辛志陶

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

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二級(jí)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程控制

辛志陶

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)是公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分。隧道內(nèi)空間相對(duì)閉塞，空氣質(zhì)量差、能見(jiàn)度低等特點(diǎn)，對(duì)隧道的通風(fēng)提出了要求。本文結(jié)合二級(jí)公路孝辛線石口至石樓段灌林巖山隧道的實(shí)際情況,根據(jù)隧道內(nèi)的能見(jiàn)度和污染物濃度值對(duì)隧道需風(fēng)量的計(jì)算，得出隧道應(yīng)安裝風(fēng)機(jī)的數(shù)量，并通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制使隧道通風(fēng)系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。

公路隧道；通風(fēng)系統(tǒng)；遠(yuǎn)程控制

1 系統(tǒng)概述

在公路隧道內(nèi)，汽車行駛時(shí)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(jiàn)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(jìn)行隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通風(fēng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止及故障檢測(cè)，在實(shí)踐中人們都是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制來(lái)得到實(shí)現(xiàn)。

2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 隧道通風(fēng)原理

公路隧道的通風(fēng)原理，是通過(guò)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(guò)率能保證司乘人員的身體健康和行車安全。

2.2 通風(fēng)方式

隧道通風(fēng)分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩大類。自然通風(fēng)是通過(guò)氣象因素形成的隧道內(nèi)空氣流動(dòng)，以及機(jī)動(dòng)車從洞外帶入新鮮空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外的空氣交換。機(jī)械通風(fēng)是通過(guò)風(fēng)機(jī)作用使空氣沿著預(yù)定路線流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換。對(duì)于雙向交通隧道，判斷隧道是否需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

L·N≥6×105.

式中：L為隧道長(zhǎng)度(m)；N為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量(veh/h)。

當(dāng)滿足此公式的條件時(shí)，隧道可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，灌林巖山隧道2024年設(shè)計(jì)交通量N=651 veh/h，隧道長(zhǎng)L=998 m，L·N=6.5×105>6×105，所以2024年可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)；本隧道2031年設(shè)計(jì)交通量N=626 veh/h，隧道長(zhǎng)L=998 m，L·N=6.2×105>6×105，所以2031年可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。

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

2.3 灌林巖山隧道主要技術(shù)參數(shù)

1) 道路等級(jí)：二級(jí)公路

2) 交通方式：?jiǎn)味磧绍嚨离p向行駛

3) 隧道長(zhǎng)度998 m和坡度-2.8

4) 設(shè)計(jì)行車車速：60 km/h

5) 方向分布系數(shù)：0.50

6) 設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)：0.11

7) 設(shè)計(jì)年限：近期為2024年，遠(yuǎn)期為2031年

8) 隧道斷面：斷面面積58.7 m2，周長(zhǎng)29.84 m。

2.4 隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

隧道內(nèi)的廢氣總量和煙塵濃度，與汽車的排污強(qiáng)度以及隧道內(nèi)的車流密度成正比；送入隧道內(nèi)的新風(fēng)量又取決于保證隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以稀釋機(jī)動(dòng)車排放的一氧化碳(CO)為主。公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以稀釋機(jī)動(dòng)車排放的煙塵為主。

2.4.1 CO設(shè)計(jì)濃度δ

1) 采用全橫向通風(fēng)與半橫向通風(fēng)方式時(shí)：

隧道長(zhǎng)度l(m)≤1000m≥3000δ(ppm)250200

注：當(dāng)隧道長(zhǎng)度處于1 000 m和3 000 m之間時(shí)，可采用內(nèi)插法取值

2) 采用縱向通風(fēng)方式時(shí)：

隧道長(zhǎng)度l(m)≤1000m≥3000δ(ppm)300250

3) 人車混合的通行的隧道CO濃度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：

隧道長(zhǎng)度l(m)≤1000m≥2000δ(ppm)150100

4) 灌林巖山隧道長(zhǎng)度998 m，交通阻滯時(shí)，阻滯段的平均CO設(shè)計(jì)濃度δ(ppm)可取150 cm3/m3，同時(shí)時(shí)間不宜超過(guò)20 min。隧道內(nèi)20 min內(nèi)的平均NO2設(shè)計(jì)濃度δ(ppm)取1.0 cm3/m3，隧道內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hù)作業(yè)時(shí)，隧道作業(yè)段空氣的煙塵允許濃度不應(yīng)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(yīng)低于每小時(shí)3次。

2) 采用縱向通風(fēng)的隧道，隧道換氣風(fēng)速不應(yīng)低于1.5 m/s。

3) 灌林巖山隧道內(nèi)換氣頻率每小時(shí)3次，換氣風(fēng)速1.5 m/s。

2.5 隧道需風(fēng)量計(jì)算

隧道內(nèi)需風(fēng)量的計(jì)算主要包括CO排放量、稀釋CO所需風(fēng)量、煙霧排放量、稀釋煙霧所需風(fēng)量和火災(zāi)情況下所需風(fēng)量，然后取其中最大值作為計(jì)算風(fēng)機(jī)數(shù)量的參考值。

2.5.1 隧道內(nèi)CO濃度計(jì)算

★ 正常交通時(shí)，2000年的機(jī)動(dòng)車尾排有害氣體中的CO的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取0.007 m3/(veh·km)。

★ 交通阻滯時(shí)車輛按照怠速考慮，2000年的機(jī)動(dòng)車尾排有害氣體中CO的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取0.015 m3/(veh·km)，且阻滯段的計(jì)算長(zhǎng)度不宜大于1 000 m。

★ 灌林巖山隧道設(shè)計(jì)近期2024年CO的基準(zhǔn)排放量qco=0.007×(1-0.02)24，取0.004 3 m3/(veh·km)；設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期2031年CO的基準(zhǔn)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(jì)算公式：

★ 稀釋CO的需風(fēng)量計(jì)算公式：

2.5.2 隧道內(nèi)煙霧排放量計(jì)算

★ 2000年的機(jī)動(dòng)車尾排有害氣體中煙塵的基準(zhǔn)排放量取2.0m2，可分別得出灌林巖山隧道設(shè)計(jì)近期2024年煙塵的基準(zhǔn)排放量qⅥ=2×(1-0.02)24，取1.23m2/(veh·km);設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期2031年煙塵的基準(zhǔn)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(shí)的工況計(jì)算。

★ 隧道內(nèi)煙霧排放量計(jì)算公式：

★ 稀釋隧道內(nèi)煙霧的需風(fēng)量計(jì)算：

2.5.3 隧道換氣需風(fēng)量計(jì)算

Qrep(Ⅵ)=Ar·L·Nm/3 600.

Qrep(Ⅵ)=VOC·Ar.

2.5.4 灌林巖山隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

近期隧道對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(2024年)

不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(m3/s)煙塵CO換氣設(shè)計(jì)需風(fēng)量(m3/s)91.192.188.192.1

遠(yuǎn)期隧道對(duì)應(yīng)不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(2031年)

不同控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)需風(fēng)量(m3/s)煙塵CO換氣設(shè)計(jì)需風(fēng)量(m3/s)90.090.588.190.5

2.6 風(fēng)機(jī)數(shù)量計(jì)算

2.6.1 隧道自然通風(fēng)力

1) 通風(fēng)計(jì)算中，應(yīng)將自然通風(fēng)力作為隧道通風(fēng)阻力考慮；當(dāng)確定自然風(fēng)作用引起的隧道內(nèi)風(fēng)速常年與風(fēng)向一致時(shí)，宜作為隧道通風(fēng)動(dòng)力考慮。

2) 自然風(fēng)作用引起的洞內(nèi)風(fēng)速宜根據(jù)隧道長(zhǎng)度、縱坡等確定；當(dāng)未取得調(diào)查結(jié)果時(shí)，可取2.0～3.0 m/s。

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

4) 計(jì)算公式為：

2.6.2 隧道交通通風(fēng)力

1) 隧道交通通風(fēng)力應(yīng)按下列原則確定：

★ 單向交通時(shí)，交通通風(fēng)力宜作為動(dòng)力考慮；當(dāng)工況車速小于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，交通通風(fēng)力應(yīng)作為阻力考慮。

★ 雙向交通時(shí)，交通通風(fēng)力宜作為阻力考慮。

★ 交通通風(fēng)力應(yīng)按設(shè)計(jì)車速以下各工況車速分別計(jì)算。

★ 灌林巖山隧道是雙向交通隧道，交通通風(fēng)力作為阻力考慮。

2) 單洞雙向交通隧道交通通風(fēng)力計(jì)算公式：

2.6.3 隧道通風(fēng)阻力

隧道通風(fēng)阻力的計(jì)算公式：

2.6.4 射流風(fēng)機(jī)升壓力

1) 采用全射流縱向通風(fēng)方式，在隧道內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定情況下，射流風(fēng)機(jī)增加的風(fēng)壓與隧道內(nèi)的自然通風(fēng)力、交通通風(fēng)力和隧道通風(fēng)阻力相平衡。

隧道內(nèi)的壓力平衡應(yīng)滿足如下公式：

ΔPr+ΔPn=ΔPt+∑ΔPj.

2) 射流風(fēng)機(jī)升壓力的計(jì)算公式：

∑ΔPj=ΔPr+ΔPn-ΔPt.

2.6.5 計(jì)算風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)

1) 每臺(tái)射流風(fēng)機(jī)升壓力的計(jì)算公式為：

2) 在滿足隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速Vr的條件下，射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的計(jì)算公式為：

i=(ΔPr+ΔPn-ΔPt)/ΔPj.

2.6.6 風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)確定

灌林巖山隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)年限近期為2024年，遠(yuǎn)期為2031年，確定隧道風(fēng)機(jī)數(shù)量如下表所示：

風(fēng)機(jī)類型射流風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)(臺(tái))近期遠(yuǎn)期(增加)40風(fēng)機(jī)備用臺(tái)數(shù)(臺(tái))2

2.6.7 風(fēng)機(jī)的安裝

灌林巖山隧道，風(fēng)機(jī)每2臺(tái)1組，每組風(fēng)機(jī)縱向間距150 m，均布置在隧道行車方向進(jìn)口和出口端。

3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)的控制

通風(fēng)系統(tǒng)的控制分三種方式：人工控制、自動(dòng)控制和智能控制?，F(xiàn)階段風(fēng)機(jī)的控制采用自動(dòng)控制為主，手動(dòng)控制為輔的控制方式。隧道中的風(fēng)機(jī)安裝主要包括：風(fēng)機(jī)的吊裝、控制箱的安裝、電源線及信號(hào)線敷設(shè)及遠(yuǎn)程調(diào)試工作。遠(yuǎn)程控制調(diào)試是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行正常后進(jìn)行。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由一氧化碳濃度/能見(jiàn)度檢測(cè)設(shè)備、隧道內(nèi)本地控制器、風(fēng)機(jī)控制柜、通風(fēng)設(shè)備配電柜、隧管站監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、射流風(fēng)機(jī)、監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理軟件等設(shè)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(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，主要包括CO、VI、和風(fēng)速等。

2) 將CO濃度和能見(jiàn)度的數(shù)值分為若干等級(jí)，與投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

3) 風(fēng)機(jī)控制周期在10 min最好。

4) 風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止不宜過(guò)多；隧道內(nèi)某一段內(nèi)的一氧化碳或能見(jiàn)度超出范圍值，應(yīng)先啟動(dòng)比較靠近的風(fēng)機(jī)。

5) 每臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)間隔時(shí)間應(yīng)大于30 s，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

6) 應(yīng)具備在通風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下由應(yīng)急通風(fēng)控制措施和預(yù)案。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)的控制

自動(dòng)控制系統(tǒng)是指以一氧化碳檢測(cè)器、能見(jiàn)度檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器等設(shè)備采集數(shù)據(jù)由通風(fēng)區(qū)域控

制單元或監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止進(jìn)行控制，每組射流風(fēng)機(jī)由一套射流風(fēng)機(jī)控制柜對(duì)射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，也可在監(jiān)控室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)射流風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。風(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)設(shè)置軟啟動(dòng)器，以防止風(fēng)機(jī)電流過(guò)大而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

風(fēng)機(jī)控制與隧道內(nèi)的PLC相連，管理、維護(hù)人員可在隧道內(nèi)完成風(fēng)機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)操作，也可通過(guò)隧道變電所內(nèi)的主PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在隧道發(fā)生火災(zāi)后，隧道中控系統(tǒng)立即進(jìn)入救災(zāi)聯(lián)動(dòng)程序，關(guān)閉隧道，同時(shí)啟動(dòng)一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)，控制隧道煙氣流動(dòng)方向，向距火災(zāi)點(diǎn)最近的洞口排煙，背離火災(zāi)點(diǎn)的車輛繼續(xù)向前行駛，迅速離開(kāi)隧道；向火災(zāi)點(diǎn)行駛的車輛應(yīng)該按照指示直接由隧道撤離。

隧道通風(fēng)的自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)主要取決于隧道內(nèi)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，即CO濃度和能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，目前采用CO濃度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要利用的是紅外吸收原理，CO/VI檢測(cè)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(yuǎn)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(guò)測(cè)量特定紅外波的衰減測(cè)量CO濃度，能見(jiàn)度的測(cè)量是通過(guò)另一分離通道來(lái)測(cè)量的，原理和CO的測(cè)量一樣。測(cè)量值的輸出是4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)RS485接口傳輸至隧道內(nèi)本地控制器，然后由本地控制器對(duì)傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集整理，傳輸至以太網(wǎng)交換機(jī)后，經(jīng)以太網(wǎng)光端機(jī)傳輸至隧道管理站監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)行上位機(jī)程序的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)論

公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)隧道內(nèi)的能見(jiàn)度和污染物濃度值，通過(guò)對(duì)隧道需風(fēng)量的計(jì)算，得出隧道應(yīng)安裝風(fēng)機(jī)的數(shù)量，結(jié)合本地控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制使隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)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(guò)率得到改善，保證了司乘人員的身體健康和行車安全。

[1] 李農(nóng).公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T D70/2-02-2014)[S].北京：人民交通出版社，2014.

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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(xué)本科，研究方向：電子信息工程，高速公路機(jī)電工程。

1674-4578(2016)05-0047-03

U453.5；TP311.52

A