一種改進(jìn)型隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真分析

摘要：以明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計為背景，對明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了深入具體地分析研究，提出一種改進(jìn)型明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計方案，最后對方案進(jìn)行仿真分析，實現(xiàn)通風(fēng)方案的比選和優(yōu)化，為隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計提供科學(xué)指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：明月峽隧道；通風(fēng)控制；車流量；仿真

0 引言
    國道108線廣元段沙溪壩至棋盤關(guān)公路包括劍門關(guān)至凌江高速公路；凌江至瓷窯鋪一級公路；瓷窯鋪至棋盤關(guān)二級公路。該設(shè)計中的明月峽隧道就位于瓷棋段二級汽車專用公路的路段中。明月峽隧道主要技術(shù)指標(biāo)如下：公路等級：雙向二車道二級高速公路；計算行車速度為40 km／h；隧道：單洞雙車道，隧道凈寬10．9 m，高5 m；隧道長度為8 660 m。
    公路隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)是保證隧道內(nèi)車輛運營安全和效率的關(guān)鍵。它直接決定隧道行車安全性和舒適性，起到稀釋有害氣體和污染物質(zhì)濃度的作用，高效可靠的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)可以使隧道中各種通風(fēng)機(jī)電設(shè)備最大限度地發(fā)揮作用，使運營條件惡劣的隧道內(nèi)的服務(wù)水平與整個高速公路其他路段相適應(yīng)。所以本文對明月峽隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入具體地分析研究，提出一種改進(jìn)型通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計方案并對其進(jìn)行仿真分析。

1 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)功能描述
    通風(fēng)控制系統(tǒng)主要是對隧道的通風(fēng)狀況和風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，具備數(shù)據(jù)采集處理功能、風(fēng)機(jī)控制功能和運轉(zhuǎn)狀態(tài)反饋功能及全部信息的記錄功能。并能夠根據(jù)隧道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、C0，VI的數(shù)據(jù)信息以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向給出相應(yīng)的控制方案，對隧道風(fēng)機(jī)的開啟、停止、正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行控制。系統(tǒng)要具備正常情況條件下的通風(fēng)控制功能和發(fā)生火災(zāi)條件下的通風(fēng)控制功能。
1．1 正常通風(fēng)控制方案
    本方案采用分區(qū)域單機(jī)控制方式，控制通風(fēng)系統(tǒng)的運行。
    在通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)隧道內(nèi)車行方向、地理特征和建筑特征等實際具體的特征，考慮到隧道火災(zāi)狀況等因素，將隧道通風(fēng)狀況分成區(qū)域進(jìn)行總體控制。
    在自動控制方式下，通風(fēng)系統(tǒng)由隧道監(jiān)控中心計算機(jī)及現(xiàn)場通風(fēng)控制PLC自動控制。通過CO，VI傳感器測量的過濾信號、測量地點的定位以及控制算法將通風(fēng)系統(tǒng)保持在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。通常情況下，風(fēng)機(jī)的控制順序取決于風(fēng)機(jī)工作時間，這樣工作時間最短的風(fēng)機(jī)將被放在優(yōu)先起動的位置。
1．2 火災(zāi)排煙方案
    火災(zāi)發(fā)生時，依據(jù)隧道內(nèi)火災(zāi)位置，按照防災(zāi)排煙方案采用緊急狀態(tài)的排煙措施，按洞內(nèi)縱向風(fēng)速為2～3 m／s控制風(fēng)機(jī)運行，控制火勢及煙霧的擴(kuò)散速度及范圍。
1．3 設(shè)備監(jiān)測
    (1)風(fēng)速風(fēng)向檢測
    實時檢測隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，用以判斷通風(fēng)系統(tǒng)運行狀況。
    (2)軸流風(fēng)機(jī)檢測
    軸流風(fēng)機(jī)及其控制設(shè)備是保證隧道正常運營的最重要、最昂貴的設(shè)備，設(shè)置在通風(fēng)豎井附近地下風(fēng)機(jī)房內(nèi)。地下風(fēng)機(jī)房遠(yuǎn)離隧道口，陰冷潮濕，空氣污染嚴(yán)重，不適合工作人員長期值守。為保障隧道內(nèi)司機(jī)和乘客的安全和舒適，軸流風(fēng)機(jī)需在惡劣的環(huán)境下連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此，應(yīng)及時掌握軸流風(fēng)機(jī)的運行工況，監(jiān)測其主要部件的工作參數(shù)(如主電機(jī)的溫升等)。并將這些參數(shù)定時傳送至中控室，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。
    (3)射流風(fēng)機(jī)狀態(tài)檢測
    實時檢測射流風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機(jī)狀態(tài)，并將風(fēng)機(jī)工作時間進(jìn)行記錄。
    (4)CO檢測器、能見度檢測器、風(fēng)速風(fēng)向儀工作狀態(tài)檢測
    定期檢測CO檢測器、能見度檢測器、風(fēng)速風(fēng)向儀的工作狀態(tài)，設(shè)備故障時發(fā)出報警信息。

2 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式(也介紹了前饋式模糊控制方式，即通過預(yù)測短期交通量，控制通風(fēng)系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)約能源的目的)。
系統(tǒng)由CO及能見度檢測儀、風(fēng)速風(fēng)向儀、通風(fēng)控制計算機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)控制器、射流風(fēng)機(jī)控制器及軸流風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)組成。
    (1)CO，VI檢測器布置：CO，VI檢測器自動測定隧道內(nèi)燈光照明下的合成能見度，自動測定隧道內(nèi)CO濃度分布，能見度及CO濃度檢測器設(shè)在主隧道內(nèi)，每個通風(fēng)段內(nèi)設(shè)置3臺，設(shè)置間距依據(jù)通風(fēng)段長度不同而不同。每段最后一臺設(shè)于距通風(fēng)豎井排風(fēng)通道口或隧道出口100～150 m范圍內(nèi)。
    (2)風(fēng)速風(fēng)向檢測儀：實時檢測隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，用以判斷通風(fēng)系統(tǒng)運行狀況。風(fēng)速風(fēng)向檢測器設(shè)在通風(fēng)豎井出入口處主隧道內(nèi)、距隧道出口100～150 m范圍內(nèi)及豎井與隧道聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)。
    (3)豎井處的軸流風(fēng)機(jī)：布置在隧道三處豎井的地下風(fēng)機(jī)房內(nèi)，依據(jù)交通量及隧道內(nèi)的坡度，軸流風(fēng)機(jī)有時處于并聯(lián)運行狀態(tài)中。
    (4)隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)：均勻布置在隧道內(nèi)，間隔約350 m／臺。
    風(fēng)機(jī)設(shè)置界面如圖1所示。

3 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3．1 傳統(tǒng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案
    綜合本地區(qū)的氣候特征及本隧道實際的交通量、環(huán)境條件等因素，隧道的通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式。
    在各通風(fēng)控制區(qū)域中設(shè)置隧道專用CO，VI檢測裝置，定點定時檢測隧道內(nèi)煙霧及CO的濃度，實時通風(fēng)控制時根據(jù)檢測裝置的檢測值，逐一連續(xù)按需啟動或停止風(fēng)機(jī)，從而較理想地實現(xiàn)隧道的通風(fēng)控制。
3．1．1 正常情況下的通風(fēng)控制
    在沒有火警及停電狀況下，以時間為主，配合交通高低峰時間設(shè)定下的控制程序，不論隧道是單向交通還是雙向交通，若隧道內(nèi)測點CO濃度δ≤125 ppm或煙霧濃度K≤0．007 5 m-1時，正常交通狀況下交通活塞作用所產(chǎn)生的風(fēng)速足夠完成隧道通風(fēng)，則射流風(fēng)機(jī)組無需啟動；若測點CO濃度δ>250 ppm或煙霧濃度K>0．009 m-1，并持續(xù)15 min，射流風(fēng)機(jī)已全部啟動，則禁止車輛進(jìn)入，關(guān)閉隧道。
    單向交通狀態(tài)下，由于本隧道的通風(fēng)控制檢測裝置設(shè)置在通風(fēng)控制區(qū)域的兩端及區(qū)域結(jié)合部，同時在這種狀態(tài)下，隧道內(nèi)CO濃度分布情況是由隧道入口端至出口端逐漸遞增，因此，在每個區(qū)域內(nèi)檢測點CO濃度最大值δ大于安全值時，風(fēng)機(jī)由出口端向入口端逐一連續(xù)的順序啟動，關(guān)機(jī)順序則相反。測點CO濃度最大值δ每增加15 ppm，并持續(xù)5 min，則增開1對風(fēng)機(jī)；測點CO濃度最大值δ每減少15 ppm，并持續(xù)5min，則關(guān)閉1對風(fēng)機(jī)。同樣，測點煙霧濃度每增加0．000 4m-1，并持續(xù)5min，則增開1對風(fēng)機(jī)；測點煙霧濃度每減少0．000 4m-1，并持續(xù)5min，則關(guān)閉1對風(fēng)機(jī)。
    雙向交通狀態(tài)下，若測點CO濃度δ>250 ppm，則同時啟動所有風(fēng)機(jī)。
    隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3．1．2 火災(zāi)情況下的通風(fēng)控制
    若某條隧道發(fā)生火災(zāi)，開啟該隧道內(nèi)的所有風(fēng)機(jī)，控制隧道風(fēng)速為2．5 m／s左右，按原通風(fēng)方向排煙；特殊情況下，如火災(zāi)發(fā)生點靠近原通風(fēng)方向的上游洞口，且在原通風(fēng)方向的下游段停滯的車輛很多，而上游段車輛很少時，用控制隧道內(nèi)風(fēng)速的方法，采用風(fēng)速零化措施，開啟隧道兩端的集中排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)，限制煙霧向下擴(kuò)散，盡快將火災(zāi)煙霧排出隧道，并確保良好的避難環(huán)境。
    各隧道正常單向行車時，以測報的CO，VI值為主要參數(shù)，使用計算機(jī)程序進(jìn)行風(fēng)機(jī)的自動控制。風(fēng)機(jī)以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風(fēng)控制單元，控制周期為10 min。
    隧道在雙向行車時，當(dāng)設(shè)置的風(fēng)機(jī)全部投入使用后CO濃度值將放寬到250 ppm。利用平時積累的經(jīng)驗參數(shù)車流量，按通風(fēng)設(shè)備能力限制交通量?？梢圆捎檬謩诱{(diào)節(jié)方式作為輔助手段。
    自動控制  隧道風(fēng)機(jī)由隧道管理計算機(jī)根據(jù)通風(fēng)控制原則，編制自動控制程序，自動選擇控制方案，通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)。
    手動控制方式  隧道風(fēng)機(jī)由操作員根據(jù)計算機(jī)推薦的控制方案或CO，VI值和交通量，利用控制方案菜單，手動選擇控制方案，確定需要投入運轉(zhuǎn)的射流風(fēng)機(jī)編號及其運行狀態(tài)(正轉(zhuǎn)、停機(jī))等，通知變電所內(nèi)的區(qū)控器控制風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)。
    目前國內(nèi)隧道通風(fēng)控制都采用上述直接控制法，由于CO，VI設(shè)備可靠性較差，從而降低了通風(fēng)控制的可靠性。因為沒有考慮交通流的發(fā)展變化，從而造成風(fēng)機(jī)剛開啟時，即使交通量在下降，實際是不需要開風(fēng)機(jī)，但由于設(shè)備運轉(zhuǎn)的需要不得不開啟風(fēng)機(jī)運行一段時間，從而造成浪費，提高了營運成本。
3．2 系統(tǒng)軟件的改進(jìn)型設(shè)計方案
    (1)采用CO，VI和交通量作為控制參數(shù)，提高可靠性；
    (2)采用模糊控制法，預(yù)測交通流的發(fā)展變化趨勢，控制既考慮當(dāng)前需要，又考慮未來發(fā)展，并使設(shè)備運轉(zhuǎn)平衡，提高使用壽命，降低通風(fēng)控制營運成本。本項目可采用混合控制方案，如圖3，圖4所示。

    采用混合控制方案實施的通風(fēng)控制，結(jié)合隧道實際運營狀態(tài)及發(fā)展變化，通過控制風(fēng)機(jī)開啟臺數(shù)，使之既能滿足《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范JTJ026．1—1999》對環(huán)境的要求，又能延長風(fēng)機(jī)使用壽命與節(jié)能的目的。由此可見，通風(fēng)控制涉及通風(fēng)方式、交通組成與變化、交通狀態(tài)與變化、風(fēng)機(jī)運行時間及啟停時間幾方面的因素，作為控制決策，在通風(fēng)方式確定以后，影響通風(fēng)的主要因素有隧道內(nèi)的車輛數(shù)和車輛類型，其決定了CO，VI的排放量；車輛行駛速度，決定了車輛在隧道內(nèi)的滯留時間。從而通風(fēng)控制問題轉(zhuǎn)換為隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的檢測和預(yù)測問題。在得到隧道內(nèi)車輛數(shù)與車輛類型的當(dāng)前和其后一段時間的發(fā)展變化規(guī)律后，則可計算CO，VI排放量值，得到CO，VI排放量隨時間變化的曲線(表)，根據(jù)通風(fēng)計算模型，得到風(fēng)機(jī)開啟臺數(shù)隨時間變化的曲線(表)，根據(jù)各臺風(fēng)機(jī)運行時間和啟停時刻記錄，選擇啟動或停止的風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)平衡。

4 隧道通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)的模擬仿真分析
    隧道的通風(fēng)控制采用分區(qū)域單機(jī)控制方式。風(fēng)機(jī)以一組或一種預(yù)先設(shè)置的組合為通風(fēng)控制單元，為了分析方便，在模擬仿真時，以單臺風(fēng)機(jī)工作所提供的風(fēng)量作為測試。其有以下兩種工作方式：
    (1)單臺風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接；
    (2)單臺風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接。
    針對以上兩種連接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了有限元分析模擬。采用流體動力學(xué)(CFD)軟件CFDesign建立了相應(yīng)計算模型并進(jìn)行仿真分析，得到一系列明月峽隧道通風(fēng)設(shè)計的結(jié)果。
4．1 單臺風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接的仿真模擬結(jié)果
    (1)工況1
    幾何參數(shù)：通風(fēng)道長度為50 m；通風(fēng)道漸變段長度為4 m；連接段長度為7．35 m；軸流風(fēng)機(jī)斷面積為3．108 33 m2。
    計算參數(shù)：風(fēng)機(jī)流量為114 m3／s；通風(fēng)道入口處壓強為0 Pa；通風(fēng)道出口處壓強為0 Pa。
    對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

    (2)工況2
    幾何參數(shù)：同上。
    計算參數(shù)：風(fēng)機(jī)流量為164 m3／s；通風(fēng)道入口處壓強為0 Pa；通風(fēng)道出口處壓強為0 Pa。
    對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。

4．2 單臺風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接的仿真模擬結(jié)果
    (1)工況1
    幾何參數(shù)：同上。
    計算參數(shù)：風(fēng)機(jī)流量為114 m3／s；通風(fēng)道入口處壓強為0 Pa；通風(fēng)道出口處壓強為0 Pa。
    對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數(shù)據(jù)如表3所示。

    (2)工況2
    幾何參數(shù)：同上。
    計算參數(shù)：風(fēng)機(jī)流量為164 m3／s；通風(fēng)道入口處壓強為0 Pa；通風(fēng)道出口處壓強為0 Pa。
    對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數(shù)據(jù)如表4所示。

5 結(jié)論
    由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：
    (1)在所計算的兩種工況下，單臺風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道部分連接時，風(fēng)機(jī)需要提供的壓強較大；而單臺軸流風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接時，風(fēng)機(jī)需要提供的壓強則相對比較小。
    (2)從計算結(jié)果可以看出，兩種不同連接形式，風(fēng)機(jī)所需提供的壓強差均大于11％；特別在4．2節(jié)所述的工況下，風(fēng)機(jī)所需提供的壓強差值達(dá)到33．05 ％。
    (3)在不同的工況，當(dāng)幾何尺寸一定時，風(fēng)機(jī)需要提供的壓強隨流量的增大而增大，這與實際情況是相吻合的。
    (4)根據(jù)計算結(jié)果，建議明月峽隧道在具體通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，采用風(fēng)機(jī)與通風(fēng)道完全連接的連接方式。