公路隧道通风控制系统的研究
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工业安全与环保
Indus trial Safety and Envi ronmental Protec tion
2008年第34卷第10期Oc tober 2008
公路隧道通风控制系统的研究
杨胜 李宝健 王丰收 梅甫定
(中国地质大学(武汉) 工程学院 武汉430074)
摘 要 通风系统是长大公路隧道的重要组成部分。将隧道内有害气体及粉尘浓度控制在容许限度之内, 是通风控制的目的。通过传感器采集隧道内有害气体及粉尘浓度, 并将主要的控制参数传递给上位机, 一旦超标就启动声光报警和风机换气。考虑到节能的问题, 将变频调速技术应用到隧道通风控制中。 关键词 通风控制 传感器 变频调速 公路隧道
Research of Tunnel Ventilation Control System on the Highway
YANG Sheng LI Bao-ji an WANG Feng-shou MEI Fu-ding (Engineering Facult y o f China Universit y o f Geosc ienc es (Wuhan) Wuhan 430074)
Abstract The ventil ation system is the mos t important co mponents of long road tunnel. The thicknes s of harmful gases and dus t in the tunnel s hould be controlled withi n the permisive limits of s ys tem and thi s is the main purpose of the venti lation s ys tem of control. The s ys tem can collect the information of thickness of harmful gas es and dus t in the tunnel through the sense organ and s end the pri mary control parameters to the PC. It w i ll gi ve an alarm usi ng voice and li ght and exchange the air by the fans once the parameters exceed. Considering the issue of energy conservation, V VVF technology will be applied in the tunnel ventilation control. Keywords ventilati on control sensor V VVF tunnel
长大公路隧道交通较其他道路交通具有特殊的运行环
通风设计原则:正常行车和发生交通阻塞时, 隧道通风系统应提供足够的新风量, 稀释隧道内车辆行驶时排出的废气, 为安全行车提供良好的空气清新度和舒适性; 隧道内发生火灾事故时, 系统应具有排烟功能, 控制烟雾和热量的扩散, 为逗留在隧道内的司乘人员、消防人员提供一定的新风量, 以利于人员和车辆的安全疏散; 通风系统尽可能采用新设备、新工艺、新材料和新技术。考虑到近远期相结合和缓装的可能性, 通风设备的选用和配置尽可能采用国内成熟产品和维修保养方便的设备; 注重环境保护措施。2 传感器的选型
隧道通风控制系统直接决定隧道行车安全性和舒适性, 起到稀释有害气体和污染物质浓度的作用, 对隧道的行车安全、运营管理质量以及隧道的运营成本有直接影响。汽车在行驶中排放的空气污染物主要是CO 和颗粒(烟雾) 。烟雾颗粒会造成隧道内能见度降低, 影响驾驶员观察视野, 直接关系行车安全。将隧道内的CO 浓度和烟雾浓度稀释到不危害人体健康的安全水平, 是隧道通风控制系统的重要任务之一。
2. 1 C O 浓度检测
电化学CO 气体传感器采用密闭结构设计, 其结构是由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线(管脚) 、壳体等部分组成。考虑到检测的电源和使用寿命问题, 将采用CGD-I-1CO 检测仪, CGD-I-1固定式CO 气体检测仪主要由报警控制主机和CO 检测探头组成。报警控制主机有开关量输出并可选通讯接口, 可以外接声光报警器或启动控制设备, 也可以与上位机通讯。报警控制主机可接收检测探头的时, 境, 具有封闭性强、噪音大、能见度低、光过度等特点。汽车尾气中含有多种有害成分, 造成了对隧道内空气的污染。而隧道是个闭塞空间, 污染物不能很快扩散, 隧道内污染空气的浓度会逐渐积累, 烟尘量达到一定程度后, 就会使能见度下降, 威胁行车安全的同时也可造成人体中毒。公路隧道安装通风系统的目的是使隧道内的空气品质维持在一定的水平, 为车辆驾驶员及隧道维护管理人员提供一个健康通道和工作场所。通风控制系统还应及时有效地处理火灾等紧急状态。
1 隧道通风控制
隧道通风方式很多, 按车道空间的空气流动方式, 大体上可以分为自然通风和机械通风2种, 而机械通风又分为纵向通风方式、半横向通风方式、全横向通风方式和组合通风方式4种, 其中纵向通风方式又分为射流式通风、集中送入式通风、竖(斜) 井送排风式通风方式、竖(斜) 井排出式通风以及静电吸尘式通风等; 半横向通风方式分为送风半横向和排风半横向式通风[1]。
长度短于200m 的隧道称为短隧道, 一般不设通风系统。由于车辆驶入隧道时带进自然风, 根据活塞式通风原理, 自然风即可保持隧道内空气品质达到标准; 长度在200-1000m 的隧道称为中隧道, 长度在1000-3000m 的隧道称为长隧道, 一般采用纵向通风方式, 风机采用射流风机, 射流风机的数量和安装位置由设计单位进行计算并在土建施工时预留基础或预埋件; 超过3000m 的特长隧道设计有横向通风或纵向加横向通风, 横向通风有竖井式通风、导洞式
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警, 同时输出控制信号(开关量接点输出) , 提示操作人员及时采取安全处理措施, 或自动启动事先连接的控制设备, 以保障安全生产。
隧道内CO 正常运营时允许体积分数小于150 10-10, CO 体积分数在150 10
-10
理火灾等紧急事态为目的[4]。目前国内外在隧道通风控制中采用的主要方法有手动控制法、程序控制法、后馈控制法、前馈控制法等, 本研究主要应用前馈控制法。该方法是根据隧道内车辆检测器检测到的交通量信息作为基本的控制参数进行前馈控制, 以控制风机启动的组数, 然后用检测器检测到的CO 实时值作为反馈对控制进行校正。由交通量和环境2个指标共同完成对风机运转的控制。一个良好的通风控制系统必须在满足隧道内空气净化标准的情况下, 尽量减少风机开启台数, 并尽量减少风机的频繁启停, 因此其控制任务是寻找启动风机的最小数目, 使得CO 浓度和烟雾透过率满足要求。在一定风量变化范围内, 可以进行转速调节进而控制风量, 以达到节能的目的。在转速调节无法满足风量变化时, 应该增加启动风机的组数, 当车流量较小时所启动的风机组数应该少些, 在车流量很少时可以不启动风机。所以其控制策略应该采用前馈加反馈的结构即用车流量信息决定启动风机组的数目以及风机转速, 根据现场CO 浓度和烟雾透过率来修正风机组数和风机转速。车流量检测仪和CO 检测仪将当前的车流量和CO 浓度值输入到控制器中, 并且由控制器计算出当前控制周期所要开启的风机组数以及转速值, 然后向执行器发出控制指令来确定风机开启组数, 以及发信号给变频器, 变频器则根据信号大小改变电源频率和电机的转速, 进而调节风机转速, 从而达到调节风量的目的。一定组数风机运转以及转速的变化, 引起隧道内污染物浓度的变化。到下一控制周期时, 控制器根据当前车流量和CO 浓度值来确定当前周期的风机开启组数以及风机转速, 重复上述工作流程, 得到各个控制周期的风机开启台数以及风机转速值。
拟选用YVP 系列变频调速三相异步电动机。YVP 系列变频调速三相异步电动机集国内外同类产品之优点, 采用计算机辅助设计进行设计, 通过对定、转子槽形和定子绕组分布形式进行合理科学的设计, 选择合理的电磁负荷, 很好地抑制和减小了时间谐波和由其引起的一系列电机空间谐波所产生的不良影响, 既实现电机在低频调速范围内作恒转矩平稳运行且无转矩脉动现象, 又能保证电机在高频时的过载能力[5]。本系列电动机调速范围宽, 振动小, 噪声低。YVP 系列变频调速三相异步电动机与SPWM 变频装置构成的调速系统与其他调速方式相比, 具有节能效果明显, 调速性能好, 调速比宽, 快速响应性优良, 应用范围广, 性价比高等优点, 是目前交流调速方案中最优秀的系统之一。4 系统硬件框图
系统框图如图1所示。
通风控制系统由工控微机PC 作为上位机, 经INTERB US 耦合器, 通过带屏蔽的双绞线与现场各个变频器(作为下位机) 连接, 组成小型集散型计算机系统, 不需要配置其他硬件设备。在PC 上实现的功能包括:电气接线图及其相应设备运行参数显示, 故障及越限报警, 控制设备运行参数设置操作和信息管理等。为对变频器进行遥控操作, 包括:变频器、风机起动、停止; 控制参数设置; 信息管理为将检测的运行参数定时存档, 经分析、处理后, 输出电压、电流、功率、频率和
-300 10
-10
时需要启动风机, 直
到CO 浓度正常; 交通阻滞时可为300 10-10, 经历时间不超过20min 。当发生火灾或交通事故时, CO 体积分数突然增加超过300 10
-10
, 这时同时启动各组风机直到CO 浓度达
-10
到正常值。若所有风机同时启动后并经过一定时间(15min) CO 体积分数仍大于300 102. 2 粉尘浓度检测
采用光散射法测定空气中的粉尘浓度, 具有快速、简便、能连续测定等特点。
光散射法测定空气中的粉尘浓度是通过测量散射光强度, 经过转换求得粉尘质量浓度的方法。考虑到粉尘测量仪的量程和测量信号的输出问题, 本设计中采用P-5型便携式数字粉尘仪。它采用光散射原理设计, 适用于公共场所可吸入颗粒物(PM10) 浓度的快速测定以及环境保护、劳动卫生方面呼吸性粉尘、总粉尘的测定、工矿企业生产现场粉尘浓度的监测。本设计中测定范围调节为0. 001-10mg/m , 检测灵敏度为0. 001mg/m 3, 测定时间定为15min 。2. 3 车流量检测
该系统中车流量的检测主要是测量一段时间(15min) 内进入隧道的车辆数。采用一般的车辆检测器造价较高, 性价比较低。本设计中采用TGC 系列地感线圈, 它直接输出方波信号, 外接一个简单的光电隔离电路就可以和单片机连接, 性价比较高。考虑到电源安装的方便性和输出为TTL 电平, 采用TGC-XJ-2HKG-DT-L 型车检器。3 变频调速控制的选择
由于长隧道的风机较多且功率较大, 满负载运行既无必要, 也会造成很大的能源浪费, 这里选用变频调速实现电机的节能高效。变频调速结构简单, 稳定可靠, 调速精度高, 启动转矩大, 调速范围广, 节能显著
[3]
3
, 则考虑关闭隧道
[2]
。
。变频调速就是利用异
步电动机的同步转速随电源频率变化的特性, 通过改变电动机的供电频率来改变其同步转速而实现调速。在各种异步电机调速系统中, 效率最高性能最好的系统是变压变频调速系统。
交流变频控制技术主要有:相位控制、VVVF (变压变频) 控制、滑差频率控制、PWM (脉宽调制) 控制、直接转矩控制、矢量控制、磁场定向控制和微机控制。拟采用变压变频控制。变压变频控制就是改变频率的同时控制变频器输出电压使电动机磁通保持一定, 在较广范围内调速运行, 电动机的功率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比, 故又称为V/F 控制。作为变频调速控制方式, V/F 控制比较简单, 实现容易, 现在通用变频器多采用这种控制方式, 具有节能和软启动等优点, 在各领域都得到广泛应用。
隧道通风控制方法一般可分为自动控制和手动控制2类。控制均以最小电力消耗来维持隧道内良好的视觉环境、控制空气污染状态在规定的限度内, 以及能够及时有效地处
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Indus trial Safety and Envi ronmental Protec tion
2008年第34卷第10期Oc tober 2008
氢氧混合气体爆炸临界条件实验研究
王建 段吉员 黄文斌 谭多望 文尚刚
(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室 四川绵阳621900)
摘 要 可燃气体的燃烧、爆炸是工业生产中常见的灾害性事故, 危害极大。通过爆轰管实验装置, 采用疏密分布的压力传感器测量氢氧混合气体的爆轰特性, 并依据压力和波速在燃烧转爆轰瞬间发生突跃, 判断混合气体爆炸的临界条件。实验结果表明, 爆炸压力随氢气初始浓度呈 形变化, 50%氢气体积分数为爆炸最佳浓度值; 在常温常压下, 氢氧混合物爆炸的临界氢气体积分数是15%和90%;化学计量比的氢氧混合气体发生爆炸的临界初始压力为0. 01MPa; 氮-氢-氧三元混合气体爆炸的临界氮气体积分数为60%。
关键词 气相爆轰 氢氧混合气体 燃烧转爆轰 临界条件
Experimental Study on the Critica l Explosion C onditions of the Hydrogen/oxygen Gas Mixture
WANG Jian D UAN Ji-yuan HUANG Wen-bin TAN Duo-wang WEN Shang-gang
(Labf o r Shock Wave and Detonation Physics Researc h Institute o f Fluid Physics, CAEP , P. O. Box 919 Mianyang , Sichuan 621900) Abstract The combus ti on and explosi on of co mbustible gas is one kind of commonly seen acci dents with severe hazards in indus try. The de tonation experiments are conducted to meas ure the detonation characteris tics of hydrogen/oxygen gas mixture and j udge the critical explosion condi ti ons of the mi xture based on the press ures and veloci ties of detonati on wave. The results s how that the pres sures of detonation wave vary with the concentrati on of hydrogen s a and 50%of hydrogen concentration is the optimal concentration value of explosion; under normal temperature and pres sure, the c ritical concentrations of hydrogen are 15%and 90%for the mi xture; the critical ini tial pres sure of the mixture at stoichiometric ratio s hould be 0. 01MPa; and the cri tical explos ion c oncentrations of nitrogen for the nitrogen/hydrogen/oxygen mixture is 60%.
Keywords gaseous detonati on hydrogen/oxygen gas mixture deflagrati on to detonation transi tion cri tical explosion condition
0 引言
随着科学技术、国民经济的发展, 可燃气体以及粉尘混合物的爆炸成为工业爆炸危害最主要的一种, 对此类爆炸事
故的研究及其预防, 很多国家都十分重视。在这种爆炸事故中, 爆炸压力的作用和火焰、高温气体产物的蔓延, 不仅使得生产设备遭受损失, 而且建筑物也受到破坏, 甚至
造成人员系统工作时数据的精确。同时, 应用变频调速技术, 能保证隧道通风系统具有节能、可靠的运行特点, 软启动降低了噪声和振动, 减少了机械冲击, 延长了通风机使用寿命, 无级调速既满足了通风要求, 又减少了电能消耗。通风控制中的变频调速技术成熟, 方法简便, 投资少, 效果好, 在公路隧道中具有广泛的应用前景。
参考文献
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[3]谢光秋. 公路隧道变频通风控制研究及系统实现:[学位论文]. 西
图1 系统硬件框图
安:长安大学信息工程学院, 2006.
[4]徐亚娟, 余南阳. 公路隧道纵向式通风控制系统研究. 中国公路学
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[5]韩直. 公路隧道机电系统的现状与发展. 地下空间, 2002(2) :35-37.
作者简介 杨胜, 男, 1984年生, 中国地质大学(武汉) 安全工程系研究生。
(温度曲线、棒图和饼图, 运行参数综合报表和运行参数越限报警、故障报警记录表等。5 结语
隧道通风控制系统直接决定隧道行车安全性和舒适性, 起到稀释有害气体和污染物质浓度的作用, 对隧道的行车安全、运营管理质量以及隧道的运营成本有直接影响。传感器