长大隧道风机安装系统PCL与变频器结合控制技术研究

长大隧道风机安装系统PCL与变频器结合控制技术研究

张保军吴铁军赵峰

中交隧道工程局电务公司江苏南京210000

摘要：在我国，随着我国经济的发展和隧道交通量的迅速增加，隧道的数量和长度也在迅速的增长。长隧道纵向通风现场测试研究国内外均有过文献报道，如对隧道通风管道摩擦阻力系数进行的实际测定，对与通风和交通量相关的隧道中污染分布进行了测量，日本对隧道运营通风效果进行了足尺实验等。我国对珠江隧道进行过风速测定，对黄浦江隧道进行了透过率和有害气体浓度的测定，以及成渝高速公路上的中梁山隧道和缙云山隧道进行“公路长隧道纵向通风现场测试研究”，这些现场测试获得了许多宝贵的资料，为解决隧道的通风问题提供了重要的参考。单在长度超过4000米的隧道中进行通风应用技术测试研究，目前国内尚未展开。下面就对其进行阐述。

关键词：长大隧道；风机安装系统；变频器；PLC与变频器结合技术

1过江隧道通风系统发展现状

随着现代通风技术的发展，隧道长度越来越长，隧道通风的主要限制因素纵向+横向通风越来越广泛地运用于长大公路隧道通风当中。公路隧道通风设施的费用在长大隧道可达60%，对长大隧道内的设备安装成本、降低能源消耗、实现与一体化智能化控制及后期维护安全稳定的研究已成为各国从事隧道专业人员十分关注的研究课题和研究方向。通过对长大隧道风机安装系统PCL与变频器结合控制技术研究，合理地采用研究成果，保证隧道正常节能、安全、智能通风对现代隧道通风技术有着重要的意义。我国对隧道通风的研究比较晚，而且水平远远落后于国外,已经成为制约我国隧道建设发展的制约因素。

2长大隧道风机安装系统PLC与变频器结合控制技术研究的实现和意义

（1）、结合设计图纸，联合设备厂家提前做好技术交底，要做到设备符合设计要求，的同时，结合现场安装条件，适当调整设备尺寸，严格按照规范施工，做到“稳、平、正”三点，及运行稳定，风机震动值在安全系数范围之内；设备处于水平位置没有斜角，设备上下处于一条直线，不倾斜，便于通风顺畅减小阻碍；后期运行达到验收标准和运行要求；

设备设计生产安装流程图（一）

（2）、实现PLC与变频控制系统有效结合，达到变频调速的控制效果；风机安装系统PLC与变频调速的实现，其控制方式包括上位功能模块、PLC控制、电气控制元器件、变频器、风机、组合风阀、及温度传感器、震动传感器等；

变频控制系统示意图（二）

轴流风机的工作点就是就是风机的工作特性曲线和组合风阀的特性曲线共同决定的，根据运行的实际情况，如果调整排风量可采用阀门控制和变频调速控制两种方法实现现以隧道内车流量滞留为依据改变隧道内通风质量为例，根据组合风阀特性曲线来分析风机的实际工作点，如图三所示：用组合风阀控制减小流量时，要关小组合风阀，这时候风机内部压力从2上升到1，风压从H2上升到H3，通风流量从Q2减小到Q1，此时风机的工作点从N2转移到了N1点，因为组合风阀为机械控制方式如果增加调节方式不仅会增加投入成本，而且降低组合风阀的使用寿命（风力对组合风阀设备的冲击）和增发故障发生的可能性。

选择变频调速控制时，可以调整风机的转速，组合风阀可以机械式全部打开保持不变，风机内部特性曲线也不会改变。此时风机的工作特性全部取决于风机的转速，如果把速度降低风机特性曲线将有3到4，风机工作点将有N2转移到N1，风压从H3降低到了H1，流量从Q2降低到Q1。

通过这两种工作方式我们可以发现，用调整组合风阀开口大小的方式，不仅浪费风量而且还会增加设备投入成本和对设备造成损害，造成能源的浪费，根据风机风量、风压和功率的比例关系，通过变频调整转速N，可以使风机的流量Q、风压H和功率P都随之相应改变，关系式为：

关系式中N1、Q1、H1、P1分别代表风机条件改变后的转速、风量、风压、功率。可以得出，改变风机的转速，就可以改变风机对应的风量、风压以及所消耗功率，以满足隧道内通风的要求，公式（3）很明显可以看出风机消耗的功率消耗是按照三次方下降的，节能效果比较明显。

风机变频调速节能原理图（三）

本控制系统以传感器为感应元件，PLC识别并控制，变频器输出可变频率，从而实现风机自动运行等功能，而且城市公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度，所以在此基础上采取由监控中心触摸屏监视控制。与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点。PLC和变频器及各种传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员劳动强度。

3长大隧道风机安装系统PLC与变频器结合控制技术研究的节能分析

（1）、隧道内运行过程中，PLC与变频器结合与监控系统（车辆检测器、CO/VI、火灾报警按钮及消火栓报警按钮等）结合，对隧道内空气浓度、车流量多少以及发生火灾等事故达到启动标准即可启动，对不同情况，不同的运行方式，现以不同的车流量的运行效果进行分析如下图：

图（一）为隧道内车流在1-40辆，风机以20Hz频率运行的负载电流值；

图（二）为隧道内车流在41-80辆，风机以35Hz频率运行的负载电流值；

图（三）为隧道内车流在121-160辆，风机以50Hz频率运行的负载电流值；

通过此三种不同条件下启动情况时的电流值可以得出，PLC与变频器结合不仅实现智能化控制，而且能根据现场实际情况，调整转速达到节约能源的目的，以下为2016年1月份和2月份的耗电量（非雨季，暂时不考虑照明、给排水等设备的耗电量）

1月份风机调整到50Hz全速运行状态

从1月份和2月份用电量数据表可以得出：

节电率为：（1501802-1243760）/1501802=17.18%；

节电量/年：（1501802-1243760）*12KWh=3096504KWh；

节约电费/年:3096504*0.8289(南京市)=256.67万元；

由此可以得出：长大隧道风机安装系统PLC与变频器结合控制技术运用过程中，不仅增加了风机设备的稳定性，而且在节能效果上面得到显著的提高。

（2）长大隧道风机安装系统PLC与变频器结合控制技术运用之前，控制柜元器件如果采用直接启动方式，会造成元器件，电缆型号等设备电缆等增大，势必会造成设备采购和人工成本的增加，以江北风塔轴流风机安装为例对主要元器件进行分析：

主要设备材料市场价格表

如果采用变频启动安装费用为断路器型号为800A、电缆3*240和315KW变频器即可满足使用条件102000+72000+255000=429000元整（其他配件除外）；

如果直接启动安装费用断路器4000A、电缆1*500为：450000+108000=558000元整（其他配件除外）；

通过对比发现安装成本采用变频控制系统不仅降低了安装系统的设备采购成本，同时也降低了施工成本。

结束语：

隧道通风风机PLC与变频器结合控制技术的应用方面做了一些研究和实施工作，但是由于课题组学识有限、时间仓促等客观因素，本文的研究分析尚显得不足，因此有必要在以后的研究工作中继续努力完善。主要表现在：

（1）长大隧道通风风机PLC与变频器结合控制技术与监控系统实现一体化控制的稳定性；

（2）长大隧道通风风机PLC与变频器结合控制技术的运用效果需要更长时间的验证、研究和分析。

参考文献：

[1]赫崇俊、潘永沛.变频装置控制风机风量的节电效果1996。

[2]齐振邦，风机变频调速应用现状及节能原理[J].风机技术2000。

[3]GB50490-2009，城市轨道交通技术规范。