寒区隧道排水管自发电控制系统及控制方法与流程

本发明涉及自发电控制，具体涉及寒区隧道排水管自发电控制系统及控制方法。

背景技术：

1、寒区隧道在运营过程中冻害现象频发。寒区隧道在低温和渗流共同作用而产生冻胀力，过大的冻胀力将引发衬砌开裂、衬砌混凝土剥落、挂冰泛水等现象，严重影响隧道结构的安全和使用寿命。水这一对象在寒区隧道冻害问题中扮演着关键角色。因此，隧道内的水需要及时排出从而避免冻害的发生。

2、现阶段对于隧道中水的处理有较为成熟的体系。主要通过纵向排水管、环向排水管、横向排水管等，并配合深埋中心排水沟进行排水。大多时候仅靠排水系统不能解决冻害问题，低温下排水系统也会发生冻害，从而导致整体排水体系失效。现阶段，大部分隧道仅依靠敷设保温层来进行隔热，但由于设计上的缘故，排水沟处于隧道墙角位置处，保温层在此难以敷设，从而依旧无法保障排水沟的冻害。因而往往需要结合主动加热的方式进行供热，然而对于电伴热供热需要消耗大量电能，增加了隧道运营成本。

技术实现思路

1、为了至少克服现有技术中的上述不足，本技术的目的在于提供寒区隧道排水管自发电控制系统及控制方法。

2、第一方面，本技术实施例提供了寒区隧道排水管自发电控制系统，包括：

3、多个自发电单元，沿隧道中心排水沟轴线被配置于隧道中心排水沟；

4、多个电伴热带分段，沿纵向排水管轴线分段配置于所述纵向排水管；所述纵向排水管通过横向排水管连通于所述隧道中心排水沟；

5、温度传感器，被配置于所述纵向排水管；

6、控制机构，被配置于所述隧道中；

7、所述自发电单元包括：

8、半蝶阀，被配置于所述自发电单元上游侧，且所述半蝶阀的阀瓣闭合时，所述阀瓣遮挡所述隧道中心排水沟的下半部分空间；

9、微型水力发电设备，被配置于所述自发电单元下游侧；

10、所述控制机构还被配置为：

11、根据隧道里程建立所述自发电单元、温度传感器和电伴热带分段的对应关系；

12、获取多个自发电单元的高程数据，并获取对应所述自发电单元的温度传感器的温度数据；

13、根据所述温度数据和对应的所述自发电单元发电量控制对应的电伴热带分段工作，并根据所述高程数据和所述温度数据控制所述自发电单元中的半蝶阀阀瓣开启或关闭。

14、现有技术中，申请号为202111551623.4的中国专利公开了一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，包括若干组风力发电装置、智能主动供热装置以及排水装置；所述的风力发电装置包括风力发电装置保护外壳、中心轴、以及在中心轴上从开口处依次向保护外壳底部设置的扇叶、齿轮箱、发电机和蓄电池；所述智能主动供热装置包括电伴热带、温度传感器以及配电控制箱；所述排水装置包括中心排水沟、横向排水管、纵向排水管和环向排水管。本发明通过对寒区高速公路隧道交通风产生的风能进行回收，并供与电伴热带主动加热；此外，通过温度传感器的温度检测结果智能控制电伴热带的开关，保证隧道运营成本的同时达到防止寒区隧道冻害现象发生的目的。其通过风力进行发电进行隧道排水管的供暖，同样的，现有技术中还存在很多进行风力发电的隧道排水管供暖技术。但是在实践中发明人发现，虽然高速公路隧道中交通量大、车辆行驶速度快，可以产生风能，但是高速公路隧道中车辆通行具有很强的时间性和随机性，尤其是在冬季极易发生堵车和路面结冰造成的交通管制，此时隧道内无法产生风能，整个供热系统就会陷入瘫痪。

15、发明人发现通过水力发电方式进行电伴热带的供电同样存在诸多问题，其中主要问题在于隧道排水的过程中，中心排水沟中水流也存在变化，降雨降雪会造成水流增长，干旱会造成水流减少，有时候单纯依靠中心排水沟中的发电设备难以满足全部电伴热带的需求，而仅仅通过蓄电池进行电力储备也难以进行很好的电力分配。

16、本技术实施例实施时，创新性的提出了自发电单元的概念，每个自发电单元都设置有微型水力发电设备和半蝶阀，其中半蝶阀的阀瓣可以遮挡中心排水沟的下半部分，以实现对中心排水沟的蓄水；在实际使用时，如果中心排水沟的水量充沛，关闭半蝶阀后，在半蝶阀的上游方向蓄水满后，水流会漫过半蝶阀后冲刷微型水力发电设备的叶轮完成发电；如果中心排水沟的水量不足，则可以打开半蝶阀为微型水力发电设备提供水流发电。

17、根据《铁路隧道设计规范》(tb 10003)和《铁路隧道防排水技术规范》(tb 10010)相关的规范要求，隧道中心排水沟一定是有设计坡度的，所以一定有固定的水流方向的，所以在本技术实施例中所说的上游侧是指水流的来向，下游侧是指水流的去向。同样的，根据上述规范的要求，围岩积水会汇聚到环向排水管并排入纵向排水管，纵向排水管一般在隧道的拱脚处，其通过横向排水管将水流汇聚到中心排水沟中进行排出；所以在本技术实施例中，将电伴热带设置在纵向排水管进行加热就可以保障纵向排水管、横向排水管和中心排水沟都不会出现封冻；具体的，电伴热带可以设置在纵向排水管的管壁外侧；同时，需要在纵向排水管设置相应的温度传感器，进而方便进行相应的控制。

18、在本技术实施例中，电伴热带是分段配置的，即是通过很多个电伴热带分段在纵向排水管上铺设的，电伴热带分段都是沿着纵向排水管轴线铺设的；具体的，左右两侧的纵向排水管铺设的电伴热带分段都是相同的铺设方式，即电伴热带分段在左右两侧的纵向排水管上是成对布设的，且每对电伴热带分段都由同一个自发电单元供电，在最理想的情况下，每个自发电单元只为一对电伴热带分段供电。

19、在本技术实施例中，控制机构可以采用常用的工控机等设备，其可以设置在隧道拱墙预留的孔洞中，其中自发电单元、温度传感器和电伴热带分段的对应关系可以通过配置一个对应表实现，需要使用该对应关系时，只需要对该对应表进行遍历检索即可。具体的，本技术实施例中每个自发电单元对应一对电伴热带分段和一个温度传感器，对应的自发电单元、温度传感器和电伴热带分段应该是位于同一里程上，这里说的同一里程是指里程差异不超过1m。

20、在本技术实施例中，控制机构可以通过温度数据控制电伴热带分段的功率，其属于现有技术，在此不多做复述，同时，控制机构可以根据对应的自发电单元发电量的电伴热带分段的供电来源进行控制，示例的，可以在对应的自发电单元发电量不足时通过其他自发电单元或者蓄电池进行补充，也可以在对应的自发电单元发电量足量时将过剩的电量提供给其他电伴热带分段或者蓄电池。发明人在实践过程中发现，由于中心排水沟坡度的存在，每一级自发电单元的高程都是不同的，这就会使得处于高处的自发电单元的半蝶阀开启时，水势能会逐层释放到下游的各个自发电单元上，这样会对整个下游处的自发电单元的电力分配产生影响，所以可以根据高程数据对自发电单元中半蝶阀进行相应控制。本技术实施例实施时，通过对隧道中心排水沟中水流的利用，解决了现有技术中风能发电不能持续为隧道排水管供暖的问题，并通过对中心排水沟中相关发电设备进行规划和控制，有效提高了中心排水沟中水势能的利用率，可以应用于多种气候环境下的冻害隧道，适用性很强。

21、在一种可能的实现方式中，所述控制机构还被配置为：

22、将隧道里程差异在预设范围内的所述自发电单元、所述温度传感器和所述电伴热带分段作为相互对应的所述自发电单元、所述温度传感器和所述电伴热带分段。

23、在一种可能的实现方式中，还包括：

24、蓄电池，被配置于隧道中；

25、所述自发电单元包括：

26、电量分配单元，被配置为将所述微型水力发电设备产生的电力分配至蓄电池和对应所述自发电单元的电伴热带分段；

27、所述控制机构还被配置为：

28、根据所述温度数据计算每个电伴热带分段所需电量作为第一电量，并根据所述第一电量控制所述电量分配单元将第二电量中符合第一电量的部分分配至对应的电伴热带分段，将第三电量分配至所述蓄电池；所述第二电量为对应所述电伴热带分段的自发电单元的发电量；所述第三电量为所述第二电量剔除所述第一电量的电量。

29、在一种可能的实现方式中，所述控制机构还被配置为：

30、当所述第二电量无法满足所述第一电量的需求时，通过所述蓄电池对所述第一电量中缺少的部分进行补充；

31、当所述蓄电池的输出电量达到一定程度时，控制所述自发电单元打开所述半蝶阀。

32、在一种可能的实现方式中，所述控制机构还被配置为：

33、根据所述隧道中心排水沟的管径、所述半蝶阀阀瓣的尺寸和所述高程数据计算所述自发电单元储存的水势能，并根据所述高程数据计算每个自发电单元对该每个自发电单元下游每个自发电单元的水势能系数；所述水势能系数为当自发电单元开启半蝶阀阀瓣时，该自发电单元下游自发电单元可以接收到的水势能比例；

34、当任意自发电单元开启半蝶阀阀瓣时，根据该自发电单元储存的水势能和所述水势能系数修正该自发电单元和下游自发电单元的第二电量。

35、第二方面，本技术实施例提供了寒区隧道排水管自发电控制方法，包括：

36、根据隧道里程建立所述自发电单元、温度传感器和电伴热带分段的对应关系；

37、获取多个自发电单元的高程数据，并获取对应所述自发电单元的温度传感器的温度数据；

38、根据所述温度数据和对应的所述自发电单元发电量控制对应的电伴热带分段工作，并根据所述高程数据和所述温度数据控制所述自发电单元中的半蝶阀阀瓣开启或关闭。

39、在一种可能的实现方式中，根据隧道里程建立所述自发电单元、温度传感器和电伴热带分段的对应关系包括：

40、将隧道里程差异在预设范围内的所述自发电单元、所述温度传感器和所述电伴热带分段作为相互对应的所述自发电单元、所述温度传感器和所述电伴热带分段。

41、在一种可能的实现方式中，还包括：

42、蓄电池，被配置于隧道中；

43、所述自发电单元包括：

44、电量分配单元，被配置为将所述微型水力发电设备产生的电力分配至蓄电池和对应所述自发电单元的电伴热带分段；

45、根据所述温度数据和对应的所述自发电单元发电量控制对应的电伴热带分段工作包括：

46、根据所述温度数据计算每个电伴热带分段所需电量作为第一电量，并根据所述第一电量控制所述电量分配单元将第二电量中符合第一电量的部分分配至对应的电伴热带分段，将第三电量分配至所述蓄电池；所述第二电量为对应所述电伴热带分段的自发电单元的发电量；所述第三电量为所述第二电量剔除所述第一电量的电量。

47、在一种可能的实现方式中，根据所述高程数据和所述温度数据控制所述自发电单元中的半蝶阀阀瓣开启或关闭包括：

48、当所述第二电量无法满足所述第一电量的需求时，通过所述蓄电池对所述第一电量中缺少的部分进行补充；

49、当所述蓄电池的输出电量达到一定程度时，控制所述自发电单元打开所述半蝶阀。

50、在一种可能的实现方式中，根据所述高程数据和所述温度数据控制所述自发电单元中的半蝶阀阀瓣开启或关闭还包括：

51、根据所述隧道中心排水沟的管径、所述半蝶阀阀瓣的尺寸和所述高程数据计算所述自发电单元储存的水势能，并根据所述高程数据计算每个自发电单元对该每个自发电单元下游每个自发电单元的水势能系数；所述水势能系数为当自发电单元开启半蝶阀阀瓣时，该自发电单元下游自发电单元可以接收到的水势能比例；

52、当任意自发电单元开启半蝶阀阀瓣时，根据该自发电单元储存的水势能和所述水势能系数修正该自发电单元和下游自发电单元的第二电量。

53、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

54、本发明寒区隧道排水管自发电控制系统及控制方法，通过对隧道中心排水沟中水流的利用，解决了现有技术中风能发电不能持续为隧道排水管供暖的问题，并通过对中心排水沟中相关发电设备进行规划和控制，有效提高了中心排水沟中水势能的利用率，可以应用于多种气候环境下的冻害隧道，适用性很强。