CN113217450A - 一种隧道风机控制方法及系统 - Google Patents

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CN113217450A CN202110674226.XA CN202110674226A CN113217450A CN 113217450 A CN113217450 A CN 113217450A CN 202110674226 A CN202110674226 A CN 202110674226A CN 113217450 A CN113217450 A CN 113217450A
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Abstract

本发明涉及一种隧道风机控制方法及系统。该方法包括：根据隧道的长度、通车量和车型类别数，得到一氧化碳预测排放量和隧道烟尘预测排放量；根据一氧化碳预测排放量和隧道烟尘预测排放量确定一氧化碳调整值和隧道烟尘调整值；根据一氧化碳调整值和隧道烟尘调整值确定稀释一氧化碳的需风量和稀释隧道烟尘的需风量；并获取隧道换气的需风量；根据最大的需风量确定隧道需风量；根据隧道需风量确定隧道需风速和隧道需风速的范围；获取隧道实际风速和隧道内自然风速和隧道需风速的范围确定风机开启数量，得到隧道风速；根据隧道风速和隧道需风速，采用平滑算法控制风机开启或关闭。本发明能够充分利用自然风和活塞风，从而达到节约能源的目的。

Description

一种隧道风机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道通风控制领域，特别是涉及一种隧道风机控制方法及系统。
背景技术
公路特长隧道的营运通风有其特殊要求，它直接涉及到工程土建、设备投资规模以及隧道建成后的运营效率和安全问题。一方面，对于正常交通和阻滞交通工况，“机动车有害气体基准排放量均以2000年为起点，按每年2％的递减率计算至设计目标年份获得的排放量，作为隧道通风设计目标年份的基准排放量，最大折减年限不超过30年。”但随着我国汽车发动机技术的发展、国家汽车污染物排放法规的改善及油料质量的提升，这种按照固定2％递减率计算CO、VI排放量的方法，是充分保证隧道通风安全的统一规范值，但未能考虑不同地区特定隧道通行车辆的车型、汽柴比、尾气排放及保养程度不同造成的差异。而依据固定递减率计算得出的CO、VI排放量进行通风控制，会产生不同程度的能源浪费。另外，考虑用于稀释污染物的空气本身可能含有一定背景浓度的污染物，如果用其稀释隧道中的污染物，在同样需风量的情况下相对新鲜空气而言其稀释效果差，甚至可能产生安全隐患。
另一方面，在公路隧道运营阶段，机动车有害气体CO、VI的排放量是影响隧道营运通风的一个重要因素。目前，公路隧道常采用前反馈模糊控制法。对于正常交通和阻滞交通工况，公路隧道取一定数量的不同车速值，按照公路隧道的实际交通状态开启一定数量的风机，测定风机运行一定时长t0(注：t0为一控制周期，风机控制周期以10min为宜，故而t0选用10min)后的CO、VI值，依据其变化率，如果超出设定阈值，则启闭相应数量的风机，实现公路隧道通风控制。但这种控制方式存在以下缺点：如果自然风和活塞风与隧道风机方向一致，可能造成在t(t＜t0)时间内已稀释CO、VI到设定阈值后风机未及时关闭，在利用自然风和活塞风方面相对滞后，造成不必要的能源浪费；如果自然风和活塞风与隧道风机方向相反，亦可能造成在t(t＜t0)时间内CO、VI超过设定阈值后风机未及时开启，导致隧道内CO、VI超标，存在一定的安全隐患。
鉴于此，亟需一种能够解决现有技术中上述缺点的隧道纵向射流通风风机控制方法或系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道风机控制方法及系统，能够充分利用自然风和活塞风，从而达到节约能源的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种隧道风机控制方法，包括：
获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
可选地，所述根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000021
确定一氧化碳预测排放量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000031
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
可选地，所述根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值，具体包括：
利用公式QCO(调整)＝mCO×QCO(预测)确定一氧化碳调整值；
利用公式QVI(调整)＝mVI×QVI(预测)确定隧道烟尘调整值；
其中，QCO(调整)为一氧化碳调整值，mCO为一氧化碳的调整系数，QVI(调整)为隧道烟尘调整值，mVI为隧道烟尘调整系数。
可选地，所述根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000032
确定稀释一氧化碳的需风量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000033
确定稀释隧道烟尘的需风量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000041
和Qreq(换)＝Vh×Ar均确定隧道换气的需风量；
其中，Qreq(CO)为稀释一氧化碳的需风量，δ为一氧化碳允许浓度，P0为标准大气压，P为隧址设计气压，T0为标准气温，T为隧道夏季的设计气温，Qreq(VI)为稀释隧道烟尘的需风量，K为烟尘允许浓度，D为空气质量影响因数，D清洁为清洁空气质量影响因数，Qreq(换)为隧道换气的需风量，Ar为隧道净空断面积，ns为隧道全长空间不间断换气频率，t为时间，vh为隧道换气风速。
可选地，所述根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000042
确定隧道需风速；
利用公式
Figure BDA0003120049010000043
确定隧道需风速的最小值；
利用公式
Figure BDA0003120049010000044
确定隧道需风速的最大值；
根据所述隧道需风速的最小值和所述隧道需风速的最大值确定隧道需风速的范围；
其中，vreq为隧道需风速，
Figure BDA0003120049010000045
为隧道需风速的最小值，Δvj1为在隧道需风速为vreq的前提下，减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值，α为在隧道需风速为vreq的前提下，对应减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，α在0.5～0.75范围取值，
Figure BDA0003120049010000046
为隧道需风速的最大值，Δvj2为在隧道需风速为vreq的前提下，增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值，β为在隧道需风速为vreq的前提下，对应增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，β在0.5～0.75范围取值。
可选地，所述根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量，具体包括：
利用公式s＝∑(vreq-vrs)·Δt确定隧道需风速与隧道风速之差与时间积汇总；
当
Figure BDA0003120049010000051
时，增开单台或单组风机；
当
Figure BDA0003120049010000052
时，关闭单台或单组风机；
其中，vrs为隧道风速，t为不影响风机使用寿命的最小开机时长，t为10min。
一种隧道风机控制系统，包括：
参数获取模块，用于获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
预测排放量确定模块，用于根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
调整值确定模块，用于根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
需风量确定模块，用于根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
隧道需风量确定模块，用于根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
隧道需风速确定模块，用于根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
隧道风速确定模块，用于获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
风机控制模块，用于根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
可选地，所述预测排放量确定模块具体包括：
一氧化碳预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003120049010000061
确定一氧化碳预测排放量；
隧道烟尘预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003120049010000062
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种隧道风机控制方法及系统，通过考虑隧道的自身情况以及通行车辆的情况，真实反映隧道内污染物排放的真实情况，为下一步通风控制提供可靠的依据。进而通过调整一氧化碳和隧道烟尘，保证稀释一氧化碳和隧道烟尘的需风量的准确性。获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速，相对准确地体现所装设隧道的个性化特点，为隧道风机智能控制系统提供个性化依据，使其能够充分利用自然风和活塞风，降低能耗，节约能源。采用平滑算法的风机控制方式，通过利用新型的迭代原则，能够减少风机频繁启闭，在保证隧道风机使用寿命的前提下达到节约能源的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种隧道风机控制方法流程示意图；
图2为本发明所提供的一种隧道风机控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种隧道风机控制方法及系统，能够充分利用自然风和活塞风，从而达到节约能源的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种隧道风机控制方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种隧道风机控制方法，包括：
S101，获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
S102，根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
S102具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000071
确定一氧化碳预测排放量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000072
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
其中，
Figure BDA0003120049010000081
S103，根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
S103具体包括：
利用公式QCO(调整)＝mCO×QCO(预测)确定一氧化碳调整值；
利用公式QV1(调整)＝mVI×QVI(预测)确定隧道烟尘调整值；
其中，QCO(调整)为一氧化碳调整值，mCO为一氧化碳的调整系数，QVI(调整)为隧道烟尘调整值，mVI为隧道烟尘调整系数。
mVI为对参考《细则-2014》计算得到的烟雾预测值进行调整的系数，该系数考虑了不同地区特定隧道通行车辆的车型、尾气排放及保养程度不同造成的差异等多方面因素；
mCO为对参考《细则-2014》计算得到的CO预测值进行调整的系数，该系数考虑了不同地区特定隧道通行车辆的车型、尾气排放及保养程度不同造成的差异等多方面因素。
参考《细则-2014》计算CO、VI排放量的预测值，分别记为和QCO(预测)和QVI(预测)，调整系数mCO、mVI初设为1。依据此值，计算得到CO、VI的排放量QCO(调整)和QVI(调整)，按此排放量QCO(调整)和QVI(调整)经后续的计算得到的需风速要求控制风机启闭，使隧道风速满足需风速要求，测定稀释后的CO、VI指标判定调整系数mCO、mVI的误差，并根据误差的大小对调整系数mCO、mVI进行训练、迭代，通过反复的训练、迭代这种学习型算法使得该系数逐步逼近真实值，为下一步稀释CO、VI的需风量计算提供准确依据。
S104，根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
S104具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000091
确定稀释一氧化碳的需风量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000092
确定稀释隧道烟尘的需风量；
利用公式
Figure BDA0003120049010000093
和Qreq(换)＝vh×Ar均确定隧道换气的需风量；其中将这两公式确定需风量的最大值作为隧道换气的需风量。
其中，Qreq(CO)为稀释一氧化碳的需风量，δ为一氧化碳允许浓度，P0为标准大气压，P为隧址设计气压，T0为标准气温，T为隧道夏季的设计气温，Qreq(VI)为稀释隧道烟尘的需风量，K为烟尘允许浓度，D为空气质量影响因数，D清洁为清洁空气质量影响因数，Qreq(换)为隧道换气的需风量，Ar为隧道净空断面积，ns为隧道全长空间不间断换气频率，t为时间，vh为隧道换气风速。
D初值见下表，通过反复迭代使得该系数逐步逼近真实值，能够实现学习型算法，为稀释VI的需风量计算提供准确依据。
其中，根据空气质量好坏程度，引入一个系数D，将其分为四种情况，如表1：
表1空气质量与稀释烟雾的影响系数D关系
Figure BDA0003120049010000094
S105，根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
S106，根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
S106具体包括：
利用公式
Figure BDA0003120049010000101
确定隧道需风速；
利用公式
Figure BDA0003120049010000102
确定隧道需风速的最小值；
利用公式
Figure BDA0003120049010000103
确定隧道需风速的最大值；
根据所述隧道需风速的最小值和所述隧道需风速的最大值确定隧道需风速的范围；
其中，vreq为隧道需风速，
Figure BDA0003120049010000104
为隧道需风速的最小值，Δvj1为在隧道需风速为vreq的前提下，减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值，α为在隧道需风速为vreq的前提下，对应减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，α在0.5～0.75范围取值，
Figure BDA0003120049010000105
为隧道需风速的最大值，Δvj2为在隧道需风速为vreq的前提下，增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值，β为在隧道需风速为vreq的前提下，对应增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，β在0.5～0.75范围取值。
依据《细则-2019》：采用纵向通风的隧道，隧道换气需风速(vac)不应低于2.5m/s。如果计算所得的需风速vreq≥vac＝2.5m/s，可以确定最终需风速为vreq，否则需要置换为隧道换气的最低需风速，即vreq＝vac＝2.5m/s。
S107，获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
测定隧道实际风速vr1的大小、风向以及已开启风机台(组)数i1、正反转，查询表2，确定隧道内自然风速vn的大小、风向，若隧道实际风速vr1不在步骤6中得到的需风速范围
Figure BDA0003120049010000111
内，查询所确定自然风速vn的大小、风向的所在行，需风速范围
Figure BDA0003120049010000112
所对应列即为共计开启风机的台(组)数i2，即能够确定风机增减数量Δi＝i2-i1，使其对应的隧道风速vrs落到步骤6得到的需风速范围
Figure BDA0003120049010000113
即可：
表2在隧道自然风速下风机开启数量对应的隧道风速vr表
Figure BDA0003120049010000114
取隧道的交通方向为正，若隧道实际风速与交通方向一致，则为“+”，否则为“-”。
确定风机开启数量后，控制相应台数或者组数风机开启及关闭，但因风机是按台数或者组数控制，风机启闭完成后得到的隧道风速和相应的隧道需风速之间会有一定的差异，为了减少这些差异，采用S108。
S108，根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
S108具体包括：
利用公式s＝∑(vreq-vrs)·Δt确定隧道需风速与隧道风速之差与时间积汇总；
当
Figure BDA0003120049010000115
时，增开单台或单组风机；
当
Figure BDA0003120049010000116
时，关闭单台或单组风机；
其中，vrs为隧道风速，t为不影响风机使用寿命的最小开机时长，t为10min。
因为风机是按台数或者组数启闭的，如果严格按照控制曲线控制风机，极易造成风机频繁启闭，风机均为大功率电机，每次启闭均会对电网造成冲击，降低电网的供电质量。并且频繁启闭风机对电机的寿命也会造成很大的影响。
以龙泉口隧道右洞为例，隧道长L＝3654m，海拔高度950m(fh(VI)＝0.0003×950+0.88＝1.165，fh＝0.78+950/180＝6.058)，坡度为1.98％，近似2％，按表6.2.2-2中2％取值，车速选用80km/h，fiv(VI)＝3.7，fiv＝1.2，fd＝0.75，隧道为单向三车道，按高速公路(fa(VI)＝1.0，fa＝1.0)，汽车尾排按2021年考虑(qVI＝2.0×(1-21×2％)＝1.36，qCO＝0.007×(1-21×2％)＝0.00476)，高速公路以及服务水平，K＝0.0070m-1，δ＝100cm3/m2，温度T＝20℃＝293K，隧道进风侧自然空气为清洁空气。某时刻交通状况各参数如表3所示：
表3各类型车辆的发动机类型比例
Figure BDA0003120049010000121
参考《细则-2014》隧道烟尘预测排放量QVI(预测)的计算公式如下得到：
Figure BDA0003120049010000131
k1＝0.5×0.1×0.4+0.2×0.3×0.4+0.2×1×1.5+0.1×0.8×1.0＝0.424
其中：QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量(m2/s)；
qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量[m2/(vah·km)]，参考《细则-2014》推导的下列公式进行取值(本实施例按2021年考虑)：
qVI＝2.0·(1-(2021-2000)·2％)＝1.16；
fa(VI)为考虑烟尘的车况系数，本实施例为高速隧道，取为1.0；
fd为车密度系数，参考《细则-2014》表6.2.2-2取值为0.75；
fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数，fh(V1)＝0.0003×950+0.88＝1.165；
fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，本实施例坡度为1.98％，近似2％，交通车速按80km/h计算，由《细则-2014》中坡度按2％取值，fiv(VI)取为3.7；
nD为车型类别数；
fm(VI)为考虑烟尘的柴油车车型系数，参考《细则-2014》为进行取值。
参考《细则-2014》CO排放量预测值QCO(预测)的计算公式如下：
Figure BDA0003120049010000132
k2＝1.0×(0.5×0.1+0.2×0.3+0.2×1+0.1×0.8)+0.5×0.9×1.0+0.2×0.7×2.5+0.1×0.2×5.0＝1.29
其中：QCO(预测)为隧道CO预测排放量(m3/s)；
qCO为运行目标年份的CO基准排放量[m3/(veh·km)]，参考《细则-2014》第6.1.2条和6.3.1条推导的下列公式进行取值(本实施例按2021年考虑)：
qCO＝0.007·[1-(2021-2000)·2％]＝0.00476；
fa为考虑CO的车况系数，本实施例为高速隧道，取为1.0；
fd为车密度系数，参考《细则-2014》表6.2.2-2取值为0.75；
fh为考虑CO的海拔高度系数，fh＝0.78+h/180＝0.78+950/180＝6.058；
fiv为考虑CO的纵坡-车速系数，本实施例坡度为1.98％，近似2％，交通车速按80km/h计算，由《细则-2014》表6.3.2-2中坡度按2％取值，fiv取为1.2；
L为隧道长度(m)，本实施例以龙泉口隧道右洞，L为3672m；
Nm为相应车型的交通量(veh/h)，此值可采用隧道入口侧交通量实测值；
n为车型类别数；
fm为考虑CO的车型系数，参考《细则-2014》进行取值。
调整VI预测值，记为QVI(调整)，即：
QVI(调整)＝mVI×QVI(预测)＝1.0×0.14914×n＝0.14914×n
调整CO预测值，记为QCO(调整)，即：
QCO(调整)＝mCO×QCO(预测)＝1.0×2.678×10-3×n＝2.678×10-3×n
其中：mVI为对参考《细则-2014》计算得到的烟雾预测值进行调整的系数，初值设为1.00；mCO为对参考《细则-2014》计算得到的CO预测值进行调整的系数，初值设为1.00。
①稀释烟雾的需风量(K按高速公路一级服务考虑，取0.0070m-1；D按清洁空气的初值考虑，取0.0050m-1)：
Figure BDA0003120049010000141
②稀释CO的需风量
Figure BDA0003120049010000151
其中：Qreq(CO)为隧道稀释CO的需风量(m3/s)，δ为CO允许浓度，因隧道长度大于3000m，查《细则-2014》表5.3.1，δ＝100；P0为标准大气压(kN/m2)，取101.325kN/m2；P为隧址设计气压(kN/m2)，隧道海拔为950m，取0.896P0；T0为标准气温(K)，取273K；T为隧道夏季的设计气温(K)，取293K。
③参考《细则-2014》中的隧道换气的需风量：
Figure BDA0003120049010000152
Qreq(换)＝vh×Ar＝2.5×72.536＝181.34(m3/s)；
其中：Qreq(换)为隧道换气需风量(m3/S)；Ar为隧道净空断面积(m2)，以龙泉口隧道右洞为例，经测算为72.536m2；ns为隧道全长空间不间断换气频率，按第5.4.1节取值ns＝3；t为时间，3600s。Vh为隧道换气风速，参考《细则-2019》5.5.2条取值2.5m/s。
④当n＞4时，需风量Qreq＝Qreq(VI)＝50.248×n；
当n≤4时，需风量Qreq＝Qreq(换)＝220.87(m3/s)；
此处设定Qreq＝Qreq(VI)＝50.248×n；
明确了需风量，需风速计算公式如下：
Figure BDA0003120049010000153
依据《细则-2019》：采用纵向通风的隧道，隧道换气需风速vac不应低于2.5m/s，如果计算所得的需风速vreq≥vac＝2.5m/s，可以确定最终需风速为vreq，否则需要置换为隧道换气的最低需风速，即vreq＝vac＝2.5m/s。
Figure BDA0003120049010000161
Figure BDA0003120049010000162
其中，Δvj1为在隧道实际风速为vreq的前提下，减少单台(组)风机产生的隧道风速变化值，可参考7.中所述进行取值；α为在隧道实际风速为vreq的前提下，对应减少单台(组)风机产生的隧道风速变化值的权重系数，在0.5～0.75范围取值，本实例取0.65；Δvj2为在隧道实际风速为vreq的前提下，增加单台(组)风机产生的隧道风速变化值，可参考7.中所述进行取值；β为在隧道实际风速为vreq的前提下，对应增加单台(组)风机产生的隧道风速变化值的权重系数，在0.5～0.75范围取值，本实例取0.65。
隧道自然通风力，对于没有设置坚井的隧道(龙泉口隧道未设置竖井)，自然通风力参考《细则-2014》，当自然通风力作隧道通风阻力时，式子取“+”；当自然通风力作隧道通风动力时，式子取“-”。
Figure BDA0003120049010000163
式中：ΔPm为隧道内自然风阻力(N/m2)；vn为自然风作用引起的洞内风速(m2/s)；ξc为隧道入口损失系数，初值可参考《细则-2014》表7.1.5取值，取0.5，运行中可通过迭代将此值逼近所处隧道真实值；λr为隧道壁面摩阻损失系数，初值可参考《细则-2014》表7.1.5取值，取0.02，运行中可通过迭代将此值逼近所处隧道真实值；Dr为隧道断面当量直径(m)，
Figure BDA0003120049010000171
以龙泉口隧道右洞为例，经测算为8.6063m；Ar为隧道净空断面积(m2)；以龙泉口隧道右洞为例，经测算为72.536m2；Cr为隧道断面周长(m)。以龙泉口隧道右洞为例，经测算为33.713m；L为隧道长(m)。以龙泉口隧道右洞为例，为3654m。
2)隧道交通通风力，单向交通隧道交通通风力可参考《细则-2014》计算：
Figure BDA0003120049010000172
式中：ΔPt为交通通风力(N/m2)；n为隧道内车辆数(辆)，此处可按照洞口监测的交通状况预测得出；vr为隧道设计风速(m/s)，
Figure BDA0003120049010000173
Qr为隧道设计风量(m3/s)；Am为汽车等效阻抗面积(m2)，详见后面计算过程，得；vt为各工况车速(m/s)，此处取80km/h，换算得22.22m/s。
当vt＞vr时，ΔPt取“+”：当vt＜vr时，ΔPt取“-”。
车等效阻抗面积可参考《细则-2014》式(7.3.4-1)计算：
Am＝(1-r1)·Acs·ξe+r1·Ac1·ξe＝(1-r1)·2.13·ξe+r1·5.37·ξe
＝(2.13+3.24·r1)·(0.0768x+0.35)＝(2.13+3.24×0.2)×0.3602
＝1.001
式中：Acs为小型车正面投影面积(m2)，可取2.13m2；Ad为大型车正面投影面积(m2)，可取5.37m2；ξe为隧道内汽车空气阻力系数，参考《细则-2014》(7.3.4-2)计算；r1为大型车比例。根据预设值为0.2。
ξe＝0.0768x+0.35＝0.3602；
式中：x为大型车和小型车正面投影面积与隧道行车空间净空面积百分比(％)，单向隧道共计三车道，按照左侧两车道为小型车辆，右侧车道为大型车辆预估x值：
Figure BDA0003120049010000181
3)隧道通风阻力，可参考《细则-2014》计算：
Figure BDA0003120049010000182
式中：ΔPr为隧道内通风阻力(N/m2)；ΔPλ为隧道内沿程摩阻损失(N/m2)，
Figure BDA0003120049010000183
Figure BDA0003120049010000184
为隧道内局部摩阻损失(N/m2)，
Figure BDA0003120049010000185
ξi为隧道局部摩阻损失系数，其中隧道入口取0.5，出口取1.0，隧道中部的分流与合流等按附录A取值。
4)隧道内压力平衡应满足《细则-2014》：
ΔPr+ΔPm＝ΔPt+∑ΔPj；
式中：∑ΔPj为射流风机群总升压力(N/m2)。
5)射流风机升压力与所需台数计算：
①每台射流风机升压力可按《细则-2014》式(7.5.4-1)计算：
Figure BDA0003120049010000191
式中：ΔPj为单台射流风机的升压力(N/m2)；vj为射流风机的出口风速(m/s)；Aj为射流风机的出口面积(m2)；η为射流风机位置摩阻损失折减系数，取0.7。
②射流风机台数可按《细则-2014》计算：
Figure BDA0003120049010000192
式中：i为所需射流风机的台数(台)。
Figure BDA0003120049010000193
n＝1.4441|vr|
Figure BDA0003120049010000201
根据上式可计算得到单向隧道自然风速vn下开启i台(组)风机后的隧道风速vr关系。
测定隧道实际风速vr1的大小、风向以及已开启风机台(组)数i0、正反转，查询表3，确定隧道内自然风速vn的大小、风向，若隧道实际风速vr1不在需风速范围
Figure BDA0003120049010000202
内，查询所确定自然风速vn的大小、风向的所在行，需风速范围
Figure BDA0003120049010000203
所对应列即为共计开启风机的台(组)数i1，即能够确定风机增减数量Δi＝i1-i0：
参考《细则-2014》在交通速度80km/h，隧道入口摩阻系数取0.5，隧道沿程摩阻系数取0.02，大型车占比0.2的情况下，龙泉口隧道左洞单向隧道自然风速vn下开启i台(组)风机后的隧道风速vr关系详见表3，其中隧道入口摩阻系数，隧道沿程摩阻系数，汽柴比等系数可考虑先按给出的初值计算，经运行迭代后，使其符合控制系统所处隧道本体及运行的情况，使计算结果相对准确，为后续风机控制提供依据。
表3单向隧道自然风速下开启台(组)风机后的隧道风速
Figure BDA0003120049010000204
Figure BDA0003120049010000211
其中，风机数量前加“-”表示风机反向；无“-”表示风机正向；
应用本表时，隧道需风速vr2与隧道实际隧道风速vr1同号，i2、i1按同向考虑；
先由风机开启方向及数量确定列i1，再依据隧道实测风速确定行，再根据需风速由本行查到所在列查到开启风机方向及数量i2，计算
Δi＝|i2|-|i1|得到风机启闭数量(当Δi＜0时为关闭，Δi＞0时为开启；当i1＜0时为反向，i1＞0时为正向)；
《细则-2014》中“单向交通隧道设计风速不宜大于10.0m/s，特殊情况下不应大于12.0m/s；双向交通隧道设计风速不应大于8.0m/s；设有专用人行道的隧道设计风速不应大于7.0m/s。”因而本表中如果出现大于10.0m/s时，宜关闭一定数量的风机；
本表中数据是设小客车占比50％，小货车占比20％，中货车占比10％，大客车占比20％，汽柴比参照《细则-2014》表3-1等前提下得到的；
本表中带“*”处表示宜将此单元格所对应的风机关闭；
隧道自然风速vn为-5m/s(即反向5m/s)及以上时，应迅速关闭正向风机；介于-2～-5m/s范围内时宜关闭正向风机，并测算风机是否需要反向开启。
采用平滑算法给风机提供数据支撑，在查询风机增减数量Δn表单后，将隧道需风速vreq和预控风速vrs之差与时间积汇总：
s＝∑(vreq-vrs)·Δt；
当
Figure BDA0003120049010000221
增开单台(组)风机；当
Figure BDA0003120049010000222
关闭单台(组)风机。这样可使风机不频繁启闭(依据《细则-2019》第12.4.6条第6小条规定：启闭间隔应大于30s)，保证其正常使用寿命，并减少对电网冲击次数。
图2为本发明所提供的一种隧道风机控制系统结构示意图，如图2所示，本发明所提供的一种隧道风机控制系统，包括：
参数获取模块201，用于获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
预测排放量确定模块202，用于根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
调整值确定模块203，用于根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
需风量确定模块204，用于根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
隧道需风量确定模块205，用于根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
隧道需风速确定模块206，用于根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
隧道风速确定模块207，用于获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
风机控制模块208，用于根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
所述预测排放量确定模块202具体包括：
一氧化碳预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003120049010000231
确定一氧化碳预测排放量；
隧道烟尘预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003120049010000232
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种隧道风机控制方法，其特征在于，包括：
获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
2.根据权利要求1所述的一种隧道风机控制方法，其特征在于，所述根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003120048000000011
确定一氧化碳预测排放量；
利用公式
Figure FDA0003120048000000012
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
3.根据权利要求2所述的一种隧道风机控制方法，其特征在于，所述根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值，具体包括：
利用公式QCO(调整)＝mCO×QCO(预测)确定一氧化碳调整值；
利用公式QVI(调整)＝mVI×QVI(预测)确定隧道烟尘调整值；
其中，QCO(调整)为一氧化碳调整值，mCO为一氧化碳的调整系数，QVI(调整)为隧道烟尘调整值，mVI为隧道烟尘调整系数。
4.根据权利要求3所述的一种隧道风机控制方法，其特征在于，所述根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003120048000000021
确定稀释一氧化碳的需风量；
利用公式
Figure FDA0003120048000000022
确定稀释隧道烟尘的需风量；
利用公式
Figure FDA0003120048000000023
和Qreq(换)＝vh×Ar均确定隧道换气的需风量；
其中，Qreq(CO)为稀释一氧化碳的需风量，δ为一氧化碳允许浓度，P0为标准大气压，P为隧址设计气压，T0为标准气温，T为隧道夏季的设计气温，Qreq(VI)为稀释隧道烟尘的需风量，K为烟尘允许浓度，D为空气质量影响因数，D清洁为清洁空气质量影响因数，Qreq(换)为隧道换气的需风量，Ar为隧道净空断面积，ns为隧道全长空间不间断换气频率，t为时间，vh为隧道换气风速。
5.根据权利要求4所述的一种隧道风机控制方法，其特征在于，所述根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003120048000000031
确定隧道需风速；
利用公式
Figure FDA0003120048000000032
确定隧道需风速的最小值；
利用公式
Figure FDA0003120048000000033
确定隧道需风速的最大值；
根据所述隧道需风速的最小值和所述隧道需风速的最大值确定隧道需风速的范围；
其中，vreq为隧道需风速，
Figure FDA0003120048000000034
为隧道需风速的最小值，Δvj1为在隧道需风速为vreq的前提下，减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值，α为在隧道需风速为vreq的前提下，对应减少单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，α在0.5～0.75范围取值，
Figure FDA0003120048000000035
为隧道需风速的最大值，Δvj2为在隧道需风速为vreq的前提下，增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值，β为在隧道需风速为vreq的前提下，对应增加单台或单组风机产生的隧道风速变化值的权重系数，β在0.5～0.75范围取值。
6.根据权利要求5所述的一种隧道风机控制方法，其特征在于，所述根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量，具体包括：
利用公式s＝∑(vreq-vrs)·Δt确定隧道需风速与隧道风速之差与时间积汇总；
当
Figure FDA0003120048000000041
时，增开单台或单组风机；
当
Figure FDA0003120048000000042
时，关闭单台或单组风机；
其中，vrs为隧道风速，t为不影响风机使用寿命的最小开机时长，t为10min。
7.一种隧道风机控制系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取隧道的长度、通车量以及车型类别数；
预测排放量确定模块，用于根据隧道的长度、通车量以及车型类别数，得到一氧化碳预测排放量以及隧道烟尘预测排放量；
调整值确定模块，用于根据所述一氧化碳预测排放量和所述隧道烟尘预测排放量分别确定一氧化碳调整值以及隧道烟尘调整值；
需风量确定模块，用于根据所述一氧化碳调整值确定稀释一氧化碳的需风量；根据所述隧道烟尘调整值确定稀释隧道烟尘的需风量；同时获取所述隧道的隧道换气的需风量；
隧道需风量确定模块，用于根据所述稀释一氧化碳的需风量、所述稀释隧道烟尘的需风量以及所述隧道换气的需风量中最大的需风量确定隧道需风量；
隧道需风速确定模块，用于根据所述隧道需风量确定隧道需风速以及隧道需风速的范围；
隧道风速确定模块，用于获取隧道实际风速以及隧道内自然风速以及隧道需风速的范围确定风机开启数量，同时开启相应数量的风机，得到隧道风速；
风机控制模块，用于根据所述隧道风速以及隧道需风速，采用平滑算法调整风机的开启数量。
8.根据权利要求7所述的一种隧道风机控制系统，其特征在于，所述预测排放量确定模块具体包括：
一氧化碳预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003120048000000043
确定一氧化碳预测排放量；
隧道烟尘预测排放量确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003120048000000051
确定隧道烟尘预测排放量；
其中，QCO(预测)为一氧化碳预测排放量，qCO为运行目标年份的一氧化碳基准排放量，fa为一氧化碳的车况系数，fd为车密度系数，fh为一氧化碳的海拔高度系数，fiv为一氧化碳的纵坡-车速系数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量，n为车型类别数，fm为一氧化碳的车型系数，QVI(预测)为隧道烟尘预测排放量，qVI为运行目标年份的烟尘基准排放量，fa(VI)为烟尘的车况系数，fh(VI)为烟尘的海拔高度系数，fiv(VI)为烟尘的纵坡-车速系数，nD为车型类别数，fm(VI)为烟尘的柴油车车型系数。
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