太阳集团通风降温系统
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厂房负压风机利德华福五沟煤矿扇风机电机高压变频的应用前馈式智
［关键词］：
一、现场工程情况
煤矿因生产的特殊性，矿井通风工程关系到矿山的安全生产，所以通风工程在煤炭生产中具有举足轻重的地位。其中主扇风机在煤矿生产中有着最重要的地位，随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。根据反风及开采后期运行状况来确定的主扇风机及拖动电动机的功率通常远大于煤矿长期开采所需的正常运行功率。五沟煤矿主扇风机采用500KW/6KV电动机传动，电机采用直接启动的方式。
目前采用高压电动机直接启动，存在以下几个问题：
●电能的严重浪费。煤矿的服务年限大多在60年以上，投产初期到井田稳定开采一般在10年左右，这就意味着有这10年的时间里，主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于工频运行的电动机转速不可调节，只能通过改变风机叶片的角度进行风量调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。
●启动困难，机械损伤严重。主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。
●自动化程度低。主扇风机依靠人工调节风机叶片调节风量和风压，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。
为了矿井的安全生产和降低生产成本，提升该煤矿的自动化水平，对主扇风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。
二、高压变频改造方案
1、主回路工程方案
考虑到现场设备实际运行的情况，煤矿主扇轴流风机变频工程采用一拖二手动旁路方式，采用一台变频器分别单独传动二台风机中的一台风机的电动机，正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台都在工频状态；
该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，不需要更换电机。
一拖二手动旁路工程
基本原理：它是由8个高压隔离开关QS1～QS8组成（见左图）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安装机械互锁装置；各隔离开关间有电气互锁。如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分闸，QS2、QS1和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，与M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时类似；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。
特点：
正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台都在工频状态。
同时工频运行时1#电机通过QS7、QS3 ，2#电机通过QS8、QS6切换完成反风功能，变频运行时通过变频设备内部设置即可完成电机转向的正反方向的转换完成反风功能。
2、控制工程方案
变频工程控制方式可以采用下述4种方式，现场用户可以根据实际情况采用相应的一种或几种控制方式。
A、闭环控制方式
变频工程可以根据现场要求在变频操作界面上设定需要的压力或流量值、或通过模拟给定形式给定需要的压力或流量值，变频设备根据设定值和现场压力或流量的反馈值自动闭环控制调节设备转速，使工程压力或流量值运行在要求的设定值。
B、本控开环控制方式
变频工程可以通过本控方式在变频设备控制柜监控界面手动设定负载设备需要运行的转速值，变频设备自动将负载设备传动到要求转速值。
C、总线控制方式
变频工程也可以通过RS485、Profibus/Device Net 与工厂控制工程通讯进行协调控制。
D、远控开环控制方式
变频调速工程可由现场DCS监控操作工程进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对负载设备电动机转速控制。
具体控制接口情况如下：
变频工程和现场DCS监控操作工程进行通讯连接，从现场DCS监控操作工程上发出变频器的启动、停机等信号。变频器反馈以下信号接入到现场监控操作工程上： (1)报警及故障信息：重故障报警、轻故障报警；(2)调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、故障状态、工程旁路状态；（3）电机电流、转速、电压等。
以下为变频器与现场DCS监控操作工程工程具体接口：
1）．变频器需要提供的开关量输出6：
(1) 变频器待机状态指示：表示变频器已待命，具备启动条件。
(2) 变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。
(3) 变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制。
(4) 变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。
(5) 变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。
(6)电机在工频旁路：表示风机电动机处于工频旁路状态。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC24V，1A。
2）．变频器需要提供的模拟量2路：
(1) 变频器输出转速
(2) 电机电流
变频器提供2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。
3）．需要提供给变频器的模拟量1路：
(1)变频器转速给定值
现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出，带载能力必须大于250Ω，4～20mADC对应转速低高限，须呈线性关系。
4）．需要提供给变频器的开关量有2路：
(1) 启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。
(2) 停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。
5、变频器与其他电气设备接口
1）．变频器给高压开关柜的有2路：
(1)高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效。
(2)高压合闸允许：变频器自检通过或工程处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为DC220V，3A。
2）．高压开关柜给变频器的状态信号1路：
(1)高压开关分闸信号：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；1个。
变频工程具有如下特点：
变频工程，既可以变频调速运行，也可以投工频运行；
为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，变频器可以通过内部配置UPS供电使控制工程继续运行达30分钟；现场如果采用交、直流220V双路供电时，变频装置能按照交流电源优先的原则进行交、直流无扰切换供电，保证供电可靠性。
在现场速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运转，维持机组的工况不变；
3、有关变频改造后风机效率情况说明
风机设备工频运行时，为保证生产工艺要求的压力及流量值，一般通过改变风门挡板的开度满足要求，相应的风道风阻曲线也会发生变化；故工频运行挡板调节方式是一种保持风机特性曲线及效率范围不变，改变风道风阻曲线来满足实际工艺需求的方式，由于风道风阻曲线的变化就有可能会出现风机运行在低效率区的情况。
主扇风机变频改造后，其各转速点的压力和流量曲线相对工频时的曲线是平行往下移动的，相应的各速度点的风机高效运行区也是跟着各转速点的压力和流量曲线移动的；变频改造后，在保持风道风阻曲线不变的情况下，通过调节风机转速达到满足工艺要求压力和流量的目的；故变频运行调节方式是一种保持风道风阻曲线不变，改变压力和流量曲线来满足实际工艺需求的方式，由于风机效率曲线是跟着各转速点的压力和流量曲线移动变化的，故变频改造后能保证风机一直运行在高效率区。
4、工程排热方案
高压变频器属于大型电子设备，对环境要求比较严格。统计多台设备的运行情况，由于现场环境温度过高而引起的设备故障比例较大，因此总结了三种方案为：1、加装风道；2、加装空调；3、加装空冷器。三种方案各有其适用的范围。
1、加装风道。常规的设计是在机柜上面安装风道，将变频器产生的热量直接排放到室外，由变频器室的进风口不断补充冷风，对工程进行冷却。在使用中需要注意的是如果变频器柜顶风机距出风口较近（小于2米，中间无转折），出风口可不加装辅助通风机，否则需加装通风机。如果进风口的现场施工存在不便，风道需有转折，则可以考虑加装风机强迫进风。
加装风道的优点是成本低，可靠性高，排热效果良好。适用于现场环境比较清洁的场合，否则就需要经常清洗滤网。
2、加装空调就是把高压变频调速工程放置于一个比较封闭且相对狭小的房间内（主要是可以减小空调的容量），但要满足工程维护的需要，然后在房间内安装空调，通过空调内部的循环将高压变频调速工程产生的热量排到室外。空调总体的制冷量为变频器的发热量加上空间制冷所需的制冷量。变频器发热需要根
摘要： 通过对前馈式通风控制3种方式的比选，简述了长大隧道采用前馈式智能通风控制的优点，建立了该工程的交通流基本参数和风压模型以及工程设计原则，通过工程实施隧道污染物 控制在设定值范围。
关键词： 隧道通风；智能控制；建模；工程实践
中图分类号：TP273+.5 文献标识码：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
隧道是个闭塞空间，汽车尾气排放的烟（尘）不易扩散，其浓度较开放空间在短时间内会快速积累，当污染物、烟（尘）量达到一定程度后，能见度就会下降，直接威胁行车安全。这种烟（尘）浓度累积同隧道长度、交通流量、气象、地形及地质条件等紧密相关。
南京市九华山隧道长2718m，为确保隧道外的新鲜空气进入，降低隧道内有害物质浓度，使空气环境达到卫生标准和满足能见度等方面要求，则建立一种先进、节能、高效的通风自动控制工程是关键。
1 现有技术比选
近年来发展较快的先进的风机控制技术是前馈（FF）控制。前馈控制通过预测未来的交通流，计算出以后一段时间内烟雾（VI）和一氧化碳的浓度信息（前馈信号），结合传感器测得的当前烟雾，CO浓度信息（反馈信号），共同完成对风机的控制。前馈控制法具有克服时滞效应和节能等优点。前馈控制法可分为前馈式模糊控制工程、神经网络结构在线控制工程和前馈式智能控制工程。
1.1 前馈式模糊控制工程
工程主要包括交通流预测模型、污染物扩散模型、模糊控制器（FLC）、检测元件、执行元件及控制对象。工程缺点是模型的前馈信号不是精确信息，模型本身精度不够。它是由交通流预测模型、空气动力学模型和污染物扩散模型确定的，而这些模型计算较复杂，不便于使用。
1.2 神经网络结构在线控制工程
通过采用前馈-反馈复合控制方法，构建神经网络在线控制工程，该工程包括神经网络在线控制器、CO浓度传感器、车流量检测器及控制风机开启的执行器等。利用神经网络自学习、自适应的特性，通过在线学习，及时对外界条件的变化及控制效果作出反应，优化网络结构，保证控制模型处于符合当前控制条件的最佳状态。
神经网络控制需要大量正确的样本便于学习，而在实际运行中难以产生正确的样本，这使得神经网络控制效率不尽人意。
1.3 前馈式智能控制工程
将模糊逻辑引入前馈控制法中，以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，避开了复杂数学模型的建立；而神经网络适宜于客观过程规律的提炼，可以学习车流量，车速，风机开启数量与污染物扩散等关系，能较快速、准确地获得正确样本。将模糊逻辑与神经网络两者的优点结合起来，可以形成更为简便有效的控制工程---前馈式智能控制工程。
前馈式智能控制工程由6个部分组成：交通流预测模型、污染物扩散模型、FLC、检测元件、执行元件和控制对象，见图1。
图１ 前馈式智能控制工程
根据车辆检测计测得的交通流数据，当前运行的风机台数，污染物的当前参数，利用神经网络模型预测下一个控制周期污染物浓度的增量。然后，由污染物的反馈量、预测增量和控制目标量确定FLC的控制偏差e，经过模糊推理，得到风机的变化量。结合风机当前的运行状况，确定风机开启（关闭）的台数和位置，从而得到新的污染物动态，再进入下一个控制周期。
九华山隧道风机控制采取前馈式智能控制工程。
2 前馈式智能控制工程建模
通风控制工程中涉及到CO浓度、VI量、交通量（Q）、行车速度（V）、车流组成、隧道内风速情况及射流风机开启台数（Njf）多个变量。但交通量（Q）、行车速度（V）、车流组成属于交通流基本参数，而CO浓度、VI量大小又直接取决于隧道内交通流。
2.1 交通流参数的计算
交通流的基本参数有交通量、行车速度和车流密度。
某方向某断面r个车道折算交通量之和为
（其中常数 1 ， 2 ， 3 为车辆折算系数）
根据交通量Q、行车速度V、车流密度K三者之间的关系，则某断面、某车道的密度为
判断隧道的交通流状况（NS为服务水平，K为行车密度）：
若NS≤0.54且K≤23则为自由流（绿色）；
若0.54＜NS≤0.93则为饱和流（黄色）；
若NS＞0.93且K＞23则为阻塞流（红色）。
根据交通状况（自由流、饱和流、阻塞流）的变化在事件检测中的影响，利用事件发生后相邻两检测断面间车流波动所导致的交通流参数的异常变化，来判断交通事件的发生，在交通事件处理完毕后，本工程可自动恢复至正常状态。
突发交通状态检测判断模型与算法：
对应于交通流变量（V0，Q0，K0），V0是指最大流量时的速度，Q0是指最大流量，K0是指临界占有率。流量公式为Q1＝Q0－1.5（K-K0）2/3 。
以此作为最小非拥挤流量。当K＜K0时，如果流量低于Q1时，认为交通运行状态处于拥挤状态，当Q＞Q1时，该交通状态居于非拥挤状态。
2.2 通风量及机组台数计算
CO浓度由低到高、透过率检测值由好到坏分为几个级别，投入的风机数量和运转时间在隧道正常营运时间由此确定。计算原理如下。
2.2.１ 隧道内需要的新鲜风量
根据我国《公路隧道设计规范》及世界银行专家建议的公式进行计算。
（1）按稀释CO计算新鲜风量(m3/h)
汽车行驶时产生的CO量与汽车的行驶速度、汽车行驶路段所在的海平面高度及路段的纵坡等有关。隧道内需要的新鲜风量，根据稀释隧道内空气中CO浓度达到允许浓度来确定，根据《公路隧道设计规范》提供的公式进行计算：
Qco＝K·fv·fi·fh·q co·N·G·L×106/δco
（2）按稀释烟尘计算新鲜风量 (m3/h)
柴油车在隧道内行驶时产生的烟尘量与行驶速度、柴油车密度、路段所在的海平面高度、路段的纵坡等有关。隧道内需要的稀释烟尘的新鲜风量系与洞内烟尘允许浓度有关，根据《公路隧道设计规范》提供的公式进行计算：
QF =K·fL·fi·qt·G·D·L/k
（3）按稀释NOx计算新鲜风量(m3/h)
汽车行驶时产生的NOx与车型、车速、道路坡度等有关，采用以下公式计算：
QZNOx=qNOx·(Ml+kt·Mt)·KS·L×106/CNOx
根据以上3种稀释有害气体所需的新鲜风量，取其中最大者为控制设计新鲜风量(Qs)。
2.2.2 风机组数及台数计算
在隧道内设置射流风机进行纵向通风，在同一横截面上风机台数（即一组风机的台数）应由风机尺寸、隧道内轮廓尺寸、风机重量及通风量等来确定。
根据隧道通风所需要的全风压以及单组风机所产生的风压，即可进行隧道风机组数的计算：
风机组数＝(1.1～1.2)H/pj
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