变频技术在公路隧道通风照明节能环保中的应用

董敏娥

(陕西交通职业技术学院 轨道交通学院，西安 710018)

0 引言

隧道是道路工程中的一种基本形式，在施工技术不断提高的背景下，隧道的修建逐渐增多[1]。尽管公路隧道以能改变路线线性、缩短历程、节省时间与土地资源、提高运输效率等优势得到了大规模的采用，其运营却在能耗方面让国家承受了巨大的压力。这一背景下，以往的通风、照明方法的不适用性愈发突出。在对通风照明机械控制方式的研究中，国外大致走过了直接控制、间接控制、组合控制与智能控制的研究路线[2-5]。而随着半导体技术的发展与隧道通风照明机械调节性能的日益完善，隧道通风照明调节方式开始由变频调节对以往的机械调节进行取代，经过多年的应用与发展，变频调节因其调节方法简单、有利于隧道通风照明设备寿命、调节过程对电网冲击小且节能效果好等优势愈发得到隧道管理部门的认可。对此，文章以节能理念与思路为基础，对公路隧道通风照明节能环保中变频技术的应用进行研究。

1 公路隧道通风与照明设计要领

1.1 通风控制要领与需风量计算

采用前馈式控制方法，根据进入隧道前区段的交通信息与洞内车辆建设设备检测到的数据，及时掌握隧道内交通量、行车速度以及车辆的构成，确定车密度大小，根据车密度值，通过相应的计算得到之后一段时间内污染物的浓度空间，并将此浓度预估值作为前馈信号参与控制，同时，将CO/VI传感器检测到的污染物浓度作为反馈信号参与控制，以前馈信号与反馈信号为基础，共同执行对通风设备的变频控制操作。采用该控制方法，可结合车密度的变化追踪控制通风设备，波动问题的发生不会很明显，在通风设备台数较多的长、大型隧道中较为适用。

分析根据车密度控制通风设备的原理，公路隧道内的污染物以CO、HC、NOX、SO2与烟雾为主，其中，CO对人体的危害最大，是隧道通风需风量计算的卫生要求指标；烟雾会对驾驶人员的视线产生负面影响，这决定隧道通风需风量要根据满足卫生要求的CO指标及满足可见度要求的烟雾指标分别计算，取两个结果的较大值[6]。

CO排放量计算公式为式(1)。

(1)

式中各字母所代表的涵义分别如下：QCO—隧道全长CO排风量；qCO—CO基准排风量；fa—车况系数；fd—车密度系数；fh—海拔高度系数；fiv—纵坡-车速系数；fm—车型系数；n—车型类别数；Nm—对应的设计交通量。

烟雾排放量计算公式为式(2)。

(2)

式中各字母所代表的涵义分别如下：QVI—隧道全长烟雾排风量；qVI—烟雾基准排风量；fa(VI)—车况系数；fiv(VI)—纵坡-车速系数；fh(VI)—海拔高度系数；fm(VI)—车型系数；nD—柴油车车型类别数；Nm—对应车型设计交通量。

根据以上两个公式，CO与烟雾的排放量计算均与车密度系数有关，且该系数在两者的计算中有相同的规定，它用于小时交通量的修正设计，以此获悉各种工况下隧道内的车辆数。《公路隧道通风照明规范》(简称《规范》)规定的车密度系数值，如表1所示。

表1 车密度系数规定

由表1可知，车密度系数同车速之间存在负相关关系，车速增加，车密度系数会减小，反之，车速降低，车密度系数会增大。表明在一定条件下，车速降低会导致污染物排放量增大，这要求增大隧道通风的需风量。

1.2 照明亮度计算与控制

隧道内外亮度有很大的差别，白天车辆在接近、进入与通过隧道的整个过程中，若没有照明设备，隧道入口处会类似一个“黑洞”，出口处则类似一个“亮洞”；夜间则刚好与白天相反，这些现象很容易引发交通事故[7]。对此，《规范》对隧道入口段、过渡段、中间段以及出口段的亮度进行了规定。

入口段亮度计算公式为式(3)。

Lth=kL20(S)

(3)

式中各字母所代表的涵义分别如下：k—折减系数；L20(S)—洞外亮度。

过渡段亮度计算公式为式(4)。

(1)照明段TR1Ltr1=0.3Lth

(2)照明段TR2Ltr2=0.1Lth

(3)照明段TR3Ltr3=0.035Lth

(4)

中间段亮度Lin规定如表2所示。

表2 中间段亮度规范

出口段亮度为中间段亮度的5倍。

基于上述照明亮度计算方法与规范，在隧道内进行亮度监控装置的设置，采集、分析与计算相应路段的照明亮度，若亮度不足，则变频调节增强亮度，智能布光，对由于灯具损耗或灰尘、尾气等因素导致的照明亮度降低进行补偿。

2 隧道通风照明节能环保中的变频调控技术

2.1 变频调控系统

公路隧道通风照明节能环保的实现必须构建相应的调控系统，在系统运行中利用变频技术进行通风设备(风机)与照明设备(LED灯)的调节与控制。系统组成模块包括：控制对象、监控系统、上位机、下位机、变频器以及工业以太交换机[8]。监控系统通过以太网将监控信息不间断地向上位机的信息处理系统传输，在接收到监控信息之后，信息处理系统快速、高效与准确地对其进行处理，处理完成后向下位机与变频器(控制系统)传输处理结果，根据所处理的信息，下位机与变频器发出控制指令，对控制对象(通风系统与照明系统)进行控制，最后，由控制对象根据指令做出相应的动作。此外，控制对象执行动作后的效果(指令执行的具体情况、动作后隧道内的相关信息)同样处于监控系统的实时监控中，监控系统亦不断将这些数据向交换机传输，此信息变为新指令进一步被执行，形成系统循环作业。系统总体架构，如图1所示。

图1 变频调控系统总体架构

(1)控制对象 主要为通风设备与照明设备，用于提供安全且舒适的交通运营环境。

(2)监控系统 由VI/CO监控器、车辆监控器以及光敏电阻等设备组成，用于实时监控隧道内的CO、粉尘浓度以及车流量等信息，同时，实时监控被控对象的被控制效果。

(3)上位机 直接发送控制指令，主要用于实时显示CO/VI浓度曲线及其历史浓度值趋势线、CO/VI浓度值、控制对象的启停状态以及隧道内的实时亮度等。

(4)下位机 用于对通风设备与照明设备进行直接控制，此处，选用PLC作为变频调控系统的下位机。

(5)变频器 用于PLC同通风设备及照明设备的连接，分别对通风设备与照明设备进行变频调速与无级调光处理。

(6)以太网 用于PLC与上位机的通信，相较于串口而言通信倍率更高、距离更远，可实现N通信与远程监控。

2.2 变频调控系统运行方案

通风与照明控制子系统选用变电站集中控制模式，隧道监控系统配置监管计算机(上位机)，并在隧道中进行现场PLC的设置，两者建立网络连接，同时，现场设备网络将变频控制器连接起来建立与通风、照明设备的连接。隧道现场PLC接收到各类检测器采集到得数据，将其上传至上位机，由尚未机对实际检测值与标准值进行比对，然后反馈给现场变频控制器，进而实现对风机与现场照明设备的控制[9]。

2.3 变频调控系统运行中的通风照明节能环保技术

(1)通风机的变频调速节能 风机流量的调节有节流调节与调速调节两种方法，前者风机转速不变，通过变化管路上的阀门开度进行流量的调节；后者管路状态不变，通过变化风机转速进行流量的调节。节流调节中存在大量能量的消耗，节能目的难以实现，变频调节可对这一问题予以有效解决。对隧道通风机采用变频控制技术可基本保证风机的稳定与高效运转，且能够按照需风量的变化对风机转速进行实时调节，控制风机的运行工况[7]。结合风机相似定律，风量、压头、功率及转速的关系表达式为式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

式中各字母所代表的涵义分别如下：Ps、Gs、Hs—运行工况下风机功率；Pd、Gd、Hd—设计工况下风机额定功率；Ns—运行工况下风机设定转速；Nd—设计工况下设计转速。

经分析，风机运行风量正相关于风机转数，运行功率与转数呈三次方比例。风机功率可通过流量qv与风压H得出式(8)。

(8)

式中各字母所代表的涵义分别如下：P—功率；qv—流量；H—风压；ρ—密度；η—工况点风机总效率；ηp—风机效率；ηb—调速机构效率。

(2)照明设备的变频控制节能 利用双管式复合电路变频器对隧道照明设备进行节能环保控制。为变频电源电路如图2所示。

图2 照明设备复合电路方式变形半桥型变频器

电路中电容器C2的容量选择特别小，参照开关Tr1、Tr2的断合工作让三极管T的励磁电感、漏电感和电容C2产生谐振，该谐振电路的工作条件为大容量电容器C1、开关Tr2作为有源滤波器，另外，C1发挥完全滤波直流电源的作用[10]。复合电路中各项指标分别为：输入功率0.97、THD11.3%、波峰系数1.56、电能效率92%，属于高性能照明电路。

3 变频技术在公路隧道通风照明节能环保中的应用效果

3.1 系统应用方案实施

系统设计完成之后，将其在模拟公路隧道中进行了应用，模拟隧道内外部均进行监控系统的设置，用于隧道内亮度、VI、CO、车辆行驶速度等因素的检测，通风设备与照明设备接受变频调控。试验分3种方案进行：方案1，采用传统方法进行隧道通风照明控制；方案2，分别用变频通风控制与变频照明控制替代传统通风控制与照明控制。

3.2 通风照明设备的变频调控节能效果

首先，分析通风机的变频调速节能效果。流量与风压的关系，如图3所示。

图3 风机风压—流量特性图

其中，100%n为风机转速为额定值之时风压与流量的特性；管路阻力曲线对调节阀完全打开后管网特性予以反映。两条曲线的交点D为工作点，该点流量与风压均为额定值。

设要求流量为65%，需增大管网阻力，此时新的负荷曲线表示为“管路阻力+节流管网曲线”，风压对应点为A，相较于qv为100%的情况，因为加大了管网阻力，增大的损失风压为BC段。对此，实施节流调节任务时，流量越小，风压损失越大，此即节流调节的不足。若对变速调节予以采用，通过对风机转速进行调节，设置转速为70%n，工况点为E，流量为65%，相较于节流调节，其风压少了BE段，轴功率面积亦大幅减少，两者之差即轴功率的节省(ABEF面积)。由分析得出：方案2变频技术既可按照车流密度对风机进行实时控制，又能大幅节省电量与资源。

其次，分析LED灯的变频调控节能效果。具体的能耗值，如表3所示。

表3 方案1与方案3能耗比较

根据表3，对方案3较方案1节省的能耗进行计算，有(7 884-4 730)/7 884×100%=40.00%，亦即采用方案3进行变频照明调控可降低约40%的能耗，以电价为0.3元/度计算，该模拟隧道减少的电费开支非常可观。若对“有车经过点亮、无车关闭”的调控照明方案予以实施，降低的能耗将更多。

4 总结

隧道运营通风照明系统是一个随着交通量、车速等诸多因素变化的动态体系，在公路隧道的通风照明系统中，对隧道中通风需风量及照明亮度的计算等问题制约着隧道通风照明技术的发展[11]。高效的公路隧道通风照明必须兼顾节能环保问题，应用变频技术，风机与照明设备在根据车流密度、车行速度以及隧道可见度等影响因素得到实时控制的同时，亦能实现电量及资源的大幅度节省。文章将通风节能环保与照明节能环保作为两项工作进行分析不足，今后研究可将通风节能与照明节能作为一个大系统，基于整个大系统的条件对两种节能环保技术之间的关系进行把握，如分析“通透率”、“能耗比”之间的关系等，最终建立起基于变频技术的公路隧道通风与照明的联动控制。