一种改进型隧道通风控制系统的设计和仿真分析

摘要：以明月峡隧道通风控制系统设计为背景，对明月峡隧道通风控制系统的功能进行了深入具体地分析研究，提出一种改进型明月峡隧道通风控制系统设计方案，最后对方案进行仿真分析，实现通风方案的比选和优化，为隧道火灾通风设计提供科学指导。
关键词：明月峡隧道；通风控制；车流量；仿真

0 引言
    国道108线广元段沙溪坝至棋盘关公路包括剑门关至凌江高速公路；凌江至瓷窑铺一级公路；瓷窑铺至棋盘关二级公路。该设计中的明月峡隧道就位于瓷棋段二级汽车专用公路的路段中。明月峡隧道主要技术指标如下：公路等级：双向二车道二级高速公路；计算行车速度为40 km／h；隧道：单洞双车道，隧道净宽10．9 m，高5 m；隧道长度为8 660 m。
    公路隧道通风控制系统是保证隧道内车辆运营安全和效率的关键。它直接决定隧道行车安全性和舒适性，起到稀释有害气体和污染物质浓度的作用，高效可靠的隧道通风控制系统可以使隧道中各种通风机电设备最大限度地发挥作用，使运营条件恶劣的隧道内的服务水平与整个高速公路其他路段相适应。所以本文对明月峡隧道通风控制系统进行了深入具体地分析研究，提出一种改进型通风控制系统设计方案并对其进行仿真分析。

1 隧道通风控制系统功能描述
    通风控制系统主要是对隧道的通风状况和风机的运行状态进行检测，具备数据采集处理功能、风机控制功能和运转状态反馈功能及全部信息的记录功能。并能够根据隧道内的风速、风向、C0，VI的数据信息以及风机转向给出相应的控制方案，对隧道风机的开启、停止、正反转工作状态进行控制。系统要具备正常情况条件下的通风控制功能和发生火灾条件下的通风控制功能。
1．1 正常通风控制方案
    本方案采用分区域单机控制方式，控制通风系统的运行。
    在通风监控系统中，根据隧道内车行方向、地理特征和建筑特征等实际具体的特征，考虑到隧道火灾状况等因素，将隧道通风状况分成区域进行总体控制。
    在自动控制方式下，通风系统由隧道监控中心计算机及现场通风控制PLC自动控制。通过CO，VI传感器测量的过滤信号、测量地点的定位以及控制算法将通风系统保持在预先设定的范围内。通常情况下，风机的控制顺序取决于风机工作时间，这样工作时间最短的风机将被放在优先起动的位置。
1．2 火灾排烟方案
    火灾发生时，依据隧道内火灾位置，按照防灾排烟方案采用紧急状态的排烟措施，按洞内纵向风速为2～3 m／s控制风机运行，控制火势及烟雾的扩散速度及范围。
1．3 设备监测
    (1)风速风向检测
    实时检测隧道内平行于隧道壁面的风向、风速数据，用以判断通风系统运行状况。
    (2)轴流风机检测
    轴流风机及其控制设备是保证隧道正常运营的最重要、最昂贵的设备，设置在通风竖井附近地下风机房内。地下风机房远离隧道口，阴冷潮湿，空气污染严重，不适合工作人员长期值守。为保障隧道内司机和乘客的安全和舒适，轴流风机需在恶劣的环境下连续运转，因此，应及时掌握轴流风机的运行工况，监测其主要部件的工作参数(如主电机的温升等)。并将这些参数定时传送至中控室，进行远程监测。
    (3)射流风机状态检测
    实时检测射流风机的正转、反转和停机状态，并将风机工作时间进行记录。
    (4)CO检测器、能见度检测器、风速风向仪工作状态检测
    定期检测CO检测器、能见度检测器、风速风向仪的工作状态，设备故障时发出报警信息。

2 隧道通风控制系统硬件设计
    通风控制采用分区域单机控制方式(也介绍了前馈式模糊控制方式，即通过预测短期交通量，控制通风系统，以达到节约能源的目的)。
系统由CO及能见度检测仪、风速风向仪、通风控制计算机、轴流风机控制器、射流风机控制器及轴流风机、射流风机组成。
    (1)CO，VI检测器布置：CO，VI检测器自动测定隧道内灯光照明下的合成能见度，自动测定隧道内CO浓度分布，能见度及CO浓度检测器设在主隧道内，每个通风段内设置3台，设置间距依据通风段长度不同而不同。每段最后一台设于距通风竖井排风通道口或隧道出口100～150 m范围内。
    (2)风速风向检测仪：实时检测隧道内平行于隧道壁面的风向、风速数据，用以判断通风系统运行状况。风速风向检测器设在通风竖井出入口处主隧道内、距隧道出口100～150 m范围内及竖井与隧道联络风道内。
    (3)竖井处的轴流风机：布置在隧道三处竖井的地下风机房内，依据交通量及隧道内的坡度，轴流风机有时处于并联运行状态中。
    (4)隧道内的射流风机：均匀布置在隧道内，间隔约350 m／台。
    风机设置界面如图1所示。

3 隧道通风控制系统的软件设计
3．1 传统系统的软件设计方案
    综合本地区的气候特征及本隧道实际的交通量、环境条件等因素，隧道的通风控制采用分区域单机控制方式。
    在各通风控制区域中设置隧道专用CO，VI检测装置，定点定时检测隧道内烟雾及CO的浓度，实时通风控制时根据检测装置的检测值，逐一连续按需启动或停止风机，从而较理想地实现隧道的通风控制。
3．1．1 正常情况下的通风控制
    在没有火警及停电状况下，以时间为主，配合交通高低峰时间设定下的控制程序，不论隧道是单向交通还是双向交通，若隧道内测点CO浓度δ≤125 ppm或烟雾浓度K≤0．007 5 m-1时，正常交通状况下交通活塞作用所产生的风速足够完成隧道通风，则射流风机组无需启动；若测点CO浓度δ>250 ppm或烟雾浓度K>0．009 m-1，并持续15 min，射流风机已全部启动，则禁止车辆进入，关闭隧道。
    单向交通状态下，由于本隧道的通风控制检测装置设置在通风控制区域的两端及区域结合部，同时在这种状态下，隧道内CO浓度分布情况是由隧道入口端至出口端逐渐递增，因此，在每个区域内检测点CO浓度最大值δ大于安全值时，风机由出口端向入口端逐一连续的顺序启动，关机顺序则相反。测点CO浓度最大值δ每增加15 ppm，并持续5 min，则增开1对风机；测点CO浓度最大值δ每减少15 ppm，并持续5min，则关闭1对风机。同样，测点烟雾浓度每增加0．000 4m-1，并持续5min，则增开1对风机；测点烟雾浓度每减少0．000 4m-1，并持续5min，则关闭1对风机。
    双向交通状态下，若测点CO浓度δ>250 ppm，则同时启动所有风机。
    隧道通风控制系统流程图如图2所示。

3．1．2 火灾情况下的通风控制
    若某条隧道发生火灾，开启该隧道内的所有风机，控制隧道风速为2．5 m／s左右，按原通风方向排烟；特殊情况下，如火灾发生点靠近原通风方向的上游洞口，且在原通风方向的下游段停滞的车辆很多，而上游段车辆很少时，用控制隧道内风速的方法，采用风速零化措施，开启隧道两端的集中排风和进风风机，限制烟雾向下扩散，尽快将火灾烟雾排出隧道，并确保良好的避难环境。
    各隧道正常单向行车时，以测报的CO，VI值为主要参数，使用计算机程序进行风机的自动控制。风机以一组或一种预先设置的组合为通风控制单元，控制周期为10 min。
    隧道在双向行车时，当设置的风机全部投入使用后CO浓度值将放宽到250 ppm。利用平时积累的经验参数车流量，按通风设备能力限制交通量。可以采用手动调节方式作为辅助手段。
    自动控制  隧道风机由隧道管理计算机根据通风控制原则，编制自动控制程序，自动选择控制方案，通知变电所内的区控器控制风机运行状态。
    手动控制方式  隧道风机由操作员根据计算机推荐的控制方案或CO，VI值和交通量，利用控制方案菜单，手动选择控制方案，确定需要投入运转的射流风机编号及其运行状态(正转、停机)等，通知变电所内的区控器控制风机的运转。
    目前国内隧道通风控制都采用上述直接控制法，由于CO，VI设备可靠性较差，从而降低了通风控制的可靠性。因为没有考虑交通流的发展变化，从而造成风机刚开启时，即使交通量在下降，实际是不需要开风机，但由于设备运转的需要不得不开启风机运行一段时间，从而造成浪费，提高了营运成本。
3．2 系统软件的改进型设计方案
    (1)采用CO，VI和交通量作为控制参数，提高可靠性；
    (2)采用模糊控制法，预测交通流的发展变化趋势，控制既考虑当前需要，又考虑未来发展，并使设备运转平衡，提高使用寿命，降低通风控制营运成本。本项目可采用混合控制方案，如图3，图4所示。

    采用混合控制方案实施的通风控制，结合隧道实际运营状态及发展变化，通过控制风机开启台数，使之既能满足《公路隧道通风照明设计规范JTJ026．1—1999》对环境的要求，又能延长风机使用寿命与节能的目的。由此可见，通风控制涉及通风方式、交通组成与变化、交通状态与变化、风机运行时间及启停时间几方面的因素，作为控制决策，在通风方式确定以后，影响通风的主要因素有隧道内的车辆数和车辆类型，其决定了CO，VI的排放量；车辆行驶速度，决定了车辆在隧道内的滞留时间。从而通风控制问题转换为隧道内车辆数与车辆类型的检测和预测问题。在得到隧道内车辆数与车辆类型的当前和其后一段时间的发展变化规律后，则可计算CO，VI排放量值，得到CO，VI排放量随时间变化的曲线(表)，根据通风计算模型，得到风机开启台数随时间变化的曲线(表)，根据各台风机运行时间和启停时刻记录，选择启动或停止的风机，使风机运转平衡。

4 隧道通风系统实现的模拟仿真分析
    隧道的通风控制采用分区域单机控制方式。风机以一组或一种预先设置的组合为通风控制单元，为了分析方便，在模拟仿真时，以单台风机工作所提供的风量作为测试。其有以下两种工作方式：
    (1)单台风机与通风道部分连接；
    (2)单台风机与通风道完全连接。
    针对以上两种连接结构形式进行了有限元分析模拟。采用流体动力学(CFD)软件CFDesign建立了相应计算模型并进行仿真分析，得到一系列明月峡隧道通风设计的结果。
4．1 单台风机与通风道部分连接的仿真模拟结果
    (1)工况1
    几何参数：通风道长度为50 m；通风道渐变段长度为4 m；连接段长度为7．35 m；轴流风机断面积为3．108 33 m2。
    计算参数：风机流量为114 m3／s；通风道入口处压强为0 Pa；通风道出口处压强为0 Pa。
    对以上工况采用CFDesign仿真模拟，采集到的数据如表1所示。

    (2)工况2
    几何参数：同上。
    计算参数：风机流量为164 m3／s；通风道入口处压强为0 Pa；通风道出口处压强为0 Pa。
    对以上工况采用CFDesign仿真模拟，采集到的数据如表2所示。

4．2 单台风机与通风道完全连接的仿真模拟结果
    (1)工况1
    几何参数：同上。
    计算参数：风机流量为114 m3／s；通风道入口处压强为0 Pa；通风道出口处压强为0 Pa。
    对以上工况采用CFDesign仿真模拟，采集到的数据如表3所示。

    (2)工况2
    几何参数：同上。
    计算参数：风机流量为164 m3／s；通风道入口处压强为0 Pa；通风道出口处压强为0 Pa。
    对以上工况采用CFDesign仿真模拟，采集到的数据如表4所示。

5 结论
    由以上数据可以得出如下结论：
    (1)在所计算的两种工况下，单台风机与通风道部分连接时，风机需要提供的压强较大；而单台轴流风机与通风道完全连接时，风机需要提供的压强则相对比较小。
    (2)从计算结果可以看出，两种不同连接形式，风机所需提供的压强差均大于11％；特别在4．2节所述的工况下，风机所需提供的压强差值达到33．05 ％。
    (3)在不同的工况，当几何尺寸一定时，风机需要提供的压强随流量的增大而增大，这与实际情况是相吻合的。
    (4)根据计算结果，建议明月峡隧道在具体通风系统设计中，采用风机与通风道完全连接的连接方式。