二級公路隧道通風系統(tǒng)的設計及遠程控制

辛志陶

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

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二級公路隧道通風系統(tǒng)的設計及遠程控制

辛志陶

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

公路隧道通風系統(tǒng)是公路隧道機電系統(tǒng)的重要組成部分。隧道內(nèi)空間相對閉塞，空氣質(zhì)量差、能見度低等特點，對隧道的通風提出了要求。本文結合二級公路孝辛線石口至石樓段灌林巖山隧道的實際情況,根據(jù)隧道內(nèi)的能見度和污染物濃度值對隧道需風量的計算，得出隧道應安裝風機的數(shù)量，并通過對風機的遠程控制使隧道通風系統(tǒng)得到實現(xiàn)。

公路隧道；通風系統(tǒng)；遠程控制

1 系統(tǒng)概述

在公路隧道內(nèi)，汽車行駛時排放的有害氣體(主要是一氧化碳)和煙塵，影響空氣質(zhì)量和降低了隧道內(nèi)行車的能見度，危及了人體健康及行車安全。所以為了稀釋汽車排放的污染物濃度，保持隧道內(nèi)視線清晰和空氣新鮮，確保人體健康和行車安全，需要進行隧道通風系統(tǒng)設計。通風系統(tǒng)的啟動、停止及故障檢測，在實踐中人們都是通過計算機軟件進行遠程控制來得到實現(xiàn)。

2 隧道通風系統(tǒng)設計

2.1 隧道通風原理

公路隧道的通風原理，是通過向隧道注入新鮮空氣，稀釋洞內(nèi)由汽車排出的廢氣和煙塵，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙塵透過率能保證司乘人員的身體健康和行車安全。

2.2 通風方式

隧道通風分為自然通風和機械通風兩大類。自然通風是通過氣象因素形成的隧道內(nèi)空氣流動，以及機動車從洞外帶入新鮮空氣來實現(xiàn)隧道內(nèi)外的空氣交換。機械通風是通過風機作用使空氣沿著預定路線流動來實現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換。對于雙向交通隧道，判斷隧道是否需要設置機械通風的經(jīng)驗公式為：

L·N≥6×105.

式中：L為隧道長度(m)；N為設計小時交通量(veh/h)。

當滿足此公式的條件時，隧道可設置機械通風。

經(jīng)過計算，灌林巖山隧道2024年設計交通量N=651 veh/h，隧道長L=998 m，L·N=6.5×105>6×105，所以2024年可設置機械通風；本隧道2031年設計交通量N=626 veh/h，隧道長L=998 m，L·N=6.2×105>6×105，所以2031年可設置機械通風。

公路隧道通風方式的選擇應綜合考慮隧道的平縱指標、交通量、氣象條件、地錨、經(jīng)濟性等因素。采用縱向通風方式時，雙向交通且長度L≤3 000 m的隧道可采用全射流縱向通風方案。

2.3 灌林巖山隧道主要技術參數(shù)

1) 道路等級：二級公路

2) 交通方式：單洞兩車道雙向行駛

3) 隧道長度998 m和坡度-2.8

4) 設計行車車速：60 km/h

5) 方向分布系數(shù)：0.50

6) 設計小時交通量系數(shù)：0.11

7) 設計年限：近期為2024年，遠期為2031年

8) 隧道斷面：斷面面積58.7 m2，周長29.84 m。

2.4 隧道通風標準

隧道內(nèi)的廢氣總量和煙塵濃度，與汽車的排污強度以及隧道內(nèi)的車流密度成正比；送入隧道內(nèi)的新風量又取決于保證隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量的衛(wèi)生標準。公路隧道通風設計的衛(wèi)生標準應以稀釋機動車排放的一氧化碳(CO)為主。公路隧道通風設計的安全標準應以稀釋機動車排放的煙塵為主。

2.4.1 CO設計濃度δ

1) 采用全橫向通風與半橫向通風方式時：

隧道長度l(m)≤1000m≥3000δ(ppm)250200

注：當隧道長度處于1 000 m和3 000 m之間時，可采用內(nèi)插法取值

2) 采用縱向通風方式時：

隧道長度l(m)≤1000m≥3000δ(ppm)300250

3) 人車混合的通行的隧道CO濃度設計標準為：

隧道長度l(m)≤1000m≥2000δ(ppm)150100

4) 灌林巖山隧道長度998 m，交通阻滯時，阻滯段的平均CO設計濃度δ(ppm)可取150 cm3/m3，同時時間不宜超過20 min。隧道內(nèi)20 min內(nèi)的平均NO2設計濃度δ(ppm)取1.0 cm3/m3，隧道內(nèi)養(yǎng)護維修時，隧道作業(yè)空氣段空氣的CO允許濃度不大于30 cm3/m3，本隧道內(nèi)CO取值150 cm3/m3。

2.4.2 Ⅵ設計濃度

1) 灌林巖山隧道采用熒光燈、LED燈作為光源，所以按下表取值：

設計車速(km/h)100806040鈉燈光源K(1/m)0.00500.00650.00700.0075

2) 隧道內(nèi)養(yǎng)護作業(yè)時，隧道作業(yè)段空氣的煙塵允許濃度不應大于0.003 0 m-1。

2.4.3 換氣要求

1) 隧道空間最小換氣頻率不應低于每小時3次。

2) 采用縱向通風的隧道，隧道換氣風速不應低于1.5 m/s。

3) 灌林巖山隧道內(nèi)換氣頻率每小時3次，換氣風速1.5 m/s。

2.5 隧道需風量計算

隧道內(nèi)需風量的計算主要包括CO排放量、稀釋CO所需風量、煙霧排放量、稀釋煙霧所需風量和火災情況下所需風量，然后取其中最大值作為計算風機數(shù)量的參考值。

2.5.1 隧道內(nèi)CO濃度計算

★ 正常交通時，2000年的機動車尾排有害氣體中的CO的基準排放量應取0.007 m3/(veh·km)。

★ 交通阻滯時車輛按照怠速考慮，2000年的機動車尾排有害氣體中CO的基準排放量應取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段的計算長度不宜大于1 000 m。

★ 灌林巖山隧道設計近期2024年CO的基準排放量qco=0.007×(1-0.02)24，取0.004 3 m3/(veh·km)；設計遠期2031年CO的基準排放量qco=0.007×(1-0.02)30，取0.003 8 m3/(veh·km)。

★ 隧道內(nèi)CO濃度計算公式：

★ 稀釋CO的需風量計算公式：

2.5.2 隧道內(nèi)煙霧排放量計算

★ 2000年的機動車尾排有害氣體中煙塵的基準排放量取2.0m2，可分別得出灌林巖山隧道設計近期2024年煙塵的基準排放量qⅥ=2×(1-0.02)24，取1.23m2/(veh·km);設計遠期2031年煙塵的基準排放量qⅥ=2×(1-0.02)30，取1.091.23m2/(veh·km)。根據(jù)行車速度分別按60km/h、50km/h、40km/h、30km/h、20km/h時的工況計算。

★ 隧道內(nèi)煙霧排放量計算公式：

★ 稀釋隧道內(nèi)煙霧的需風量計算：

2.5.3 隧道換氣需風量計算

Qrep(Ⅵ)=Ar·L·Nm/3 600.

Qrep(Ⅵ)=VOC·Ar.

2.5.4 灌林巖山隧道需風量計算結果

近期隧道對應不同控制指標的設計需風量(2024年)

不同控制指標的設計需風量(m3/s)煙塵CO換氣設計需風量(m3/s)91.192.188.192.1

遠期隧道對應不同控制指標的設計需風量(2031年)

不同控制指標的設計需風量(m3/s)煙塵CO換氣設計需風量(m3/s)90.090.588.190.5

2.6 風機數(shù)量計算

2.6.1 隧道自然通風力

1) 通風計算中，應將自然通風力作為隧道通風阻力考慮；當確定自然風作用引起的隧道內(nèi)風速常年與風向一致時，宜作為隧道通風動力考慮。

2) 自然風作用引起的洞內(nèi)風速宜根據(jù)隧道長度、縱坡等確定；當未取得調(diào)查結果時，可取2.0～3.0 m/s。

3) 灌林巖山隧道將自然通風力作為隧道阻力考慮，洞內(nèi)風速2.5 m/s。

4) 計算公式為：

2.6.2 隧道交通通風力

1) 隧道交通通風力應按下列原則確定：

★ 單向交通時，交通通風力宜作為動力考慮；當工況車速小于設計風速時，交通通風力應作為阻力考慮。

★ 雙向交通時，交通通風力宜作為阻力考慮。

★ 交通通風力應按設計車速以下各工況車速分別計算。

★ 灌林巖山隧道是雙向交通隧道，交通通風力作為阻力考慮。

2) 單洞雙向交通隧道交通通風力計算公式：

2.6.3 隧道通風阻力

隧道通風阻力的計算公式：

2.6.4 射流風機升壓力

1) 采用全射流縱向通風方式，在隧道內(nèi)風流穩(wěn)定情況下，射流風機增加的風壓與隧道內(nèi)的自然通風力、交通通風力和隧道通風阻力相平衡。

隧道內(nèi)的壓力平衡應滿足如下公式：

ΔPr+ΔPn=ΔPt+∑ΔPj.

2) 射流風機升壓力的計算公式：

∑ΔPj=ΔPr+ΔPn-ΔPt.

2.6.5 計算風機臺數(shù)

1) 每臺射流風機升壓力的計算公式為：

2) 在滿足隧道設計風速Vr的條件下，射流風機臺數(shù)的計算公式為：

i=(ΔPr+ΔPn-ΔPt)/ΔPj.

2.6.6 風機臺數(shù)確定

灌林巖山隧道通風設計年限近期為2024年，遠期為2031年，確定隧道風機數(shù)量如下表所示：

風機類型射流風機風機臺數(shù)(臺)近期遠期(增加)40風機備用臺數(shù)(臺)2

2.6.7 風機的安裝

灌林巖山隧道，風機每2臺1組，每組風機縱向間距150 m，均布置在隧道行車方向進口和出口端。

3 隧道通風系統(tǒng)的控制

通風系統(tǒng)的控制分三種方式：人工控制、自動控制和智能控制?，F(xiàn)階段風機的控制采用自動控制為主，手動控制為輔的控制方式。隧道中的風機安裝主要包括：風機的吊裝、控制箱的安裝、電源線及信號線敷設及遠程調(diào)試工作。遠程控制調(diào)試是在現(xiàn)場運行正常后進行。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

通風控制系統(tǒng)主要由一氧化碳濃度/能見度檢測設備、隧道內(nèi)本地控制器、風機控制柜、通風設備配電柜、隧管站監(jiān)控系統(tǒng)計算機、射流風機、監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理軟件等設備組成。

3.2 控制系統(tǒng)傳輸圖

圖1 控制系統(tǒng)傳輸圖

3.3 控制原則

1) 保持隧道內(nèi)的環(huán)境指標在標準允許的范圍內(nèi)，主要包括CO、VI、和風速等。

2) 將CO濃度和能見度的數(shù)值分為若干等級，與投入運行的風機臺數(shù)及運轉時間相對應。

3) 風機控制周期在10 min最好。

4) 風機的啟動和停止不宜過多；隧道內(nèi)某一段內(nèi)的一氧化碳或能見度超出范圍值，應先啟動比較靠近的風機。

5) 每臺風機啟動間隔時間應大于30 s，減少對電網(wǎng)的沖擊。

6) 應具備在通風環(huán)境監(jiān)測設備出現(xiàn)故障的情況下由應急通風控制措施和預案。

3.4 通風系統(tǒng)的控制

自動控制系統(tǒng)是指以一氧化碳檢測器、能見度檢測器、風速風向檢測器、車輛檢測器等設備采集數(shù)據(jù)由通風區(qū)域控

制單元或監(jiān)控計算機對風機的啟動、停止進行控制，每組射流風機由一套射流風機控制柜對射流風機進行控制，也可在監(jiān)控室內(nèi)實現(xiàn)對射流風機的遠程控制。風機控制柜內(nèi)設置軟啟動器，以防止風機電流過大而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

風機控制與隧道內(nèi)的PLC相連，管理、維護人員可在隧道內(nèi)完成風機的手動、自動操作，也可通過隧道變電所內(nèi)的主PLC實現(xiàn)遠程控制。

在隧道發(fā)生火災后，隧道中控系統(tǒng)立即進入救災聯(lián)動程序，關閉隧道，同時啟動一定數(shù)量的風機，控制隧道煙氣流動方向，向距火災點最近的洞口排煙，背離火災點的車輛繼續(xù)向前行駛，迅速離開隧道；向火災點行駛的車輛應該按照指示直接由隧道撤離。

隧道通風的自動控制標準主要取決于隧道內(nèi)的環(huán)境標準，即CO濃度和能見度標準，目前采用CO濃度的數(shù)據(jù)采集設備主要利用的是紅外吸收原理，CO/VI檢測器主要由發(fā)射/接收接頭和反射頭組成，由發(fā)射/接收頭向數(shù)米遠外的反射頭發(fā)出紅外線，再經(jīng)反射頭反射到發(fā)射/接收頭，通過測量特定紅外波的衰減測量CO濃度，能見度的測量是通過另一分離通道來測量的，原理和CO的測量一樣。測量值的輸出是4～20 mA標準模擬信號，經(jīng)過RS485接口傳輸至隧道內(nèi)本地控制器，然后由本地控制器對傳輸回來的數(shù)據(jù)進行匯集整理，傳輸至以太網(wǎng)交換機后，經(jīng)以太網(wǎng)光端機傳輸至隧道管理站監(jiān)控系統(tǒng)計算機，從而進行上位機程序的遠程控制。

4 結論

公路隧道通風系統(tǒng)的設計，根據(jù)隧道內(nèi)的能見度和污染物濃度值，通過對隧道需風量的計算，得出隧道應安裝風機的數(shù)量，結合本地控制系統(tǒng)對風機的遠程控制使隧道通風系統(tǒng)運行，稀釋洞內(nèi)由汽車排出的廢氣和煙塵，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙塵透過率得到改善，保證了司乘人員的身體健康和行車安全。

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The Design and Remote Control of Secondary Road Tunnel Ventilation System

Xin Zhitao

(ShanxiXinAutomationEngineeringCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

The highway tunnel ventilation system is an important constituent part of highway tunnel electromechanical system.For the space in tunnel is relatively closed,poor air quality and low visibility,so the requirements for the tunnel ventilation is put forward.Combined with the actual situation of Guanlinyan Mountain tunnel which belongs to the secondary road of Xiao Xin Line from Shikou to Shilou,and on the basis of visibility and pollution density in a tunnel,this article makes a calculation for the required airflow and obtains the fan number that should be installed in a tunnel,then through the remote control to make a realization of the tunnel electromechanical system.

highway tunnel; ventilation system; remote control

2016-09-30

辛志陶(1987-)，男，山西臨汾人，助理工程師，大學本科，研究方向：電子信息工程，高速公路機電工程。

1674-4578(2016)05-0047-03

U453.5；TP311.52

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