董敏娥

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學院 軌道交通學院，西安 710018)

0 引言

隧道是道路工程中的一種基本形式，在施工技術(shù)不斷提高的背景下，隧道的修建逐漸增多[1]。盡管公路隧道以能改變路線線性、縮短歷程、節(jié)省時間與土地資源、提高運輸效率等優(yōu)勢得到了大規(guī)模的采用，其運營卻在能耗方面讓國家承受了巨大的壓力。這一背景下，以往的通風、照明方法的不適用性愈發(fā)突出。在對通風照明機械控制方式的研究中，國外大致走過了直接控制、間接控制、組合控制與智能控制的研究路線[2-5]。而隨著半導體技術(shù)的發(fā)展與隧道通風照明機械調(diào)節(jié)性能的日益完善，隧道通風照明調(diào)節(jié)方式開始由變頻調(diào)節(jié)對以往的機械調(diào)節(jié)進行取代，經(jīng)過多年的應用與發(fā)展，變頻調(diào)節(jié)因其調(diào)節(jié)方法簡單、有利于隧道通風照明設備壽命、調(diào)節(jié)過程對電網(wǎng)沖擊小且節(jié)能效果好等優(yōu)勢愈發(fā)得到隧道管理部門的認可。對此，文章以節(jié)能理念與思路為基礎，對公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保中變頻技術(shù)的應用進行研究。

1 公路隧道通風與照明設計要領

1.1 通風控制要領與需風量計算

采用前饋式控制方法，根據(jù)進入隧道前區(qū)段的交通信息與洞內(nèi)車輛建設設備檢測到的數(shù)據(jù)，及時掌握隧道內(nèi)交通量、行車速度以及車輛的構(gòu)成，確定車密度大小，根據(jù)車密度值，通過相應的計算得到之后一段時間內(nèi)污染物的濃度空間，并將此濃度預估值作為前饋信號參與控制，同時，將CO/VI傳感器檢測到的污染物濃度作為反饋信號參與控制，以前饋信號與反饋信號為基礎，共同執(zhí)行對通風設備的變頻控制操作。采用該控制方法，可結(jié)合車密度的變化追蹤控制通風設備，波動問題的發(fā)生不會很明顯，在通風設備臺數(shù)較多的長、大型隧道中較為適用。

分析根據(jù)車密度控制通風設備的原理，公路隧道內(nèi)的污染物以CO、HC、NOX、SO2與煙霧為主，其中，CO對人體的危害最大，是隧道通風需風量計算的衛(wèi)生要求指標；煙霧會對駕駛?cè)藛T的視線產(chǎn)生負面影響，這決定隧道通風需風量要根據(jù)滿足衛(wèi)生要求的CO指標及滿足可見度要求的煙霧指標分別計算，取兩個結(jié)果的較大值[6]。

CO排放量計算公式為式(1)。

(1)

式中各字母所代表的涵義分別如下：QCO—隧道全長CO排風量；qCO—CO基準排風量；fa—車況系數(shù)；fd—車密度系數(shù)；fh—海拔高度系數(shù)；fiv—縱坡-車速系數(shù)；fm—車型系數(shù)；n—車型類別數(shù)；Nm—對應的設計交通量。

煙霧排放量計算公式為式(2)。

(2)

式中各字母所代表的涵義分別如下：QVI—隧道全長煙霧排風量；qVI—煙霧基準排風量；fa(VI)—車況系數(shù)；fiv(VI)—縱坡-車速系數(shù)；fh(VI)—海拔高度系數(shù)；fm(VI)—車型系數(shù)；nD—柴油車車型類別數(shù)；Nm—對應車型設計交通量。

根據(jù)以上兩個公式，CO與煙霧的排放量計算均與車密度系數(shù)有關(guān)，且該系數(shù)在兩者的計算中有相同的規(guī)定，它用于小時交通量的修正設計，以此獲悉各種工況下隧道內(nèi)的車輛數(shù)?！豆匪淼劳L照明規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)規(guī)定的車密度系數(shù)值，如表1所示。

表1 車密度系數(shù)規(guī)定

由表1可知，車密度系數(shù)同車速之間存在負相關(guān)關(guān)系，車速增加，車密度系數(shù)會減小，反之，車速降低，車密度系數(shù)會增大。表明在一定條件下，車速降低會導致污染物排放量增大，這要求增大隧道通風的需風量。

1.2 照明亮度計算與控制

隧道內(nèi)外亮度有很大的差別，白天車輛在接近、進入與通過隧道的整個過程中，若沒有照明設備，隧道入口處會類似一個“黑洞”，出口處則類似一個“亮洞”；夜間則剛好與白天相反，這些現(xiàn)象很容易引發(fā)交通事故[7]。對此，《規(guī)范》對隧道入口段、過渡段、中間段以及出口段的亮度進行了規(guī)定。

入口段亮度計算公式為式(3)。

Lth=kL20(S)

(3)

式中各字母所代表的涵義分別如下：k—折減系數(shù)；L20(S)—洞外亮度。

過渡段亮度計算公式為式(4)。

(1)照明段TR1Ltr1=0.3Lth

(2)照明段TR2Ltr2=0.1Lth

(3)照明段TR3Ltr3=0.035Lth

(4)

中間段亮度Lin規(guī)定如表2所示。

表2 中間段亮度規(guī)范

出口段亮度為中間段亮度的5倍。

基于上述照明亮度計算方法與規(guī)范，在隧道內(nèi)進行亮度監(jiān)控裝置的設置，采集、分析與計算相應路段的照明亮度，若亮度不足，則變頻調(diào)節(jié)增強亮度，智能布光，對由于燈具損耗或灰塵、尾氣等因素導致的照明亮度降低進行補償。

2 隧道通風照明節(jié)能環(huán)保中的變頻調(diào)控技術(shù)

2.1 變頻調(diào)控系統(tǒng)

公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保的實現(xiàn)必須構(gòu)建相應的調(diào)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行中利用變頻技術(shù)進行通風設備(風機)與照明設備(LED燈)的調(diào)節(jié)與控制。系統(tǒng)組成模塊包括：控制對象、監(jiān)控系統(tǒng)、上位機、下位機、變頻器以及工業(yè)以太交換機[8]。監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將監(jiān)控信息不間斷地向上位機的信息處理系統(tǒng)傳輸，在接收到監(jiān)控信息之后，信息處理系統(tǒng)快速、高效與準確地對其進行處理，處理完成后向下位機與變頻器(控制系統(tǒng))傳輸處理結(jié)果，根據(jù)所處理的信息，下位機與變頻器發(fā)出控制指令，對控制對象(通風系統(tǒng)與照明系統(tǒng))進行控制，最后，由控制對象根據(jù)指令做出相應的動作。此外，控制對象執(zhí)行動作后的效果(指令執(zhí)行的具體情況、動作后隧道內(nèi)的相關(guān)信息)同樣處于監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控中，監(jiān)控系統(tǒng)亦不斷將這些數(shù)據(jù)向交換機傳輸，此信息變?yōu)樾轮噶钸M一步被執(zhí)行，形成系統(tǒng)循環(huán)作業(yè)。系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)控制對象 主要為通風設備與照明設備，用于提供安全且舒適的交通運營環(huán)境。

(2)監(jiān)控系統(tǒng) 由VI/CO監(jiān)控器、車輛監(jiān)控器以及光敏電阻等設備組成，用于實時監(jiān)控隧道內(nèi)的CO、粉塵濃度以及車流量等信息，同時，實時監(jiān)控被控對象的被控制效果。

(3)上位機 直接發(fā)送控制指令，主要用于實時顯示CO/VI濃度曲線及其歷史濃度值趨勢線、CO/VI濃度值、控制對象的啟停狀態(tài)以及隧道內(nèi)的實時亮度等。

(4)下位機 用于對通風設備與照明設備進行直接控制，此處，選用PLC作為變頻調(diào)控系統(tǒng)的下位機。

(5)變頻器 用于PLC同通風設備及照明設備的連接，分別對通風設備與照明設備進行變頻調(diào)速與無級調(diào)光處理。

(6)以太網(wǎng) 用于PLC與上位機的通信，相較于串口而言通信倍率更高、距離更遠，可實現(xiàn)N通信與遠程監(jiān)控。

2.2 變頻調(diào)控系統(tǒng)運行方案

通風與照明控制子系統(tǒng)選用變電站集中控制模式，隧道監(jiān)控系統(tǒng)配置監(jiān)管計算機(上位機)，并在隧道中進行現(xiàn)場PLC的設置，兩者建立網(wǎng)絡連接，同時，現(xiàn)場設備網(wǎng)絡將變頻控制器連接起來建立與通風、照明設備的連接。隧道現(xiàn)場PLC接收到各類檢測器采集到得數(shù)據(jù)，將其上傳至上位機，由尚未機對實際檢測值與標準值進行比對，然后反饋給現(xiàn)場變頻控制器，進而實現(xiàn)對風機與現(xiàn)場照明設備的控制[9]。

2.3 變頻調(diào)控系統(tǒng)運行中的通風照明節(jié)能環(huán)保技術(shù)

(1)通風機的變頻調(diào)速節(jié)能 風機流量的調(diào)節(jié)有節(jié)流調(diào)節(jié)與調(diào)速調(diào)節(jié)兩種方法，前者風機轉(zhuǎn)速不變，通過變化管路上的閥門開度進行流量的調(diào)節(jié)；后者管路狀態(tài)不變，通過變化風機轉(zhuǎn)速進行流量的調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)中存在大量能量的消耗，節(jié)能目的難以實現(xiàn)，變頻調(diào)節(jié)可對這一問題予以有效解決。對隧道通風機采用變頻控制技術(shù)可基本保證風機的穩(wěn)定與高效運轉(zhuǎn)，且能夠按照需風量的變化對風機轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，控制風機的運行工況[7]。結(jié)合風機相似定律，風量、壓頭、功率及轉(zhuǎn)速的關(guān)系表達式為式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

式中各字母所代表的涵義分別如下：Ps、Gs、Hs—運行工況下風機功率；Pd、Gd、Hd—設計工況下風機額定功率；Ns—運行工況下風機設定轉(zhuǎn)速；Nd—設計工況下設計轉(zhuǎn)速。

經(jīng)分析，風機運行風量正相關(guān)于風機轉(zhuǎn)數(shù)，運行功率與轉(zhuǎn)數(shù)呈三次方比例。風機功率可通過流量qv與風壓H得出式(8)。

(8)

式中各字母所代表的涵義分別如下：P—功率；qv—流量；H—風壓；ρ—密度；η—工況點風機總效率；ηp—風機效率；ηb—調(diào)速機構(gòu)效率。

(2)照明設備的變頻控制節(jié)能 利用雙管式復合電路變頻器對隧道照明設備進行節(jié)能環(huán)保控制。為變頻電源電路如圖2所示。

圖2 照明設備復合電路方式變形半橋型變頻器

電路中電容器C2的容量選擇特別小，參照開關(guān)Tr1、Tr2的斷合工作讓三極管T的勵磁電感、漏電感和電容C2產(chǎn)生諧振，該諧振電路的工作條件為大容量電容器C1、開關(guān)Tr2作為有源濾波器，另外，C1發(fā)揮完全濾波直流電源的作用[10]。復合電路中各項指標分別為：輸入功率0.97、THD11.3%、波峰系數(shù)1.56、電能效率92%，屬于高性能照明電路。

3 變頻技術(shù)在公路隧道通風照明節(jié)能環(huán)保中的應用效果

3.1 系統(tǒng)應用方案實施

系統(tǒng)設計完成之后，將其在模擬公路隧道中進行了應用，模擬隧道內(nèi)外部均進行監(jiān)控系統(tǒng)的設置，用于隧道內(nèi)亮度、VI、CO、車輛行駛速度等因素的檢測，通風設備與照明設備接受變頻調(diào)控。試驗分3種方案進行：方案1，采用傳統(tǒng)方法進行隧道通風照明控制；方案2，分別用變頻通風控制與變頻照明控制替代傳統(tǒng)通風控制與照明控制。

3.2 通風照明設備的變頻調(diào)控節(jié)能效果

首先，分析通風機的變頻調(diào)速節(jié)能效果。流量與風壓的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 風機風壓—流量特性圖

其中，100%n為風機轉(zhuǎn)速為額定值之時風壓與流量的特性；管路阻力曲線對調(diào)節(jié)閥完全打開后管網(wǎng)特性予以反映。兩條曲線的交點D為工作點，該點流量與風壓均為額定值。

設要求流量為65%，需增大管網(wǎng)阻力，此時新的負荷曲線表示為“管路阻力+節(jié)流管網(wǎng)曲線”，風壓對應點為A，相較于qv為100%的情況，因為加大了管網(wǎng)阻力，增大的損失風壓為BC段。對此，實施節(jié)流調(diào)節(jié)任務時，流量越小，風壓損失越大，此即節(jié)流調(diào)節(jié)的不足。若對變速調(diào)節(jié)予以采用，通過對風機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，設置轉(zhuǎn)速為70%n，工況點為E，流量為65%，相較于節(jié)流調(diào)節(jié)，其風壓少了BE段，軸功率面積亦大幅減少，兩者之差即軸功率的節(jié)省(ABEF面積)。由分析得出：方案2變頻技術(shù)既可按照車流密度對風機進行實時控制，又能大幅節(jié)省電量與資源。

其次，分析LED燈的變頻調(diào)控節(jié)能效果。具體的能耗值，如表3所示。

表3 方案1與方案3能耗比較

根據(jù)表3，對方案3較方案1節(jié)省的能耗進行計算，有(7 884-4 730)/7 884×100%=40.00%，亦即采用方案3進行變頻照明調(diào)控可降低約40%的能耗，以電價為0.3元/度計算，該模擬隧道減少的電費開支非?？捎^。若對“有車經(jīng)過點亮、無車關(guān)閉”的調(diào)控照明方案予以實施，降低的能耗將更多。

4 總結(jié)

隧道運營通風照明系統(tǒng)是一個隨著交通量、車速等諸多因素變化的動態(tài)體系，在公路隧道的通風照明系統(tǒng)中，對隧道中通風需風量及照明亮度的計算等問題制約著隧道通風照明技術(shù)的發(fā)展[11]。高效的公路隧道通風照明必須兼顧節(jié)能環(huán)保問題，應用變頻技術(shù)，風機與照明設備在根據(jù)車流密度、車行速度以及隧道可見度等影響因素得到實時控制的同時，亦能實現(xiàn)電量及資源的大幅度節(jié)省。文章將通風節(jié)能環(huán)保與照明節(jié)能環(huán)保作為兩項工作進行分析不足，今后研究可將通風節(jié)能與照明節(jié)能作為一個大系統(tǒng)，基于整個大系統(tǒng)的條件對兩種節(jié)能環(huán)保技術(shù)之間的關(guān)系進行把握，如分析“通透率”、“能耗比”之間的關(guān)系等，最終建立起基于變頻技術(shù)的公路隧道通風與照明的聯(lián)動控制。