CN110374656A - 一种隧道施工通风方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道施工通风方法及系统，隧道施工通风系统包括变频风机、变频器、控制器、粉尘传感器、气体传感器、网络通讯装置，粉尘和气体等检测隧道内环境状态，将粉尘浓度和各类气体浓度通过网络通讯装置，传输给智能控制模块，智能控制模块将传感器检测值与健康标准值比较，同时根据隧道长度、风管特性等信息，计算风机送风量，通过向变频器发送指令调节变频器输出频率，从而调整风机运行状态。

Description

一种隧道施工通风方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种隧道施工通风方法及系统。

背景技术

隧道施工过程中，现场作业环境的粉尘浓度很高，同时内燃机车辆消耗大量氧气，排放大量废气，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物等。隧道中也经常伴有甲烷、硫化氢等危险气体。通风作为常用的方式，用于排出粉尘和有害气体，并向隧道内提供足够的氧气。

现有隧道施工过程中，采用调速电机来控制风量供给的大小。常用的调速方法有三速电机、变频电机等。三速电机通过接触器切换电机极对数，从而来调整速度，通常有三个设定好的速度点，电机在三个速度之一上运行，速度调整范围小。变频电机通过变频器进行控制，变频器频率可连续调整，电机转速与频率成正比关系，转速随着频率连续调节，具有速度调节范围广，运转平滑的特点。

上述调速方法仍有一定缺点，三速电机的转速相对固定，不能与隧道内部实际的需风量完美匹配，风量经常超过或低于所需风量。电机转速不能实现所需风量时，隧道内环境较差，人员健康受到很大影响；电机转速过高时，耗电量急剧增加。变频电机调速方法，通过变频器上的旋钮手动调节频率，从而改变电机转速。通常根据人们对隧道内部环境的主观感受，手动调整频率，调节的实时性较差，对隧道内部环境控制不精准，其粉尘浓度和有害气体含量取决于个体的感受，实际通风量不能及时调整，也造成电能的浪费。

发明内容

12.为解决上述至少一个问题，本发明提供的一种隧道施工通风方法，包括如下步骤：

S1：根据隧道基本参数，计算保证隧道掌子面最低需风量Q₀的风机最低运行频率f₀；

S2：根据隧道环境状态偏差值Δ，计算频率调整值f_Δ；

S3：根据所述最低运行频率f₀和频率调整值f_Δ，计算得到风机输出频率f_out：

f_out＝f₀+f_Δ

S4：风机系统根据所述风机输出频率f_out自动调整风机运行状态。

这里，默认最低运行频率f₀和频率调整值f_Δ皆为正值，由此，在确保风机送风量不低于确保隧道掌子面最低需风量的基础上，根据环境空气质量恶化程度，对风机送风量进行相对应的增加，由此，既满足了隧道施工的最佳通风需求，又针对性的降低了由于实际通风量不能及时调整造成的电能浪费，同时，最低运行频率f₀的设置也避免了由于数据异常导致的风机送风量过小而低于隧道掌子面最低需风量的情况，避免了事故的发生。

优选地，所述隧道基本参数包括掌子面最低需风量Q₀、隧道长度L、风管百米漏风系数β，

优选地，基于所述最低需风量Q₀得到风机最低出风量Q为：

其中，所述漏风系数β小于1。隧道长度L可由激光测距器自动得出，并传给控制系统。风管百米漏风系数β可由风管内多个距离点的风压、风速传感器测得。

优选地，所述最低运行频率f₀与风机最低出风量Q为正比，则保证掌子面最低需风量的电源频率为：

f₀＝kQ

其中，k为风机转速对应出风量系数，k根据风机叶片形状、尺寸、隧道长度来确定。

优选地，所述隧道环境状态偏差值Δ基于隧道内的环境信息与目标值std_i得出，所述环境信息由隧道掌子面附近的传感器组的检测值s_i得出：

其中，α_i是各传感器的权重系数。α_i使α_i(s_i-std_i)各项皆为正值，并根据(s_i-std_i)各项绝对值调整权重大小。

优选地，所述频率调整值f_Δ由下式得出：

f_Δ＝K_pΔ

其中K_p是频率调整比例系数，使隧道环境状态偏差值Δ对应于合适的频率调整值f_Δ。

优选地，所述风机系统按照一定时间周期T对风机进行调节。从而，使风机系统进行周期性调整，避免频繁持续调整造成的磨损老化和资源浪费。

特别的，所述时间周期T与所述频率调整值f_Δ成反比。由此，可以使风机频率在环境突然恶化时及时反应，最大程度上避免风机频率调整延后造成的风险事故。并可以在环境良好时避免不必要的风机调整动作。

本发明还提供一种应用上述隧道施工通风方法的隧道施工通风系统，包括风机系统、现场控制模块和智能控制模块，现场控制模块包括传感器组，所述智能控制模块包括比较器和控制器，

所述风机系统包括风机和变频器，

所述传感器组用于采集得到施工环境各项检测值s_i，

所述比较器基于各项检测值s_i和各项目标值std_i进行比对运算，得到隧道环境状态偏差值Δ，

所述控制器基于隧道环境状态偏差值Δ进行计算得到风机输出频率f_out，

所述变频器基于风机输出频率f_out控制所述风机的运行频率。

从而，根据环境空气质量恶化程度，对风机送风量进行相对应的增加，既满足了隧道施工的最佳通风需求，又针对性的降低了由于实际通风量不能及时调整造成的电能浪费。

优选地，所述比较器用于赋予所述各项检测值s_i和各项目标值std_i的比对差值的权重系数α_i。

优选地，所述控制器赋予所述隧道环境状态偏差值Δ相应的频率调整比例系数K_p得到频率调整值f_Δ，并基于隧道基本参数得到风机的最低运行频率f₀，所述风机输出频率f_out_为频率调整值f_Δ与最低运行频率f₀之和。

最低运行频率f₀的设置避免了由于数据异常导致的风机送风量过小而低于隧道掌子面最低需风量的情况，避免了事故的发生。

优选地，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器、粉尘浓度传感器、CO浓度传感器、NOx浓度传感器和/或含氧量传感器。考虑到机车排气中还有大量水汽，导致施工环境过于潮湿闷热，因此，湿度传感器的设置和计算引入可避免施工工人中暑缺氧等情况，改善施工环境。

优选地，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块用于所述隧道施工通风系统内各模块的数据传输，所述网络通讯模块包括光纤、以太网、4G、Wifi、NB-IOT、LoRa、RS485中的至少一种。

综上，本发明的一种隧道施工通风方法及系统，通过粉尘和气体等传感器检测隧道内环境状态，将粉尘浓度和各类气体浓度通过网络通讯装置，传输给智能控制模块，智能控制模块将传感器检测值与健康标准值比较，同时根据隧道长度、风管特性等信息，计算风机送风量，通过向变频器发送指令调节变频器输出频率，从而调整风机运行状态。由此，在确保风机送风量不低于确保隧道掌子面最低需风量的基础上，根据环境空气质量恶化程度，对风机送风量进行相对应的增加，由此，既满足了隧道施工的最佳通风需求，又针对性的降低了由于实际通风量不能及时调整造成的电能浪费，同时，最低运行频率f₀的设置也避免了由于数据异常导致的风机送风量过小而低于隧道掌子面最低需风量的情况，避免了事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一种隧道施工通风系统现场布局示意图；

图2为本发明一种隧道施工通风系统逻辑模块示意图；

图3为本发明一种隧道施工通风方法流程示意图。

附图标记说明：

110-传感器组，120-现场总线一，130-物联网关，140-现场总线二，210-风机系统，220-风管，300-智能控制模块，310-控制器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明中距离长度单位统一为米(m)。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1、2所示，本发明提供的一种隧道施工通风系统，包括风机系统210、现场控制模块、现场总线一120、物联网关130、现场总线二140和智能控制模块300，现场控制模块包括传感器组110，所述智能控制模块300包括比较器和控制器310，风机系统210包括风机和变频器，传感器组布置在隧道掌子面附近，其中，隧道掌子面是指地下工程或采矿工程中的开挖工作面，传感器组包括温度传感器、湿度传感器、粉尘浓度传感器、CO浓度传感器、NOx浓度传感器和/或含氧量传感器，用于采集得到施工环境各项检测值s_i，尤其是隧道掌子面附近的温度、湿度、粉尘浓度、CO浓度、NOx浓度和氧气含量，考虑到机车排气中还有大量水汽，导致施工环境过于潮湿闷热，因此，湿度传感器的设置和计算引入可避免施工工人中暑缺氧等情况，改善施工环境。传感器组采集得到施工环境各项检测值s_i后，对检测值s_i进行预处理并通过现场总线一120将数据传送给物联网关130，物联网关130通过局域网将数据传输给现场总线二140，进而传送给智能控制模块300的比较器，比较器基于各项检测值s_i和与其对应的各项环境目标值std_i进行比对运算，得到隧道环境状态偏差值Δ，环境目标值std_i可基于经验预设，并存储于比较器中，也可基于现场情况通过输入端口进行现场输入并存储于比较器中，比对方法为：

其中，α_i是各传感器的权重系数。α_i使α_i(s_i-std_i)各项皆为正值，并根据(s_i-std_i)各项绝对值调整权重大小以避免隧道环境状态偏差值Δ异常。

然后，比较器将计算所得隧道环境状态偏差值Δ传输给控制器310，控制器310赋予所述隧道环境状态偏差值Δ相应的频率调整比例系数K_p，通过f_Δ＝K_pΔ得到频率调整值f_Δ，其中K_p是频率调整比例系数，使隧道环境状态偏差值Δ对应于合适的频率调整值f_Δ。

另一方面，控制器310基于掌子面最低需风量Q₀、隧道长度L、风管百米漏风系数β等隧道基本参数得到风机的最低运行频率f₀。掌子面最低需风量Q₀可基于经验预设，并存储于控制器310中，也可基于现场情况通过输入端口进行现场输入并存储于控制器310中。隧道长度L可由激光测距器自动得出，并通过网络通讯模块传给控制器310，风管百米漏风系数β可由风管220内多个间隔距离点的风压、风速传感器测得，通过相隔一定距离D的风压、风速传感器所得的风量Q1和Q2可得，

其中Q1为上游风量，Q2为下游风量，风量可由风压或风速近似代替，D为Q1和Q2采集点距离长度。从而基于对风管长度及漏风率的考虑，通过隧道基本参数得到风机的风机最低出风量Q，

进一步的，控制器310基于风机最低出风量Q计算风机最低运行频率f₀，保证掌子面最低需风量的电源频率为：f₀＝kQ，其中，k为风机转速对应出风量系数，k根据风机叶片形状、尺寸来确定，当风机确定时，则k值为确定值。从而控制器310基于频率调整值f_Δ与最低运行频率f₀之和得出风机输出频率f_out，并通过网络通讯模块将风机输出频率f_out作为变频指令发送给风机系统210的变频器，变频器基于风机输出频率f_out控制所述风机的运行频率，从而，根据环境空气质量恶化程度，对风机送风量进行相对应的增加。

进而，本发明的一个实施例为，风机系统210被设定为按照一定时间周期T对风机进行调节。从而，使风机系统进行周期间隔调整，避免频繁持续调整造成的磨损老化和资源浪费。

特别的，时间周期T与所述频率调整值f_Δ成反比。从而，当频率调整值f_Δ数值大时，时间周期T变小，也就意味着，当环境恶化时，缩短调整周期，加快调整，并且，由于风量增大导致频率调整值f_Δ数值变化快且耗电量大，从而也有利于当环境改善过程中及时调整风量，避免不必要的浪费。由此，可以使风机频率在环境突然恶化时及时反应，最大程度上避免风机频率调整延后造成的风险事故。并可以在环境良好时避免不必要的风机调整动作。当计算所得时间周期T不足1秒时，锁定时间周期T＝1s，当计算所得时间周期T大于1秒时，解除对时间周期T的锁定，特别的，时间周期T优选为以秒为单位的整数，以在不影响调整及时性的情况下提高系统稳定性。

从而，本发明的一种隧道施工通风系统，在现场安装的变频风机和变频控制器；隧道内安装一组或多组气体传感器；气体传感器通过网络通讯模块传输数据，网络通讯模块可以是光纤、以太网、4G、Wifi、NB-IOT、LoRa、RS485等网络形式，根据隧道内的实际情况来选择合适的通讯网络；隧道外的智能控制模块通过通讯网络接收来自传感器组的数据；智能控制模块分析计算隧道环境特性和控制量；智能控制模块向变频器发出控制指令；变频风机在变频器设定的频率下运行，将隧道外的新鲜空气输送到隧道内部，排出隧道内的粉尘和有害气体，并排湿降温。

本发明还提供的一种隧道施工通风方法，如图3所述，通过实时采集隧道基本参数，根据隧道基本参数，计算保证隧道掌子面最低需风量的最低运行频率，并实时采集隧道环境状态检测值，根据隧道环境状态检测值和目标值，计算隧道环境状态偏差值，根据隧道环境状态偏差值，计算频率调整值，从而根据最低送风量的最低运行频率和频率调整值，计算得到风机输出频率，使风机系统根据风机输出频率实时调整风机运行状态，从而自动调整风机运行状态。调整结束后返回到第一步不断循环。

进而，本发明的一个实施例为，风机系统210被设定为按照一定时间周期T对风机进行调节。从而，使风机系统进行周期间隔调整，避免频繁持续调整造成的磨损老化和资源浪费。

特别的，时间周期T与所述频率调整值f_Δ成反比。从而，当频率调整值f_Δ数值大时，时间周期T变小，也就意味着，当环境恶化时，缩短调整周期，加快调整，并且，由于风量增大导致频率调整值f_Δ数值变化快且耗电量大，从而也有利于当环境改善过程中及时调整风量，避免不必要的浪费。由此，可以使风机频率在环境突然恶化时及时反应，最大程度上避免风机频率调整延后造成的风险事故。并可以在环境良好时避免不必要的风机调整动作。

本发明实施方式中的一种隧道施工通风系统和一种隧道施工通风方法可相互依托，亦可单独实施，其中，一种隧道施工通风方法的其余技术内容已在上述实施方式中有所描述，在此不再赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种隧道施工通风方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据隧道基本参数，计算保证隧道掌子面最低需风量Q₀的风机最低运行频率f₀；

S2：根据隧道环境状态偏差值Δ，计算频率调整值f_Δ；

S3：根据所述最低运行频率f₀和频率调整值f_Δ，计算得到风机输出频率f_out：

f_out＝f₀+fΔ

S4：风机系统根据所述风机输出频率f_out自动调整风机运行状态。

2.根据权利要求1所述的隧道施工通风方法，其特征在于，所述隧道基本参数包括掌子面最低需风量Q₀、隧道长度L、风管百米漏风系数β。

3.根据权利要求2所述的隧道施工通风方法，其特征在于，基于所述最低需风量Q₀得到风机最低出风量Q为：

其中，所述漏风系数β小于1。

4.根据权利要求3所述的隧道施工通风方法，其特征在于，所述最低运行频率f₀与风机最低出风量Q为正比，则保证掌子面最低需风量Q₀的电源频率为：

f₀＝kQ

其中，k为风机转速对应出风量系数。

5.根据权利要求1所述的隧道施工通风方法，其特征在于，所述隧道环境状态偏差值Δ基于隧道内的环境信息与目标值std_i得出，所述环境信息由隧道掌子面附近的传感器组的检测值s_i得出：

其中，α_i是各传感器的权重系数。

6.根据权利要求1所述隧道施工通风方法，其特征在于，所述频率调整值f_Δ由下式得出：

f_Δ＝K_pΔ

其中K_p是频率调整比例系数。

7.根据权利要求1-6任一项所述的隧道施工通风方法，其特征在于，所述风机系统按照一定时间周期T对风机进行调节。

8.根据权利要求7所述的隧道施工通风方法，其特征在于，所述时间周期T与所述频率调整值f_Δ成反比。

9.一种应用如权利要求1-8任一项所述的隧道施工通风方法的隧道施工通风系统，其特征在于，包括风机系统、现场控制模块和智能控制模块，现场控制模块包括传感器组，所述智能控制模块包括比较器和控制器，

所述风机系统包括风机和变频器，

所述传感器组用于采集得到施工环境各项检测值s_i，

所述比较器基于各项检测值s_i和各项目标值std_i进行比对运算，得到隧道环境状态偏差值Δ，

所述控制器基于隧道环境状态偏差值Δ进行计算得到风机输出频率f_out，

所述变频器基于风机输出频率f_out控制所述风机的运行频率。

10.根据权利要求9所述的隧道施工通风系统，其特征在于，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器、粉尘浓度传感器、CO浓度传感器、NOx浓度传感器和/或含氧量传感器。

11.根据权利要求9或10所述的隧道施工通风系统，其特征在于，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块用于所述隧道施工通风系统内各模块的数据传输，所述网络通讯模块包括光纤、以太网、4G、Wifi、NB-IOT、LoRa、RS485中的至少一种。