摘要：随着社会经济的不断发展，高速公路在高原、山区的大量建设，产生了众多的公路隧道，高速公路中短隧道一般采用自然风方式进行通风，中长隧道则必须采用大功率射流风机进行强制性通风，由于越来越多的长、特长隧道的出现，隧道中的通风控制系统成为隧道监控及能源管理的重点和难点。本文结合对云南省昆安高速公路碧鸡关隧道的射流风机进行远程变频及PLC控制算法的升级对隧道通风系统的节能展开了深入的探讨和研究。
关键词:高速公路；隧道；风机；远程变频；PLC控制
一、隧道通风系统
1、公路隧道通风系统的组成
公路隧道通风控制系统主要由车辆检测器、CO浓度传感器、烟雾浓度传感器、风速风向检测器、区域控制器、射流风机/轴流风机以及中心计算机等组成。其中CO、烟雾浓度传感器，用以快速准确实时地自动测定隧道内的CO浓度和隧道内全程烟雾透过率等数据，由区域控制器采集数据，监控系统将检测数据与控制标准值进行比较，控制风机的启/停。风速风向检测器，用以自动测定隧道内平行于隧道壁面的风向、风速数据以及检测风机的运行情况。车辆检测器用以检测隧道内的车流量和车速，对CO/VI预置规模提供参考数据。公路隧道通风系统组成如图1-1。
图1-1公路隧道通风系统组成框图
2、公路隧道通风方式
（1）自然通风方式
自然通风方式不设置专门的通风设备，利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，达到通风目的。由于交通风的作用较自然风大，因此单向交通隧道，即使隧道相当长，也有足够的通风能力。但在双向交通的隧道中，交通风力有相互抵消的情形，适用的隧道长度受到限制。此外，隧道内气流不稳定使得汽车排出的CO等有害物浓度难以控制，发生火灾时排烟能力差成为自然通风的弱点。
（2）纵向通风方式
纵向通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，并由另一洞口排出污染空气的方式，纵向通风分为射流式、竖井式、风道式以及喷嘴式。射流式纵向通风是将射流式风机置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气，并以30m/s左右的速度喷射吹出，用以升压，使空气加速，达到通风的目的。纵向通风工程造价低，是目前公路隧道中使用较多的一种通风方式若隧道所处的地质条件不太好，隧道施工比较困难时，尽量采用纵向式通风方式，以减小隧道断面积，节省工程造价。
（3）横向式通风方式
横向式通风的特点是风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向分布均匀。该通风方式使CO、烟雾等有害物排出路程短，新鲜空气利用充分，且隧道内无明显纵向气流，火灾时火势也不会迅速纵向蔓延，有利防火排烟。但隧道内需设置送风道和排风道，从而增加建设费用和运营费用。
二、通风控制系统的节能分析
通风控制系统是在适时检测隧道内CO、VI、TW参数的基础上，将这些数据传送到中控室的通风控制计算机，计算机以检测到的环境参数（CO、VI、TW）为依据，配合交通控制状态，选择风机的控制方式，在保障行车安全的环境条件下，尽量减少风机的运转，从而达到保证隧道正常运营而且节约能源的目的。
1、PLC控制方式
由于传统的通风控制系统是传感器（CO、VI、TW）—计算机（中央处理器）—执行器（射流风机）—传感器（CO、VI、TW）的闭环控制系统，其计算机对射流风机的控制依据主要来源于传感器采集到的数据，同时该数据也是控制结果的反馈信息。由于射流风机功率较大，为了避免电机同时启动对电网的降压影响，一般采用顺序启动方式：
考虑成本因素，高速公路隧道内的射流风机电机一般选用大功率交流电机，虽然会在电机的启停上采用软启动器进行控制，但仍然不能对电机进行频繁的启停，因此计算机对射流风机控制时，只能采用模糊的控制策略，既不能通过传感器检测到的数据顺序启动风机，也不能通过传感器检测的数据停止风机。
随着控制技术的发展，现在对大功率电机的启停可采用变频器进行控制，从而可根据隧道内实时采集的CO、VI、TW等数据的变化，通过PLC的算法运算后以PID方式可对变频器的输出频率进行实时调节，从而实现对射流风机的启停和转速进行精确控制。PLC控制的依据来源于传感器的完整数据，PLC运算后输出给射流风机的控制信号也是连贯的，从而使得整个通风控制系统一直处于“运行”状态，射流风机一旦启动后就运行在低变频功率状态下，既可以避免频繁启停风机，又可以节能。
2、远程变频
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。交流电动机的同步转速表达式：n＝60f(1－s)/p (1)
式中：n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
高速公路隧道射流风机变频控制具有以下几个特点：
（1）、公路隧道远距离变频通风控制装置与射流风机间的控制距离应可达到并超过1km，最长可到2km。
（2）、远距离变频通风控制装置应能根据隧道内环境参数（包括但不限于CO/VI、风向风速、火灾报警、交通量等数据），自动无级调控隧道内射流风机转速，达到隧道正常运营和防灾应急所需风量。
（3）、远距离变频通风控制装置输出电源质量应能保证最远端射流风机正常工作用电要求，并抑制线路上泄露电流的产生。
（4）、远距离变频通风控制装置应能抑制变频器产生的谐波向电网传递，减少谐波对其他电器设备的干扰，并保护变频器不受电网异常电压和电流的影响。
因此在选择变频器和其他设备时除了常规技术参数外还需额外注意：
（1）、应进行谐波抑制处理，其具有与变频器配套的ACL+DCL三相输入电抗器。
（2）、变频器应选用集成了EMC滤波器或带有一定谐波抑制和整流功能的产品。
（3）、滤波单元应应能将变频器输出矩形脉冲电压变换成正弦波电压，并至少满足1km外射流风机正常工作用电要求。
（4）、滤波单元应包含不限于高频出相电抗器，RC回路，共模电抗器等器件，能有效抑制高频损耗和du/dt射频干扰。
（5）、变频器控制模式选用电压/频率比。
在进行升级时，可在原电机与开关之间增加一套变频装置，并保留了原有软启动控制做旁路，变频装置通过隧道内传感器实际检测情况并经PLC算法运算后给变频器的控制信号进行风机转速调节和自动开启、停止，确保通风条件、空气质量良好的状态下，最大提高节能效果，从而达到节能降耗的目的。
三、基于PLC的远程变频控制系统
1、原系统控制特点和存在的缺点
①电机软启动控制，工频运转，造成电能浪费较大；②系统流量控制精度不高；③电机启动电流大，对电网冲击较大；④对机械设备冲击较大，造成设备维修率提高；⑤运行噪声大，设备发热量大。
2、变频改造后的优点
①电机无级调速，运行平稳；②软启动，电流冲击小，电网负荷减轻；③调速精度高，有利于通风质量的提升；④设备维护周期延长，降低停机故障率；⑤低噪音，有利于环保；⑥节电：优化的节能控制软件，实现节电20％-50％，实现绿色用电。
3、改造后的节能效果
以碧鸡关隧道为例，其内风机具体参数为：频率50Hz，电压380V，额定电流59A，电机功率30Kw，则每组风机（两台）已改造和未改造的风机数据对比如下:
（1）、如电费单价按0.72元／kwh计算，则每组风机节电：
年节电效益=（工频时平均功率-变频时平均功率)×天运行小时数×年运行天数×电费单价
(60kW-40kW)×20小时／天×350天／年×0.72元／kWh= 10.08(万元／年）
（2）、碧鸡关隧道左右两侧隧道一共有12组风机，则升级后整个隧道年平均节电：
10.08(万元／年)×12组=120.96万元
结束语
本文结合高速公路隧道现场通风控制系统设计了基于PLC的风机远程变频控制系统，介绍了该系统的实施原因、软件和硬件设计，并且将该系统应用到昆安高速的碧鸡关隧道的节能应用中，经过实际测量发现不仅取得了较好的控制精度，而且使隧道风机在节能效果方面也得到了显著的提高。
参考文献
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[5]《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1—1999》.
论文作者:肖祥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：隧道论文; 风机论文; 射流论文; 变频器论文; 控制系统论文; 方式论文; 纵向论文; 《电力设备》2018年第26期论文;