黃志偉 彭曉春

摘要：隧道通風(fēng)系統(tǒng)為隧道運(yùn)營(yíng)安全和行車舒適提供有效保障。文章分析了隧道通風(fēng)計(jì)算過(guò)程，梳理了隧道通風(fēng)節(jié)能計(jì)算的相關(guān)思路，采用模糊控制的隧道通風(fēng)控制策略，提高隧道行車環(huán)境的安全性和舒適性，降低隧道通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，從而起到節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng);模糊控制;節(jié)能減排

0 引言

隨著《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018—2030年）》的正式發(fā)布，到2030年，廣西高速公路總里程將達(dá)到15200km，形成“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”的高速公路網(wǎng)。

越來(lái)越多的高速公路向山區(qū)延伸，意味著高速公路橋隧比越來(lái)越高，隧道越來(lái)越長(zhǎng)，由此帶來(lái)的高速公路隧道運(yùn)營(yíng)成本勢(shì)必增加。如何在確保隧道運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)上按需通風(fēng)、有效節(jié)能，成為了迫在眉睫的研究課題。隧道通風(fēng)系統(tǒng)旨在把隧道內(nèi)的煙塵和CO、NO2等汽車排放有害氣體排除到隧道外，提供一個(gè)有利于行車安全和舒適的環(huán)境。而且，在火災(zāi)情況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)形成定向的空氣流動(dòng)，壓制火災(zāi)煙霧避免形成回流，為隧道應(yīng)急疏散、救援提供有利條件。但隧道通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生了巨大的能耗，如何確保通風(fēng)計(jì)算過(guò)程的精確性和通風(fēng)控制方案的合理性，對(duì)降低隧道通風(fēng)系統(tǒng)的初期投資和運(yùn)營(yíng)成本顯得尤為重要。

1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)過(guò)程

本文的高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照《隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定及計(jì)算過(guò)程。

1.1 初步判定

根據(jù)隧道《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定：?jiǎn)蜗蚪煌ㄋ淼?，?dāng)符合式L·N≥2×106時(shí)，可設(shè)置機(jī)械通風(fēng);雙向交通隧道，當(dāng)符合式L·N≥6×105時(shí)，可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。

制定隧道火災(zāi)防煙和排煙的設(shè)計(jì)原則：不同隧道長(zhǎng)度（如：L≤1000m、1000m5000m）的高速公路隧道分別采用火災(zāi)防煙和排煙方式。

1.2 計(jì)算特征年的設(shè)計(jì)交通量

根據(jù)預(yù)測(cè)年度交通量，設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)和方向不均勻系數(shù)等參數(shù)，計(jì)算項(xiàng)目所處路段的設(shè)計(jì)特征年高峰小時(shí)交通量。

1.3 確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算或設(shè)定在設(shè)計(jì)時(shí)速下每10km/h一檔的參數(shù)，主要包括隧道內(nèi)CO允許濃度、隧道煙霧允許濃度、隧道空間不間斷換氣頻率或換氣風(fēng)速，以及隧道火災(zāi)熱釋放率和火災(zāi)臨界風(fēng)速。

1.4 計(jì)算需風(fēng)量

計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)速下每10km/h一檔的稀釋煙塵、CO、換氣的需風(fēng)量，取其較大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量，另根據(jù)火災(zāi)臨界風(fēng)速確定火災(zāi)排煙需風(fēng)量。

1.5 計(jì)算通風(fēng)力及風(fēng)機(jī)數(shù)量

計(jì)算隧道內(nèi)沿程阻力、局部阻力、自然通風(fēng)力、交通通風(fēng)力等，根據(jù)風(fēng)力平衡式：△Pr+△Pm=△Pt+∑△Pj，確定射流風(fēng)機(jī)總升壓力和射流風(fēng)機(jī)數(shù)量。

2 廣西區(qū)內(nèi)隧道通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前廣西區(qū)內(nèi)的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)主要采用的控制方法有反饋控制法、程序控制法。

2.1 反饋控制法

反饋控制法如圖1所示，隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC采集CO/NO2、方向風(fēng)速值，通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制程序判斷是否超出閾值，并根據(jù)結(jié)果自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟停。也可以由本地PLC輸出報(bào)警信號(hào)至路段監(jiān)控分中心，由監(jiān)控值班人員進(jìn)行遠(yuǎn)程確認(rèn)后自動(dòng)控制，或采取遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。該方法以預(yù)先設(shè)定的閾值為判定依據(jù)，當(dāng)檢測(cè)值超出閾值時(shí)，即控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間，使隧道內(nèi)CO/VI檢測(cè)值逐漸接近并低于設(shè)定值，改善隧道環(huán)境。

顯然，由于CO/NO2檢測(cè)器采用點(diǎn)式采集方式，無(wú)法全方位實(shí)時(shí)反映隧道內(nèi)實(shí)際環(huán)境情況，使采用反饋控制法的隧道通風(fēng)系統(tǒng)具有一定的延時(shí)性。

2.2 程序控制法

基于隧道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，運(yùn)營(yíng)單位統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段的交通量及隧道內(nèi)環(huán)境情況，分析隧道內(nèi)污染物變化規(guī)律后，制定出分時(shí)段開啟風(fēng)機(jī)的通風(fēng)控制策略，將控制策略轉(zhuǎn)化為通風(fēng)自動(dòng)控制程序。該方法靈活性較差，僅適用于污染物規(guī)律性變化的隧道環(huán)境。

3 改進(jìn)型隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究

考慮隧道阻滯工況和火災(zāi)工況發(fā)生的概率較低，本文僅對(duì)日常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)工況進(jìn)行研究。日常運(yùn)營(yíng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)以滿足行車安全性及舒適性為基本準(zhǔn)則，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與縱坡、隧道長(zhǎng)度、時(shí)速及交通量存在緊密聯(lián)系。其中，時(shí)速和交通量作為變量因子，對(duì)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的節(jié)能控制策略研究具有較高價(jià)值。

總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)度<4km的隧道憑借活塞風(fēng)的作用即可滿足隧道日常運(yùn)營(yíng)的通風(fēng)、除塵、換氣要求;長(zhǎng)度>4km的隧道，在交通量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)需要開啟一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)除塵、換氣，并且隨著隧道長(zhǎng)度增加，通風(fēng)除塵成為隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要功能要求。來(lái)賓至都安高速公路的龍灣2號(hào)隧道長(zhǎng)度約為5km，本文以此為研究對(duì)象，分析時(shí)速、交通量對(duì)于隧道通風(fēng)系統(tǒng)的擾動(dòng)關(guān)系。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)-時(shí)速關(guān)系分析

圖2所示曲線基本規(guī)律包括以下兩點(diǎn)：

（1）近景年

當(dāng)隧道行車時(shí)速>60km/h時(shí)，隧道所需風(fēng)機(jī)升壓力<0，即不需要開啟風(fēng)機(jī);隧道行車時(shí)速<60km/h時(shí)，隧道行車時(shí)速越低，隧道所需風(fēng)機(jī)升壓力越大，開啟的風(fēng)機(jī)也越多。

（2）遠(yuǎn)景年

當(dāng)隧道行車時(shí)速處于90～120km/h之間時(shí)，行車時(shí)速越小，則隧道所需風(fēng)機(jī)升壓力越大;當(dāng)隧道行車時(shí)速處于70～90km/h之間時(shí)，行車時(shí)速越小，則隧道所需風(fēng)機(jī)升壓力越小;當(dāng)隧道行車時(shí)速處于10～70km/h之間時(shí)，行車時(shí)速越小，則隧道所需風(fēng)機(jī)升壓力越大。

不同時(shí)速下對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的需求不同，基于時(shí)速的通風(fēng)控制策略輸出，可避免通風(fēng)不足或風(fēng)能過(guò)剩的情況發(fā)生，對(duì)精細(xì)化控制具有積極意義。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)-交通量關(guān)系分析

如圖3所示，說(shuō)明交通量和隧道通風(fēng)系統(tǒng)之間存在最佳平衡點(diǎn)，即當(dāng)交通量為某個(gè)值時(shí)，對(duì)機(jī)械通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力的額外需求最小，直接反映為需開啟的風(fēng)機(jī)數(shù)量最少，當(dāng)交通量高于或低于該交通量時(shí)，即表現(xiàn)為需開啟的通風(fēng)換氣風(fēng)機(jī)或通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)數(shù)量的直接增加。

3.3 基于模糊控制決策的通風(fēng)控制方法

隧道通風(fēng)需風(fēng)量和所需射流風(fēng)機(jī)升壓力的變化規(guī)律與隧道行車時(shí)速、交通量密切相關(guān)，根據(jù)二者的變化趨勢(shì)，采用模糊化的控制方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。如圖4所示，輸出最優(yōu)化的通風(fēng)控制策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)，確保隧道行車安全性和舒適性。

（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道內(nèi)行車平均車速，模糊化其變化規(guī)律，作為通風(fēng)控制系統(tǒng)的輸入因子。

（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道內(nèi)交通量，模糊化其變化規(guī)律，作為通風(fēng)控制系統(tǒng)的輸入因子。

（3）根據(jù)平均車速，動(dòng)態(tài)調(diào)整CO、VI設(shè)定值，采用模糊控制策略控制射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文指出當(dāng)前隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足之處，基于通風(fēng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析，提出更為完善的控制設(shè)計(jì)方案。利用模糊控制決策方法，消除隧道通風(fēng)不足和能耗過(guò)剩的現(xiàn)象，為精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)管理提供可靠的理論基礎(chǔ)和科學(xué)技術(shù)手段，對(duì)不斷完善的智能化運(yùn)維管理和智慧高速發(fā)展具有積極推進(jìn)作用。

本文研究的重點(diǎn)在于隧道內(nèi)行車環(huán)境對(duì)通風(fēng)設(shè)計(jì)算法的影響，對(duì)于隧道外場(chǎng)的環(huán)境變化會(huì)給隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)多大影響，目前尚未做深入研究。下一步研究的重點(diǎn)將在以下幾個(gè)方面：

（1）隧道洞內(nèi)外溫度場(chǎng)變化對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

（2）隧道洞外自然風(fēng)與隧道通風(fēng)節(jié)能的關(guān)系研究。

（3）隧道照明燈具技術(shù)發(fā)展對(duì)煙塵設(shè)計(jì)濃度的取值影響。

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