CN114542154A - 一种隧道施工智能控制通风系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道施工通风技术领域，具体涉及一种隧道施工智能控制通风系统，系统组成包括：监控分站1、监控分站2、硬质风管、风机本体含监测、控制室、APP、监控大屏。监控分站1、监控分站2对环境参数、大气温湿度、大气压等进行测量，出口流量采用皮托管进行测量，风机本体带有喇叭型进口集流器对风机入口流量进行准确测量，所测定数据通过光纤传输至控制室，控制系统以出口流量、环境参数为控制目标，通过变频器对风机转速进行调整。本系统在满足隧道节能通风的基础上，还可以实时显示风管百米漏风率、风机运行效率、失速裕量报警，也可远程控制整个系统、数据调出等。
Description
A Intelligent control ventilation system for tunnel construction
技术领域
本发明属于隧道施工通风技术领域，具体涉及一种隧道施工智能控制通风系统。
背景技术
隧道施工通风的方式按照动力的来源分为自然通风和机械通风，自然通风方式是利用隧道内和隧道外的风压差驱动通风，完全依靠自然通风，无需额外的能源消耗，具有较高的经济性，但是它所受的制约因素较多，比如隧道内外温差、辅助坑道设置因素、地形条件得等。机械通风方式是一种利用隧道风机进行强制通风，基本方式主要有送风式、排风式、混合式和巷道式，在风机的进口或者出口接上风管，利用风机产生的正压或者负压，将新鲜的空气送至工作面或将污浊的空气吸出。
机械通风方式具有环境适应强、效果明显、排烟时间短等优点，但目前大多数隧道风机存在运行效率低、送风量难控制、不节能的运行特点。在隧道施工过程中，随着掘进长度的增加，风管的长度势必随着增加，风管总的摩擦阻力和漏风量不停增大，风机出口的压力逐渐增加，若风机转速保持恒定，风机出口的风量是逐渐减小的，即风机的运行工况点从右往左移动。因此，隧道风机是按照风管最长送风距离(最大的阻力)以及最大的需风量来进行选择的，这就会导致隧道在挖掘的初期，风机的供风量大于实际的需风量，造成能源的浪费。同时，一个隧道的是施工工序大致包括放炮、出渣、支护、喷浆、打钻等，每个阶段的隧道内的粉尘浓度和各种有害物质的浓度是不同的，因此每个阶段需要的送风量是不同的。
现有隧道施工中，一般通过调节通风机来达到节能的目的，一般有以下几种方法：通风机减阻调节、动叶调节、电机变频调节，动叶调节可以根据施工的进度改变叶片的安装角，改变通风机的工作范围，此方法需要在通风机停止工作后进行人工操作，具有较大的局限性，根据隧道的进度以及通风机的性能曲线来决定是否需要进行动叶角度的调整，达到部分节能的目的。电机变频调节是目前隧道施工中最常用的一种节能方式，通过调节变频器上的频率来改变电机的转速，目前大多数隧道变频调节具有很大的人为主观性，安全员根据隧道内的粉尘浓度以及各有害物质浓度来增加或者降低通风运行转速，达到节能的目的。这种方法依靠人工，常常操作时具有滞后性，时效性差，不能精确的调整运行转速，实际运行风量也凭主观猜测，能量得不到充分的利用。
其次随着风管长短的增加，漏风量不能简单的按照风管的百米漏风率进行计算，即Q泄露＝Q输出*L*β，其中Q泄露：风管漏风量；Q输出：为风机出口的送风量；L：风管长度；β为风管百米漏风率。由于在隧道施工过程中，风管布置位置会受到施工工具影响，如维修台车、二衬台架等，造成风管的扭曲变形或者破洞，其次，过往的车辆以及放炮施工等也会对风管造成损坏。现有施工技术中，一般是巡视工用肉眼及听觉去判断风管的好坏程度，并进行查漏维修工作，而隧道少则几公里多则一二十公里，巡视工需要来回的走动去发现漏点，但隧道内复杂的环境以及噪音，对查漏补缺的工作带来了巨大的挑战，无法完全规避由于风管泄漏带来的影响。
隧道风机在运行过程中的流量、全压无法显示，实际的需风量与到达风管出口的风量，只能凭借经验进行判断，对运行人员带来困扰，多数情况都采用高转速去运行，随着隧道的深入，风机的运行工况发生变化，当阻力过大时，风机有落入不稳定运行区域(失速区)的风险，给风机的安全带来影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种隧道施工智能控制通风系统，本系统具有以下主要功能。
1、能够进行通风机软启动，并能够进行自动运行与手动运行的切换；
2、监控掌子面附近及台车附近的环境温度及主要有害物质浓度，测量风机入口风量、风管出口风量，检测风机运行振动值、轴承温度，并进行相应的声光报警提示；
3、当有害物质浓度超标时，系统自动调整风机运行频率，增大风量，排除有害物质，当有害物质浓度降至目标值时自动调整风机运行转速，并使风管出风口风量不低于最小风速要求；
4、系统根据进出口流量自动分析风管漏风率，提示可能存在的风管漏点，
5、系统具备风机失速报警提示，确保风机运行安全；当测点出现异常时，系统自动切换至手动运行模式；
6、具有风机安全运行监控系统，如轴承温度、风机振动，确保设备的可靠运行；
7、PLC预留接口，系统可接入其他隧道环境设备，如人员定位、供氧设备、除尘设备等。
本发明所采用的技术方案：一种隧道施工智能控制通风系统，系统主要包括：监控分站1、监控分站2、硬质风管、风机本体含监测、控制室、APP、监控大屏。
1、所述的隧道施工智能控制通风系统，监控分站1包含：CO、NO2、O2、粉尘等传感器组以及数据收集传输ET200Pro、无线客户端，位于隧道开挖掌子面附件，置于可移动的小推车之上，采用蓄电池供电。
2、所述的隧道施工智能控制通风系统，监控分站2包含：CO、NO2、O2、粉尘、风压等传感器组以及数据收集传输ET200Pro、无线客户端、光端机、光信号转发控制箱，布置于移动模板台车之上，采用直接电源供电。
3、所述的隧道施工智能控制通风系统，硬质风管：根据台车宽度匹配安装，长度为一倍至两倍直径，内部安放皮托管，测量风速。
4、所述的隧道施工智能控制通风系统，风机本体监测：风机本体上设置进口集流器，监测风机的流量，结合性能曲线，可对风机失速进行预判，提前报警。结合监控分站2所测风速，可对风管漏风率进行时时显示。在风机本体上水平、竖直、轴向安装三个风机振动传感器，对运行过程中的振动值进行时时监控。
5、所述的隧道施工智能控制通风系统，控制室：主要设备为PLC、上位机、变频器等。各传感器的数据通过光纤传输至PLC进入上位机，上位机通过监测数据，根据数据的变化值发出指令，通过变频器对隧道风机转速进行调整，从而调整风速。
6、所述的隧道施工智能控制通风系统，APP：对整个通风系统运行状况进行时时的监控，能够完成对风机的启停、变频操作。
7、所述的隧道施工智能控制通风系统，监控大屏：在隧道外适当的位置，安放监控大屏，时时显示隧道内环境参数。
本发明所采用的技术方案：一种隧道施工智能控制通风系统，实现过程如下：监控分站1所测量的环境参数通过数据转换，由无线进行数据传递至监控分站2、中继站，硬质风管风压模拟量通过485电信号线传递至监控分站2、中继站，分站2通过光信号转发箱将电信号转换为光信号，通过光端机与光纤接通，利用光纤将采集的数据进行外传，在隧道洞口处，接入风机本体所测量的数据，一并传输至控制室，数据通过PLC进入上位机，上位机通过监测数据，根据数据的变化值发出指令，通过变频器对隧道风机转速进行调整，从而调整风速。
本发明有益效果在于：
1、本发明隧道施工通风自动监控系统，组成包括监控分站1、监控分站2、硬质风管、风机本体含监测、控制室、APP、监控大屏，监控分站1与监控分站2均布置了环境参数传感器，监控分站1紧临开挖掌子面，可以灵活的移动位置，监控分站2布置于模板台车之上，根据有害气体的物理属性分处不同高度进行测量或者同种物质两次测量，确保测量结果的可靠。
2、本发明隧道施工通风自动监控系统，对于进出口的流量分别采用进口集流器、硬质风管内的皮托管，两种测试方法都符合ISO5801：2007标准，流量测量是准确的、可靠的。
3、本发明隧道施工通风自动监控系统，由于风机及监控系统均由我司提供，风机本体上设置进口集流器，监测风机的流量，结合性能曲线，可对风机失速进行预判，提前报警。
4、本发明隧道施工通风自动监控系统，结合风机入口、风管出口处的流量，可以时时显示风管的百米漏风率，数据异常时进行报警，具有很高的智能性。
附图说明
图1为本发明一种隧道施工智能控制通风系统整体控制方案；
图2为本发明一种隧道施工智能控制通风系统整体控制逻辑。
具体实施方式
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实例做详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种隧道施工智能控制通风系统，系统主要包括：监控分站1、监控分站2、硬质风管、风机本体含监测、控制室、APP、监控大屏。监控分站1位于隧道开挖掌子面附近，由于隧道施工有放炮、出渣、支护、喷浆、打孔等不同工序，为了便于移动，该监控分站放置在可移动的小推车之上，采用UPS蓄电池供电，分站1包含环境参数，诸如CO、NO2、O2、粉尘传感器、温湿度等，测定值系统逻辑内设置为a1，a2，a3…ai；隧道内各种气体成分的密度不同、分布区域有差异，为了增加检测数据的可靠性，在模板台车上设置一个监控分站2，在监控分站1已有监测设备的基础上加入压力变送器，硬质风管根据隧道风管的长度进行设计，其内部包含流速测定所用皮托管，对其内流速进行测定，测定值系统逻辑内设置为b1，b2，b3…bi；P1，P2，P3，P4，P5；T1等；风机本体上设置与风机直径所匹配的进口集流器，用以测定进口流量，风机前后管道设置压力变送器，用以测量风机进出口的静压，风机本体上水平、轴向、竖直方向安放三个加速度传感器，输出参数值设定为P6、P7、P8、A1、A2、A3。监控分站1所测量的环境参数通过数据转换，由无线客户端进行数据传递至监控分站2，监控分站2设置光端机，将分站1数据及分站2所采集485电信号转换为光信号，通过光纤传递至隧道口，风机本体处采集的压力信号及振动信号通过ET200Pro、光端机转换为光信号，传递至光纤，所以采集数据传输至控制室，数据通过PLC进入上位机，进入智能控制通风系统。控制室内布置上位机、变频器、PLC等，变频器输出端接风机电机，输入端接PLC，进入上位机。上位机外接工地监控大屏，时时显示隧道环境参数，上位机通过Internet接入智控程序，为本系统所开发的程序可对整个通风系统运行状况进行时时的监控，能够完成对风机的启停、变频操作。
风管出口处的流量计算如下式：
Q1＝A*v，
Pdynamic＝AVERAGE(P1，P2，P3)，
ρ1＝1.33×273×(P4+P5)/(273+T1)/101325，
式中：P1、P2、P3为皮托管处的动压，P4为当地大气压力，P5为静压，A为风管面积，T1为当地温度，ρ1为风管处气体密度，Pdynamic为动压，Q1为出口流量。
风机进口处的流量计算如下式：
Q2＝66.643*0.99*d2*(ρ*P6)0.5/ρ2，
ρ＝(P4-0.378*Psat)/(287*(273+T1))，
ρ2＝1.33×273×(P4+P6)/(273+T1)/101325，
式中：P4为当地大气压力，P6为静压，T1为当地温度，Psat为干球温度下水饱和蒸汽压，ρ为当地大气密度，d为集流器喉口直径，ρ2为集流器处气体密度，Q2为进口流量。
进一步，根据现场施工人员数目、施工机具数目种类确定隧道最低需风量Q，百米漏风率β由公式计算，计算公式为Q泄露＝Q输出*L*β，其中Q泄露＝Q2-Q1，即β＝(Q2-Q1)/Q1*L。。风管长度L通过激光测距仪测量。系统实时显示风管百米漏风率，当百米漏风率大于设计值时报警。
进而，本发明一种隧道施工智能控制通风系统，在现场安装监控分站1、监控分站2、硬质风管、风机本体含监测、控制室、APP、监控大屏后，根据图2控制逻辑进行具体实施。
主要控制思路简要介绍如下：在控制面板手动输入风机初始频率f、最低需风量Q、风管长度L，环境传感器自检通过后系统投运，风机以初始频率f进行运行，若Q1<Q则提高风机运行频率，反之Q1>Q则提高风机运行频率，偏差在10％以内则根据不同的施工阶段以及a1，a2，a3…ai，b1，b2，b3…bi调整风机的运行频率。
本发明还提供一种风机失速报警系统，系统内置风机性能曲线，隧道风机进出口面积一样，进出口动压差为零，Ptotal＝P8-P7，P8：风机出口静压，P7：风机进口静压，Ptotal为风机全压升，Q2为风机进口流量，结合变频器上的U、I、cosφ，可以计算出风机的实时运行工况点，得到风机运行效率、失速裕量，失速裕量通常设置压力为1.2，流量为1.1，当运行点失速裕量小于设定值时会提示报警。
本系统投运两个月后，系统通过程序自学习前期大数据，绘制出每个施工周期内频率随时间变化曲线、风速随时间变化曲线、粉尘浓度随时间变化曲线、一氧化碳浓度随时间变化曲线、氮氧化物浓度随时间变化曲线、氧气浓度随时间变化曲线等，能够达到可以区分、识别不同的施工阶段的功能，如放炮、出渣、初支、喷浆、打钻，系统利用前期转速曲线进行自学习，利用已有曲线对风机进行控制，减少对风机转速的调整次数。
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 (3)
1.一种隧道施工智能控制通风系统，其特征在于：以风管出口流量、环境参数为控制目标，风机运行频率为变量，采用变频器调整风机运行频率，其中：
硬质风管为根据隧道内风管直径定做，其内部含有流量测量所用皮托管，流量测量符合ISO5801：2007标准；
监控分站1位于开挖掌子面附近，采用蓄电池供电，固定在可移动小车之上，与监控分站2采用无线通讯。
2.一种隧道施工智能控制通风系统，其特征在于：系统可以实时显示风管百米漏风率、风机运行效率、失速裕量，其中：
风机本体入口处设置进口集流器，测量风机进口流量，符合ISO5801：2007标准，结合风机进出口静压，可以计算风机运行效率、失速裕量；
结合风机入口流量、风管出口流量可以显示风管百米漏风率，对可能存在的漏点进行提示。
3.一种隧道施工智能控制通风系统，其特征在于：系统投入一段时间后，根据前期运行数据，利用大数据分析、模糊控制原理能够简化控制过程，自动识别施工阶段，减少风机转速的调整次数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220527 |