一种隧道通风分区级联控制系统的制作方法

1.本实用新型属于通风设备技术领域，尤其是涉及用于隧道中的通风设备。


背景技术：

2.当前，公路隧道安全节能地运行受到了人民群众越来越多的关注。而2012年9月国家交通运输部出台的节假日高速公路免费通行政策，虽然让我们体会到节假日回家的便捷，但随之而来的就是高速公路的出行问题。
3.在公路中，公路隧道扮演着重要的角色。公路隧道的修建不但解决了交通行程长，地形崎岖，道路不便等诸多因素，而且还有效地节约了出行者的宝贵时间并且对生态环境起到了一定的保护作用。
4.但随着交通量的不断增长，汽车在公路隧道行驶的过程中排出的co、vi等有害气体不仅会妨碍行车安全，而且还会大大增加对车辆行驶员身体的危害。许多地方公路隧道在城市边，行人和非机动车通行在所难免，隧道内的空气质量对这部分通行者的要求就更高。此外，当公路隧道内部发生火灾时，隧道内部的通风控制系统可以及时有效的对隧道内部进行排风，这样可以确保驾驶人员在隧道内有良好的行车环境以及行车安全。
5.隧道风机因功率大(通常每台在18
‑
30kw之间)，能耗非常大，一般运行起来占隧道总能耗的70％左右，如果风机在正常额定功率不加以调节，又通常在非必要的时段内运行，其浪费的能耗将是惊人的。但现有的隧道通风控制系统只考虑了定时定量排风，未考虑隧道环境质量的变化、行人和非机动车通行的环境要求、应急工况(包括堵车、交通事故、火灾等)通风要求、节能的要求等，暴露出诸多的弊端。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种解决上述问题中的至少一部分的隧道通风分区级联控制系统。
7.为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本实用新型的隧道通风分区级联控制系统，用于隧道，包括控制器，其特征在于：将隧道分为多个隧道分区，每隧道分区内各设有用于检测该隧道分区内的车流量和车速的分区车流量检测器、以及用于对该隧道分区通风的分区风机，本系统还包括若干与隧道分区一一对应的且与隧道分区内的分区车流量检测器、以及控制器电连接的分区需风量估算模块,分区需风量估算模块通过对分区车流量检测器检测到的车流量和车速数据估算出该隧道分区的有害气体的浓度进而估算出需要增加的通风量，控制器根据各个分区需风量估算模块输送的数据区别控制各隧道分区内的分区风机的转速。
8.在述的隧道通风分区级联控制系统中，本系统还包括若干与隧道分区一一对应的分区需风量校正模块、以及与其电连接的设于每个隧道分区上的分区环境检测组件，该分区需风量校正模块设于与其对应的一个分区需风量估算模块和控制器之间，所述分区需风量校正模块根据与其对应的分区环境检测组件获得的数据校正与其对应的分区需风量估
算模块得到的数据。
9.在述的隧道通风分区级联控制系统中，分区环境检测组件包括分区co浓度检测器和分区vi检测器。
10.在述的隧道通风分区级联控制系统中，分区环境检测组件还包括分区湿度检测器。
11.在述的隧道通风分区级联控制系统中，分区需风量估算模块估算的有害气体包括co、no2和co2中的任一一种或多种。
12.在述的隧道通风分区级联控制系统中，分区风机设于与其对应的隧道分区的上部。
13.在述的隧道通风分区级联控制系统中，分区风机为无极调速风机。
14.在述的隧道通风分区级联控制系统中，所有分区风机的风口沿隧道延伸方向呈同一方向设置。
15.与现有技术相比，本隧道通风分区级联控制系统的优点在于：不同于现有技术，本方案根据不同的隧道分区内的具体情况、对风机采用不同的转速，这样在保证隧道内通风要求的同时，实现了资源的优化，节约电能、以减少资源不必要的浪费，另外最终还能解决传统隧道通风控制系统阀中存在的时效性等传统性问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1提供了本实用新型实施例在隧道内遇到火情时调整风机转速以将产生的大量烟雾排出隧道的工作原理图。
18.图2提供了本实用新型实施例中的控制系统应用于各个隧道分区排风的流程框图。
19.图3提供了风机风量、风压与风机转速关系的曲线图。
20.图中，隧道1、隧道分区11、分区车流量检测器2、分区风机3、分区需风量估算模块4、分区需风量校正模块5、分区co浓度检测器61、分区vi检测器62、分区湿度检测器63、控制器7、变频器8、火灾点9。
具体实施方式
21.下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
22.如图1至3所示，本隧道通风分区级联控制系统，用于隧道1，包括控制器7，其特征在于：将隧道1分为多个隧道分区11，每隧道分区11内各设有用于检测该隧道分区11内的车流量和车速的分区车流量检测器2、以及用于对该隧道分区11通风的分区风机3，本系统还包括若干与隧道分区11一一对应的且与隧道分区11内的分区车流量检测器2、以及控制器电连接的分区需风量估算模块4,分区需风量估算模块4通过对分区车流量检测器2检测到
的车流量和车速数据估算出该隧道分区11的有害气体的浓度进而估算出需要增加的通风量，控制器根据各个分区需风量估算模块4输送的数据区别控制各隧道分区11内的分区风机3的转速。
23.根据需要，上述的分区需风量估算模块4估算的有害气体可在co、no2和co2中的任一一种或多种中进行选择。
24.在这里先说明一下隧道内需要的风量与风机的转速两者的关系，风机的机械特性具有二次方律特征，即转矩与转速的二次方程正比例变化。在低速时由于流体的流速低，所以负载的转矩很小，随着风机上的电动机的转速增加，流速加快，负载转矩和功率(轴功率)越来越大。
25.负载转矩t
l
和转速n之间的关系的公式为：
26.t
l
＝t0+k
t
n2，t0为空载时的转矩，k
t
为二次方律负载的转矩常数；
27.负载的机械功率(轴功率)p和转矩t
l
、转速n之间的关系的公式为：
28.p＝t
l
n/9550；
29.可得出功率(轴功率)p和转速n之间的关系为：
30.p＝p0+k
p
n3，p0为空载时的损耗,k
p
为二次方律负载的功率常数。
31.当所需风量减少时，降低风机的转速n，会使得风机上的电动机的功耗大大的降低，如图3所示，通过对风机风量、风压与风机转速关系曲线图的分析，可以展现出对风机调速的可行性以及节能性，以下对图3中的曲线图进行具体说明：
32.曲线1为风机恒速下的风量风压的特性曲线；曲线2为风机恒速下的阻力特性曲线，b点是风机在恒速下的特性曲线1与阻力特性曲线2的交点，若对应的输出风量为q2＝100％时，此刻功率(即风机上的电动机轴的功率)p
b
与bq2oh2的面积成正比；当风量需求量从q2降到q1时，阻力特性曲线变成曲线3，风压从h2变为h1，工况点由b点移到a点，风压增加，功率(即风机上的电动机轴的功率)p
a
与aq1oh1面积成正比，减少不明显，若使用调整风机转速的方式，风机转速由n1降到n2，工况点由b点移到c点；曲线4为在转速n2下的风量风压的特性曲线；有此可见，在满足同样风量q1的情况下风压h 3
大幅度降低，此时轴功率p
c
与cq1oh 3
面积成正比。
33.该系统的工作原理为：根据分区车流量检测器2检测出当前时刻位于该隧道分区11内的车流量以及车速，通过sumo软件进行系统仿真，由《公路隧道通风照明设计规范》计算出由车辆排出来尾气中的污染物气体(如co)、vi的估算值，并根据上述的co、vi的估算值确定最终的需风量，然后相关数据传送至控制器7中，然后由控制器7通过变频器8控制各个分区风机3的转速,以通过调节分区风机3的转速的方式来调节需风量的输出，如此，在不同的时间段，不断重复上述过程，来改变各分区风机3的转速，最后可以得到各个控制周期风机的期望功率值，以实现隧道交通量、环境质量与隧道内通风效果的分区级联控制，使隧道空气质量保持良好状态，在大大提高隧道行车安全和机电设备使用寿命的同时，还能实现隧道通风节能控制，为了更好地监视运行状态并控制风机，可设置与控制器连接的触摸屏，这样相关信息可及时的在触摸屏上显示。
34.需要说明的是，上述的控制器在一个或一些实施里中，就是一个总控制器，其接收来自各个隧道分区11中的分区需风量估算模块4发送过来的数据，并根据该数据调整与其直接或间接连接的分区风机3的转速,而在另一个或一些实施里中，上述的控制器也可以是
指一组控制器，每个控制器对应于一个与其一一对应的隧道分区11，以接收该隧道分区11上的分区需风量估算模块4发送过来的数据，并根据该数据调整与其直接或间接连接的该隧道分区11上的分区风机3的转速。
35.另外，为了方便对分区风机3的转速的调整，该分区风机3为无极调速风机，以有利于该分区风机3能更好地执行由控制器7发送的调整转速的执行指令。
36.在一个或一些实施例中，本系统还包括若干与隧道分区11一一对应的分区需风量校正模块5、以及与其电连接的设于每个隧道分区11上的分区环境检测组件，该分区需风量校正模块5设于与其对应的一个分区需风量估算模块4和控制器7之间，所述分区需风量校正模块5根据与其对应的分区环境检测组件获得的数据校正与其对应的分区需风量估算模块4得到的数据。
37.具体地，分区环境检测组件包括分区co浓度检测器61和分区vi检测器62，这里的分区vi检测器62是用来检测能见度。
38.为了进一步提高通风量数据的准确性，在一个或一些实施例中，分区环境检测组件还包括分区湿度检测器63。
39.如图2所示，展示了包括有分区需风量校正模块5的控制系统的工作流程，上述的分区环境检测组件用于检测该对应的隧道分区11内空气数据，分区需风量校正模块5将上述由分区环境检测组件检测的数据对由分区需风量估算模块4获得的数据进行校正，以提高准确性，然后再把该校正后的数据输送给控制器7,由控制器7控制各个分区风机3的转速。
40.由于在通风时隧道上部所遇到的阻力明显小于其下部，因此在一个或一些实施例中，将分区风机3设于与其对应的隧道分区11的上部，这样使通风始终运行在隧道上部，以便将隧道内的有害气体通过隧道上部在较通畅的情况下排出隧道。
41.在一个或一些实施例中，所有分区风机3的风口沿隧道1延伸方向呈同一方向设置，这样实现排风方向的一致性，有利于使隧道内的有害气体随着排风一起排出隧道。
42.下面给出本控制系统的一个具体案例。
43.本系统与公路隧道消防监控系统形成联动控制，根据隧道内烟雾浓度情况自动换算出风机启动及运行速度，系统自动进行分析开启风机速控制，一旦出现紧急状况，可使隧道内烟雾尽快排出，为应急救援赢得时间。
44.具体地，如图1所示，本系统接收到来自公路隧道消防监控系统的消防报警信号，根据隧道内的烟雾浓度检测器检测数据，分析计算出控制信号，以开启相应隧道分区11的分区风机3。根据隧道火灾事故的热释放率，来确定排烟临界风速，计算出相应的风机运行速度，本控制系统采用隧道各组风机级联控制技术，根据各个分区检测数据，分析计算出风机调速信号，采用各区域内各组风机风速接力的方式，使隧道内形成整体的风速小于等于排烟临界风速，防止烟雾回流危害火灾上游阻塞的车辆和滞留人员，又能延长烟雾在隧道顶部的层流时间，避免烟雾在下游扩散，从而增加了人员逃生时间
45.由上述可知，本系统改变了传统的公路隧道通风定速控制模式，将变频调速技术应用到隧道通风控制中，实现风机软启动和无级调速，能延长风机的使用寿命、降低噪声；另外，本系统还设置有用于对隧道内所有风机的运行电流、电压、功率、温度等参数进行采集分析的风机数据采集分析模块，以获取风机的保养周期、故障报警等信息，减少养护巡查
工作量，延长风机的使用时间；另外，结合来自不同的隧道分区的检测数据分析，精确的换算出隧道所需的通风风量，采用分区级联控制，对隧道内各组风机分组无级调速控制，使隧道内环境空气质量最快最高效的达到换气效果，增加驾驶员在隧道内行车环境舒适度，提高公路隧道内环境质量；系统还可对隧道内空气湿度、空气质量、交通量的分析，及时启动通风风机，对隧道进行除湿通风，从而大大提高了隧道行车安全性，也为在特殊天气环境下隧道行车提高了安全保障；随着经济的发展和科学技术的进步，节能减排已经成为社会关的重要问题，公路隧道的通风控制节能问题，是公路管理单位实现节能增效的重要工作，其在我国建设资源节约型与环境友好社会的过程中也起着十分重要的作用，符合国家推行的节能减排政策。
46.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
47.尽管本文较多地使用了隧道1、隧道分区11、分区车流量检测器2、分区风机3、分区需风量估算模块4、分区需风量校正模块5、分区co浓度检测器61、分区vi检测器62、分区湿度检测器63、控制器7、变频器8、火灾点9等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。