CN115929382A - 基于pid控制的隧道火灾组合式排烟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，在隧道顶棚沿纵向间隔布置温度传感器并对温度传感器沿着车流方向按序编号，温度传感器测得的温度数据通过数据传输光缆实时上传至中央控制系统；当发生火灾时，中央控制系统的火源定位模块判断测得温度最高的温度传感器所在位置为火源位置；测得温度最高的温度传感器的对应编号为m；在获得火源位置后，中央控制系统将编号为m‑1的温度传感器测得的温度数据与目标控制温度进行对比，然后采用PID自动控制模块，动态调控隧道顶棚射流风机来控制纵向通风临界风速，以适应热释放速率动态变化的火灾场景，并使得位于火源下游的集中排烟效率提升，且避免火源下游烟气分层被过大的纵向气流破坏。

Description

基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法

技术领域

本发明涉及防火排烟技术领域，具体为一种基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法。

背景技术

现有的隧道火灾组合式排烟系统主要依靠射流风机在火源上游形成固定的纵向临界风速，将烟气吹向下游，再由火源下游设置的集中排烟口排出隧道。由于上游的纵向临界风速为定值，且依据最大火源设防功率确定，因此在面对动态变化的火灾场景时，临界风速单一，易造成烟气自然分层被过度破坏，且蔓延至下游的烟气量较大，导致排烟系统性能低下且不利于下游人员逃生。

实际隧道火灾中，火源功率呈动态变化，由火灾发展初期逐渐过渡到充分发展期。此时，纵向临界风速若按规范取为定值，则会造成火灾初期临界风速过大，较大程度破坏烟气层形态，不利于火源下游人员疏散。另外，规范建议的纵向临界风速是按最大设防火源功率选取并且取值可能偏大，而实际发生火灾时，充分发展后的火源功率不一定为最大设防功率，这将造成临界风速过大，同样会较大程度破坏烟层形态，不利于火源下游人员疏散，也导致下游集中排烟系统性能低下，这极不符合设置高效排烟系统的初衷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，可动态调控纵向临界风速，避免火源下游烟气层因纵向风速过大受到非必要的扰动，同时保证向火源下游蔓延的烟气量也较少，在下游集中排烟量保持不变时，提升排烟效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，在隧道顶棚沿纵向间隔布置温度传感器并对温度传感器沿着车流方向按序编号，温度传感器测得的温度数据通过数据传输光缆实时上传至中央控制系统；当发生火灾时，中央控制系统的火源定位模块判断测得温度最高的温度传感器所在位置为火源位置；测得温度最高的温度传感器的对应编号为m；

在获得火源位置后，中央控制系统将编号为m-1的温度传感器测得的温度数据与目标控制温度进行对比，然后采用PID自动控制模块，动态调控隧道顶棚射流风机来控制纵向通风临界风速，以适应热释放速率动态变化的火灾场景，并使得位于火源下游的集中排烟效率提升，且避免火源下游烟气分层被过大的纵向气流破坏；具体的：

纵向临界风速控制方法为：

其中，V(t)表示t时刻隧道入口断面上的风速；u(t)表示t时刻PID自动控制模块输出的风速控制信号；且：

其中，e(t)表示t时刻控制变量的实际值与期望值之间的偏差；K_p表示控制器的比例系数，K_i表示控制器的积分系数，K_d表示控制器的微分系数；

e(t)＝T_ds(t)-T_target

其中，T_ds(t)表示编号为m-1的温度传感器在t时刻上传至中央控制系统的温度，T_target表示目标控制温度。

进一步，目标控制温度T_target取值为环境温度，即：

T_target＝T_air

其中，T_air表示环境温度；

当编号为m-1的传感器测得的温度等于环境温度时，判定纵向通风风速达到了临界风速；当编号为m-1的传感器测得的温度大于环境温度时，判定纵向通风风速为亚临界风速。

进一步，由于编号为m-1的温度传感器距火源较近，传感器测量得到的温度波动较大，因此需要中央控制系统中的温度平滑模块对温度传感器测量得到的温度进行平滑处理：

T_ds ⁽ⁿ⁾＝σ_sT_ds ^(n-1)+(1-σ_s)T_d ⁽ⁿ⁾

其中，T_ds ⁽ⁿ⁾表示第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经温度平滑模块处理后返回的温度，T_d ⁽ⁿ⁾是第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器直接测得的温度，T_ds ^(n-1)是第n-1个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经平滑处理后的温度，σ_s是平滑系数。

本发明的有益效果在于：

本发明基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，纵向临界风速通过PID控制实现按需提供，可以在火灾发展初期和面对不同火源功率时，提供合适的纵向临界风速，避免烟气层因风速过大受到非必要的扰动，同时保证向下游蔓延的烟气量也较少，在下游集中排烟量保持不变时，排烟效率将大幅提升。本发明将PID控制与隧道火灾组合式排烟系统融合，为组合式排烟系统的高效控制提供了新方法。该方法可以根据火灾全生命周期热释放速率的变化，动态自适应调控纵向临界风速，在保证烟气良好分层的同时也大幅提高了集中排烟系统的性能，为人员疏散提供了良好的条件。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法的原理图；

图2为采用本发明方法后的隧道内烟气分布示意图；

图3为隧道模型的结构示意图；(a)为正视图；(b)为俯视图；

图4为各工况对应排热效率和排CO效率随时间的变化趋势曲线图；(a)HRR＝5MW，α＝0.011；(b)HRR＝5MW，α＝0.044；(c)HRR＝5MW，α＝0.178；(d)HRR＝10MW，α＝0.044；(e)HRR＝20MW，α＝0.044；

图5为不同时刻隧道内温度和速度矢量分布图(X＝3m,HRR＝5MW,α＝0.011)；

图6为不同时刻隧道内CO体积浓度和速度矢量分布图(X＝3m,HRR＝5MW,α＝0.011)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法的原理图。本实施例的基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法中，在隧道顶棚沿纵向间隔布置温度传感器并对温度传感器沿着车流方向按序编号，温度传感器的编号沿车流方向逐渐增大，且任意相邻两个温度传感器之间的间距相等。温度传感器测得的温度数据通过数据传输光缆实时上传至中央控制系统。当发生火灾时，中央控制器的火源定位模块将通过温度数据确定火源位置，具体的，火源定位模块测得温度最高的温度传感器所在位置即为火源位置；测得温度最高的温度传感器的对应编号为m。在获得火源位置后，中央控制系统将编号为m-1的温度传感器上传的温度数据与目标控制温度进行对比，然后采用PID自动控制模块，动态调控隧道顶棚射流风机来控制纵向通风临界风速，以适应热释放速率动态变化的火灾场景，并使得位于火源下游的集中排烟效率提升，且避免火源下游烟气分层被过大的纵向气流破坏。

本实施例的基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法中，抑制烟气向火源上游蔓延的纵向临界风速是单向的。因此，PID自动控制模块的输出结果不能直接作为纵向临界风速，需要进行修正，即纵向临界风速为：

其中，V(t)表示t时刻隧道入口断面上的风速；u(t)表示t时刻PID自动控制模块输出的风速控制信号；且：

其中，e(t)表示t时刻控制变量的实际值与期望值之间的偏差；K_p表示控制器的比例系数，K_i表示控制器的积分系数，K_d表示控制器的微分系数，本实施例中这3个系数取值分别为0.03,0.0002,0.0005。值得注意的是，在隧道火灾排烟过程中，对流传热占主导作用，而辐射作用较弱。因此，本实施例仅考虑对流传热。在获得火源位置后，控制系统将编号为m-1的传感器上传的温度与目标控制温度进行对比来获得偏差信号：

e(t)＝T_ds(t)-T_target

其中，T_ds(t)表示编号为m-1的温度传感器在t时刻上传至中央控制系统的温度，T_target表示目标控制温度。具体的，本实施例中，目标控制温控T_target取值为环境温度，即：

T_target＝T_air

其中，T_air表示环境温度。

当编号为m-1的传感器测得的温度等于环境温度时，判定纵向通风风速达到了临界风速；当编号为m-1的传感器测得的温度大于环境温度时，判定纵向通风风速为亚临界风速。整个过程为动态自适应过程，在达到最终稳定状态之前，两种风速状态均可能存在。

在本实施例的优选方案中，由于编号为m-1的温度传感器距火源较近，温度传感器测量得到的温度波动较大，因此需要中央控制系统中的温度平滑模块对温度传感器测量得到的温度进行平滑处理：

T_ds ⁽ⁿ⁾＝σ_sT_ds ^(n-1)+(1-σ_s)T_d ⁽ⁿ⁾

其中，T_ds ⁽ⁿ⁾表示第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经平滑处理后返回的温度，T_d ⁽ⁿ⁾是第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器直接测得的温度，T_ds ^(n-1)是第n-1个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经平滑处理后的温度，σ_s是平滑系数，本实施例中，σ_s取值为0.9。

本实施例基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，纵向临界风速通过PID控制实现按需提供，可以在火灾发展初期和面对不同火源功率时，提供合适的纵向临界风速，避免烟气层因风速过大受到非必要的扰动，同时保证向下游蔓延的烟气量也较少，在下游集中排烟量保持不变时，排烟效率将有所提升。本实施例将PID控制与隧道火灾组合式排烟系统融合，为组合式排烟系统的高效控制提供了新方法。该方法可以根据火灾全生命周期热释放速率的变化，动态自适应调控纵向临界风速，在保证烟气良好分层的同时也大幅提高了集中排烟系统的性能，为人员疏散提供了良好的条件。

模拟验证

模型隧道如图3所示，尺寸为130.0m(长)×6.0m(宽)×5.4m(高)。火源中心距左侧隧道口20m，其尺寸为1.0m(长)×1.0m(宽)×0.5m(高)。集中排烟口位于火源右侧40m，排烟口尺寸为4.0m(长)×2.0m(宽)。

根据NFPA-502标准，在全尺寸隧道火灾中，可以采用5、10和20MW这3种不同的火灾热释放速率(HRR)来模拟公路隧道中典型的火灾场景。在模拟中，我们只考虑了对流部分的热量，约为火灾热释放率的0.7倍。因此，不同火灾热释放速率对应的对流部分的热量分别为3.5、7和14MW。火灾发展需要经历火灾发展初期和充分发展期两个阶段。根据《建筑防排烟技术规程》，火源可假定为t²火，即火源功率随时间变化呈指数增长趋势：

Q＝αt²

式中，Q为火源功率(kW)，α为火灾增长系数，可取值为0.00278，0.011，0.044和0.178，分别对应慢速火，中速火，快速火和超快速火。

此外，一氧化碳(CO)是一种典型的有毒气体，其释放速率与火源的功率有关，可以进行近似计算。对应于5、10和20MW的CO产量分别为0.01362、0.02724和0.05447kg/s。通过模拟软件监测排烟系统的质量排放速率和排放烟气中CO的质量分数，然后将二者相乘，即可得到由系统排走的CO质量流量。根据《公路隧道通风设计细则》，隧道设防火源功率为20MW时，纵向临界风速取值范围为2m/s～3m/s，取3m/s，集中排烟系统排烟量取值范围为50m³/s～60m³/s，取56m³/s。

由于火源功率跟随时间不断变化，所以排热效率和排CO效率是指以某一时刻由排烟口排出的热量和CO质量除以该时刻由火源释放出的热量和CO质量。由风口排走的热量和CO质量可以通过模拟软件监测得到。如图4所示，为各工况下排热效率和排CO效率随时间的变化趋势。显然，在PID控制模式下，系统排热和排CO能力得到了较大的提升。值得注意的是，在火源功率为10MW和20MW时，当火灾从发展初期过渡到充分发展期，系统排热效率有显著下降，这是因为隧道壁面传热损失不断加剧，导致由壁面传热损失掉的热量过多，由排烟口排走的热量则较少。

以HRR＝5MW,α＝0.011为例，针对无PID控制和有PID控制下，不同时刻，隧道内温度及CO浓度分布情况进行分析。图5和图6分别是不同时刻隧道内温度和CO体积浓度在x＝3m切片上的云图。140s，280s，420s和565s这4个时刻对应的火源功率分别为满负荷火源功率的0.25倍，0.5倍，0.75倍和1倍。t＝600s时，无PID控制模式下的烟气流态达到了稳态阶段；t＝670s时，PID控制模式下的烟气流态基本达到了稳态阶段(控制点的温升为5K)；t＝875s时，PID控制模式下的烟气流态达到了稳态阶段(控制点的温升为1K)。显然，PID控制模式下的烟气分层效果要比无PID控制模式下的好，特别是在565s之前。

良好的烟气分层有利于人员疏散。从图5和图6可知，在火灾发展初期(565s之前)，PID控制模式可以根据火灾发展态势，自适应调控纵向临界风速，极大程度的保持烟气的良好分层，同时也使得进入排烟口的烟气温度和CO浓度较高，在相同排烟量的前提下，系统排烟性能也将大幅提升。在火灾充分发展期(565s之后)，PID控制模式下的烟气分层效果也较好，是因为该模式下实际所需的纵向临界风速小于3m/s，对于该隧道模型下5MW、10MW和20MW火灾所需的临界风速分别为1.49m/s、1.89m/s和1.95m/s。纵向风速较小，有利于维持烟气的良好分层。另外，在火灾充分发展期，进入排烟口的烟气温度和CO浓度也较高，在相同排烟量的前提下，系统排烟性能也将大幅提升。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，其特征在于：

在隧道顶棚沿纵向间隔布置温度传感器并对温度传感器沿着车流方向按序编号，温度传感器测得的温度数据通过数据传输光缆实时上传至中央控制系统；当发生火灾时，中央控制系统的火源定位模块判断测得温度最高的温度传感器所在位置为火源位置；测得温度最高的温度传感器的对应编号为m；

在获得火源位置后，中央控制系统将编号为m-1的温度传感器测得的温度数据与目标控制温度进行对比，然后采用PID自动控制模块，动态调控隧道顶棚射流风机来控制纵向通风临界风速，以适应热释放速率动态变化的火灾场景，并使得位于火源下游的集中排烟效率提升，且避免火源下游烟气分层被过大的纵向气流破坏；具体的：

纵向临界风速控制方法为：

其中，V(t)表示t时刻隧道入口断面上的风速；u(t)表示t时刻PID自动控制模块输出的风速控制信号；且：

其中，e(t)表示t时刻控制变量的实际值与期望值之间的偏差；K_p表示控制器的比例系数，K_i表示控制器的积分系数，K_d表示控制器的微分系数；

e(t)＝T_ds(t)-T_target

其中，T_ds(t)表示编号为m-1的温度传感器在t时刻上传至中央控制系统的温度，T_target表示目标控制温度。

2.根据权利要求1所述的基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，其特征在于：目标控制温度T_target取值为环境温度，即：

T_target＝T_air

其中，T_air表示环境温度；

当编号为m-1的传感器测得的温度等于环境温度时，判定纵向通风风速达到了临界风速；当编号为m-1的传感器测得的温度大于环境温度时，判定纵向通风风速为亚临界风速。

3.根据权利要求1所述的基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，其特征在于：任意相邻两个所述温度传感器之间的间距相等。

4.根据权利要求1或2所述的基于PID控制的隧道火灾组合式排烟方法，其特征在于：由于编号为m-1的温度传感器距火源较近，传感器测量得到的温度波动较大，因此需要中央控制系统中的温度平滑模块对温度传感器测量得到的温度进行平滑处理：

T_ds ⁽ⁿ⁾＝σ_sT_ds ^(n-1)+(1-σ_s)T_d ⁽ⁿ⁾

其中，T_ds ⁽ⁿ⁾表示第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经温度平滑模块处理后返回的温度，T_d ⁽ⁿ⁾是第n个时间步长下编号为m-1的温度传感器直接测得的温度，T_ds ^(n-1)是第n-1个时间步长下编号为m-1的温度传感器测得的并且经平滑处理后的温度，σ_s是平滑系数。

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