鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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廠房負壓風機利德華福五溝煤礦扇風機電機高壓變頻的應(yīng)用前饋式智
［關(guān)鍵詞］：
一、現(xiàn)場工程情況
煤礦因生產(chǎn)的特殊性，礦井通風工程關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，所以通風工程在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。其中主扇風機在煤礦生產(chǎn)中有著最重要的地位，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。根據(jù)反風及開采后期運行狀況來確定的主扇風機及拖動電動機的功率通常遠大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。五溝煤礦主扇風機采用500KW/6KV電動機傳動，電機采用直接啟動的方式。
目前采用高壓電動機直接啟動，存在以下幾個問題：
●電能的嚴重浪費。煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在10年左右，這就意味著有這10年的時間里，主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于工頻運行的電動機轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，只能通過改變風機葉片的角度進行風量調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。
●啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。
●自動化程度低。主扇風機依靠人工調(diào)節(jié)風機葉片調(diào)節(jié)風量和風壓，更不具備風量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。
為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風機進行變頻調(diào)速改造具有非常重要的意義。
二、高壓變頻改造方案
1、主回路工程方案
考慮到現(xiàn)場設(shè)備實際運行的情況，煤礦主扇軸流風機變頻工程采用一拖二手動旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨傳動二臺風機中的一臺風機的電動機，正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)；
該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。
一拖二手動旁路工程
基本原理：它是由8個高壓隔離開關(guān)QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置；各隔離開關(guān)間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關(guān)都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關(guān)使任一電機變頻運行。
特點：
正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)。
同時工頻運行時1#電機通過QS7、QS3 ，2#電機通過QS8、QS6切換完成反風功能，變頻運行時通過變頻設(shè)備內(nèi)部設(shè)置即可完成電機轉(zhuǎn)向的正反方向的轉(zhuǎn)換完成反風功能。
2、控制工程方案
變頻工程控制方式可以采用下述4種方式，現(xiàn)場用戶可以根據(jù)實際情況采用相應(yīng)的一種或幾種控制方式。
A、閉環(huán)控制方式
變頻工程可以根據(jù)現(xiàn)場要求在變頻操作界面上設(shè)定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設(shè)備根據(jù)設(shè)定值和現(xiàn)場壓力或流量的反饋值自動閉環(huán)控制調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，使工程壓力或流量值運行在要求的設(shè)定值。
B、本控開環(huán)控制方式
變頻工程可以通過本控方式在變頻設(shè)備控制柜監(jiān)控界面手動設(shè)定負載設(shè)備需要運行的轉(zhuǎn)速值，變頻設(shè)備自動將負載設(shè)備傳動到要求轉(zhuǎn)速值。
C、總線控制方式
變頻工程也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制工程通訊進行協(xié)調(diào)控制。
D、遠控開環(huán)控制方式
變頻調(diào)速工程可由現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作工程進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負載設(shè)備電動機轉(zhuǎn)速控制。
具體控制接口情況如下：
變頻工程和現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作工程進行通訊連接，從現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作工程上發(fā)出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作工程上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調(diào)速裝置的狀態(tài)信息：待機狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、工程旁路狀態(tài)；（3）電機電流、轉(zhuǎn)速、電壓等。
以下為變頻器與現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作工程工程具體接口：
1）．變頻器需要提供的開關(guān)量輸出6：
(1) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠程控制；節(jié)點斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6)電機在工頻旁路：表示風機電動機處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
2）．變頻器需要提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2) 電機電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：
(1)變頻器轉(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
4）．需要提供給變頻器的開關(guān)量有2路：
(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
5、變頻器與其他電氣設(shè)備接口
1）．變頻器給高壓開關(guān)柜的有2路：
(1)高壓緊急分斷：變頻器出現(xiàn)重故障時，自動分斷高壓開關(guān)，閉點有效。
(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或工程處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點有效。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220V，3A。
2）．高壓開關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：
(1)高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分斷時，輔助節(jié)點閉合；1個。
變頻工程具有如下特點：
變頻工程，既可以變頻調(diào)速運行，也可以投工頻運行；
為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制工程繼續(xù)運行達30分鐘；現(xiàn)場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。
在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運轉(zhuǎn)，維持機組的工況不變；
3、有關(guān)變頻改造后風機效率情況說明
風機設(shè)備工頻運行時，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風門擋板的開度滿足要求，相應(yīng)的風道風阻曲線也會發(fā)生變化；故工頻運行擋板調(diào)節(jié)方式是一種保持風機特性曲線及效率范圍不變，改變風道風阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風道風阻曲線的變化就有可能會出現(xiàn)風機運行在低效率區(qū)的情況。
主扇風機變頻改造后，其各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應(yīng)的各速度點的風機高效運行區(qū)也是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風道風阻曲線不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速達到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調(diào)節(jié)方式是一種保持風道風阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風機效率曲線是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風機一直運行在高效率區(qū)。
4、工程排熱方案
高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，對環(huán)境要求比較嚴格。統(tǒng)計多臺設(shè)備的運行情況，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高而引起的設(shè)備故障比例較大，因此總結(jié)了三種方案為：1、加裝風道；2、加裝空調(diào)；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。
1、加裝風道。常規(guī)的設(shè)計是在機柜上面安裝風道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進風口不斷補充冷風，對工程進行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風機距出風口較近（小于2米，中間無轉(zhuǎn)折），出風口可不加裝輔助通風機，否則需加裝通風機。如果進風口的現(xiàn)場施工存在不便，風道需有轉(zhuǎn)折，則可以考慮加裝風機強迫進風。
加裝風道的優(yōu)點是成本低，可靠性高，排熱效果良好。適用于現(xiàn)場環(huán)境比較清潔的場合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。
2、加裝空調(diào)就是把高壓變頻調(diào)速工程放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內(nèi)（主要是可以減小空調(diào)的容量），但要滿足工程維護的需要，然后在房間內(nèi)安裝空調(diào)，通過空調(diào)內(nèi)部的循環(huán)將高壓變頻調(diào)速工程產(chǎn)生的熱量排到室外。空調(diào)總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根
摘要： 通過對前饋式通風控制3種方式的比選，簡述了長大隧道采用前饋式智能通風控制的優(yōu)點，建立了該工程的交通流基本參數(shù)和風壓模型以及工程設(shè)計原則，通過工程實施隧道污染物 控制在設(shè)定值范圍。
關(guān)鍵詞： 隧道通風；智能控制；建模；工程實踐
中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：B
The Tunnel Ventilation System with Feedforward Intelligent Control
Abstract: By comparing three means of feedforward ventilation system, the virtues of using intellectual prepositive feedback in long and large tunnels are specified. The essential parameters of traffic flow, wind pressure model and the engineering design principles are set up. The contaminations in tunnel can be controlled within designed limit in engineering project.
Key words: tunnel ventilation; intellectual control; modeling; engineering practice
０ 引言
隧道是個閉塞空間，汽車尾氣排放的煙（塵）不易擴散，其濃度較開放空間在短時間內(nèi)會快速積累，當污染物、煙（塵）量達到一定程度后，能見度就會下降，直接威脅行車安全。這種煙（塵）濃度累積同隧道長度、交通流量、氣象、地形及地質(zhì)條件等緊密相關(guān)。
南京市九華山隧道長2718m，為確保隧道外的新鮮空氣進入，降低隧道內(nèi)有害物質(zhì)濃度，使空氣環(huán)境達到衛(wèi)生標準和滿足能見度等方面要求，則建立一種先進、節(jié)能、高效的通風自動控制工程是關(guān)鍵。
1 現(xiàn)有技術(shù)比選
近年來發(fā)展較快的先進的風機控制技術(shù)是前饋（FF）控制。前饋控制通過預(yù)測未來的交通流，計算出以后一段時間內(nèi)煙霧（VI）和一氧化碳的濃度信息（前饋信號），結(jié)合傳感器測得的當前煙霧，CO濃度信息（反饋信號），共同完成對風機的控制。前饋控制法具有克服時滯效應(yīng)和節(jié)能等優(yōu)點。前饋控制法可分為前饋式模糊控制工程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在線控制工程和前饋式智能控制工程。
1.1 前饋式模糊控制工程
工程主要包括交通流預(yù)測模型、污染物擴散模型、模糊控制器（FLC）、檢測元件、執(zhí)行元件及控制對象。工程缺點是模型的前饋信號不是精確信息，模型本身精度不夠。它是由交通流預(yù)測模型、空氣動力學模型和污染物擴散模型確定的，而這些模型計算較復(fù)雜，不便于使用。
1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在線控制工程
通過采用前饋-反饋復(fù)合控制方法，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線控制工程，該工程包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線控制器、CO濃度傳感器、車流量檢測器及控制風機開啟的執(zhí)行器等。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學習、自適應(yīng)的特性，通過在線學習，及時對外界條件的變化及控制效果作出反應(yīng)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證控制模型處于符合當前控制條件的最佳狀態(tài)。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制需要大量正確的樣本便于學習，而在實際運行中難以產(chǎn)生正確的樣本，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制效率不盡人意。
1.3 前饋式智能控制工程
將模糊邏輯引入前饋控制法中，以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學工具，避開了復(fù)雜數(shù)學模型的建立；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適宜于客觀過程規(guī)律的提煉，可以學習車流量，車速，風機開啟數(shù)量與污染物擴散等關(guān)系，能較快速、準確地獲得正確樣本。將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，可以形成更為簡便有效的控制工程---前饋式智能控制工程。
前饋式智能控制工程由6個部分組成：交通流預(yù)測模型、污染物擴散模型、FLC、檢測元件、執(zhí)行元件和控制對象，見圖1。
圖１ 前饋式智能控制工程
根據(jù)車輛檢測計測得的交通流數(shù)據(jù)，當前運行的風機臺數(shù)，污染物的當前參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測下一個控制周期污染物濃度的增量。然后，由污染物的反饋量、預(yù)測增量和控制目標量確定FLC的控制偏差e，經(jīng)過模糊推理，得到風機的變化量。結(jié)合風機當前的運行狀況，確定風機開啟（關(guān)閉）的臺數(shù)和位置，從而得到新的污染物動態(tài)，再進入下一個控制周期。
九華山隧道風機控制采取前饋式智能控制工程。
2 前饋式智能控制工程建模
通風控制工程中涉及到CO濃度、VI量、交通量（Q）、行車速度（V）、車流組成、隧道內(nèi)風速情況及射流風機開啟臺數(shù)（Njf）多個變量。但交通量（Q）、行車速度（V）、車流組成屬于交通流基本參數(shù)，而CO濃度、VI量大小又直接取決于隧道內(nèi)交通流。
2.1 交通流參數(shù)的計算
交通流的基本參數(shù)有交通量、行車速度和車流密度。
某方向某斷面r個車道折算交通量之和為
�。ㄆ渲谐�(shù) 1 ， 2 ， 3 為車輛折算系數(shù)）
根據(jù)交通量Q、行車速度V、車流密度K三者之間的關(guān)系，則某斷面、某車道的密度為
判斷隧道的交通流狀況（NS為服務(wù)水平，K為行車密度）：
若NS≤0.54且K≤23則為自由流（綠色）；
若0.54＜NS≤0.93則為飽和流（黃色）；
若NS＞0.93且K＞23則為阻塞流（紅色）。
根據(jù)交通狀況（自由流、飽和流、阻塞流）的變化在事件檢測中的影響，利用事件發(fā)生后相鄰兩檢測斷面間車流波動所導致的交通流參數(shù)的異常變化，來判斷交通事件的發(fā)生，在交通事件處理完畢后，本工程可自動恢復(fù)至正常狀態(tài)。
突發(fā)交通狀態(tài)檢測判斷模型與算法：
對應(yīng)于交通流變量（V0，Q0，K0），V0是指最大流量時的速度，Q0是指最大流量，K0是指臨界占有率。流量公式為Q1＝Q0－1.5（K-K0）2/3 。
以此作為最小非擁擠流量。當K＜K0時，如果流量低于Q1時，認為交通運行狀態(tài)處于擁擠狀態(tài)，當Q＞Q1時，該交通狀態(tài)居于非擁擠狀態(tài)。
2.2 通風量及機組臺數(shù)計算
CO濃度由低到高、透過率檢測值由好到壞分為幾個級別，投入的風機數(shù)量和運轉(zhuǎn)時間在隧道正常營運時間由此確定。計算原理如下。
2.2.１ 隧道內(nèi)需要的新鮮風量
根據(jù)我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》及世界銀行專家建議的公式進行計算。
�。�1）按稀釋CO計算新鮮風量(m3/h)
汽車行駛時產(chǎn)生的CO量與汽車的行駛速度、汽車行駛路段所在的海平面高度及路段的縱坡等有關(guān)。隧道內(nèi)需要的新鮮風量，根據(jù)稀釋隧道內(nèi)空氣中CO濃度達到允許濃度來確定，根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》提供的公式進行計算：
Qco＝K·fv·fi·fh·q co·N·G·L×106/δco
�。�2）按稀釋煙塵計算新鮮風量 (m3/h)
柴油車在隧道內(nèi)行駛時產(chǎn)生的煙塵量與行駛速度、柴油車密度、路段所在的海平面高度、路段的縱坡等有關(guān)。隧道內(nèi)需要的稀釋煙塵的新鮮風量系與洞內(nèi)煙塵允許濃度有關(guān)，根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》提供的公式進行計算：
QF =K·fL·fi·qt·G·D·L/k
�。�3）按稀釋NOx計算新鮮風量(m3/h)
汽車行駛時產(chǎn)生的NOx與車型、車速、道路坡度等有關(guān)，采用以下公式計算：
QZNOx=qNOx·(Ml+kt·Mt)·KS·L×106/CNOx
根據(jù)以上3種稀釋有害氣體所需的新鮮風量，取其中最大者為控制設(shè)計新鮮風量(Qs)。
2.2.2 風機組數(shù)及臺數(shù)計算
在隧道內(nèi)設(shè)置射流風機進行縱向通風，在同一橫截面上風機臺數(shù)（即一組風機的臺數(shù)）應(yīng)由風機尺寸、隧道內(nèi)輪廓尺寸、風機重量及通風量等來確定。
根據(jù)隧道通風所需要的全風壓以及單組風機所產(chǎn)生的風壓，即可進行隧道風機組數(shù)的計算：
風機組數(shù)＝(1.1～1.2)H/pj
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