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远程无线控制LED光源在普通公路隧道应用中的探索与实践

发布时间:2012-08-29 来源:湖北省交通厅造价站 阅读次数:

  沈 波  恩施州公路局    邮 编445000

  刘 颖  湖北省公路管理局  邮 编430030

  摘要:本文介绍了远程无线控制LED光源的技术特性和工作原理,在普通公路隧道照明领域的安装、控制方法,成功应用的案例及效果。

  关键词:动态控制按需照明节约节能

  一、项目背景

  随着公路建设跨越式大发展,普通公路隧道的数量增长迅猛。以湖北省西南山区的恩施自治州为例,近10年来公路隧道从无到有,目前已投入运营的普通隧道总计12座共11千米,已批复待建隧道11座共10.3千米。而隧道规模的不断增大,其照明系统在建设期的高投入和运行过程中的高能耗问题已经成为我省乃至整个公路行业亟待解决的问题。

  由于普通公路隧道在建成初期交通量小,而国内隧道照明是按照隧道设计年限的最大预测交通量和洞外最大亮度进行设计,如采用传统的大功率高压钠灯,难以实现按需照明的照度动态调节功能。这就势必使隧道照明系统在近期、甚至中期交通量较小时,照明水平远高于安全行车所需要的亮度指标,造成较大的电量浪费。为了节省电费,有的隧道管理单位采取少开灯或不开灯,形成隧道出入洞口照度不足、隧道内明暗交替,均匀度严重不达标,致使安全事故时有发生。

  另一方面,普通公路隧道昼夜交通量悬殊。深夜至次日凌晨交通量极小甚至无车通行,但照明系统仍在工作状态,造成大量的“无效照明”,又浪费电能。

  经检索,目前第四代节能光源LED已在我国交通工程领域推广,由于LED灯具备优良的光效(同等功率照度为高压钠灯的一倍,这意味着同样的照度可以降低一半的电能消耗)、经济的配线方案(传统设计方案电缆至少四—-六个照明配电回路设计,而采用分级调光方案的LED照明系统可节约四分之三的电缆)、合理的动态调光措施(LED工作电流在额定范围内可大可小,采用远程GPRS公共无线数据平台根据交通流量和洞外亮度调节照明系统照度),为普通公路隧道节能照明方案探索出新的途径。

  为此,恩施州公路局联合省公路管理局适时提出了“普通公路隧道LED节约型照明关键技术研究”课题,紧紧围绕《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的要求,以普通公路隧道照明需求为核心,以实现普通公路隧道LED按需照明为突破口,通过开展普通公路隧道LED按需照明控制技术研究等六个专题技术攻关,系统解决普通公路隧道照明理论、设计、控制成套关键技术,以降低普通公路隧道照明系统的建设成本和后期运营费用、提高普通公路隧道安全运营水平为目标,研究成果将实现比传统的多回路高压钠灯照明系统节省安装费用30%以上,节约营运电能40%以上的目标。

  二、实施情况

  依托省道白(杨)至奉(节)公路石乳关隧道(全长2582m)、省道南鹤公路大垭一号隧道(全长2716米)、二号隧道(全长159米)作为“普通公路隧道LED节约型照明关键技术研究”的依托工程进行试验研究。两个项目均为二级公路,路基宽度8.5m,水泥混凝土路面,设计车速40km/h,峰值小时交通量360辆。

  (一)技术指标与灯具选定

  依据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999),按照隧道所在公路等级和设计交通量进行配光及布设设计。根据各段照明亮度要求和灯具特点,对隧道的照度分布和不同路段的亮度进行准确的计算和分析,通过测试手段,对计算数据加以验证,满足隧道LED照明方案不同路段的亮度、照度指标见下表:

  隧道亮度设计表 

  区段

  软件模拟照度、均匀度

  设计初装指标

照明方式

两灯间距(米)

安装高度
(米)

路面宽度

 使用灯具标称功率

 总均匀度

纵向均匀度

 平均亮度(cd/m2)

平均照度(LUX)

亮度(min)

照度(min)

入口段

  加强

  1.2 m

  6.5 m

  7 m

  100 W

  0.858

  0.95

  40.2 cd/m2

  523 lux

  40.0 cd/m2

  520 lux

基本

12.0 m

  50 W

过渡段1

加强

4.0 m

6.5 m

  7 m

  100 W

  0.84

  0.94

  12.1 cd/m2

  157 lux

  12.0 cd/m2

  156 lux

基本

12.0 m

  50 W

  过渡段2

  加强

6.0 m

  6.5 m

  7 m

  50 W

  0.8

  0.89

  4.3 cd/m2

  56 lux

  4.0 cd/m2

  52 lux

基本

12.0 m

  50 W

中间段

基本

12.0 m

6.5 m

7 m

  50 W

0.8

0.88

2.2 cd/m2

  28 lux

2.0 cd/m2

26 lux

  LED灯具有光效高、能耗低、响应快、寿命长、光指向性好、工作温度低、适用电压宽、使用寿命长、无污染等诸多优点。目前选择采用了120 lm/w的高效LED(目前可升级到170lm/w),其总光通量明显优于同等功率的高压钠灯和其它一般品质的LED灯具。由于LED灯具采用恒流供电,即流过LED的电流不受电源电压变化的影响,照度稳定;同时在每个单灯上都设有电脑控制芯片,与隧道口设置的集中器通过网络与控制中心连接,可根据照明需求适时通过公用无线网络调整照明亮度,以达到理想的节能效果。

  (二)项目实施

  1、位于鄂渝交界的分水岭--石乳关,湖北段接340省道、重庆段接201省道,一隧跨两省。该项目的建成通车将路线高程从1700多米降低到1300米以下,避开高海拔冰雪路段20多公里,大幅度提升该路段的行车安全。隧道全长2582m,其中湖北恩施境内1274米、重庆境1308米,由湖北恩施和重庆各自负责本辖区的建设。其中隧道照明原设计方案为多回路高压钠灯系统,重庆段按原设计方案先行实施,总投资超过700万元;

  恩施州境的1274米原设计方案照明系统满负荷总功率23个千瓦,我们在充分调查研究的基础上,委托招商局重庆交通科研设计院有限公司,按照新型照明设计的思路,在满足隧道照明规范的前提下对照明方案进行优化设计,优化后的照明系统满负荷总功率9.2千瓦。照明设施2010年11月开始招标;2011年1月5日开工、1月25日完工,照明设施总投资约150万元。

  通过18个月的运行,这套方案在隧道照度满足国家规范要求的前提下,各项指标均优于原设计,而且该照明系统功率低、费用省,原设计高压钠灯方案每年电费估算约十八万多元,现在LED满负荷全功率使用也才八万元电费,如采取动态亮度控制(根据隧道洞口亮度分时段、分气候、分季节控制加强段照度、晚上至次日早上关闭加强段LED灯具并降低其它基本段灯具的功率),还能再节约30%-40%左右的电能。

  2、另一个依托工程南鹤公路大垭隧道,位于鹤峰县341省道鹤峰至湖南石门的省际出口路走马镇和五里乡之间,项目全长3.7公里,包括两隧、两桥,其中1号隧道长2708米、2号隧道长159米,两座桥梁连接其间,总长326.12米,接线路基554米,该项目建设降低路线高海拔高程约400米,避开冰雪路段近12公里,缩短运距8.5公里,从根本上解决了341省道冬季雪凌危及交通安全的"卡脖子"问题,全面提高其整体服务水平,彻底打通了鹤峰县至湖南省的交通瓶颈。该项目LED照明系统工程于2011年10月启动了招标程序,机电部分批复概算资金为1490万元,技术经济指标为5197元/米。原设计为多回路高压钠灯,照明系统满负荷总功率62个千瓦。结合石乳关隧道较为成功的经验,再次对照明方案进行优化设计,优化后的照明系统满负荷用电总功率19.65千瓦,调整后的设计方案建安费预算约600万元,实际招标、结算585万元,技术经济指标为2040元/米,节约资金约60%。

  在大垭隧道的机电设计上,还进行了如下的改进:

  (1)灯具布设位置的调整 考虑到石乳关采用顶部中置布灯,维护时须中断交通,大垭项目改为距顶部中线偏右0.70米,保留了中置布灯的优点,同时便于今后维护时不影响车辆通行。

  (2)增加压感线圈控制照明系统 在隧道进出口布置压感线圈,夜间当汽车通过压感线圈进入隧道时,发送一个无线信号指令到隧道口的灯具管理集中器,集中器响应后通知网络内所有灯具开始按设定照度工作,延时6-7分钟后灯具自动恢复至低照度低功率状态。实现"车来灯亮,车走灯暗(或灯灭)"的按需照明控制模式。

  (3)增设远程监视设施 设立可视监控设施对隧道及桥梁进行远程连续监视,出现紧急情况及盗窃、损毁,其发生过程可实现远程监视并实时纪录、回放,便于发生紧急情况时,在最短时间内发现,并采取最合理的处置方案。

  (4)实现无线远程控制射流风机启停 大垭一号隧道为4组8台风机,每二台为一组,正转的无线控制信号4组;反转的无线控制信号4组。在通过远程监视系统发现洞内发生车祸、燃烧时,可通过无线控制软件及时启动风机工作,迅速排出洞内有毒气体,最大限度保障遇险人员安全。

  (5)将照明、风机变压器分设 由于射流风机启动概率低但功率大,我们将照明系统和射流风机分设变压器,照明系统30KVA+25KVA变压器各一台分设进出口处于常开状态,但射流风机专用400KVA大功率变压器在风机工作时才有负载,该措施大幅度减少变压器空耗和电损,实现节能的目的。

  三、运行效果

  (一)光衰情况 LED灯具的光衰是关系到其用于隧道照明是否成功地关键指标。我们采用的LED灯具设计寿命大于50000小时,连续工作一年(8760小时)的光衰小于初始值的11%、30000小时光衰小于初始值的30%。经重庆公路工程检测中心于今年6月对石乳关隧道LED灯具照度情况进行检测,灯具工作17个月的光衰小于10%,符合技术要求。

  (二)节能情况 以石乳关隧道为例,从2011年1至2012年3月共14个月,总计用电15372度,电费(含变压器损耗)25200元,平均每月1800元,其节能及节约成本效果非常明显。当然,实现该节能指标的一个主要原因是隧道重庆奉节段一直没有开灯,为避免光差太大,采取了湖北境白天设定按40%-50%照度照明,夜间按20%照度照明自动转换;

  大垭1、2号隧道按初装照度的70%提供照明,其中晚8时至次日早8时用动态控制,无车时按20%照度提供照明。每月照明用电电费(含变压器损耗)6000---8000元。

  四、后期展望

  公路隧道建设是提高线形标准,保障行车安全的重要措施。随着社会经济的发展,山区普通公路新建和改扩建的任务非常繁重,公里隧道建设和管护数量也将不断增长,如采用远程无线控制LED光源替代传统隧道照明方案,经济和社会效益将十分显著。即将开工建设的恩施州巴东至野三关二级公路改扩建项目,由七座隧道组成的隧道群总长6891米;正在建设的鹤峰县城至宣恩沙道段二级公路改建工程,四座隧道总长超过3500米。仅这两个项目的照明方案的优化,初步估算可节约建安费3000万元以上,十年可节约运行成本(电费)600万元以上。

  结语 LED节能照明系统是一项综合、系统工程,既涉及LED照明灯具的品质、控制软件的操作便捷性和稳定性,也涉及科学、合理的照明设计和营运管理。设计环节选择合理的参数,避免和减少过度照明是实现节能的基础,管理阶段提高养护水平,根据车流特点实现按需照明是实现隧道节能照明的关键。我省现阶段实施的"普通公路隧道LED节约型照明关键技术研究"在依托工程项目上基本达到了预期目标,实现了投资节约、照度合格、节能明显的目标。但是由于该方案在二级公路上首次运用,从方案拟定、设计、招标均无经验借鉴,存在一些不确定性和需改进的地方:

  一是LED灯具光衰值、控制芯片的耐久性、系统的可靠性均需要长时间的考验;二是控制系统操作略显复杂、远程控制系统响应不够快捷还需要不断对软件进行升级等。但是瑕不掩瑜,我们必须肯定LED节能照明及控制系统的优越性,在下一步的工作中,我们将进一步保持与生产、科研、设计部门的联系,扬长避短,进一步优化方案设计,紧跟领先技术,让高新科技为公路隧道工程建设与维护节约投资和能源贡献一份力量。

  参考文献

  1、普通公路LED节约型照明关键技术研究报告------招商局重庆交通科研设计院有限公司2012

  2、公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1---1999

  3、公路隧道照明设计细则(报批稿)-------招商局重庆交通科研设计院有限公司2011