鋒速達通風降溫系統
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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用前饋式智
［關鍵詞］：
一、現場工程情況
煤礦因生產的特殊性，礦井通風工程關系到礦山的安全生產，所以通風工程在煤炭生產中具有舉足輕重的地位。其中主扇風機在煤礦生產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。煤礦的服務年限大多在60年以上，投產初期到井田穩定開采一般在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速不可調節，只能通過改變風機葉片的角度進行風量調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。
●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生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，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節風機葉片調節風量和風壓，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。
為了礦井的安全生產和降低生產成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風機進行變頻調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
考慮到現場設備實際運行的情況，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，另一負載工作在工頻狀態，也可以兩臺都在工頻狀態；
該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、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；各隔離開關間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態，M2工作在工頻狀態時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態；M2工作在變頻狀態，M1工作在工頻狀態時，與M1工作在變頻狀態，M2工作在工頻狀態時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態，其它隔離開關都分閘，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，另一負載工作在工頻狀態，也可以兩臺都在工頻狀態。
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備內部設置即可完成電機轉向的正反方向的轉換完成反風功能。
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，現場用戶可以根據實際情況采用相應的一種或幾種控制方式。
A、閉環控制方式
變頻工程可以根據現場要求在變頻操作界面上設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，變頻設備根據設定值和現場壓力或流量的反饋值自動閉環控制調節設備轉速，使工程壓力或流量值運行在要求的設定值。
B、本控開環控制方式
變頻工程可以通過本控方式在變頻設備控制柜監控界面手動設定負載設備需要運行的轉速值，變頻設備自動將負載設備傳動到要求轉速值。
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調控制。
D、遠控開環控制方式
變頻調速工程可由現場DCS監控操作工程進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對負載設備電動機轉速控制。
具體控制接口情況如下：
變頻工程和現場DCS監控操作工程進行通訊連接，從現場DCS監控操作工程上發出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現場監控操作工程上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調速裝置的狀態信息：待機狀態、正常運行狀態、故障狀態、工程旁路狀態；（3）電機電流、轉速、電壓等。
以下為變頻器與現場DCS監控操作工程工程具體接口：
1）．變頻器需要提供的開關量輸出6：
(1) 變頻器待機狀態指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態指示：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；節點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。
(6)電機在工頻旁路：表示風機電動機處于工頻旁路狀態。
以上所有數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)變頻器轉速給定值
現場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線性關系。
4）．需要提供給變頻器的開關量有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備接口
1）．變頻器給高壓開關柜的有2路：
(1)高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷高壓開關，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，具備上高壓條件，閉點有效。
以上所有數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）．高壓開關柜給變頻器的狀態信號1路：
(1)高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；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，變頻器可以通過內部配置UPS供電使控制工程繼續運行達30分鐘；現場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優先的原則進行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。
在現場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運轉，維持機組的工況不變；
3、有關變頻改造后風機效率情況說明
風機設備工頻運行時，為保證生產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，相應的風道風阻曲線也會發生變化；故工頻運行擋板調節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風機運行在低效率區的情況。
主扇風機變頻改造后，其各轉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，相應的各速度點的風機高效運行區也是跟著各轉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，通過調節風機轉速達到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調節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。
4、工程排熱方案
高壓變頻器屬于大型電子設備，對環境要求比較嚴格。統計多臺設備的運行情況，由于現場環境溫度過高而引起的設備故障比例較大，因此總結了三種方案為：1、加裝風道；2、加裝空調；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。
1、加裝風道。常規的設計是在機柜上面安裝風道，將變頻器產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。如果進風口的現場施工存在不便，風道需有轉折，則可以考慮加裝風機強迫進風。
加裝風道的優點是成本低，可靠性高，排熱效果良好。適用于現場環境比較清潔的場合，否則就需要經常清洗濾網。
2、加裝空調就是把高壓變頻調速工程放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內（主要是可以減小空調的容量），但要滿足工程維護的需要，然后在房間內安裝空調，通過空調內部的循環將高壓變頻調速工程產生的熱量排到室外�？照{總體的制冷量為變頻器的發熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發熱需要根
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點，建立了該工程的交通流基本參數和風壓模型以及工程設計原則，通過工程實施隧道污染物 控制在設定值范圍。
關鍵詞： 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、地形及地質條件等緊密相關。
南京市九華山隧道長2718m，為確保隧道外的新鮮空氣進入，降低隧道內有害物質濃度，使空氣環境達到衛生標準和滿足能見度等方面要求，則建立一種先進、節能、高效的通風自動控制工程是關鍵。
1 現有技術比選
近年來發展較快的先進的風機控制技術是前饋（FF）控制。前饋控制通過預測未來的交通流，計算出以后一段時間內煙霧（VI）和一氧化碳的濃度信息（前饋信號），結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和節能等優點。前饋控制法可分為前饋式模糊控制工程、神經網絡結構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測模型、污染物擴散模型、模糊控制器（FLC）、檢測元件、執行元件及控制對象。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雜，不便于使用。
1.2 神經網絡結構在線控制工程
通過采用前饋-反饋復合控制方法，構建神經網絡在線控制工程，該工程包括神經網絡在線控制器、CO濃度傳感器、車流量檢測器及控制風機開啟的執行器等。利用神經網絡自學習、自適應的特性，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，優化網絡結構，保證控制模型處于符合當前控制條件的最佳狀態。
神經網絡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生正確的樣本，這使得神經網絡控制效率不盡人意。
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學工具，避開了復雜數學模型的建立；而神經網絡適宜于客觀過程規律的提煉，可以學習車流量，車速，風機開啟數量與污染物擴散等關系，能較快速、準確地獲得正確樣本。將模糊邏輯與神經網絡兩者的優點結合起來，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：交通流預測模型、污染物擴散模型、FLC、檢測元件、執行元件和控制對象，見圖1。
圖１ 前饋式智能控制工程
根據車輛檢測計測得的交通流數據，當前運行的風機臺數，污染物的當前參數，利用神經網絡模型預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、預測增量和控制目標量確定FLC的控制偏差e，經過模糊推理，得到風機的變化量。結合風機當前的運行狀況，確定風機開啟（關閉）的臺數和位置，從而得到新的污染物動態，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、隧道內風速情況及射流風機開啟臺數（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，而CO濃度、VI量大小又直接取決于隧道內交通流。
2.1 交通流參數的計算
交通流的基本參數有交通量、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� 1 ， 2 ， 3 為車輛折算系數）
根據交通量Q、行車速度V、車流密度K三者之間的關系，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，利用事件發生后相鄰兩檢測斷面間車流波動所導致的交通流參數的異常變化，來判斷交通事件的發生，在交通事件處理完畢后，本工程可自動恢復至正常狀態。
突發交通狀態檢測判斷模型與算法：
對應于交通流變量（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，認為交通運行狀態處于擁擠狀態，當Q＞Q1時，該交通狀態居于非擁擠狀態。
2.2 通風量及機組臺數計算
CO濃度由低到高、透過率檢測值由好到壞分為幾個級別，投入的風機數量和運轉時間在隧道正常營運時間由此確定。計算原理如下。
2.2.１ 隧道內需要的新鮮風量
根據我國《公路隧道設計規范》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。隧道內需要的新鮮風量，根據稀釋隧道內空氣中CO濃度達到允許濃度來確定，根據《公路隧道設計規范》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)
柴油車在隧道內行駛時產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。隧道內需要的稀釋煙塵的新鮮風量系與洞內煙塵允許濃度有關，根據《公路隧道設計規范》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)
汽車行駛時產生的NOx與車型、車速、道路坡度等有關，采用以下公式計算：
QZNOx=qNOx·(Ml+kt·Mt)·KS·L×106/CNOx
根據以上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計新鮮風量(Qs)。
2.2.2 風機組數及臺數計算
在隧道內設置射流風機進行縱向通風，在同一橫截面上風機臺數（即一組風機的臺數）應由風機尺寸、隧道內輪廓尺寸、風機重量及通風量等來確定。
根據隧道通風所需要的全風壓以及單組風機所產生的風壓，即可進行隧道風機組數的計算：
風機組數＝(1.1～1.2)H/pj
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