CN113323907B - 一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统 - Google Patents

一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统。所述方法包括：获取隧道内的自然风速和参数集合；基于所述参数集合计算最小自然风速；根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转。本发明能够准确控制风机的反转时刻，在隧道风机运营阶段起到较好的节能效果。

Description

一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道通风控制技术领域，特别是涉及一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统。
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。《公路隧道通风设计细则》规定了射流风机的控制原则：一方面，保持隧道内环境指标在标准允许的范围内，主要包括CO浓度、能见度和风速等；另一方面，将CO浓度和能见度的数值分成若干等级，与投入运行的风机台数及运转时间建立对应关系，并在运营过程中根据实际情况不断优化、完善和改进。
在一定自然风速下，开启一定数量的风机得到相应的隧道风速。风机开启方向通长是正向，然而在自然风速达到某些范围时，正向开启风机，反而会使隧道风速下降，或者效果不好，这时应当将风机反向运行，会在隧道风机运营阶段起到较好的节能作用，然而现在还没有判定风机在什么情况下反转的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道内射流风机反转的确定方法及系统，能够准确控制风机的反转时刻，在隧道风机运营阶段起到较好的节能效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种隧道内射流风机反转的确定方法，包括：
获取隧道内的自然风速和参数集合；所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和；
基于所述参数集合计算最小自然风速；
根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转。
可选的，所述基于所述参数集合计算最小自然风速，具体为：
根据公式
Figure BDA0003170822370000021
计算最小自然风速，其中，
Figure BDA0003170822370000022
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
可选的，所述根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否隧道内射流风机是否反转具体包括：
判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速；
若是则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
可选的，所述设定时间段为1800秒。
一种隧道内射流风机反转的确定系统，包括：
获取模块，用于获取隧道内的自然风速和参数集合；所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和；
最小自然风速确定模块，用于基于所述参数集合计算最小自然风速；
反转确定模块，用于根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转。
可选的，所述最小自然风速确定模块包括：
最小自然风速确定单元，用于根据公式
Figure BDA0003170822370000023
计算最小自然风速，其中，
Figure BDA0003170822370000024
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
可选的，所述反转确定模块具体包括：
判断单元，用于判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速；
反转确定单元，用于若是则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
可选的，所述反转确定单元中的所述设定时间段为1800秒。
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：本发明获取隧道内的自然风速和参数集合，基于参数集合计算最小自然风速，根据最小自然风速和自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转，能够准确控制风机的反转时刻，在隧道风机运营阶段起到较好的节能效果。
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为本发明实施例提供的隧道内射流风机反转的确定方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的隧道内射流风机反转的确定系统的框图。
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。
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。
本实施例提供了一种隧道内射流风机反转的确定方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：获取隧道内的自然风速和参数集合。所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和。通过隧道内装设的传感器得到隧道风速vr，此处隧道风速为实际隧道风速，是在风机控制系统中某一个周期中的隧道风速，此时，隧道内可能有车辆通行，根据需要，隧道内风机也已经开启并通过隧道内开启的风机数量及方向经过通风计算得到隧道内自然风速vn，隧道自然风速vn是自然通风力在隧道内引起的风速变化值。自然通风力叠加风机产生的风压与交通通风力所引起的隧道内风速变化为隧道风速vr，隧道内风机反转首先要克服隧道惯性风所造成的能量损失，其次还要考虑风机反转后风机效率下降而增加能量损耗。这两部分应由隧道内自然风来弥补。
步骤102：基于所述参数集合计算最小自然风速
Figure BDA0003170822370000041
步骤103：根据所述最小自然风速
Figure BDA0003170822370000042
和所述自然风速Vn确定是否控制隧道内射流风机反转。
在实际应用中，步骤102具体为：
根据公式
Figure BDA0003170822370000043
计算最小自然风速，其中，
Figure BDA0003170822370000044
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
在实际应用中，步骤103具体包括：
判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速。
若是则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
在实际应用中，所述设定时间段为1800秒。
本实施例还提供了一种与上述方法对应的隧道内射流风机反转的确定系统，如图2所示，所述系统包括：
获取模块A1，用于获取隧道内的自然风速和参数集合。所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和。
最小自然风速确定模块A2，用于基于所述参数集合计算最小自然风速。
反转确定模块A3，用于根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转。
作为一种可选的实施方式，所述最小自然风速确定模块包括：
最小自然风速确定单元，用于根据公式
Figure BDA0003170822370000051
计算最小自然风速，其中，
Figure BDA0003170822370000052
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
作为一种可选的实施方式，所述反转确定模块具体包括：
判断单元，用于判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速。
反转确定单元，用于若是则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
作为一种可选的实施方式，所述反转确定单元中的所述设定时间段为1800秒。
上述本实施例中计算最小自然风速的公式的具体推导过程如下：
1、隧道自然通风力：
参照《公路隧道通风设计细则》(JTGT D702-02-2014)(以下简称《细则-2014》)中的公式计算，因这里当自然通风力作隧道通风动力，故：
Figure BDA0003170822370000061
其中，ΔPm表示隧道内自然风阻力，单位N/m2；ξc表示隧道入口损失系数；λr表示隧道壁面摩阻损失系数；L表示隧道长度，单位m；Dr表示隧道断面当量直径，单位m，
Figure BDA0003170822370000062
Ar表示隧道净空断面积，单位m2；Cr表示隧道断面周长，单位m；ρ表示隧道内空气密度；vn表示自然风作用引起的洞内风速，单位m2/s。
ξc和λr运营初期为预设参数，并需要在隧道运行中，经风机反向后运行的效果研判，对这两个参数反复迭代，以使其合理的体现所处隧道的特性。
2、隧道惯性风：
气体有一定的密度和占空性，经计算得到隧道内空气质量，再用隧道实际风速，简单估算其动量，再依据动量定理，即可在一定时长的反向自然通风力下克服隧道惯性风。
ft＝mvr
ΔP·Ar·t＝ρ·Ar·L·vr
ΔP·t＝ρ·L·vr
其中，f表示隧道内空气受到的通风力；t表示力作用的时间；m表示隧道内空气的质量；vr表示隧道风速；ΔP隧道风压差。
一般风机换向需经历关闭风机，反向启动风机两个过程，因为射流风机的电机功率较大，为防止对电网造成较大冲击，启闭不宜频繁。风机开启一定时间后会依据隧道内污染物或者污染物产生的因素变化进行调整，调整间隔不小于t0。从节能角度考虑，可以考虑在t0时间内，自然风可以抵消惯性风以及逆向开启风机效率下降造成的能量损失。时间t内可取隧道风机最小调整间隔t0，并取1-σ(σ为0～1之间的数)倍的自然通风力来抵消隧道惯性风，σ倍的自然通风力来抵消逆向开启风机效率下降造成的风机压力损失。最小自然风刚好抵消这两个参量时为最小换向自然风速，如隧道内实际自然风速vn大于换向对应的最小自然风速Vnmin就应该控制风机换向，即
Figure BDA0003170822370000071
Figure BDA0003170822370000072
σ表示在最小控制时间间隔中用来抵消由于反向风机的效率下降在自然通风力的占比，t0表示最小控制周期。
3、反向开启风机效率降至η0，这种开启方式在相同效果下，会增加一定的能耗，在隧道通风中体现为风机产生的风压损失ΔPjs：
单台风机效率下降后在隧道内产生的风压为
Figure BDA0003170822370000073
其中，ΔPj表示单台射流风机的升压力(N/m2)，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，vj表示射流风机的出口风速(m/s)，Aj表示射流风机的出口面积(m2)，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，可取0.7。
一般隧道内装设多组风机(按照n组，每组k台风机考虑)，按照风机全部反向运转，风机效率下降导致的风压损失为：
Figure BDA0003170822370000074
其中，ΔPjs表示风压损失，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量。
因已取1-σ倍的自然通风力来抵消隧道惯性风，所以σ倍隧道自然通风力应补偿风机效率下降导致的风压损失。即：
Figure BDA0003170822370000075
Figure BDA0003170822370000081
4、隧道最小自然风速，可令：
Figure BDA0003170822370000082
Figure BDA0003170822370000083
表示隧道内最小自然风阻力，整理得到：
Figure BDA0003170822370000084
代入自然通风力公式，可得：
Figure BDA0003170822370000085
本实施例采用上述实施例提供的隧道内射流风机反转的确定方法对延崇高速杏林堡隧道左洞进行处理，其隧道长L＝5012m，海拔高度1150m，隧道净空断面积72.536m2，隧道断面周长33.713m。
1、隧道自然通风力：
Figure BDA0003170822370000086
式中：ξc表示隧道入口损失系数，初值可参考《细则-2014》取值，此时取0.5，运行中可通过迭代将此值逼近所处隧道真实值。
λr表示隧道壁面摩阻损失系数，初值可参考《细则-2014》取值，此时取0.02，运行中可通过迭代将此值逼近所处隧道真实值。
Dr表示隧道断面当量直径(m)，
Figure BDA0003170822370000087
以杏林堡隧道左洞为例，经测算为8.6063m。
Ar表示隧道净空断面积(m2)，以杏林堡隧道左洞为例，经测算为72.536m2。
Cr表示隧道断面周长(m)，以杏林堡隧道左洞为例，经测算为33.713m。
L表示隧道长(m)。以杏林堡隧道左洞为例，为5012m。
2、隧道惯性风：
规范规定风机开启后调整间隔不小于30min，t0＝30min＝1800s：
Figure BDA0003170822370000091
3、延崇高速棋盘梁隧道所装设风机反向开启风机效率降至95％，这种开启方式在相同效果下，会增加一定的能耗，在隧道通风中体现为风机产生的风压损失，以杏林堡隧道左洞为例，其内装设10组，每组2台纵向射流风机：
Figure BDA0003170822370000092
式中：ΔPjs表示隧道内风机全部方向开启的风压损失(N/m2)。
vj表示射流风机的出口风速(m/s)，为29.4m/s。
Aj表示射流风机的出口面积(m2)，为0.9852m2。
η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，可取0.7。
Figure BDA0003170822370000093
Figure BDA0003170822370000094
4、为了得到隧道最小自然风速，可令：
Figure BDA0003170822370000095
整理得到：
Figure BDA0003170822370000101
Figure BDA0003170822370000102
Figure BDA0003170822370000103
当隧道自然风速大于在相应隧道风速下隧道风机换向应对的最小自然风速，且依据隧道内污染物浓度尚需开启风机时应考虑隧道风机换向开启。
隧道入口损失系数ξc，隧道沿程摩阻系数λr，可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，为后续风机方向控制提供依据。
本发明的优势和特点如下：
1、本发明在满足隧道稀释污染物及换气的要求下达到了节能的目地，通过合理分配系数σ计算得到在隧道风机最小控制周期内能够抵消隧道惯性风及隧道风机反向造成的隧道风机效率下降等问题。
2、隧道自然通风力的隧道入口损失系数及隧道壁面摩阻损失系数两参数经反复迭代，能够体现所处隧道的特性，通过这两个参数使得风机是否反向控制更为合理。
3、根据最小自然风速和自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转，能够准确控制风机的反转时刻，在隧道风机运营阶段起到较好的节能效果。
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 (6)

1.一种隧道内射流风机反转的确定方法，其特征在于，包括：
获取隧道内的自然风速和参数集合；所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和；
基于所述参数集合计算最小自然风速；
根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转；
所述基于所述参数集合计算最小自然风速，具体为：
根据公式
Figure FDA0003366816630000011
计算最小自然风速，其中，
Figure FDA0003366816630000012
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
2.根据权利要求1所述的一种隧道内射流风机反转的确定方法，其特征在于，所述根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否隧道内射流风机是否反转，具体包括：
判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速；
若是，则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
3.根据权利要求2所述的一种隧道内射流风机反转的确定方法，其特征在于，所述设定时间段为1800秒。
4.一种隧道内射流风机反转的确定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取隧道内的自然风速和参数集合；所述参数集合包括：隧道长度、隧道断面当量直径、反向开启射流风机时射流风机的效率、隧道内射流风机的组数、每组射流风机的数量、射流风机的出口风速、射流风机的出口面积、隧道净空断面积和隧道风速；所述隧道风速为隧道内的自然风速与射流风机风速的矢量和；
最小自然风速确定模块，用于基于所述参数集合计算最小自然风速；
反转确定模块，用于根据所述最小自然风速和所述自然风速确定是否控制隧道内射流风机反转；
所述最小自然风速确定模块，包括：
最小自然风速确定单元，用于根据公式
Figure FDA0003366816630000021
Figure FDA0003366816630000022
计算最小自然风速，其中，
Figure FDA0003366816630000023
表示最小自然风速，η0表示反向开启射流风机时射流风机的效率，n表示隧道内射流风机的组数，k表示每组射流风机的数量，Aj表示射流风机的出口面积，Ar表示隧道净空断面积，vj表示射流风机的出口风速，vr表示隧道风速，η表示射流风机位置摩阻损失折减系数，L表示隧道长度，ξc表示隧道入口损失系数，λr表示隧道壁面摩阻损失系数，Dr表示隧道断面当量直径，t0表示最小控制周期。
5.根据权利要求4所述的一种隧道内射流风机反转的确定系统，其特征在于，所述反转确定模块，具体包括：
判断单元，用于判断所述自然风速是否大于或等于所述最小自然风速；
反转确定单元，用于若是，则关闭射流风机并在设定时间段后控制所述射流风机反转。
6.根据权利要求5所述的一种隧道内射流风机反转的确定系统，其特征在于，所述反转确定单元中的所述设定时间段为1800秒。
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