引言

近年來(lái)，隨著高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，大量長(zhǎng)公路隧道的修建，長(zhǎng)隧道的通風(fēng)已經(jīng)變成了隧道運(yùn)營(yíng)中的耗能大戶。大型風(fēng)機(jī)類電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中耗電量大且運(yùn)行效率低下，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能空間。采用變頻調(diào)速后，不僅獲得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且提高了運(yùn)行設(shè)備的安全性和可靠性。

本文以秦嶺終南山隧道為依托，計(jì)算了其風(fēng)壓風(fēng)量需求,并對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，制定相應(yīng)執(zhí)行方案。對(duì)比了改造方案與現(xiàn)有方案的優(yōu)劣，最終得出變頻調(diào)速技術(shù)在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的綜合性指標(biāo)中占據(jù)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

1秦嶺終南山隧道需風(fēng)量計(jì)算

1.1需風(fēng)量計(jì)算

隧道需風(fēng)量確定時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算行車速度以下各工況車速按20km/h為一擋分別進(jìn)行計(jì)算，并考慮交通阻滯狀態(tài)，取其較大者作為設(shè)計(jì)需風(fēng)量?？紤]到秦嶺終南山18km特長(zhǎng)隧道具備完善的交通監(jiān)控設(shè)施，認(rèn)為車速在30km/h以下可進(jìn)行交通管制，保證不出現(xiàn)隧道18km全段20km/h以下車速怠速行駛的運(yùn)行工況，因此計(jì)算工況車速分別取為60km/h、40km/h、30km/h及阻滯狀態(tài)下平均車速10km/h。交通阻滯狀態(tài)下（車速10km/h）計(jì)算長(zhǎng)度為1km。

根據(jù)鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院編制的《秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道初步分析》，秦嶺終南山公路隧道日平均交通量和高峰小時(shí)交通量預(yù)測(cè)值分別如表1和表2所列。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后的需風(fēng)量見(jiàn)表3所列。

1.2秦嶺中南山隧道現(xiàn)有通風(fēng)方案分析

秦嶺終南山隧道釆用三豎井分段縱向通風(fēng)方案，上下行線兩隧道均釆用三豎井分段送、排風(fēng)和射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓相組合的縱向通風(fēng)方式，方案平面圖如圖1所示。

結(jié)合隧道網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)特性風(fēng)壓930Pa可知，以遠(yuǎn)景規(guī)劃至2025年滿足需風(fēng)量964m3/s的風(fēng)機(jī)總功率約為4800kW(包括送、排風(fēng)，上下行線以及風(fēng)機(jī)備份)。

秦嶺終南山隧道內(nèi)安裝射流風(fēng)機(jī)72組共144臺(tái)，每臺(tái)功率22kW；3個(gè)豎井共安裝軸流風(fēng)機(jī)32臺(tái)，排風(fēng)機(jī)15臺(tái)，送風(fēng)機(jī)17臺(tái)，功率從132?450kW不等。隧道通過(guò)采用射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)相結(jié)合的3豎井縱向分段送排式通風(fēng)技術(shù)對(duì)自然風(fēng)進(jìn)行上下行隧道共用豎井排送?，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)如下：

一號(hào)豎井：

(350+350+450+450+220+220+220+200+200)kW

二號(hào)豎井：

160+160+280+280+280+280+280+280+200+200+200+200)kW

三號(hào)豎井：

(350+350+250+250+250+280+280+280+132+132+132)kW

因此總功率為:射流風(fēng)機(jī)3168kW，軸流風(fēng)機(jī)7946kW，總計(jì)11114kW>4800kW。目前，秦嶺終南山公路隧道的風(fēng)機(jī)配置足夠滿足隧道遠(yuǎn)景規(guī)劃需求，只需要在此基礎(chǔ)上研究加裝變頻器的設(shè)計(jì)方案。

2變頻通風(fēng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由多臺(tái)可編程控制器(PLC)、數(shù)字模塊、模擬量模塊、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線、CO檢測(cè)器、可見(jiàn)度檢測(cè)器、交通量檢測(cè)器、PC機(jī)、數(shù)字式變頻器等幾部分組成，其系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

本系統(tǒng)主要通過(guò)分檔控制來(lái)確定需要調(diào)整的風(fēng)速，通過(guò)模糊算法來(lái)加強(qiáng)控制系統(tǒng)的抗干擾、抗振蕩、抗噪聲以及減少系統(tǒng)的時(shí)滯性，而在控制對(duì)象方面只是以大功率軸流風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速來(lái)作為長(zhǎng)大公路隧道通風(fēng)節(jié)能重點(diǎn)考慮。依據(jù)JTJ026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》軸流風(fēng)機(jī)宜并聯(lián)設(shè)置，每一通風(fēng)系統(tǒng)一般設(shè)置2～3臺(tái)，風(fēng)量控制方法一般采用轉(zhuǎn)速控制法、臺(tái)數(shù)控制法及其組合方法。因此，本系統(tǒng)以三臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制法為主要控制，圖3所示是系統(tǒng)控制電路圖。

結(jié)合隧道工程的實(shí)際情況，變頻通風(fēng)系統(tǒng)主電路如圖3所示。三臺(tái)電機(jī)分別為Ml、M2、M3，都可以在工頻或變頻兩種方式下運(yùn)行，接觸器KMI、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M3的工頻運(yùn)行，KM2、KM4、KM6控制MI、M2、M3的變頻運(yùn)行。

3變頻通風(fēng)控制的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)控制方法的選擇

目前，秦嶺終南山隧道通風(fēng)運(yùn)行方案極其簡(jiǎn)單，根據(jù)陜西省峰谷分時(shí)電價(jià),采用在固定時(shí)段固定通風(fēng)。通風(fēng)方案如下:

西線07:00—08:00，13:00—14:00；

東線14:00—15:00。

軸流風(fēng)機(jī)：

西線"200+160+132+220+280+280)X2=2544kW-h；東線：(350+200+350+450+280+250)X1=1880kW?h。

本系統(tǒng)根據(jù)不同時(shí)段交通量的變化，制定不同的通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟方案對(duì)隧道通風(fēng)進(jìn)行分時(shí)段控制的方法，可以在減少對(duì)設(shè)備的依賴的情況下達(dá)到良好的通風(fēng)效果。與目前秦嶺隧道采用的控制方案相比較，能大大降低洞內(nèi)污染物濃度的波動(dòng),使污染物濃度在范圍內(nèi)平穩(wěn)變化,系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4程序控制流程圖

3.2系統(tǒng)控制方案的制定

根據(jù)2013年在秦嶺終南山隧道監(jiān)控室獲得的隧道東西線的交通量狀況可知，一天的交通量高峰是從早8時(shí)至下午9時(shí)，之后交通量平穩(wěn)下降至次日凌晨3時(shí)，凌晨3時(shí)至5時(shí)是一天中交通量最小時(shí)間段，之后5時(shí)至8時(shí)交通量逐漸上升。因此，可將一天的通風(fēng)方案劃分為四個(gè)時(shí)間段，各個(gè)時(shí)間段執(zhí)行不同的通風(fēng)方案。

通過(guò)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，風(fēng)機(jī)的性能曲線會(huì)相應(yīng)移動(dòng)。對(duì)風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以使其滿足風(fēng)量及風(fēng)壓需求。通過(guò)計(jì)算,最終確定的風(fēng)機(jī)開(kāi)啟方案如表4所列。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，以下方案在滿足現(xiàn)有日交通量的情況下還有很大的富余。

表4風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)方案

4結(jié)語(yǔ)

對(duì)比現(xiàn)有通風(fēng)運(yùn)營(yíng)方案與改進(jìn)后的方案，可以計(jì)算出相應(yīng)一天的電能及電費(fèi)使用情況。秦嶺終南山隧道現(xiàn)有風(fēng)機(jī)運(yùn)行計(jì)劃為西線早7:00—8:00，13:00—14:00，東線14:00—15:00開(kāi)啟風(fēng)機(jī)。開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的情況為西線：200+160+132+220+280+280；東線：350+200+350+450+280+250?，F(xiàn)有運(yùn)營(yíng)方案耗電量為4424kW?h，按陜西峰谷電價(jià)計(jì)算所得的日均電費(fèi)為2316元。

改進(jìn)方案運(yùn)營(yíng)耗電量為859.6kW-h，按陜西峰谷電價(jià)計(jì)算得的日均電費(fèi)為1339元?？梢?jiàn)，加裝變頻器的綜合節(jié)電率很高，每天可節(jié)省電費(fèi)977元，年節(jié)可節(jié)省費(fèi)用大約35萬(wàn)元左右，因此改進(jìn)方案的節(jié)電效果是很可觀的。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

第一，目前秦嶺隧道的通風(fēng)需求不大，進(jìn)行節(jié)能改造可以一定程度上節(jié)約電費(fèi)。

第二，考慮到目前執(zhí)行的通風(fēng)方案只需要集中兩小時(shí)開(kāi)啟12臺(tái)風(fēng)機(jī)就能滿足隧道的通風(fēng)需求，新設(shè)計(jì)的方案雖然節(jié)能，但考慮改造費(fèi)用的情況下，目前還不是非常必要。

第三，改造方案隨著車流量的逐年增加，節(jié)電率會(huì)逐漸提高，將來(lái)會(huì)有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

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