二级公路隧道通风系统的设计及远程控制

二级公路隧道通风系统的设计及远程控制
辛志陶
【摘要】公路隧道通风系统是公路隧道机电系统的重要组成部分.隧道内空间相对闭塞,空气质量差、能见度低等特点,对隧道的通风提出了要求.本文结合二级公路孝辛线石口至石楼段灌林岩山隧道的实际情况,根据隧道内的能见度和污染物浓度值对隧道需风量的计算,得出隧道应安装风机的数量,并通过对风机的远程控制使隧道通风系统得到实现.
【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】公路隧道;通风系统;远程控制
【作者】辛志陶
【作者单位】山西欣奥特自动化工程有限公司,山西太原030012
【正文语种】中文
【中图分类】U453.5;TP311.52
在公路隧道内，汽车行驶时排放的有害气体(主要是一氧化碳)和烟尘，影响空气质量和降低了隧道内行车的能见度，危及了人体健康及行车安全。

所以为了稀释汽车排放的污染物浓度，保持隧道内视线清晰和空气新鲜，确保人体健康和行车安全，需要进行隧道通风系统设计。

通风系统的启动、停止及故障检测，在实践中人们都是通过计算机软件进行远程控制来得到实现。

公路隧道的通风原理，是通过向隧道注入新鲜空气，稀释洞内由汽车排出的废气和烟尘，使得隧道内的空气质量和烟尘透过率能保证司乘人员的身体健康和行车安全。

隧道通风分为自然通风和机械通风两大类。

自然通风是通过气象因素形成的隧道内空气流动，以及机动车从洞外带入新鲜空气来实现隧道内外的空气交换。

机械通风是通过风机作用使空气沿着预定路线流动来实现隧道内外空气交换。

对于双向交通隧道，判断隧道是否需要设置机械通风的经验公式为：
当满足此公式的条件时，隧道可设置机械通风。

经过计算，灌林岩山隧道2024年设计交通量N=651 veh/h，隧道长L=998 m，L·N=6.5×105>6×105，所以2024年可设置机械通风；本隧道2031年设计交通量N=626 veh/h，隧道长L=998 m，L·N=6.2×105>6×105，所以2031年可
设置机械通风。

公路隧道通风方式的选择应综合考虑隧道的平纵指标、交通量、气象条件、地锚、经济性等因素。

采用纵向通风方式时，双向交通且长度L≤3 000 m的隧道可采用全射流纵向通风方案。

1) 道路等级：二级公路
2) 交通方式：单洞两车道双向行驶
3) 隧道长度998 m和坡度-2.8
4) 设计行车车速：60 km/h
5) 方向分布系数：0.50
6) 设计小时交通量系数：0.11
7) 设计年限：近期为2024年，远期为2031年
8) 隧道断面：断面面积58.7 m2，周长29.84 m。

隧道内的废气总量和烟尘浓度，与汽车的排污强度以及隧道内的车流密度成正比；送入隧道内的新风量又取决于保证隧道内的空气质量的卫生标准。

公路隧道通风设
计的卫生标准应以稀释机动车排放的一氧化碳(CO)为主。

公路隧道通风设计的安全标准应以稀释机动车排放的烟尘为主。

1) 采用全横向通风与半横向通风方式时：
2) 采用纵向通风方式时：
3) 人车混合的通行的隧道CO浓度设计标准为：
4) 灌林岩山隧道长度998 m，交通阻滞时，阻滞段的平均CO设计浓度δ(ppm)可取150 cm3/m3，同时时间不宜超过20 min。

隧道内20 min内的平均NO2设计浓度δ(ppm)取1.0 cm3/m3，隧道内养护维修时，隧道作业空气段空气的CO允许浓度不大于30 cm3/m3，本隧道内CO取值150 cm3/m3。

1) 灌林岩山隧道采用荧光灯、LED灯作为光源，所以按下表取值：
2) 隧道内养护作业时，隧道作业段空气的烟尘允许浓度不应大于0.003 0 m-1。

1) 隧道空间最小换气频率不应低于每小时3次。

2) 采用纵向通风的隧道，隧道换气风速不应低于1.5 m/s。

3) 灌林岩山隧道内换气频率每小时3次，换气风速1.5 m/s。

隧道内需风量的计算主要包括CO排放量、稀释CO所需风量、烟雾排放量、稀释烟雾所需风量和火灾情况下所需风量，然后取其中最大值作为计算风机数量的参考值。

★ 正常交通时，2000年的机动车尾排有害气体中的CO的基准排放量应取0.007 m3/(veh·km)。

★ 交通阻滞时车辆按照怠速考虑，2000年的机动车尾排有害气体中CO的基准排放量应取0.015 m3/(veh·km)，且阻滞段的计算长度不宜大于1 000 m。

★ 灌林岩山隧道设计近期2024年CO的基准排放量qco=0.007×(1-0.02)24，取0.004 3 m3/(veh·km)；设计远期2031年CO的基准排放量qco=0.007×(1-0.02)30，取0.003 8 m3/(veh·km)。

★ 稀释CO的需风量计算公式：
★ 2000年的机动车尾排有害气体中烟尘的基准排放量取2.0 m2，可分别得出灌林岩山隧道设计近期2024年烟尘的基准排放量qⅥ=2×(1-0.02)24，取1.23 m2/(veh·km);设计远期2031年烟尘的基准排放量qⅥ=2×(1-0.02)30，取
1.091.23 m2/(veh·km)。

根据行车速度分别按60 km/h、50 km/h、40 km/h、30 km/h、20 km/h时的工况计算。

★ 隧道内烟雾排放量计算公式：
★ 稀释隧道内烟雾的需风量计算：
近期隧道对应不同控制指标的设计需风量(2024年)
远期隧道对应不同控制指标的设计需风量(2031年)
1) 通风计算中，应将自然通风力作为隧道通风阻力考虑；当确定自然风作用引起的隧道内风速常年与风向一致时，宜作为隧道通风动力考虑。

2) 自然风作用引起的洞内风速宜根据隧道长度、纵坡等确定；当未取得调查结果时，可取2.0～3.0 m/s。

3) 灌林岩山隧道将自然通风力作为隧道阻力考虑，洞内风速2.5 m/s。

4) 计算公式为：
1) 隧道交通通风力应按下列原则确定：
★ 单向交通时，交通通风力宜作为动力考虑；当工况车速小于设计风速时，交通通风力应作为阻力考虑。

★ 双向交通时，交通通风力宜作为阻力考虑。

★ 交通通风力应按设计车速以下各工况车速分别计算。

★ 灌林岩山隧道是双向交通隧道，交通通风力作为阻力考虑。

2) 单洞双向交通隧道交通通风力计算公式：
1) 采用全射流纵向通风方式，在隧道内风流稳定情况下，射流风机增加的风压与
隧道内的自然通风力、交通通风力和隧道通风阻力相平衡。

隧道内的压力平衡应满足如下公式：
2) 射流风机升压力的计算公式：
1) 每台射流风机升压力的计算公式为：
2) 在满足隧道设计风速Vr的条件下，射流风机台数的计算公式为：
灌林岩山隧道通风设计年限近期为2024年，远期为2031年，确定隧道风机数量如下表所示：
灌林岩山隧道，风机每2台1组，每组风机纵向间距150 m，均布置在隧道行车
方向进口和出口端。

通风系统的控制分三种方式：人工控制、自动控制和智能控制。

现阶段风机的控制采用自动控制为主，手动控制为辅的控制方式。

隧道中的风机安装主要包括：风机的吊装、控制箱的安装、电源线及信号线敷设及远程调试工作。

远程控制调试是在现场运行正常后进行。

通风控制系统主要由一氧化碳浓度/能见度检测设备、隧道内本地控制器、风机控
制柜、通风设备配电柜、隧管站监控系统计算机、射流风机、监控及数据处理软件等设备组成。

1) 保持隧道内的环境指标在标准允许的范围内，主要包括CO、VI、和风速等。

2) 将CO浓度和能见度的数值分为若干等级，与投入运行的风机台数及运转时间
相对应。

3) 风机控制周期在10 min最好。

4) 风机的启动和停止不宜过多；隧道内某一段内的一氧化碳或能见度超出范围值，应先启动比较靠近的风机。

5) 每台风机启动间隔时间应大于30 s，减少对电网的冲击。

6) 应具备在通风环境监测设备出现故障的情况下由应急通风控制措施和预案。

自动控制系统是指以一氧化碳检测器、能见度检测器、风速风向检测器、车辆检测器等设备采集数据由通风区域控
风机控制与隧道内的PLC相连，管理、维护人员可在隧道内完成风机的手动、自
动操作，也可通过隧道变电所内的主PLC实现远程控制。

在隧道发生火灾后，隧道中控系统立即进入救灾联动程序，关闭隧道，同时启动一定数量的风机，控制隧道烟气流动方向，向距火灾点最近的洞口排烟，背离火灾点的车辆继续向前行驶，迅速离开隧道；向火灾点行驶的车辆应该按照指示直接由隧道撤离。

隧道通风的自动控制标准主要取决于隧道内的环境标准，即CO浓度和能见度标准，目前采用CO浓度的数据采集设备主要利用的是红外吸收原理，CO/VI检测器主
要由发射/接收接头和反射头组成，由发射/接收头向数米远外的反射头发出红外线，再经反射头反射到发射/接收头，通过测量特定红外波的衰减测量CO浓度，能见
度的测量是通过另一分离通道来测量的，原理和CO的测量一样。

测量值的输出是4～20 mA标准模拟信号，经过RS485接口传输至隧道内本地控制器，然后由本
地控制器对传输回来的数据进行汇集整理，传输至以太网交换机后，经以太网光端机传输至隧道管理站监控系统计算机，从而进行上位机程序的远程控制。

公路隧道通风系统的设计，根据隧道内的能见度和污染物浓度值，通过对隧道需风量的计算，得出隧道应安装风机的数量，结合本地控制系统对风机的远程控制使隧道通风系统运行，稀释洞内由汽车排出的废气和烟尘，使得隧道内的空气质量和烟尘透过率得到改善，保证了司乘人员的身体健康和行车安全。