分区级联式隧道通风无级调速控制试验研究

傅长荣 潘建龙 刘舟

摘  要：本文为研究级联通风的有效性，制作了50m长的隧道模型，进行了分区级联通风调速控制试验，结果表明隧道分区级联通风理论以及相应的原理具备较好的可靠性和可行性;分区级联方式具备较好的通风效果，控制系统操作性良好，无级调控能够达到高效节能的效果。

关键词：分区级联;隧道;通风;试验研究

中图分类号：U453.5    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）03-0000-00

0前言

隧道通风系统风机的选择，要根据隧道内部 CO、NO2、CO2等浓度最大的部分进行风机容量的选择。由于行车速度、隧道线形、坡度不同都会导致隧道内每一段CO、NO2、CO2等有害气体浓度沿隧道长度分布不同，并且因天气复杂多变，隧道内各个区域的空气湿度也不同。理论上要求隧道通风系统的风机负载需要经常地变化，但是目前的风机控制都是在最大负荷下运转，这样不但造成了风机工作效率过低、浪费大量不必要的电能，而且对风机本身造成过高的损耗，降低了使用寿命。

针对公路隧道通风监测内容相关学者进行了研究。杨盛泉等[1]建立隧道通风灰色预测PID模型，结果表明：以风量为PID目标值进行动态节能闭环控制没有明显的振荡特性;杨晓莉[2]对无极调速控制技术在隧道通风变频应用中的节能效率进行了研究，表明其具有一定的节能效果。基于此，本文通过试验研究了隧道分区级联变频无级调速技术的可行性、有效性和可靠性。

1 分区级联式隧道通风无级调速控制技术简介

1.1 隧道环境分区质量检测

采用分区段检测隧道内的CO、NO2、CO2浓度以及PM10的粉尘和湿度。根据隧道的长度、坡度、朝向、高程等特点，结合隧道内人通、汽通分布情况，分区段设置检测器。进行粉尘检测分析、温度检测分析、车辆排放检测分析。

1.2 隧道排烟控制方式

采用隧道各组风机级联控制技术，根据各个分区检测数据，分析计算出风机调速信号，采用各区域内各组风机风速接力的方式，使隧道内形成整体的风速小于等于排烟临界风速。级联控制排烟示意图如图1所示。

1.3 通風风机无级调速控制技术原理

根据隧道入口端的车流量检测器检测出当前时刻的车流量以及车速，通过SUMO 软件进行系统仿真，由《公路隧道通风照明设计规范》[3]计算出 CO、VI 浓度值，通过算法计算出隧道空气中异味的浓度，与隧道中 CO、VI、空气中异味浓度实测值进行比较，确定出隧道最终的需风量。将信号发送给变频器，通过调节输出功率使风机的转速变化，调节风量的输出。

2 分区级联式隧道通风无级调速控制试验研究

2.1 室内模拟隧道通风控制要求

制作隧道模型，在模型中安置变频风机、空气环境检测器、烟感器等设备。使各风机在不同频率下进行排烟通风试验，观测并记录烟雾排出情况，最后进行数据分析。

2.2 模型制作

综合考虑依托项目的现场条件、模拟要求等因素，设计如下隧道模型。隧道模型的尺寸为长50m，宽1.85m，高1.2m，如图2所示。隧道模型材料为全透明材料，可防紫外线，其龙骨采用扁钢，如图3所示。风机型号为L-150，转速为2200/2550（r/min），可实现至少两个档位的风速控制。根据隧道长度设置5个风机，位于隧道进出口5m处，中段间隔10m处。考虑风机过密会影响风机工作功效，且为使风机位置更加灵活和可控，在隧道内部设供风机位置调节的轨道;合理配置了若干对应的风速仪、烟雾（一氧化碳）浓度检测仪以及监控装置。

2.3 试验工况

本次试验共5个工况，试验工况如表1所示。

工况一：全开。烟雾警报器报警后开启所有风机并调至相同（最高）频率。记录报警器报警时间与报警器停止时间;风速传感器自动记录风速与风量;风机启动时间与风机关闭时间。工况二：间隔全开。烟雾警报器报警后间隔开启风机并调至相同（最高）频率。记录报警器报警时间与报警器停止时间;风速传感器自动记录风速与风量;风机启动时间与风机关闭时间。工况三：全开变频。烟雾警报器报警后开启所有风机并调至相同频率，随后根据烟雾的浓度与速度调整风机频率。记录报警器报警时间与报警器停止时间;风速传感器自动记录风速与风量;风机启动时间与风机关闭时间。工况四：逐级递减。烟雾警报器报警后按从里到外或从入口到出口的顺序逐级递减开启风机，随后根据烟雾的浓度与速度调整风机频率。记录报警器报警时间与报警器停止时间;风速传感器自动记录风速与风量;风机启动时间与风机关闭时间。工况五：按启动参数开风机，按终止条件关闭风机。烟雾浓度达到启动参数时开启风机，烟雾浓度下降到指定范围时关闭风机，风速传感器自动记录风速与风量，记录风机开启时间与运行参数。

2.4 实施试验

（1）模拟正常及阻滞交通时，对一氧化碳、烟雾等废气进行稀释，用洞外的新鲜空气置换被来往车辆废气污染过的洞内空气，提高行车的安全性和舒适性，保证隧道内部空气环境在规定标准范围内，为司乘人员创造良好的环境。（2）发生火灾事故时，应能有效控制烟气流动，及时排除烟气，减少烟气在隧道内影响范围，为司乘人员安全逃生和消防救援创造条件。（3）将传统方式与级联方式进行比较分析，测评选择风机的频率与台数，以达到最短时间、最少能耗的目的，对优化隧道通风效果提供实验数据。（4）系统和设备安装。（5）起烟方法。起烟材料：打火机（1把）;柴火炉（1个）;稻草（12斤）;木屑（5斤）;色拉油（1瓶）;铁盆（1个）。安装柴火炉装置，将稻草、木屑等起烟材料混合放入柴火炉并在起烟材料上浇入色拉油点燃，为防止火势过猛、烟雾四散将铁盆置于柴火炉之上，置于隧道口或隧道中部送入隧道生烟。

3 分区级联式隧道通风无级调速控制试验研究结果分析

对比兩种工况：（1）正常通风、堵车排烟通风;（2）火灾报警后通风排烟的节能分析试验检测，能耗趋势曲线如图4所示。

由图4可知：工况1节能率在20%-35%，工况2节能率在30%～45%，隧道通风时间越长，分区级联控制通风节能效果越好，对于长隧道的节能效率更好。通过分区级联无级调速控制，风机频率时时变化，大部分时间控制在10HZ-30HZ的范围内就能达到隧道通风要求，实验分析在达到隧道内同等通风环境质量的条件下，采用通风智能控制，节能效率在50%以上。

由表2、表3可知：本次隧道模型通风模拟实验是基于项目提出的分区级联通风理论和原理进行设计的，实验虽存在尺寸限制、工况模拟等问题，但整体应用效果良好、结果符合理论预期，初步验证项目提出的隧道分区级联通风理论以及控制原理具备较好的可靠性和可行性。分区级联方式具备较好的隧道通风效果。实验对比了几种传统（常规）方式和分区级联方式的通风效果，发现分区级联方式具备良好隧道通风效果（各项监测指标符合相关要求），较传统大功率方式并不存在较大差距。隧道分区级联控制系统具备较好的可操作性。此次模拟实验的风机均在项目设计的隧道分区级联控制系统调控下工作，过程中各风机也实现了预期的分区级联控制的预期效果。

4 结语

根据分区级联式隧道通风无级调速控制试验，得出如下结论：（1）隧道分区级联通风理论以及相应的控制原理具备较好的可靠性和可行性;（2）分区级联方式具有较好的隧道通风效果，控制系统具备较好的可操作性;（3）分区级联式隧道通风无级调控能够达到高效节能的效果。

参考文献

[1] 杨盛泉，罗伟明，王泽斌，等.灰色预测PID公路隧道通风自动控制方法研究[J].西安工业大学学报，2020（4）：442-448.

[2] 杨晓莉.无极调速控制技术在隧道通风变频中的应用分析[J].科技视界，2019（19）：207-208.

[3] JTJ026.1-1999.公路隧道通风照明设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1999.

收稿日期：2021-02-02

*基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目：“分区级联式隧道通风无级调速控制技术研究”（2018015）。

作者简介：傅长荣（1970—），男，浙江丽水人，本科，正高级工程师，研究方向：路桥工程与技术。

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