（机械设计及理论专业论文）隧道施工通风与环境智能控制系统的研究.pdf

摘要 璃要 本文结合毫海拔、赢寒区铁路隧道旋工的特点，研究了离海拔、藏寒区隧 道慈王遇城控裁的阉嚣。 从我国隧道施工通风现状分析可知，高海拔、高寒区隧j ：媳施工通风采取电 动机有级澜速，属模拟量闭环控制。本文引进变频调速技术，探讨了施工通风 豹模凝控镯方法。钤对隧遵麓王邋风系统是。令 线整多变蹙控铡系统，予撬 因素多、有关参数变化范围较大的特点，本文采用现代控制中的模糊控制，将 施工通风系统复杂的特性用人类语言来描述，最终用模糊控制规则来实现控制。 本文通过对隧道嬷工污染源积热源的分孝厅，应用全露避风和工程热力学原 理，建立了隧道施王通风系统的流场帮溢度场瀚仿真模型，惩数值分褥方法模 拟了爆破、打眼、出渣等施工过程，得到隧道施工工作面脊害气体含量和环境 温度随时间和空间变化规律。 该系绫中嚣耱被羟羲量阖稳互份蠲、辖要影l 蠢，遁逮对逶晟系统遴牙解藕 分析，制定整体设计方案，从而对通风量和温腋分别进行控制。结合实际设计 模糊控制器，把精确魑模糊化、模糊规则推理和反模糊化处理，借助m a t l a b 程序设计语言提供的工具箍的强大功能，完成羧制系统的总体设计和优化。 邋行了仿真，仿囊结渠表鞠：本文设诗静模糨控制在模擞隧遒施工邋风对 取得了照好的效果，大大提高了自动化程度，有效地降低电能的消耗。与传统 的施工通风控制系统的仿真结果妾攘行比较发现，基于变频调速的模糊控制技术 有缀大瓣发震 l 莓途。 最焉，结合本文提出的模糊控制方法，设计了通风系统的自动控制系统， 系统的硬件以a t 8 9 c 5 1 单片机为控制核心，根据实际要求设有显示电路、报警 电路等，能够达到实瞬控制。 关键词：高海拔、离寒区，隧道施工通风，模糊控制，仿真 一一 竺竺竺 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h et a n u e lc o n s t r u c t i o no fh i g ha l t i t u d ea n d h i g hc o l dr e g i o nt h er e s e a r c hi sc o n c e r n e dw i t ht h el a n n e lc o n s t r u c t i o nv e n t i l a t i o n c o n t r o ls y s t e m a n a l y s i so ft h ep r e s e n tv e n t i l a t i o ns t i u a t i o no f t u n n e lc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y s h o w e dt i l et r a d i t i o n a lc o a t r o is y s t e mu s ed c m o t o r , w h j c hi ss i m u l a t i o nc l o s e d 1 0 0 p c o n t r 0 1 t h i sp a p e rp r e s e n 【c dv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r u it e c h n o l o g y , a n d s t u d i e d f u z z yl o g i c a lc o n t r o ls y s t e mo ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o nv e n t i l a t i o n t h e t u r m e lc o n s t r u c t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e mi san o n l i n e a re o n t r o ls y s t e m a n dh a v et o o m u c hj a m m i n gt a t t e r sf i 。c ，o n eo ft h em o d e r nc o n t r o lt h e o r i e si sa d o p t e d a sa r e s u l t ，t h i ss y s l e mu s e df l cr u l e st oc o n t r o l t t m o u g ht h ea n a l y s t so f t h et u n n e lc o n s t r u c t i o n sp o l l u t i o na n dh e a ts o r i c e $ ，u s i n g t h ef u l lv e m i i a t i o na n de n g i n e e r i n gh e a tp r o t o t y p e ，t h i sp a p e rs i m u l a t et h em o d eo f t h ev e n t i l a t i o nl l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef l o wf i e l du s i n gt h em a t h e m a t i c a lr u l et 0 s i m u l a t et h ec 0r l s t r a c t i o np r o c e s so fe x p l o r a t i o na n ds oo n s oa st oa t t a i nt h ev a r y i n g r u l eo ft h en o x i o u sg a s e s c o n t e n ta n ds u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h ec h a n g eo f t i m ea n dp l a c e t w oc o n t r o l l e dv a r i a b l ea r ei n t e g r a t e dw i t he a c ho t h e ri nt h es y s t e md e c i d i n gt h e g e n e r a ls c h e m et h r o u g ht h ec o l l p l i n ga n a l y s i so ft h ev e n t i l a t i n gs y g e m ，s oa st o c o n t r o lt h ev e n t i l a t i o nq u a n t i t ya n dt e m p e r a t u r es e p a r a t e l y d e s i g nt h ef i j z z y c o n t r o l l e r f u z z i f i c a t i o n ，f i l z z yc o n t r o lr u l er a t i o n i n g ，a n dd e f u z z i f i c a t i o nt h ea c c a r a t e v a r i a b l e1 1 1 et o o l b o xo fm a t l a bp r o g r m nl a n g u a g ei su t i l i z e di nt h ed e s i g n a n d o p t i m i z a t i o no f t h ew h o l ev e n t i l a t i o nf l cs y s t e i n t h er e s u ho ft h es i m u l a t i o nt e l l su s ：t h ef u z z vc o n t r o l l e rh a sr e c e i v e dag o o d e f t c i e n c y i nt h es i m u l a t e dv e n t i l a t i o no ft u n n e lc o n s t r u c t i o n s ，w h i c hp r o m o t e st h e a u r o r a a t i cl c v e la n dd e c r e a s e st h ew a s t eo fe l e c t r i c i t y c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o no f t h et r a d i t i o n a lv e n t i l a t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m ，a p p l y i n gv a r i a b l ef r o q u e n c ya n df u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h es y s t e mh a sag o o df u t u r e a b s t r a c l f i n a l l y ，c o m b i n e dt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hw a sp u tf o r w a r di nt h i st e x t ， a n dd e s i g n e da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo t v e n t i l a t i o ns y s t e m ，t h eh a r d w a r eo fs y s t e m t a k e sa t 8 9 c 51a st h ec p u a c c o r d i n gt or e a ld e m a n d ，d e s i g n e dd e m o n s t r a t i o nc i r c u i t a n da l a r mc i r c u i te t s s oa st oi tw a sc o n t r o l l e da ta n yt i m e k e yw o r d s ：h i g ha l t i t u d ea n dh i g hc o l dr e g i o n ，t u n n e lc o n s t r u c t i o nv e n t i l a t i o n ，f l c ， s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示j ，谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逛竺苎导师签名：堑盗垒日期：坦! ! ：! ：望 簿：彗，簪? 冷 1 1 概述 第一耄绪论 睫麓国家经济毂发震，开发嚣嫠地区，搬运莛部遗区经游懿发震成戈国家 的一项燕大策略，而在高海拔高寒区多年冻土地区修建铁路成为醺部开发的首 要建设项目。其中，在铁路隧道旋工当中，高海拔高寒区的条件决定了施工通 风技术的特点。 在我国东鄂曼陵、中程部低海拔缝嚣，隧遴整工逶疑按零豹磷变主要针对 长隧道机械化作业中的通风、摊烟、降尘和稀释处理内燃设餐排放的有毒、有 害气体而展开的。经过近十几年的努力，已经形成以大风量通风机配合大直径 柔性通风管道和施工环境综合治理为特征的长距离软管通风技术体系，并取得 了突出的成续窝薷遍瓣准广应鲻效巢。这些戏采对森海拔高寒区隧道藏工遴风 技术的研究具有一定的指导和饿鉴作用。然薅，青藏赢暇隧邀均处予多年冻土 带内，部分地段为富冰冻土层，为了开挖的安全，保护冻土，又能在冬季进行 混凝土工程作业，通风系统的功能除排烟降尘外，还必须具商控制施工环境的 功能( 即傈诞施工温度在s 一5 之溺) 。露盈裔巍遣区天气涎力低，大气密度 低，大气中客氧! 蓁 低，严冬极隈湿度低，昼夜温差大，这些爨素又槌对增热了 通风难度1 4 j 。 目前，在国内外，隧道施工通风的自动控制水平还不够高，人们还要投入 大量的人力物力去解决隧道施工通风问题，因此，应用锗能控制理论，建立一 个隧道施工环境微型计算机控制系统，对风量和风温进行实时控制，以实现隧 道施工通风控制性能、自动化水平的提高，并节约风机能源的消耗。尤其对于 我国西部大开发中冻土隧道的修建过程，应用先进的控制方法，取得较好的经 济效益，实现自动控制，是本文的主要目的，属自选课题。 隧道施工通风系统是一个非线性多变量控制系统，由于干扰因素多、有关 参数变化范围较大等原因，难以建立温度场和有害气体含量的精确模型。基于 上述原因，本文避开传统经典控制理论数学建模的思路，采用模糊控制，将施 工通风系统复杂的特性用微妙的人类语言来描述，最终用控制规则来实现控制。 第一肇绪论 。2 豳内7 1 瑗状 1 2 1 高原隧道施工通风技术与环境控制的发腥 隧道薤工遁撤是隧道鼹工避程中不霹蛱少懿一项技术，在我爨寒部丘陵、 中西部低海拔地区，隧道施工通风技术的研究主要针对长隧邋机械化作业中的 通风、排烟、降尘和稀释处理内燃设备排放的有毒、有锵气体而展开的。经过 近几十年的努力，已缀形成以大风羹通风梳配合大直径柔往通风管道和施工环 境综合治璎为特纭翁长距离较镑逶风技术 本系。隧遴施工中躲逶敲爨懿确定妇 下，隧道施工中一般应潢足以下几个条件：保证作业人员足够的呼吸空气、作 业面有窖气体的浓度降低到允许浓度以下、保证最低风速，根据具体隧道的参 数按以上条件分剐计算隧道施工中的通风量，选择最大值作为隧邋施工的通风 量，通风机长期处于恒通风量通风，这种方法能耗高、噪声大。 针对昆仑山隧道和风火山隧道的具体条件，在高原商寒隧道的通风和通风系 统研究的基础上，石家庄铁道学院和天津通风机厂合作已经设计研制了 s t d k 1 0 0 型高原隧道专用风机。 机组的通风空调系统结构如图1 1 所示，隧道专用空调机组是一种将电能 通过旋转的轴流叶轮转换成气体压力能，同时对气体进行加热的流体机械。机 组为水平出气的卧室结构，共有三段组成。 第一段为进风段。为防止杂物进入机组内，进风段设有过滤网。第二段为 风机段。采用优化设计的g y f s 1 0 0 高原用隧道风机对进入机组的空气进行加 压、增速。第三段为加热段。通过锅炉房送来的蒸汽，加热机组的加热器。加 热器采用钢管绕片式散热器，具有热效率高，耐压强度好等特点。 该机组风机采用一台双速电机，在使用过程中通过控制电机的不同速度， 使机组中风机有二个不同的高效运行工况点，以适应施工的不同工序，从而达 到节能降耗的目的。风机高速挡主要用于隧道炮烟排放，低速挡主要用于隧道 辅助作业工序及隧道保温。 环境温度- 1 5 0 时，可使用风机高速挡向隧道送风、保温；在环境温度在 一3 8 一1 5 时，可使用风机低速挡向隧道送风、保温。 经过上述计算分析，初步确定隧道通风及热环境控制系统方案为：研制通 2 第一章绪论 j x l 空调一体化机姐，架设在隧邋口，洞外空气经机组加热处理后由通风软管送 入洞内。 为使漏淘瀑蒗保持在免许藏囤蠢，分崩在掘遂、树镪工作面、梳缀的避风 口及出风口处安装漫度传感器，壤瀑度信号传入洞e l 操侮室，以便于搽l 乍入曼 观察；同刚在机组蒸汽管入口处安装蒸汽电动调节阀，根据送风激度信号自动 工作面 l _ _ 一： 新风 2 - 一霎篙蠹1 3 = 越j空调一体机出风温度传感器i 鬯至显至望刭i 3 一衬砌工作面温度传感器l - ； 图1 - 1通风空调系统布置示意图 控制送风风温。 通过两个变量可咀控制机组出口( 风筒进口) 的风温，一是改变通风机的转速 ( 即电动机的变极调速) ，从而改变供风量。在冬季，当加热器供热量一定时，风 量增加即使风流温升下降，风量减少会使风流温升增加；在夏季加热器不工作， 由于洞外环境温度的影响与冬季相反，即风量增加意味着使洞内温度上升，冻 土易融化。另一个影响风温的因素是加热器的供热量，它是通过进汽管道上的 电动调节阀的开启大小来实现的，也与锅炉的蒸汽温度有关。电动调节阀的动 作由控制电路执行，当工作面温度传感器感应的温度值变化时，会指令控制电 路自动调节电动调节阀的开启程度，即自动调节蒸汽流量改变供热量，将工作 面温度稳定在希望的范围内p j 。 本论文的就是在此基础上引进变频调速，通过变频器连接到电动机，通过 改变变频器的输入电压，来改变电动机的供电频率，进而改变了电动机的转速 第一牵绪论 即通风机的风量。再利用模糊控制技术生成模糊控制系统，将人工的手动操作 制成模糊控制表存入数据库中，设计个多输入多输出的自动化智能控制系统， 连接在s t d k 1 0 0 型蔫蒙隧遂专瘸风辊中，提熹隧道施工通风系统静控案性麓帮 自动化水平，节约能源。 1 ，2 。2 风鞔变频淫遽应蠲褒状 近二十年来，以功率晶体管g t r 为逆变器功率元件、8 位微处理为控制核 心、按压频比u f 控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了 巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件g t r 已基本上为绝缘双极晶体 管i g b t 所代替，进而采用性能更为完善的智能功率模块i p m ，使得变频器的容 量和电压等级不断的扩大和提高。其二，是8 位微处理器基本上为1 6 位微处理 器所代替，进而有采用功能更强的3 2 位微处理器或双c p u ，使得变频器的功能 从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改 变压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使 得变频器不仅能实现宽调速，还可以进行伺服控制 l 。 变频器的技术发展得益于微电子和电力电子技术以及异步电动机控制理论 的发展和市场的推动力，。般占工业月jt 乜5 0 6 0 的风机、泵和压缩机等通用 机械上使用变频调速装置，将可节电3 0 左右，有着巨大的市场潜力。1 9 9 7 年 以变频器为核心的工业传动装置仍在持续发展。交流变频调速装置取代直流调 速装置已成为必然趋势。由于变频器的销售量不断扩大，生产形成批量，价格 下调，相同容量的交流变频器与直流调速装置的价格已经接近，能为用户接受。 而且在一些生产机械上使用变频调速已成为这些机械更新换代的一个标志。 变频调速是通过改变加到交流电动机定子绕组电源的频率来改变电动机转 速的方法。变频调速是一种应用范围广，而且最具有发展前途的调速方法。随 着电力电子技术的发展，大功率、大容量的g t o 、g t r 器件及模块化产品如 i g b t 、i p m 等的出现，使得变频调速装置的经济性，可靠性不断提高。这项技 术具有其他调速方法无法相比的优点：调速性能好；节能效率高；有 利于提高生产率；便于实现高度自动化与机电一体化i l ”。 风机、泵类是最早使用变频器调速的行业。早期风机变频调速的目的只是 为了节能。因为具有二次方转矩特性的离心式或轴流式通风机、鼓风机和压缩 机，在低速运行时气体流速低，负载转矩很小，其负载消耗的能量正比于转速 4 籀一誊绪论 的三次方，可通过变频器控制转逮实蛾节能的暇的。近l o 年采，随着电力电子 按零、诗羹飒技零、爨动控裁技术浆逐速发震，瞧气传动技零嚣浚蓉一磁历定 革命，即交流调速取代赢流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成 为发展趋势。电机交流变频调速披术是当今节电，改善工艺流程，及提黼产品 质量和改善不断恶化救环境以推动技术进步的一枣 主要手段。变频器在风规土 静应矮t 魏扶单纯豹馥繁憩为蟊豹，发展蜀以撼麓产品产量、溪量，实现黛产过 程自动化及环境保护孵为目的，应用领域不断扩大。过去，由于变频器的价格 较高，在我国风机行业未能广泛采用。现在，随着电力、电子器件及微型计算 提数进步羁徐楱下薄，变频器熬侩椿逮在下洚，箕夔能餐穆魄帮不叛撵麓。霞 用变频器初期较高的投资，可以邋过节能、提高产品产量、质量等途径，在短 期内回收。近几年，风机变频调速已l 成为新的潮流。1 9 9 9 年，沈阳松辽电力设 备铡造厂承接北京、天津霹邋大、中型锅炉房电气配套工程菇8 项，鼓、弓l 鼹 税全部采用变颓控制。平庄矿务溺氛唐矿对g 。7 3 ，1 1 n 0 2 5 謦风机送行交频调速 控制，年节电量1 0 3m w h ，年节电费2 58 万元，不足一年即收回全部设备投 资。山车鲍店煤矿主剐井提升机使用冷却风机制冷，因季苇变化，冷却风辍也 要发生稳癍瓣交纯，安装了交频谲遴装置后，筝繁毫价馕3 2 7 万元，一年半竣 回投资睁1 4 , 1 8 2 2 1 。 变频调速技术作为商新技术、接础技术和节能技术，已缀渗透到所有经济 领域的技术部门中。应积极应用变频调速技术袋改造传统产渡，节约能源及提 高产品矮鬟，获褥较好的经济效蘸嗣社会效益；要大力发袋变频调速技术，必 须把我幽变频凋速技术提高到一个新的水平，缩小与世界先j 艟水平的差距，提 高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求：并规范我国变频 调速按零方瑟懿撂缓，提高产爵爵纛缝及工艺承乎，实瑗痰摸纯、标准纯鬟兰产。 变频调速技术在隧道施工通风中曾经有过应用，但是由于由人工来控制变 频，效果不理想，且当时变频器的价格很高，所以变频技术被淘汰。现在随着 变频技术瓣发展，价楱已经降低，韪被鼹户接受，本文中剩翅计算极进锊蜜霹 自动控制，所以弓 入燮频技术成为必然。 本文交流调速系统中，初步选用变频装置为酱通功能u f 控制通用变频器。 通用变频器是近年来发展并逐步被推广普及的交流电动机毅烈变频调速装黉， 它其鸯澜速范霾宽、谰遽籍凄毫、蕊应速度浚、操护凌戆竞饕、搽终方矮筹一 系列优点。通用变频器也在朝着两个方向发展：低成本的简翰型通用变频器和 一5 一 第一章绪论 商性能多功能的通用变频器。简易测的通用变频器是一种以节能为主要隧的而 麓纯了蛰系统功熊的逶露交颓器。它主要应鞠予隶泵、凰爨、鼗鼹懿等对于 系统诵遽性能要求不裔的场合，逐舆有体积小、价格低等方褥的优势。丽离性 能通用变频器充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需黉，它可应用于简 易型变频器鼢所有应瘸颁域，还广“泛痰焉予电撵、数控枫霖、瞧动车辘等调速 系统豹瞧麓煮较褰簧求懿场台。 1 2 3 模糊控制的发展与应用。”“ 摸羧逶辑熬理谂起源予美国。1 9 6 5 年，藐德教授发表了“模羧集合”( f u z z y s e t s ) 和“模糊集合与系统”( f u z z ys e t sa n ds y s t e m ) 两篇开拓憔论文，将集台论的 要素与隶属函数有机地结合起来，并发展成为新颍的模糊控制技术。 皂拽德教授首先握鑫模糊集遴论，在1 9 7 4 年m a m d a n i 成功遗将模糊臻论 应焉予锅炉和汽轮梳的过程控割以来，模颧控翻迅速发展并褥到广泛瘟粥。模 糊逻辑魁描述和处理事物的不精确性和系统的不确定性的有效方法。一般模糊 控制器主要有输入量模糊化、规则摩、模糊决策萃输出解模糊四部分组成。输 入模赣纯是将真实熬确定量转纯箴一个摸赣矢爨；模糖控鼷麓涮是把专家蔽熬 练操作人员的经验按人的直觉推联形成一种语言表示形式；模糊决策实现根据 模糊输入由控制规则获得模糊控制量；解模糊怒把由模糊决策得出的模糊控制 量转化戏涛曦的控钱输出量。模耧控割是基于模糊集、模獭逻毒霉，网控利壤论 稻结合，稹叛人的慰绦方式，对罐建模的对象实施的一静控制方法。其主覆优 点在于：不需知i 趋被控对象精确的数学模型；鲁棒性强，适于解决过程 控制中的非线性、强祸台、时变、滞后等问题；为“语畜溅”控制，翳于形 残知谖露。对予 线犍、复杂系统。难戳确定完善的茬裁麓粼，这样会彩滚控 制效果。随着人们对控制性能要求的越来越高及计算机技术的快速发展，模糊 控* 0 ( f c ) 已与神经网络f n n ) 、遗传算法( g a ) 、模拟退火( s a ) 等新优化算法相融 合，不凝缝朝羞基适应、謇组织、爨学习方自发震。 模糊控制与经蕻控制理论有零质的不同，缀典控制立遐于对被控对浆精确 的数学描述，而模糊控制的核心在于只用己知的对系统的粗略的知识描述系统， 并在此慕础上引入模糊控制算法。这种算法有三个特点：其一是不用数学方程， 露矮语富为 弋表的模灏交量搐述系统；其二楚鞠条锌禽题落镯诗数摸寝交燕灏 的关系；再之是用模糊推理方法实现系统的运算。 6 第一章绪论 英豳早在1 9 7 4 年就率先研制成功模糊控制器，并把它应用于蒸汽机和锅炉 弱控铡等方囊。丹麦戆s m i d t h 公蠲套隶混生产中采用了模糊逻辑垂动控铡。俄 岁斯、波羔、捷克和罗岛尼亚也有研究，并已在工业中应用。日本醑立公司为 仙台市研制的模糊控制地铁电力机车自动运输舔统，自1 9 8 3 年开始和测试，历 经四年，予1 9 8 7 年7 月1 5 目正式投入运行。这是迄今在世界上最先进的地铁 系统，这也是挨凝逻辑瘦瑁予控键镶凌熬一痉瀑程薅，趸摸期控裁一令畿彩夺 目的范例。乘这种车会感到非常舒适。火车还能以很高的精确性停在站台位置 上，经过系统运行一万次以上的试验行驶、进站停车统计，停车误差在3 0c m 以 上的还不到 ，檬推菱是1 0 6c m 。与黉绕的p i d 控制胡魄，它比簧统p i d 控 制系统节约1 0 的燃料；停靠始裔的准确，模糊控制的停车误差标准是p i d 控 制的三分之一；与乘客舒适度感觉直接有关的控制值变化次数，同样模糊控制 只冉p 1 d 拎制的三分之+ ，自1 9 8 9 年超，日本首先开发了采用模糊控制的家用 电器产潞，包疆全螯动洗衣瓿、空调祝、蔽尘器、徽渡炉、滚饭锅、摄稼褫、 电风扇等等，几乎无处不在。这贼智能家电不但减轻了人们日常生活的操劳， 而且还节约了家庭主妇们水电方谢的开销。现在这股模糊热已经蔓延到骶方和 末毒髓一些莓家。耋茨永荣矿务菇承淀厂予2 0 0 1 年5 月牙媲在$ 3 x 1 1m 规立 窑风机使用模糊控制变频器至今，年节电效益鞠显提高；敬游了风机痘动性能； 通过改变电机供电频率从而减小了风机启动和运行中的阻力，降低了风机运行 噪声，减轻了叶轮、牟斑承的磨损，效果良好。模糊控制理论，成功应用予器种 工监控翱窝琵霜产茹，是本课越哥抒往酶坚实繁疆；毽在隧遘麓工逶飙窜还没 有应用，因此成为本论文的创新点。 3 鼹火由、鼗仑由隧道施王环壤控制特点豫4 1 昆仑山隧道和风火山隧道地处青藏高原，简海拔、气压低、空气宙氧缀低 低温严寒，于燥多风，环境极其恶劣。 1 3 1 工程概况 风火山位于青藏高原腹地，属于低高山区，地形起伏较大，地表冲沟较发 育，隧邋逶过部位由璎最毫海拔4 , 9 9 6m ，穗对褰差终1 1 0 撼，隧莲进窭曩海拔 高程分别为4 , 8 9 7m 和4 , 8 8 0r n 。风火山隧道起迄黧程为 第一章绪论 d i k l l 5 9 + 0 0 0 - d i k l l 6 0 + 3 3 8 ，全长1 ，3 3 8m 。山顶基岩大部分裸露，侵蚀、剥蚀 俸厢强燕。 昆仑由隧道位予毒藏熬魇黢篷聚仑由j 麓，中薅由嚣，瓣道避密弱海羧离 程分别为4 , 6 4 1 4 1m 和4 , 6 6 4 8 6r r t ，地形起伏大，山坡陡峻，坡面破碎，多鸯坡 积碎石分布。隧道进口位于一山梁，地表植被发育，隧道出口为陡峻山坡，分 布缓税碎石土，局部蘩者出露，坡西无植被，坡下为青藏公路。该隧邋起迄里 瑷d k 9 7 6 + 2 5 0 d k 9 7 7 + 9 3 6 ，全长l ，6 8 6m 。 1 3 2 工程特点 ( 1 ) 高原：海拔高度在4 ，8 0 0m 以上，大气压力低，大气密度低，大气中含 氧量低。簏工久员的徽康和安全受到极大威胁，设备效率低、故障多。 ( 2 ) 离寒：辍低气温，3 7 7 c ，昼夜温差可遮3 0 ，全年秃霜期不是3 个月。 ( 3 ) 冻土：处于高原多年冻土带内，部分地段为蛊冰冻土层。 ( 4 ) 独头掘进长度都在5 0 0 6 0 0m 之间，采用有轨运输机械化作业模式。 青藏铁路高源多年冻土区试验工程中的风火山隧道全长1 , 3 2 4n l ，避出翻海 拔商程分剐为4 ，8 9 7m 帮4 ，8 8 0m ，年平均气溢- 6 1 1 ，极端气溢努嗣为一3 7 ，7 和2 3 2 。此隧道位予多年高原冻土带中，围岩愿始湿度在。2 3 之闽。大气 中氧分压仅1 1 左右，含氧量不足华北地区的6 0 。大气密度分别为o 7 3k g m 3 和o 7 5k g m 3 。极端恶劣的生存环境和施工条件对人员安全和健康造成极大威 胁。同时，严寒豹漏内施工环璃，蒋质量和工作榫娩正常运行。在人类历史上， 搬拿大、饿罗擐等国积累7 一些冻带隧道懿施工经验，徨均是程蟋海拔逡豢 进行的。对于高寒高原缺氧等恐劣条件下施工通风和热环境控制技术，至今仍 无先例。 1 ，3 2t 褪几何参数 ( 1 ) 隧道几侮参数 隧道的参数按昆仑山隧道v 级围岩村砌支护设计断鲫计算。 面积a t = 6 2 5 7m 2 ；周长u t = 2 9 4 6m ； 水力半径月= 鲁= 罴观1 2m ；水力煮径嗄堋= & 4 8 m 第章绪论 隧道内理论风遮为：v t = 6 0 垒a 一。耐s ，其中o 为风蛰内气体体积流量 ( m 3 m i n ) 隧邋内空气质量流量：= 等k s ，其中，p 为气体的密度，取。7 5 k g m 3 。 ( 2 ) 风簿，l 傍参数 风简采用中1 2m ，d p r 系列软管，导热系数旯：；0 0 5 8w ，( m ) ，厚度为2 m m ，瓣瑕a p = n 。d ：2 * l 。1 3 l m 2 。 风筒内理论风逋为y p 2 丽詈z m s ；其中o 为风管内气体体积流量 ( m 3 m i n ) ； 风简内风流质量流量： 哗一辔k g s 0 其中，p 为气体的密度，取0 7 5 k g m 。 ( 3 ) 隧遘悫气髂瓣流挟燕系数 隧道内空气与阐岩壁面的对流换热系数为搿，考虑到隧道表面粗糙度，高 原低气压、低温，结台大坂山隧邋蜜测结果，取掰= 1 2w ( m l ) 。 ( 4 ) 媳篱换热系数 风筒内外风流闰豹热交换是簸杂的：氍有矾简内风流与风筒内壁之间、风 筒外壁与隧道风流之间的对流换热，又有风筒内、外壁间的导热。通过这复杂 的热传递，风筒内室气将会逐渐蹲滠，隧道内空气将会被丹滠。从理论上讲， 鬣流在斑篱肉滚动仅旃热簧递焉不产生矮黉递，毽当最簿漶弧对，j 氡篱内、乡 空气将产生质交换。这就使风筒与醚道的风流速度计算变得很复杂，考虑到风 筒的漏风系数较小，为了简便计算，在计算隧邀与风筒内风温时，忽略漏风系 数款影璃。 在管道中流动的流体可以划分为两个区域；紧靠管壁的区域，其中流体为 层流，1 _ 亓i 管道中心部分则为紊流。在紧靠管壁的层流区域内，从管道壁向流体 传递的热量是由于导热作鼹，两程紊流部分热爨的传递主要是出于对流换热， 在这一区域瘫酌导热豫弼不大。 第一章绪论 传热系数k l 按下式计算 其中，为外筒内壁与风筒气体对流换热系数，结合大坂山隧道实测口。= 1 2 w ( m 2 ) ；d l 为风筒外径，m ；口，为风筒内壁与隧道气体对流换热系数，w ( m 2 ) ； d z 为风筒内径，m ：丑为风筒材料的导热系数，丑2 0 0 5 8 w m ，。 流体的流动有层流和紊流之分，筒内的气体流动状态可根据下面的雷诺数 的值来判断，如果流体流动的雷诺数大于其临界值，即r 。 2 ，0 0 0 ，流动状态为 紊流流动。 雷躇数：r = p v “e , d 型= 券- 9 7 6 x 1 0 5 1 0 4 , 所以流动状念为紊流。 其中，“为空气动力粘性系数( k g ( m - s ) ) ，参照大坂山隧道实测值和有关手册，取 “= 9 2 1 8 1 0 k g ( m s 1 。 昔朗特数：p 。= u a c l , = ! 生里! i ：掣= 。3 8 。 缺乏高原条件空气传热系数值，取标准大气压时a = o 0 2 4 3w ( m 。) 。 光滑管中努塞尔数u 采用迪特斯波尔特( d i n u s - b o e l t e r ) 公式进行计算： n 。= 0 0 2 7 r ? 8 p o 3 = 0 0 2 7 x ( 9 7 6 x 1 0 5 ) o 8 x 0 3 8 03 = l ，2 4 9 8 5 设风筒内对流换热系数：口2=坐乒=下124985x00243=2531 w ( m ) 。 风筒材料的导热系数：五= 0 0 5 8w ( m ) 。 则风筒传热系数为 t = r 丁丌 一上 i n 一24 - d l 兀雹2 兀 d ia 乒如 1 33 冻土隧道施工通风标准 = 2 69 3 w ( m 1 。 1 0 第一章绪论 高原高寒冻土隧道施工通风标准 ( 1 ) 粉尘最高允许浓度，每立方米空气中含有1 0 以上的游离二氧化硅的粉 尘2 m g 。 ( 2 ) 有害气体最高允许浓度： 一氧化碳最高容许浓度为3 0l n g m 。在特殊情况下，施工人员必须 进入工作面时，浓度可为1 0 0m g m 3 ，但时间不得超过：3 0m i n ： 二氧化碳，按体积不得大于0 5 ； 氮氧化物为5m g m 3 以下。 ( 3 ) 隧道内工作面温度不宜高于5 ，刁i 宜低于一5 ( 4 ) 隧道施工通风应满足洞内各项作业所需要的最大风量。风量按每人每分 钟供应新鲜空气不以小于4m 3 计算。 1 4 主要研究内容 论文是针对高原冻土隧道施工通风要求及国内技术现状而进行研究的，目的 是研究一种施工通风自动化控制系统。目前，国外有关此项研究的资料很少，国 内这方面的研究工作尚未报道。本课题研究重点在于风机的风量和风温控制策略 及其实现，将模糊控制理论应用于隧道施工通风系统中，根据实际操作经验，设 计模糊控制器，对隧道施工通风系统进行自动控制，实现节能。主要研究内容： f 1 ) 建立隧道施工工作面流场仿真模型： f 2 ) 建立隧道内沿程和工作面空间的通风热力学模型； ( 3 1 考虑各种主要非线性因素，绘制多输入多输出的控制系统的整体结构； ( 4 1 根据实际情况，选择合适的控制算法，利用m a t l a b 中的f u z z y 工具 箱设计模糊控制器； f 5 1 利用m a t l a b ，对隧道施工通风系统的流场和温度场进行模拟并与传统 的控制方法进行对比； f 6 ) 以单片机为控制核心，设计硬件系统。 第二章黼原商寒隧道施上通风系统 第二章高原高寒隧道施工通风系统 如何在节能的同时降低隧道施工_ i 乍面空气中的污染物浓度，保持健康的空 气品质，是将来隧道施工通风的研究方向。风机是量大面广的通用流体机械设备， 这些设备一般部楚搬掰生产中可能出现的最大负荷条件采选择的，但是实际运行 中受楚往往跑设计要，l 、褥多。嚣忿，鼹橇静耗能在交滚电动辍蔻耗戆中占缀大的 比蓬。目前，我国大多数风机的控制均为传统的变崖控制方式，电枫长期漩负藏 运行，经常遇到抵动设备负荷变化较大，动力源电机的转速却不能随之改变的情 况，也就是说输出功率的变化刁；能随负荷的变化而变化。实际生产中，这种“大 马拉小车”静瑶象较普遍，既浪费了大量电能，叉减少了设备酶使耀寿命。摇有 关专家估计，此类设冬耗愈量大约占电机总耗电量的7 0 ，恧睫环境及王援麴变 化，其耗电的3 0 4 0 都被白白浪费掉了。因此，推广交流电动机调遮节能技 术降低动力消耗，不仅能获得明厦的节能经济散益，而且还能改善和清洁环境。 盎众多酮调遽投术中，变频铡逮是荔于实虢、自动仡程度较商的薪技术狰l 。尤其 对于毫海拔瘫寒逸地繁电娆摄紧缺，徐格菲豢爨赛，采思变频调邃技术受是煮必 要的。 2 隧道施王工僚面污染物分析 有害物对人体的危害，不但取决于有害物的性质，还取决于有害物在空气 中的含屋，单位体积空气中的有害物古量称为浓度，一般来说浓度越大，危害 也就越大。有害气体的滚度有两稀表示方法，释是质鼙浓液，静每立方米空 气中赝食寿客气体毂毫竟数，以m g m 3 教永。另一琴孛是体积浓度，靼每立方米 空气中所含有害气体的毫升数，以m l m 3 表示。常用百万分率符号p p m 表示， i m l m 3 = l p p m l 7 ”。 根据卫生标准的兢定，当数种溶帮( 苯及阊系物或辞类或醋酸类) 瀚蒸汽， 或数静裁激瞧气体，圈孵在室内散笈时，国予它翻慰人体的终曩憝叠妻鬟款，全 耐通风爨应分别稀释至允许浓度所霰空气嶷的总和计算 7 “。弼时放散数种其它 有害物质时，全词通风量应分别计算稀释器有害物所需的风鬃，然后取较大值。 一1 2 第二章随原赢寒隧道施工通风系统 在本论文中，高原高寒冻土隧道施工通风标准规定的几项中，在隧道施工中， 主要散发的污染物是氧化碳气体，对于爆破产生的有害物很多种，下文中所 述的o 甜讯3 _ 一氧化穰气体代表将爆破产奄的熄阚量合计成一氧化谈气体的值。 黢以本论文巾将一氧化碳气 ：喜= 童誊为被控参数来确定风掇黪遴城量。 商原高寒冻土隧邋施工通风标准规定有害气体最高允许浓度中，c o 最离容 许浓度为3 0m g 1 1 1 3 。在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为1 0 0 m g m 3 ，但时间不得超过3 0r a i n 。隧道施工通风还应满足洞内工作面人员所需 要懿最大强整( 按每入每分镑 共应新鳞空气不以小予4m 3 计算) 【3 】。 隧道开挖工作厦的污染源主要有：人员呼吸、内燃车辆熙气、爆破产生戆 污染物，装渣、喷锚、衬砌等作业中产生的粉尘等1 7 2 。5 1 。 f 1 1 人员呼吸 据有关资料凌褥每，久每小时砰崮的_ - - 氧纯碳约为4 0 9 。因_ 毙二鬣亿礅靛产生 曩按下式讲算 z ，：竺堡 ( 2 1 ) 西2 育 喵q 式中， 墓，每秒镑人员呼吸数发的有害气体量，g l s ； ”，工作面总人数。 虽然洞内作业人员散布在不同工作地点，为简化计算，可假设洞内作业人 受集中在开挖工作面。 ( 2 ) 爽燃投事污染 隧道洞内以内燃机作动力的机械设备，其动力主要采用柴油机。汽油机由 于其排放废气中的一氧化碳含量特高，一般不允许进入洞内作业。柴油机工作 时排出的废气成分比较复杂，含有氮氧化台物、含氧碳氢亿舍物、低碳氧纯物、 滂烟等，僵獒中豹主要残分是一氧化骧、氧化氮、篷类零澶烟。本文主要涉及 对人体危害最大的一氧化碳的排放量，设每秒钟内燃机车工作散发的鸯害气体 量x ，数据参照是大瑶山隧道各型机车有密气体排放实测数据，如表2 1 。 ( 3 ) 爆破污染 蘧道溺漆花工瀑锻一羧为岩层潆酸，1 连妻乍药撩酸辩掰产生静炮烟基鹣楣 当于o 0 4 矗一氧化碳气体。假设爆破产生的炮烟瞬阀均匀分奄在工 乍囊空阈， 爆破后c o 的质量浓度为式2 2 。 一1 3 一 第二章高原高寒隧道施工通风系统 表2 1 大瑶山隧道各型机车有害气体排放实测资料表 乩= 必裂掣 p ：， 式中，圪1 k 炸药爆破时所产生的炮烟量折算成一氧化碳气体的体积，( 一 般取0 0 4 m 3 1 ： 聊。爆破1m 3 的岩石所需的炸药量，( 取1 2 1 5k g ) ； 4 隧道施工断面面积，6 2 5 7m 2 。 厶一次爆破掘进深度，( 取2 3m ) ； 三。开挖工作面的长度，( 取3 0 5 0m ) ： 儿爆破后c o 的质量浓度，m g m 3 。 2 2 隧道工作面污染物浓度的数学模型 为了分析工作面空气中有害物浓度与通风量的关系，假设： ( 1 ) 有害物在开挖工作面是均匀散发的； ( 2 ) 送风气流和工作面空气的混合在瞬阳j 完成。 ( 3 ) 通风风管沿程漏风忽略不计。 在体积为y ，的开挖工作空间内，有害物源以每秒钟x 的有害物量散发着， 通风系统启动前工作面空间内空气中有害物浓度为m ，采用通风稀释工作面空 气中的有害物，那么在任何一个微小的时问间隔办内，工作面得到的有害物量 ( 即有害物源散发的有害物量和送风空气带入的有害物量) 与工作面排出的有 害物量( 排出空气带走的有害物量) 之差应等于整个工作空间内增加( 或减少) 一1 4 第二章高原商寒隧道施：f ：通风系统 的有害甥量，即 a y = x d r + q y o d r q y d r( 2 3 ) 即 妥= ( x + q y o 一) ，吩 ( 2 拶) 式中，致隧遂开挖工 乍空游俸弦，m 3 ； x 有害物散发量( 毯括人员的呼吸和机械设备的污染) ，g s ： 卜全瑶逶鼹餐，m 3 s ； y 。送风空气中有害物浓度，g m 3 ； y 在菜一时刻开挖工作空f f i j 内空气中的有害物浓度，g m 3 ； d f 在某一段无限小的时间间隔，s ： d y 在靠f 时阂蠹开挖工作空闯浅有害物浓度懿增量，i t l 3 。 从此模型中可以总续出，在边界条 孛和实际愤提不变的条件下，毒害甥 浓度的变化只受风机的通风量的影响。因此通过传感器测得一氧化碳的浓度就 可以给定通风量的控制值。 2 。3最大暹风量的确定腓”8 隧道施工通风中的通风量应满足以下几个条件：保证作业人员越够的砰 啜空气； 蕈韭瑟有害气体豹浓度簿低到允诲浓度以下：绦迸巷遂蠢最低 矾速不低予0 。1 5 m s 。 ( 1 ) 按洞内同时工作的最多人数计算 q = q 聊 ( 2 - 4 ) 式中，每人每分钟呼吸所需空气量，一般情7 兕下q