變頻技術(shù)在公路隧道通風(fēng)照明節(jié)能環(huán)保中的應(yīng)用

董敏娥

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)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(fēng)、照明方法的不適用性愈發(fā)突出。在對通風(fēng)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與隧道通風(fēng)照明機械調(diào)節(jié)性能的日益完善，隧道通風(fēng)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(yīng)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(fēng)照明設(shè)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(chǔ)，對公路隧道通風(fēng)照明節(jié)能環(huán)保中變頻技術(shù)的應(yīng)用進行研究。

1 公路隧道通風(fēng)與照明設(shè)計要領(lǐng)

1.1 通風(fēng)控制要領(lǐng)與需風(fēng)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(shè)設(shè)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(yīng)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(yù)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(chǔ)，共同執(zhí)行對通風(fēng)設(shè)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(fēng)設(shè)備，波動問題的發(fā)生不會很明顯，在通風(fēng)設(shè)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(fēng)設(shè)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(fēng)需風(fēng)量計算的衛(wèi)生要求指標(biāo)；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(fēng)需風(fēng)量要根據(jù)滿足衛(wèi)生要求的CO指標(biāo)及滿足可見度要求的煙霧指標(biāo)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(fēng)量；qCO—CO基準排風(fēng)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(yīng)的設(shè)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(fēng)量；qVI—煙霧基準排風(fēng)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(yīng)車型設(shè)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(shè)計，以此獲悉各種工況下隧道內(nèi)的車輛數(shù)?！豆匪淼劳L(fēng)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(dǎo)致污染物排放量增大，這要求增大隧道通風(fēng)的需風(fēng)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(shè)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(shè)置，采集、分析與計算相應(yīng)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(dǎo)致的照明亮度降低進行補償。

2 隧道通風(fēng)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(fēng)照明節(jié)能環(huán)保的實現(xiàn)必須構(gòu)建相應(yīng)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(fēng)設(shè)備(風(fēng)機)與照明設(shè)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(fēng)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(yīng)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(fēng)設(shè)備與照明設(shè)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(shè)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(fēng)設(shè)備與照明設(shè)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(fēng)設(shè)備及照明設(shè)備的連接，分別對通風(fēng)設(shè)備與照明設(shè)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(fēng)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(shè)置，兩者建立網(wǎng)絡(luò)連接，同時，現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)將變頻控制器連接起來建立與通風(fēng)、照明設(shè)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(biāo)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(fēng)機與現(xiàn)場照明設(shè)備的控制[9]。

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

(1)通風(fēng)機的變頻調(diào)速節(jié)能 風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機采用變頻控制技術(shù)可基本保證風(fēng)機的穩(wěn)定與高效運轉(zhuǎn)，且能夠按照需風(fēng)量的變化對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，控制風(fēng)機的運行工況[7]。結(jié)合風(fēng)機相似定律，風(fēng)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(fēng)機功率；Pd、Gd、Hd—設(shè)計工況下風(fēng)機額定功率；Ns—運行工況下風(fēng)機設(shè)定轉(zhuǎn)速；Nd—設(shè)計工況下設(shè)計轉(zhuǎn)速。

經(jīng)分析，風(fēng)機運行風(fēng)量正相關(guān)于風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)，運行功率與轉(zhuǎn)數(shù)呈三次方比例。風(fēng)機功率可通過流量qv與風(fēng)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(fēng)壓；ρ—密度；η—工況點風(fēng)機總效率；ηp—風(fēng)機效率；ηb—調(diào)速機構(gòu)效率。

(2)照明設(shè)備的變頻控制節(jié)能 利用雙管式復(fù)合電路變頻器對隧道照明設(shè)備進行節(jié)能環(huán)?？刂啤樽冾l電源電路如圖2所示。

圖2 照明設(shè)備復(fù)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(fù)合電路中各項指標(biāo)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(fēng)照明節(jié)能環(huán)保中的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用方案實施

系統(tǒng)設(shè)計完成之后，將其在模擬公路隧道中進行了應(yīng)用，模擬隧道內(nèi)外部均進行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)設(shè)備與照明設(shè)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(fēng)照明控制；方案2，分別用變頻通風(fēng)控制與變頻照明控制替代傳統(tǒng)通風(fēng)控制與照明控制。

3.2 通風(fēng)照明設(shè)備的變頻調(diào)控節(jié)能效果

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

圖3 風(fēng)機風(fēng)壓—流量特性圖

其中，100%n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為額定值之時風(fēng)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(fēng)壓均為額定值。

設(shè)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(fēng)壓對應(yīng)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(fēng)壓為BC段。對此，實施節(jié)流調(diào)節(jié)任務(wù)時，流量越小，風(fēng)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(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，設(shè)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)照明系統(tǒng)中，對隧道中通風(fēng)需風(fēng)量及照明亮度的計算等問題制約著隧道通風(fēng)照明技術(shù)的發(fā)展[11]。高效的公路隧道通風(fēng)照明必須兼顧節(jié)能環(huán)保問題，應(yīng)用變頻技術(shù)，風(fēng)機與照明設(shè)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(fēng)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(fēng)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(fēng)與照明的聯(lián)動控制。