隧道施工通风智能控制系统研究

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目前,我国隧道施工向着长大和复杂地质条件方向发展。在这种环境下施工时,一旦产生瓦斯积聚或有毒有害气体积聚将对隧道施工产生巨大的威胁。与此同时风机巨大的能耗也使得隧道施工承受着沉重的经济负担。隧道通风智能控制系统是在满足隧道需风量要求的基础上为实现节能的目的而设计的。首先,本文对隧道施工通风的风流结构以及风流中有毒有害气体的扩散特征进行了研究,并在通风风流结构研究的基础上进行关于风机运行频率与隧道大气环境之间关系的现场试验,利用试验数据训练RBF神经网络,建立了隧道施工通风智能控制系统的控制模型,在此基础上设计了隧道施工通风智能变频控制系统。在实际应用中发现智能变频通风系统节能效果良好且系统稳定。本文主要做了以下几个方面的研究:  (1)利用CFD计算流体力学软件模拟隧道施工通风。隧道通风模型根据上台阶施工法建立,隧道分为上台阶断面部分、全断面部分、下台阶和仰拱填充完成后形成断面部分以及二衬施工完成后形成的断面四个部分。根据计算结果可以发现,隧道通风风流结构可以分为:射流区、涡流区和回流区。本文选取瓦斯作为有毒有害气体代表,探究发现瓦斯的扩散规律:瓦斯浓度分布随着回流区的延伸而降低,在距离隧道掌子面40m以后瓦斯浓度均匀分布于整个隧道中。  (2)基于对有毒有害气体扩散规律的研究,进行现场试验,分别记录风机吹散一定浓度的瓦斯、硫化氢、一氧化碳等有毒有害气体所需要风量所对应的运行频率,选取具有代表性的数据,训练RBF神经网络,利用RBF神经网络找到风机运行频率与各个参数之间的关系,该关系即为风机智能控制系统的控制模型。  (3)基于上述控制模型,设计隧道风机智能控制系统。控制系统读取隧道安全监控数据,实时计算分析并将频率信号传输至变频器,使得风机按照下发频率运行,做到根据隧道的需求提供风量的目的。这样做的好处是:当环境需要大风量时,可以及时提供稀释隧道有毒有害气体的风量;当隧道大气环境处于良好的情况下时,风机运行频率降低至允许的最低值,这样既保证了隧道需风量的要求也降低了风机电能消耗,实现了安全与节能相结合的目的。  (4)将风机智能控制系统应用于华蓥山隧道,通过现场的应用验证了风机智能控制系统对风机控制的性能以及节能效果。通过这种控制方法,改变了隧道风机管理的体系,也改变了风机在隧道施工中的地位,使得风机不再是隧道施工中一个“尴尬”的工具,风机可以主动的参与到隧道施工中,为隧道施工安全做出积极贡献并且不再是一个高耗能的经济压力。
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