一種改進型隧道通風控制系統的設計和仿真分析

劉雪亭,韓鵬

摘 要：以明月峽隧道通風控制系統設計為背景，對明月峽隧道通風控制系統的功能進行了深入具體地分析研究，提出一種改進型明月峽隧道通風控制系統設計方案，最后對方案進行仿真分析，實現通風方案的比選和優化，為隧道火災通風設計提供科學指導。

關鍵詞：明月峽隧道； 通風控制； 車流量； 仿真

中圖分類號：TN911-34`

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0145-04

Design and Emulation of Improved Tunnel Ventilation Control System

LIU Xue-ting,HAN Peng

(Sichuan Information Technology College,Guangyuan 628017,China)

Abstract： Motivated by the ventilation control system design requirements of Mingyuexia Tunnel,the functions of tunnel ventilation control system are investigated and analyzed attentively. An improved plan of Mingyuexia Tunnel ventilation system is proposed. The emulation analysis for the ventilation scheme is conducted. The selection and optimization of the ventilation scheme for the tunnel were carried out triumphantly. A scientific instruction for designing the tunnel fire ventilation control system is provided.

Keywords： Mingyuexia Tunnel; ventilation control; traffic flow rate; emulation analysis

0 引 言

國道108線廣元段沙溪壩至棋盤關公路包括劍門關至凌江高速公路；凌江至瓷窯鋪一級公路；瓷窯鋪至棋盤關二級公路。該設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指標如下：

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。

公路隧道通風控制系統是保證隧道內車輛運營安全和效率的關鍵。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濃度的作用，高效可靠的隧道通風控制系統可以使隧道中各種通風機電設備最大限度地發揮作用，使運營條件惡劣的隧道內的服務水平與整個高速公路其他路段相適應。所以本文對明月峽隧道通風控制系統進行了深入具體地分析研究，提出一種改進型通風控制系統設計方案并對其進行仿真分析。

1 隧道通風控制系統功能描述

通風控制系統主要是對隧道的通風狀況和風機的運行狀態進行檢測，具備數據采集處理功能、風機控制功能和運轉狀態反饋功能及全部信息的記錄功能。并能夠根據隧道內的風速、風向、CO,VI的數據信息以及風機轉向給出相應的控制方案，對隧道風機的開啟、停止、正反轉工作狀態進行控制。系統要具備正常情況條件下的通風控制功能和發生火災條件下的通風控制功能。

1.1 正常通風控制方案

本方案采用分區域單機控制方式［1］，控制通風系統的運行。

在通風監控系統中，根據隧道內車行方向、地理特征和建筑特征等實際具體的特征，考慮到隧道火災狀況等因素，將隧道通風狀況分成區域進行總體控制。

在自動控制方式下，通風系統由隧道監控中心計算機及現場通風控制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系統保持在預先設定的范圍內。通常情況下，風機的控制順序取決于風機工作時間，這樣工作時間最短的風機將被放在優先起動的位置。

1.2 火災排煙方案

火災發生時，依據隧道內火災位置，按照防災排煙方案采用緊急狀態的排煙措施，按洞內縱向風速為2～3 m/s控制風機運行，控制火勢及煙霧的擴散速度及范圍［2］。

1.3 設備監測

(1) 風速風向檢測

實時檢測隧道內平行于隧道壁面的風向、風速數據，用以判斷通風系統運行狀況。

(2) 軸流風機檢測

軸流風機及其控制設備是保證隧道正常運營的最重要、最昂貴的設備，設置在通風豎井附近地下風機房內。地下風機房遠離隧道口，陰冷潮濕，空氣污染嚴重，不適合工作人員長期值守。為保障隧道內司機和乘客的安全和舒適，軸流風機需在惡劣的環境下連續運轉，因此，應及時掌握軸流風機的運行工況，監測其主要部件的工作參數(如主電機的溫升等)。并將這些參數定時傳送至中控室，進行遠程監測。

(3) 射流風機狀態檢測

實時檢測射流風機的正轉、反轉和停機狀態,并將風機工作時間進行記錄。

(4) CO檢測器、能見度檢測器、風速風向儀工作狀態檢測

定期檢測CO檢測器、能見度檢測器、風速風向儀的工作狀態，設備故障時發出報警信息。

2 隧道通風控制系統硬件設計

通風控制采用分區域單機控制方式(也介紹了前饋式模糊控制方式，即通過預測短期交通量，控制通風系統，以達到節約能源的目的)。

系統由CO及能見度檢測儀、風速風向儀、通風控制計算機、軸流風機控制器、射流風機控制器及軸流風機、射流風機組成。

(1) CO,VI檢測器布置：CO,VI檢測器自動測定隧道內燈光照明下的合成能見度，自動測定隧道內CO濃度分布，能見度及CO濃度檢測器設在主隧道內，每個通風段內設置3臺，設置間距依據通風段長度不同而不同。每段最后一臺設于距通風豎井排風通道口或隧道出口100~150 m范圍內［3］。

(2) 風速風向檢測儀：實時檢測隧道內平行于隧道壁面的風向、風速數據，用以判斷通風系統運行狀況。風速風向檢測器設在通風豎井出入口處主隧道內、距隧道出口100～150 m范圍內及豎井與隧道聯絡風道內。

(3) 豎井處的軸流風機：布置在隧道三處豎井的地下風機房內，依據交通量及隧道內的坡度，軸流風機有時處于并聯運行狀態中［4］。

(4) 隧道內的射流風機：均勻布置在隧道內，間隔約350 m/臺。

風機設置界面如圖1所示。

圖1 風機設置界面圖

3 隧道通風控制系統的軟件設計

3.1 傳統系統的軟件設計方案

綜合本地區的氣候特征及本隧道實際的交通量、環境條件等因素，隧道的通風控制采用分區域單機控制方式。

在各通風控制區域中設置隧道專用CO,VI檢測裝置，定點定時檢測隧道內煙霧及CO的濃度，實時通風控制時根據檢測裝置的檢測值，逐一連續按需啟動或停止風機，從而較理想地實現隧道的通風控制。

3.1.1 正常情況下的通風控制

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生的風速足夠完成隧道通風，則射流風機組無需啟動；若測點CO濃度δ>250 ppm或煙霧濃度K>0.009 m-1，并持續15 min，射流風機已全部啟動，則禁止車輛進入，關閉隧道［5］。

單向交通狀態下，由于本隧道的通風控制檢測裝置設置在通風控制區域的兩端及區域結合部，同時在這種狀態下，隧道內CO濃度分布情況是由隧道入口端至出口端逐漸遞增，因此，在每個區域內檢測點CO濃度最大值δ大于安全值時，風機由出口端向入口端逐一連續的順序啟動，關機順序則相反。測點CO濃度最大值δ每增加15 ppm，并持續5 min，則增開1對風機；測點CO濃度最大值δ每減少15 ppm，并持續5 min，則關閉1對風機。同樣，測點煙霧濃度每增加0.000 4 m-1，并持續5 min，則增開1對風機；測點煙霧濃度每減少0.000 4 m-1，并持續5 min，則關閉1對風機。

雙向交通狀態下，若測點CO濃度δ>250 ppm，則同時啟動所有風機。

隧道通風控制系統流程圖如圖2所示。

3.1.2 火災情況下的通風控制

若某條隧道發生火災，開啟該隧道內的所有風機，控制隧道風速為2.5 m/s左右，按原通風方向排煙；特殊情況下，如火災發生點靠近原通風方向的上游洞口，且在原通風方向的下游段停滯的車輛很多，而上游段車輛很少時，用控制隧道內風速的方法，采用風速零化措施，開啟隧道兩端的集中排風和進風風機，限制煙霧向下擴散，盡快將火災煙霧排出隧道，并確保良好的避難環境。

圖2 隧道通風控制系統流程圖

各隧道正常單向行車時，以測報的CO,VI值為主要參數，使用計算機程序進行風機的自動控制［6］。風機以一組或一種預先設置的組合為通風控制單元，控制周期為10 min。

隧道在雙向行車時，當設置的風機全部投入使用后CO濃度值將放寬到250 ppm。利用平時積累的經驗參數車流量，按通風設備能力限制交通量。可以采用手動調節方式作為輔助手段。

自動控制 隧道風機由隧道管理計算機根據通風控制原則，編制自動控制程序，自動選擇控制方案，通知變電所內的區控器控制風機運行狀態。

手動控制方式 隧道風機由操作員根據計算機推薦的控制方案或CO,VI值和交通量，利用控制方案菜單，手動選擇控制方案，確定需要投入運轉的射流風機編號及其運行狀態(正轉、停機)等，通知變電所內的區控器控制風機的運轉。

目前國內隧道通風控制都采用上述直接控制法［7］，由于CO,VI設備可靠性較差，從而降低了通風控制的可靠性。因為沒有考慮交通流的發展變化，從而造成風機剛開啟時，即使交通量在下降，實際是不需要開風機，但由于設備運轉的需要不得不開啟風機運行一段時間，從而造成浪費，提高了營運成本。

3.2 系統軟件的改進型設計方案

(1) 采用CO,VI和交通量作為控制參數，提高可靠性；

(2) 采用模糊控制法［8］，預測交通流的發展變化趨勢，控制既考慮當前需要，又考慮未來發展，并使設備運轉平衡，提高使用壽命，降低通風控制營運成本。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控制，結合隧道實際運營狀態及發展變化，通過控制風機開啟臺數，使之既能滿足《公路隧道通風照明設計規范JTJ026.1-1999》對環境的要求，又能延長風機使用壽命與節能的目的。由此可見，通風控制涉及通風方式、交通組成與變化、交通狀態與變化、風機運行時間及啟停時間幾方面的因素，作為控制決策，在通風方式確定以后，影響通風的主要因素有隧道內的車輛數和車輛類型，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的滯留時間。從而通風控制問題轉換為隧道內車輛數與車輛類型的檢測和預測問題［9］。在得到隧道內車輛數與車輛類型的當前和其后一段時間的發展變化規律后，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)，根據通風計算模型，得到風機開啟臺數隨時間變化的曲線(表)，根據各臺風機運行時間和啟停時刻記錄，選擇啟動或停止的風機，使風機運轉平衡。

圖3 控制流程圖

4 隧道通風系統實現的模擬仿真分析

隧道的通風控制采用分區域單機控制方式。風機以一組或一種預先設置的組合為通風控制單元，為了分析方便，在模擬仿真時，以單臺風機工作所提供的風量作為測試。其有以下兩種工作方式：

(1) 單臺風機與通風道部分連接；

(2) 單臺風機與通風道完全連接。

針對以上兩種連接結構形式進行了有限元分析模擬。采用流體動力學(CFD)軟件CFDesign［10］建立了相應計算模型并進行仿真分析，得到一系列明月峽隧道通風設計的結果。

圖4 控制方案圖

4.1 單臺風機與通風道部分連接的仿真模擬結果

(1) 工況1

幾何參數：通風道長度為50 m；通風道漸變段長度為4 m；連接段長度為7.35 m；軸流風機斷面積為3.108 33 m2。

計算參數：風機流量為114 m3/s；通風道入口處壓強為0 Pa；通風道出口處壓強為0 Pa。

對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數據如表1所示。

表1 斷面計算數據表（一）

斷面

指標

流量 /m3速率 /(m/s)相對靜壓 /Pa絕對靜壓 /Pa絕對總壓 /Pa

風道入口114.8565.175 310101 325101 344

風道出口116.3827.166 570101 325101 364

風機入口112.36129.420 1-1 097.55100 227100 848

風機出口114.48129.459 1112.225 8101 437.225 7102 008.3

(2) 工況2

幾何參數：同上。

計算參數：風機流量為164 m3/s；通風道入口處壓強為0 Pa；通風道出口處壓強為0 Pa。

對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數據如表2所示。

4.2 單臺風機與通風道完全連接的仿真模擬結果

(1) 工況1

幾何參數：同上。

計算參數：風機流量為114 m3/s；通風道入口處壓強為0 Pa；通風道出口處壓強為0 Pa。

表2 斷面計算數據表(二)

斷面

指標

流量 /m3速率 /(m/s)相對靜壓 /Pa絕對靜壓 /Pa絕對總壓 /Pa

風道入口164.2367.398 350101 325101 364

風道出口166.25810.239 20101 325101 404

風機入口160.51642.028 7-2 224.5199 100.5100 366

風機出口163.54542.084 5130.061101 455.061102 720.56

對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數據如表3所示。

表3 斷面計算數據表(三)

斷面

指標

流量 /m3速率 /(m/s)相對靜壓 /Pa絕對靜壓 /Pa絕對總壓 /Pa

風道入口114.7185.100 180101 325101 344

風道出口117.2777.245 040101 325101 364

風機入口114.48129.459 1-960.073100 365100 986

風機出口114.48129.459 1160.735101 486102 107

(2) 工況2

幾何參數：同上。

計算參數：風機流量為164 m3/s；通風道入口處壓強為0 Pa；通風道出口處壓強為0 Pa。

對以上工況采用CFDesign仿真模擬，采集到的數據如表4所示。

表4 斷面計算數據表(四)

斷面

指標

流量 /m3速率 /(m/s)相對靜壓 /Pa絕對靜壓 /Pa絕對總壓 /Pa

風道入口163.8047.413 850101 325101 365

風道出口167.55510.368 50101 325101 406

風機入口163.54542.084 5-1 671.9399 653.1100 921

風機出口163.54542.084 5228.849101 554102 821

5 結 論

由以上數據可以得出如下結論：

(1) 在所計算的兩種工況下，單臺風機與通風道部分連接時，風機需要提供的壓強較大；而單臺軸流風機與通風道完全連接時，風機需要提供的壓強則相對比較小。

(2) 從計算結果可以看出，兩種不同連接形式，風機所需提供的壓強差均大于11%；特別在4.2節所述的工況下，風機所需提供的壓強差值達到33.05%。

(3) 在不同的工況，當幾何尺寸一定時，風機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) 根據計算結果，建議明月峽隧道在具體通風系統設計中，采用風機與通風道完全連接的連接方式。

參考文獻

［1］馮威．越江隧道的通風控制模型及控制方法研究［D］．上海：同濟大學，2007.

［2］王明年．終南山特長公路隧道火災模式下網絡通風研究［J］．地下空間，2002(3)：65-71.

［3］潘勇，趙曉峰，王紅燕．公路隧道通風消防設計的合理性探討［J］．公路交通科技：應用技術版，2006(7)：35-37.

［4］關寶樹．公路隧道縱向通風數值模擬［J］．西南交通大學學報，2000(2)：43-47.

［5］胡彥杰，龍正聰．雪峰山隧道通風系統設計［J］．中南公路工程，2006(1)：134-140.

［6］藍紅莉．公路隧道環境計算機模擬及其通風系統控制研究［D］．上海：華東師范大學，2005.

［7］崔海龍，孫大躍，屈立成．高速公路隧道監控系統的研究與設計［J］．交通與計算機，2006,24(4)：61-64.

［8］何川，李祖偉，方勇，等．公路隧道通風系統的前饋式智能模糊控制［J］．西南交通大學學報，2005,40(5)：575-579.

［9］耿春光．隧道通風控制系統［J］．山西交通科技，2005(4)：56-63.

［10］魏斌．基于CFD仿真的隧道通風模糊控制算法［J］．公路工程，2008(6)：23-27.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文