，隧道内部洞口-洞身-洞外依次呈现出高-低-高的变化趋势，匹配人眼的视觉规律。隧道的照明由此划分为五大区间，依次从入口段向出口段过渡。隧道采用双列纵向布灯方式，应急照明的数量为基本照明的25%，即左侧的一半为应急照明。信号灯和可变信息板位于洞外1.5 m处，用于发布道路警告信息。以上述条件为基础，建立疏散模型，并建立以下3个假设：（1）假设着火列车为电力动车组，车上乘客年龄和性别构成均衡;（2）假设列车车门为双侧单车门，位于车厢中部，该车门为疏散起点;（3）救援站内通风排烟等设施运行良好，具有正常疏散和通行能力。除了着火点外，其他区域均未致灾。以上述疏散模型为基础，测试本文提出的技术的疏散能力。

2.2 实验结果

本文选择可用安全疏散时间为评价指标，评价本文所提出的技术的疏散能力。由于隧道救援站工况较多，本文选取4种典型工况进行实验测试。4种工况分别为：竖向自然、机械排烟以及半横向自然、机械排烟。着火列车紧急停靠在救援站时，人员下车的距离与疏散宽度相等时，人员可快速到达安全区域。根据这一关系，可以得到可用安全疏散时间的计算公式为：

式中：t 为可用安全疏散时间;S1和 S2分别为定员数量最多车厢和全列车的人员数量;v 为人员下车速度;α为通过通道的能力;β为防护门宽度。

不同类型人员的疏散速度存在差异，本文将疏散速度折减系数设定为0.648。测算不同隧道工况情况下的可用安全疏散时间，测试结果如表1所示。

根据列车额定人员数量，考虑20%加载后的人员数量，由此计算得到实际情况中的必须安全疏散时间为205 s 。根据表中的实验测试结果，本文所设定的4种隧道工况的可用安全疏散时间均大于所需要的必须时间。以距离疏散点最远的位置为例（500 m处），测试得到的4种隧道工况的可用安全疏散时间分别高出必须时间175.29 s 、89.21 s 、145.6 s 和195.46 s 。由上述结果可知，本文提出的技术具有充分的疏散时间，能够在4种典型的隧道工况中安全疏散人员，满足安全

疏散和救援要求，因此具有良好的实际应用效果。

3结束语

综上所述，本文基于半导体温差发电对隧道应急照明和疏散救援技术进行了研究，实验结果表明该技术的可用安全疏散时间大于必需时间，满足安全疏散要求。本文研究选取了列车中部发生火灾的相关工况为主要研究对象，其他位置的研究涉及的内容较少，因此存在一定局限性。未来应该更加系统地对列车头部和尾部的相关工况进行研究，总结更多疏散特征，并将其应用于紧急疏散救援中，以提高模型的适用性。希望本文研究能够为后续研究提供依据。

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