一种隧道无人值守烟气洗消系统及监测方法与流程

1.本发明属于隧道监测领域，具体是一种隧道无人值守烟气洗消系统及监测方法。


背景技术：

2.火灾中人员致死主要因素是有毒烟气与高温热气。目前国内外狭长空间火灾烟气防控技术主要采用固定式机械排烟技术，喷射大量水或者水雾等来达到降温降烟的效果。此类技术存在不足：烟气温度达到一定时无法排烟；会破坏火场烟气层，降低火场能见度等。
3.已建隧道只有排烟系统，无洗消系统，针对较长隧道无法进行就地洗消系统和远传监测。针对狭长空间和地下空间，如狭长隧道、地下扁平车库等发生火灾的场景，如何评估火灾发生及烟气扩散蔓延态势、同时与现有消防探测设施、排烟设施、喷淋设施联动，根据火灾态势自动评估结果和外部消防探测信息来进行自动洗消控制，是值得研究的。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出一种隧道无人值守烟气洗消系统及监测方法，与消防排烟系统和喷淋系统对比，此系统可以处理高于280℃的烟气，可以防止破坏烟气层结构，最终可以实现降低烟气层高度、提高能见度、降低空间温度及有毒物质含量。
5.本发明的技术方案具体如下：
6.一种隧道无人值守烟气洗消系统，包括plc控制器、co/hc过滤器、颗粒物过滤器、离心风机和喷淋冷却器；
7.烟气进口与co/hc过滤器连接，co/hc过滤器与颗粒物过滤器连接、颗粒物过滤器与离心风机连接、离心风机与喷淋冷却器连接，喷淋冷却器与排气出口连接；
8.plc控制器通过采集进出气温度、出气压差、co过滤装置进气温度，对喷淋冷却器的水泵、颗粒物过滤器、离心风机进行控制；
9.plc控制器接收到外部火灾报警信息后，红外图像采集器对顶棚远处进行红外热成像采集，通过图像分析计算，从而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，根据采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。
10.进一步地，所述隧道无人值守烟气洗消系统设于隧道顶棚。
11.进一步地，图像分析计算流程如下：
12.(1)接收到外部火灾报警信息后拍摄第一张顶棚烟气红外图像；
13.(2)对第一张顶棚烟气红外图像进行灰度处理，获取平均灰度值a1；
14.(3)此后每隔一定时间拍摄一次顶棚烟气红外图像，第n张的顶棚烟气红外图像的均灰度值为an；
15.(4)根据每张顶棚烟气红外图像确定取景范围内的最大温度值th，若th＞50℃，在灰度图取景范围内的最上方中点取烟气参考灰度ar；
16.(5)计算第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度，计算式如下：
17.ths＝l*(an-a1)/(ar-a1)；
18.其中，ths为第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度，l为取景范围总高度，即得到装置周围的烟气层厚度分布。
19.进一步地，烟气蔓延过程仿真是采用流函数-涡量法求解计算区域内的烟气蔓延过程速的非稳态度场和温度场。
20.进一步地，烟气洗消策略如下：
21.烟气体积分数大于40％的时刻，设定开启烟气洗消时刻为该时刻，计算得到烟气体积分数小于40％的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻，在喷淋冷却器工作时，烟气洗消系统停止工作；
22.根据进出气压差对颗粒物过滤器进行plc控制：当前后压差超过300pa后启动颗粒物过滤器，低于300pa后停止颗粒物过滤器；
23.根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制：当进出口温差小于5k时关闭水泵，大于5k时开启水泵；
24.将co/hc过滤器内部气体温度控制在200℃的最佳工作温度；
25.当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时降低进气流量，当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时提高进气流量。
26.本发明还涉及的一种隧道无人值守监测方法，适用于上述的系统，包括：
27.接收到外部火灾报警信息后，对顶棚远处进行红外热成像采集，通过图像分析计算，从而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，根据采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。
28.进一步地，烟气体积分数大于40％的时刻，设定开启烟气洗消时刻为该时刻，计算得到烟气体积分数小于40％的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻，在喷淋冷却器工作时，烟气洗消装置停止工作；
29.根据进出气压差对颗粒物过滤器进行plc控制：当前后压差超过300pa后启动反吹系统，低于300pa后停止颗粒物过滤器；
30.根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制：当进出口温差小于5k时关闭水泵，大于5k时开启水泵；
31.将co/hc过滤器内部气体温度控制在200℃的最佳工作温度；
32.当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时降低进气流量，当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时提高进气流量。
33.本发明针对狭长空间和地下空间，如狭长隧道、地下扁平车库等发生火灾的场景，可自动评估火灾发生及烟气扩散蔓延态势、同时与现有消防探测设施、排烟设施、喷淋设施联动，主动吸入顶棚烟气在内部进行洗消(颗粒物过滤、co/hc过滤、降温)并水平排出，同时可以进行相应的洗消控制，可根据火灾态势自动评估结果和外部消防探测信息来进行自动洗消控制。最终可以实现降低烟气层高度、提高能见度、降低空间温度及有毒物质含量。
附图说明
34.图1为本发明实施例的装置的结构示意图；
35.图2为本发明实施例的plc控制器输入和输出信息的示意图；
36.图3为本发明实施例的方法的流程图；
37.图4为本发明实施例方法的仿真结果。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.除非另外定义，本技术实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
40.如图1所示，本实施例的隧道无人值守烟气洗消系统，包括plc控制器，co/hc过滤器1、颗粒物过滤器2、离心风机3、喷淋冷却器4。该隧道无人值守烟气洗消系统设于隧道顶棚。上述组成的装置采用通用的或标准设备，连接件均采用标准连接件。
41.其中，烟气进口与co/hc过滤器1连接，烟气进口包括漏斗状吸入口6和连接管道7，连接管道7与co/hc过滤器1连接，co/hc过滤器1与颗粒物过滤器2连接、颗粒物过滤器2与离心风机3连接、离心风机3与喷淋冷却器4连接，喷淋冷却器4与排气出口5连接。通过喷淋冷却器4进行降温和排污。
42.本实施例的系统可进行需要外接供电、供水、排污。例如：对颗粒物过滤器2、离心风机3进行供电，对喷淋冷却器4进行供水和排污。
43.如图2所示，本实施例的隧道无人值守烟气洗消系统还包括与plc控制器连接的若干温度传感器和气体压力检测装置，其中，进出气温度连接管道7的管道内放置进口温度传感器，排气出口5的排气口处布置出口温度传感器，plc控制器通过采集进口温度传感器和出口温度传感器信息，根据处理结果对喷淋冷却器4的供水水泵进行控制。
44.进出气温度连接管道7的管道内放置进口压力传感器，排气出口5的排气口处布置出口压力传感器，plc控制器还通过采集出气压差根据处理结果对颗粒物过滤器2进行控制，plc控制器还采集co/hc过滤器1进气温度，进口温度传感器设于连接管道7的管道内，根据处理结果对离心风机进行控制。
45.如图3所示，本实施例的隧道无人值守烟气洗消系统还包括与plc控制器连接的红外图像采集器，plc控制器接收到外部火灾报警信息后，红外图像采集器自动对顶棚远处进
行红外热成像采集，通过图像分析计算，从而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，plc控制器采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。
46.红外图像采集器可以是红外热成像传感器，温度传感器可以是铂电阻温度传感器、plc控制器中设有dsp处理芯片，内部嵌入烟气蔓延过程简化仿真算法。
47.本实施例中，图像分析计算流程如下：
48.(1)接收到外部火灾报警信息后拍摄第一张顶棚烟气红外图像。
49.(2)对第一张顶棚烟气红外图像进行灰度处理，获取平均灰度值a1。
50.(3)此后每隔5秒拍摄一次顶棚烟气红外图像，第n张的顶棚烟气红外图像的均灰度值为an。
51.(4)根据每张顶棚烟气红外图像确定取景范围内的最大温度值th，若th＞50℃，在灰度图取景范围内的最上方中点(顶棚区域)取烟气参考灰度ar。
52.(5)计算第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度。计算式如下：
53.ths＝l*(an-a1)/(ar-a1)
54.其中，ths为第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度，l为取景范围总高度。即得到装置周围的烟气层厚度分布。
55.然后输入至dsp处理芯片进行烟气蔓延过程仿真、自动规划装置烟气洗消策略，此策略可确保装置在有充分烟气进入后开启洗消，防止排气破坏烟气层结构。同时可提高和现有排烟及喷淋系统协同工作效率，并将策略形成烟气洗消控制信号进行洗消控制。
56.本实施例中，烟气蔓延过程仿真是采用流函数-涡量法求解计算区域内的烟气蔓延过程速的非稳态度场和温度场：
57.(1)首先进行二维尺寸、速度、涡量、流函数的无量纲化：
58.x＝x/l；y＝y/l；u＝u/u
t
；v＝v/v
t
；
59.其中，x、y为无量纲二维尺寸，l为特征尺寸。u、v为二维无量纲速度，ut为特征速度，v
t
是特征流速。x、y是有量纲的计算区域二维尺寸，u、v分别x方向上的流速和y方向上的流速。
60.ω＝w/w0；
61.ω为涡量，φ为流函数。w0为特征涡量，为特征流函数。
62.(2)计算方程
[0063][0064]
令
[0065]
涡量方程：
[0066]
流函数方程：
[0067]
(3)计算方程离散：
[0068]ap
ω
p
＝awωw+aeωe+asωs+anωn；
[0069]ap
＝4；
[0070][0071][0072][0073][0074]
(4)设定边界条件：
[0075]
流函数：固体壁面＝0；
[0076]
涡量：喷口出口按均匀速度计算；
[0077]
壁面thom公式：
[0078]
角点的涡量按两个相邻点的平均值计算。
[0079]
(5)速度场和温度场耦合计算方程无量纲化：
[0080]
bd：u
i*
＝1，u
i*
＝0
[0081]
bd：t
a*
＝1，t
a*
＝0；t
a*
为无量纲过余温度；
[0082]
重力场作用下的涡量方程：
[0083]
非稳态：
[0084][0085][0086][0087][0088]
流函数方程：
[0089]
最终，仿真结果如图4所示，图4是顶棚烟气射流扩散图，从图4中可以看出计算区域的顶棚烟气射流路径和烟气浓度分布。
[0090]
根据仿真计算结果可输出进烟口处烟气浓度随时间变化规律，计算得到烟气体积分数大于40％的时刻，此时设定开启烟气洗消时刻为该时刻。计算得到烟气体积分数小于40％的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻。在喷淋系统工作时，烟气洗消装置停止工作。
[0091]
此策略可确保装置在有充分烟气进入后开启洗消，防止排气破坏烟气层结构。同时可提高和现有排烟及喷淋系统协同工作效率。
[0092]
本实施例中，根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制(确保有烟气进入时开启洗消、同时减少排污量)。
[0093]
根据进出气压差对颗粒物过滤器2进行plc控制：当前后压差超过300pa后启动颗粒物过滤器2，低于300pa后停止颗粒物过滤器2。
[0094]
根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制：当进出口温差(进气温度-出气温度)小于5k时关闭水泵，大于5k时开启水泵。
[0095]
根据co/hc过滤器1进气温度对进气流量进行plc控制确保co/hc过滤器1在最佳工作温度点，co过滤效率最高。
[0096]
根据co/hc过滤器1进气温度对进气流量进行plc控制：将co/hc过滤器1内部气体温度控制在200℃的最佳工作温度。当co/hc过滤器1内部气体温度高于230℃时降低进气流量，当co/hc过滤器1内部气体温度高于230℃时提高进气流量。
[0097]
系统传递函数为：
[0098][0099]
f(s)为归一化进气流量，t(s)为归一化co过滤装置内部气体温度。s代表由时域信号转换得到的复域信号。
[0100]
作为具体应用：
[0101]
本实施例涉及的隧道中，车长5米(1500℃，某一着火点0.5米)，模拟车顶以上空间，对于地下车库场景：高度1.5米。长度10米。不考虑汽车宽度方向物理量变化。环境初温25，上下壁面均为定温，左右壁面为自由出流，25度。
[0102]
上述具体应用的其中一种计算过程示例如下：
[0103]
输入火场物理参数：
[0104]
空气密度den＝1.293；
[0105]
空气动力粘度vis＝14.8e-6；
[0106]
空气热扩散系数ais＝0.00002194；
[0107]
yis＝0.00002194；烟气浓度扩散系数；
[0108]
ge＝1；尺寸系数；
[0109]
h＝ge*1.5；火场高度；
[0110]
h＝0.5；l＝0.6；
[0111]
l＝ge*10；火场长度特征尺寸；
[0112]
df＝ge*1；火源长度；
[0113]
upk＝1.5；喷口流速特征速度；
[0114]
w0＝upk/l；特征涡量；
[0115]
f0＝upk*l；特征速度势；
[0116]
p0＝2*den*upk^2；特征压力；
[0117]
tg＝1500；驻室地面平均温度特征温度摄氏度；
[0118]
tp＝25；喷口温度；
[0119]
re＝upk*l/vis；
[0120]
rr＝upk*l/ais；
[0121]
fr＝(upk^2/(tg*0.00224*9.8*l))^0.5；
[0122]
定义计算节点和变量：
[0123]
nx＝500；横向节点个数；
[0124]
ny＝50；纵向节点个数；
[0125]
dx＝1/nx；dy＝(h/l)/ny；dt＝0.1；
[0126]
o＝zeros(nx，ny)；无量纲涡量；
[0127]
f＝zeros(nx，ny)；无量纲流函数；
[0128]
t＝zeros(nx，ny)；无量纲过余温度(t-t0)/(tg-t0)t0设为0摄氏度；t(:，:)＝tp/tg；
[0129]
o00＝o；o0＝o；
[0130]
f00＝f；f0＝f；
[0131]
t00＝t；t0＝t；
[0132]
tb＝0；
[0133]
sc＝1-10e-2；
[0134]
sct＝0；松弛因子；
[0135]
ce＝cell(800)；速度场绝对值；
[0136]
cet＝cell(800)；温度；
[0137]
cef＝cell(800)；流函数；
[0138]
ceo＝cell(800)；涡量；
[0139]
开始进行时序计算：
[0140]
for n＝1:10000
[0141]
tb＝tb+dt*l/upk；
[0142]
toleranceo＝zeros(nx,ny)
[0143]
tolerancef＝zeros(nx,ny)；eo＝zeros(nx,ny)；ef＝zeros(nx,ny)；
[0144]
toleranceo(:，:)＝1；tolerancef(:，:)＝1；o＝0；
[0145]
存储上一迭代值
[0146]
tb＝t；ob＝o；fb＝f；
[0147]
开始进行迭代计算，求解火场的流场及温度分布：
[0148]
[0149][0150]
[0151]
流函数方程用来确认烟雾流边界
[0152]
[0153]
[0154]
[0155][0156]
输出火场计算结果，包括流速、温度分布、烟气浓度分布的动态计算结果：
[0157][0158]
以上仿真程序可以实现计算整个火场的烟气浓度分布的空间分布动态变化，根据仿真计算结果可输出进烟口处烟气浓度随时间变化规律，计算得到烟气体积分数大于40％
的时刻，此时设定开启烟气洗消时刻为该时刻。计算得到烟气体积分数小于40％的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻。在喷淋系统工作时，烟气洗消装置停止工作。
[0159]
可以实现降低烟气层高度、提高能见度、降低空间温度及有毒物质含量。
[0160]
可以处理高于280℃的烟气，可以防止破坏烟气层结构。
[0161]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种隧道无人值守烟气洗消系统，其特征在于：包括plc控制器、co/hc过滤器、颗粒物过滤器、离心风机和喷淋冷却器；烟气进口与co/hc过滤器连接，co/hc过滤器与颗粒物过滤器连接、颗粒物过滤器与离心风机连接、离心风机与喷淋冷却器连接，喷淋冷却器与排气出口连接；plc控制器通过采集进出气温度、出气压差、co过滤装置进气温度，对喷淋冷却器的水泵、颗粒物过滤器、离心风机进行控制；plc控制器接收到外部火灾报警信息后，红外图像采集器对顶棚远处进行红外热成像采集，通过图像分析计算，从而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，根据采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述隧道无人值守烟气洗消系统设于隧道顶棚。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：图像分析计算流程如下：（1）接收到外部火灾报警信息后拍摄第一张顶棚烟气红外图像；（2）对第一张顶棚烟气红外图像进行灰度处理，获取平均灰度值a1；（3）此后每隔一定时间拍摄一次顶棚烟气红外图像，第n张的顶棚烟气红外图像的均灰度值为an；（4）根据每张顶棚烟气红外图像确定取景范围内的最大温度值th，若th＞50℃，在灰度图取景范围内的最上方中点取烟气参考灰度ar；（5）计算第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度，计算式如下：ths=l*(an-a1)/(ar-a1)；其中，ths为第n张顶棚烟气红外图像拍摄时的顶棚烟气厚度，l为取景范围总高度，即得到装置周围的烟气层厚度分布。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：烟气蔓延过程仿真是采用流函数-涡量法求解计算区域内的烟气蔓延过程速的非稳态度场和温度场。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：烟气洗消策略如下：烟气体积分数大于40%的时刻，设定开启烟气洗消时刻为该时刻，计算得到烟气体积分数小于40%的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻，在喷淋冷却器工作时，烟气洗消系统停止工作；根据进出气压差对颗粒物过滤器进行plc控制：当前后压差超过300pa后启动颗粒物过滤器，低于300pa后停止颗粒物过滤器；根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制：当进出口温差小于5k时关闭水泵，大于5k时开启水泵；将co/hc过滤器内部气体温度控制在200℃的最佳工作温度；当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时降低进气流量，当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时提高进气流量。6.一种隧道无人值守监测方法，其特征在于：适用于权利要求1-6任一项所述的系统，包括：接收到外部火灾报警信息后，对顶棚远处进行红外热成像采集，通过图像分析计算，从
而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，根据采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：烟气体积分数大于40%的时刻，设定开启烟气洗消时刻为该时刻，计算得到烟气体积分数小于40%的时刻，此时设定停止烟气洗消时刻为该时刻，在喷淋冷却器工作时，烟气洗消装置停止工作；根据进出气压差对颗粒物过滤器进行plc控制：当前后压差超过300pa后启动反吹系统，低于300pa后停止颗粒物过滤器；根据进出气温度对给水量和泵功率进行plc控制：当进出口温差小于5k时关闭水泵，大于5k时开启水泵；将co/hc过滤器内部气体温度控制在200℃的最佳工作温度；当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时降低进气流量，当co/hc过滤器内部气体温度高于230℃时提高进气流量。

技术总结
本发明涉及一种隧道无人值守烟气洗消系统及监测方法，该系统包括PLC控制器，PLC控制器接收到外部火灾报警信息后，红外图像采集器对顶棚远处进行红外热成像采集，通过图像分析计算，从而判断装置周围的烟气层厚度分布，然后进行烟气蔓延过程仿真，预估开启洗消时间，根据采集温度传感器的信息和预估的开启洗消时间，自动规划烟气洗消策略，进而进行火灾及烟气蔓延态势自动评估。本发明可以处理高于280℃的烟气，可以防止破坏烟气层结构，最终可以实现降低烟气层高度、提高能见度、降低空间温度及有毒物质含量。温度及有毒物质含量。温度及有毒物质含量。


技术研发人员：李浩 陈志涛 陆艳铭 李朋 韩凯旋 李孜 殷志峰
受保护的技术使用者：云南省交通规划设计研究院有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/25