一种长大公路隧道风机群效率优化控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种长大公路隧道风机群效率优化控制系统，包括隧道内设置的车辆检测器、CO检测器、VI检测器以及风速风向检测器；设置于隧道通风竖井内的轴流排风机、轴流送风机以及悬挂在隧道拱顶的射流风机；其中每台轴流风机安装一台通用型变频器，每台轴流风机和射流风机均安装有可编程控制器，将其中一台可编程控制器作为主站，其余的可编程控制器作为从站，主站与从站之间通过通讯线连接；主站将车辆检测器、CO检测器、VI检测器及风速风向检测器检测到的数据，通过以太网传送到隧道监控中心计算机主控系统；主控系统设有计算隧道需风量和升压力的软件以及轴流风机和射流风机群效率优化控制程序。

说明书

技术领域

本发明涉及风机控制节电技术领域，特别涉及一种长大公路隧道风机群效率优化控制系统及方法。

背景技术

随着我国公路运输行业的发展，长大公路隧道的数量和规模都在不断的增大。然而在长大公路隧道运营过程中，通风系统耗电费用一直是一项很大的支出。公路隧道内空气中污染物主要包含颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等，污染物浓度一旦超过标准，对人体产生巨大的危害，所以必须源源不断地将外界空气输送到隧道内部，保证人员正常呼吸、行车安全，以及隧道中的空气质量。

现有规范规定的隧道通风系统和常规设计主要采用纵向分段式的通风模式，一般选用大功率的风机做主要通风设备，而风机是一种量大面广、耗电量极大的动力机械。我国每年风机的电能消耗占总消耗的10％以上，在电力、钢铁、煤炭、隧道通风中，风机的耗电量往往占生产用电的20％以上。因此，应采取有效的措施，在良好通风效果的基础上，节约能源。

然而，目前应用于公路隧道通风井送排式纵向通风系统的控制方法主要有智能模糊控制以及神经网络在线控制等方法。这些方法以隧道内CO浓度、VI浓度和车流量三项监测数据中的两项作为输入变量，以风机的启动个数为输出，忽略了影响隧道通风环境的自然风、隧道壁摩擦损失等因素，以及风机的工作特性，通风系统的复杂性考虑不足，导致控制精度不足。

发明内容

为了解决隧道运营中现有的风机群控制技术所存在的耗能大的技术问题，本发明的目的在于，提供一种长大公路隧道风机群效率优化控制方法及系统。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种长大公路隧道风机群效率优化控制系统，其特征在于，包括：

设置于隧道通风竖井内的轴流排风机、轴流送风机以及悬挂在隧道拱顶的射流风机；其中每台轴流风机安装一台通用型变频器，该通用型变频器的功率大于等于轴流风机轴功率；

每台轴流风机和射流风机均安装有可编程控制器，其中，选择一台轴流风机或射流风机的可编程控制器作为主站，其余的可编程控制器作为从站，主站与从站之间通过通讯线连接；

主站将车辆检测器、CO检测器、VI检测器及风速风向检测器检测到的数据，通过以太网传送到隧道监控中心计算机主控系统；

所述隧道监控中心计算机主控系统设置有计算隧道需风量和升压力的软件以及轴流风机和射流风机群效率优化控制程序。

上述长大公路隧道风机群效率优化控制系统的控制方法，其特征在于，

该方法根据车辆检测器、CO检测器、VI检测器及风速风向检测器的数据，计算出车流在正常、怠速、拥堵等不同工况下，需要开启的轴流风机和射流风机的台数以及轴流风机频率，并将隧道需风量和升压力输入到轴流风机和射流风机群效率优化控制程序中，再根据轴流风机和射流风机开启组合方式的优化原则，确定轴流风机或射流风机开启的台数，位置和轴流风机频率，从而轴流风机和射流风机群效率优化控制程序再通过主站把信息传递给各从站，对轴流风机和射流风机进行开启控制和轴流风机调频控制；

由于隧道通风竖井前后路段长度不同，则所需设计风量不同，为了方便计算，按照行车方向，将隧道分为两部分进行计算：

(Ⅰ)通风竖井及其后方路段(即隧道排风路段)至洞口处悬挂的n组射流风机；

(Ⅱ)通风竖井及其前方路段(即隧道送风路段)至洞口处悬挂的m组射流风机；

其中并联悬挂的z台射流风机为一组，其中，z＝3。

为了降低隧道通风运营能耗，以隧道风机工作特性和影响隧道通风环境的因素为约束条件，通过控制轴流风机变频，以及射流风机的开启组数，实现复杂通风系统功率最小化，建立以调速比k和控制开启组数ω为优化参数的目标函数；具体按以下步骤进行：

步骤一，利用风机相似定理，确定调速比与风机风量之间的关系；

步骤二，为克服隧道摩擦阻力，并保证轴流风机和射流风机工作在高效区，风机运行在与管网特性曲线交点处，从而结合步骤一确定调速比、风机风量和隧道设计风量三者之间的关系；

步骤三，根据步骤二，结合风机轴功率公式，建立目标函数；

步骤四，确定目标函数的约束条件，约束条件包括：

(1)隧道环境下，轴流风机和射流风机高效工作时的出口风量范围；

(2)隧道运营时，轴流风机调速比范围；

(3)在车流正常，怠速，拥堵等不同工况下所需风量及升压力的要求；

(4)为了使隧道风机群的整体更换时间尽量相同，查看工作人员记录的风机使用情况表，先行开启风机中剩余寿命长的风机；

(5)在基本满足隧道风量的要求下，使轴流风机和射流风机的启停次数最少；

轴流风机和射流风机开启组合方式的优化配置方案的确定原则为：

原则A：依据约束，求解目标函数，得到调速比k和开启组数ω的参数值，当参数值唯一确定时，按照所求的调速比k和开启组数ω开启轴流风机和射流风机；

原则B：当调速比k和开启组数ω的参数值不唯一时，则通过查找计算机系统内，工作人员记录的射流风机使用情况表，选择开启剩余使用寿命时间长的射流风机；

原则C：若在原则B的基础上，开启方式仍不唯一，选择启停次数最少的射流风机开启；

原则D：若在原则C的基础上，开启方式仍不唯一，则选择距离污染源近的射流风机先行开启。

步骤一中，由风机相似定理，当转速下调时，压力流量曲线平行下移，据此确定调速比与风机风量之间的关系，如下式所示：

其中：

式中：Q_i为第i台轴流排风机提供的风量，k_i为第i台轴流排风机调速比，u_i、v_i为轴流排风机性能参数，p_i为第i台轴流排风机应提供的压力，n₀为风机额定转速，n₁为风机调换的转速。

步骤二中，为克服隧道的摩擦阻力，并保证轴流风机或射流风机工作在高效区，风机应运行在与管网特性曲线交点处，即每台风机应提供的压力p_i等于管网阻力R,其中R＝s×Q_e²，从而结合步骤一确定调速比、轴流风机或射流风机风量和隧道设计风量三者之间的关系如下所示：

式中：Q_i(Q_i')为第i(i')台轴流排(送)风机提供的风量，k_i(k_i')为第i(i')台轴流排(送)风机的调速比，u_i(u_i')，v_i(v_i')为轴流排(送)风机性能参数，s为管网阻力系数，为隧道(Ⅰ)部分所需设计风量，为隧道(Ⅱ)部分所需设计风量。

将隧道(Ⅰ)，(Ⅱ)两部分所耗功率叠加计算，建立以最小化功率为目标的优化模型，如下式所示：

式中：N_i…N_n表示隧道通风竖井处轴流排风机功率，N_i'…N_n'表示隧道通风竖井处轴流送风机功率，N_j…N_m表示隧道(Ⅰ)段每组射流风机所耗功率，N_j'…N_m'表示隧道(Ⅱ)段每组射流风机所耗功率，其中每组包括z台射流风机，其中，z＝3；Q_i(Q_i'))为第i(i'))台轴流排(送)风机提供的风量，Q_j为(Ⅰ)段第j组射流风机所提供的风量，Q_j'为(Ⅱ)段第j'组射流风机所提供的风量；p_ei为第i台轴流排风机所提供的升压力，p_ei'为第i’台轴流送风机所提供的升压力；ω_j为控制隧道(Ⅰ)段射流风机开启组数参数，ω_j'为控制隧道(Ⅱ)段射流风机开启组数参数，ω_j，ω_j'∈{0,1}，0表示不开启第j(j')组射流风机，1表示开启第j(j')组射流风机，A为单位转换系数。

步骤四(1)中，隧道呈现的是一种管状半封闭结构，空间受限严重，设定0.9η-0.98η，η为风机最高全压时的效率，对应的流量范围为轴流风机工作的高效区；

步骤四(2)中，设置调速比k的上限为0.95，设置调速比k的下限为0.5，则调速比的约束范围：0.5≤k_i≤0.95；

步骤四(3)中，根据隧道运营时的不同工况，隧道通风竖井处前后路段所需设计风量不同，隧道自然通风力，交通通风力提供的压力不同，隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分轴流风机和射流风机所提供的风量及升压力必须满足各自路段所需，则约束条件为：

式中：Q_j表示隧道(Ⅰ)中第j组射流风机所提供的风量，Q_j'表示隧道(Ⅱ)第j'组射流风机所提供的风量，z×p_ej，z×p_ej'分别为隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分中一组射流风机所提供的升压力，p_e为隧道内所需升压力；步骤四(5)中，隧道实际运营时，轴流风机或射流风机开启10min内不关闭，为避免频繁启停轴流风机或射流风机，则约束条件为：

式中：d_H表示两个向量之间的海明距离，ω^j，ω^j'分别为ω_a和ω_b中的一种开启组合方式，j和j'分别为ω_a和ω_b的取值序号，ω'和ω”分别为隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分当前射流风机组运行状态。

调速比与送排轴流风机流量有一定的函数关系，则将此函数关系限制的调速比范围，与0.5≤k_i≤0.95取交集。

求解出的调速比k，应转换成风机调频的对应频率，则转换公式为：

式中：f为风机调频的对应频率，p为风机电机的磁极对数。

控制射流风机开启组数参数ω_j∈{0,1}，0表示不开启第j组射流风机，1表示开启第j组射流风机，用向量ω_a和ω_b分别表示隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分中射流风机组的可能开启方式，则分别有m²和m'²种开启组合方式。

本发明的长大公路隧道风机群效率优化控制系统及其控制方法，为了降低隧道通风运营能耗，以隧道风机工作特性和影响隧道通风环境的因素为约束条件，建立以功率最小化为目标的优化模型。依据约束条件，求解目标函数，得出不同工况下(正常，怠速，拥堵)风机开启台数，位置和频率，从而减小隧道运营时的风机群运行功率，提高社会经济效益及能源利用率。在考虑CO浓度、VI浓度和车流量基础上，还综合考虑了隧道这种管状半封闭结构，所带来的摩擦损失对轴流风机或射流风机出口风速和工作效率的影响，并且还加入了对隧道内的轴流风机和射流风机的使用寿命，变频节电等问题的研究。

附图说明

图1为本发明实施例所用的公路隧道通风竖井结合射流风机纵向通风工程图；

图2为隧道轴流风机和射流风机群效率优化控制程序图；

图3为实施例所用的轴流风机或射流风机特性曲线示意图；

图4为风机群优化控制的建模方法的流程图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

需要说明的是，在以下的实施例中，文中的(Ⅰ)表示：通风竖井及其后方路段，即隧道排风路段；文中的(Ⅱ)表示：通风竖井及其前方路段，即隧道送风路段。

如图1所示为某隧道竖井加射流风机纵向通风工程图，基于此对长大公路隧道实际工程模型进行研究，隧道长2.5km，隧道通风竖井内有两台300kw的轴流排风机，两台300kw的轴流送风机，每台排风和送风轴流风机均安装一台通用型变频器，该通用型变频器的功率应大于等于送风或排风的轴流风机轴功率，以及隧道(Ⅰ)(右边,隧道排风路段)、(Ⅱ)(左边,隧道送风路段)两部分各4组30kw射流风机，每组间距为150m，每组有3台射流风机，每隔200m布设车辆检测器、CO检测器、VI检测器以及风速风向检测器；

每台轴流风机和射流风机均安装有可编程控制器，其中，选择一台轴流风机或射流风机的可编程控制器作为主站，其余的可编程控制器作为从站，主站与从站之间通过通讯线连接。

主站将车辆检测器、CO检测器、VI检测器及风速风向检测器检测到的数据，通过以太网传送到隧道监控中心计算机主控系统；

所述隧道监控中心计算机主控系统设置有计算隧道需风量和升压力的软件以及轴流风机和射流风机群效率优化控制程序。

由风机相似定理，当转速下调时，压力流量曲线平行下移，据此确定调速比与风机风量之间的关系，如下所示：

其中：

式中：Q_i为第i台轴流排风机提供的风量，k_i为第i台轴流排风机调速比，u_i、v_i为轴流排风机性能参数，p_i为第i台轴流排风机应提供的压力，n₀为风机额定转速，n₁为风机调换的转速。

为克服隧道的摩擦阻力，并保证风机工作在高效区，风机应运行在与管网特性曲线交点处，即每台风机应提供的压力p_i等于管网阻力R,其中R＝s×Q_e²，从而结合步骤一确定调速比、风机风量和设计风量三者之间的关系如下所示：

式中：Q_i(Q_i')为第i(i')台轴流排(送)风机提供的风量，k_i(k_i')为第i(i')台轴流排(送)风机的调速比，u_i(u_i')，v_i(v_i')为轴流排(送)风机性能参数，s为管网阻力系数，为隧道(Ⅰ)部分所需设计风量，为隧道(Ⅱ)部分所需设计风量。

根据隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)段设计风量不同，将隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分所耗功率叠加计算，结合风机特性和隧道通风需求特性建立以调速比k和控制开启组数ω为优化参数的目标函数：

目标函数中的N_i…N_n表示隧道通风竖井处轴流排风机功率，N_i'…N_n'表示隧道通风竖井处轴流送风机功率，N_j…N_m表示隧道(Ⅰ)段每组射流风机所耗功率，N_j'…N_m'表示隧道(Ⅱ)段每组射流风机所耗功率，其中n＝n'＝2，m＝m'＝4。

如图3所示，当风机流量过高或过低时，其效率将急剧下降，当转速过低时，效率也很低，故应限制流量范围以及调速范围，由于隧道特殊的半封闭式结构，设定了轴流风机工作的高效区为0.9η-0.98η时对应的流量范围，又由于调速比k与轴流风机流量Q有一定的函数关系，计算每台轴流风机在流量限制范围下k的值，与调速比的范围与0.5≤k_i≤0.95取交集，使轴流风机高效工作的约束条件只用调速范围[X_i，Y_i]来表示，如下所示：s.t.X_i≤k_i≤Y_i

求解出的调速比k，应转换成风机调频的对应频率，则转换公式为：

式中：f为风机调频的对应频率，p为风机电机的磁极对数。

根据隧道运营时的不同工况(正常，怠速，拥堵)，隧道竖井前后路段长度不同，所需设计风量不同，隧道自然通风力，交通通风力提供的压力不同，隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分轴流风机和射流风机所提供的风量及升压力必须满足各自路段所需，则约束条件为：

式中：Q_j表示隧道(Ⅰ)中第j组射流风机所提供的风量，Q_j'表示隧道(Ⅱ)第j'组射流风机所提供的风量，z×p_ej，z×p_ej'分别为隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分中一组射流风机所提供的升压力，其中z＝3，p_e为隧道内所需升压力；

控制射流风机开启组数参数ω_j∈{0,1}，0表示不开启第j组射流风机，1表示开启第j组射流风机，用向量ω_a和ω_b分别表示隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)中射流风机组的可能开启方式，则分别有16种开启组合方式。

考虑隧道实际运营情况，大型射流风机的启动是比较困难的，且在射流风机开启10min内不宜关闭，为避免射流风机频繁启停，则约束条件为：

式中：d_H表示两个向量之间的海明距离，ω^j，ω^j'分别为ωa和ωb中的一种开启组合方式，j和j'分别为ω_a和ω_b的取值序号，ω'和ω”分别为隧道(Ⅰ)、(Ⅱ)两部分当前射流风机组运行状态。

轴流风机和射流风机开启组合方式的优化配置方案的确定原则为：

原则A：依据约束，求解目标函数，得到调速比k和开启组数ω的参数值，当参数值唯一确定时，按照所求的调速比k和开启组数ω开启轴流排风机、轴流送风机以及射流风机；

原则B：当调速比k和开启组数ω的参数值不唯一时，则通过查找计算机系统内，工作人员记录的风机使用情况表，选择开启剩余使用寿命时间长的射流风机；

原则C:若在原则B的基础上，开启方式仍不唯一，选择射流风机启停次数最少的开启；

原则D：若在原则C的基础上，开启方式仍不唯一，则选择距离污染源近的射流风机先行开启。

实施例：

隧道长2.5km，隧道通风竖井内有两台300kw排风的轴流风机，两台300kw送风的轴流风机，以及中间竖井前后段各有4组射流风机，每组间距为150m，每组包括3台功率为30kw的射流风机。每台送风和排风的轴流风机安装一台通用型变频器，该通用型变频器的功率应大于等于送风或排风的轴流风机轴功率；每台轴流风机和射流风机均安装有可编程控制器，其中，选择一台轴流风机或射流风机的可编程控制器作为主站，其余的可编程控制器作为从站，主站与从站之间通过通讯线连接。

隧道每隔200m布设车辆检测器、CO检测器、VI检测器以及风速风向检测器，主站将上述车辆检测器、CO检测器、VI检测器以及风速风向检测器检测到的数据，通过以太网传送到隧道监控中心计算机主控系统，主控系统包括计算隧道需风量和升压力的软件以及轴流风机和射流风机群效率优化控制程序，将计算出的需风量和升压力输入到风机群效率优化控制程序中，计算得出不同工况下(正常，怠速，拥堵)调速比k_i和开启台数ω_j的数值，利用风机群效率优化控制程序(如图2所示)，实现隧道风机群开启和调速。

根据图4所示的建模方法，进行建模，优化结果如下：

取正常运营工况，当隧道车速为60km/h时，单车道车辆数为2000pcu/h，取小客车N1占比50％，小货车N2，大客车N3，中货车N4，大货车N5，集装箱、拖挂车N6，各占10％时，求解结果为k＝(0.5386,0.6475)，k'＝(0.6328,0.7586)，对应的频率f＝(36.7HZ，40.2HZ)，f'＝(39.8HZ,43.5HZ)ω＝(0100)，ω'＝(0011)，此时两台轴流排风机的调速比分别为0.5386和0.6475，频率分别为36.7HZ和40.2HZ，两台轴流送风机的调速比分别为0.6328和0.7586，频率分别为39.8HZ和43.5HZ，隧道(Ⅰ)段开启1组射流风机(每组3台)，隧道(Ⅱ)段开启2组射流风机(每组3台)。

取相对拥堵工况，当隧道车速为30km/h，单车道车辆数为1000pcu/h，取小客车N1占比50％，小货车N2，大客车N3，中货车N4，大货车N5，集装箱、拖挂车N6，各占10％时，求解结果为k＝(0.6386,0.6675)，k'＝(0.7384,0.8423)，对应的频率f＝(40HZ，40.9HZ)，f'＝(43HZ,45.9HZ)ω＝(1101)，ω'＝(1011)，此时两台轴流排风机的调速比分别为0.6386和0.6675，频率分别为40HZ和40.9HZ，两台轴流送风机的调速比分别为0.7384和0.8423，频率分别为43HZ和45.9HZ，隧道(Ⅰ)段开启3组射流风机(每组3台)，(Ⅱ)段开启3组射流风机(每组3台)；利用此种方法确定隧道风机开启方案，平均节电率可高达34.21％。