Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội

Nội dung tài liệu: Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN QUANG AN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số:62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2017
2. Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Tự động hóa, Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chí Tình TS. Trịnh Thế Dũng Phản biện 1: TS. Phan Minh Tạo Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh Phản biện 3: TS. Nguyễn Trung Khương Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ..giờ ngày tháng năm .. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, hiện nay tình hình cháy nổ đang điễn ra hết sức phức tạp và gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản. Một trong những nguyên nhân gây thương vong cho con người là do khói gây ra. Để kiểm soát khói sinh ra trong các đám cháy, ngăn ngừa tác hại của nó với con người, trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật điều khiển khói (smoke control). Các tòa nhà cao tầng ở nước ta cũng đã áp dụng các hệ thống kiểm soát khói, nhưng phần lớn ở mức độ đơn giản và chưa được quan tâm đúng mức. Ở nước ta hiện chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về các hệ thống điều khiển khói và hiệu quả hoạt động của nó. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong các tòa nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội. Trong đó phải xây dựng được mô hình của đối tượng điều khiển và đưa ra giải pháp giám sát và điều khiển để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói. b) Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong các hệ thống điều khiển kiểm soát khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: xác định mô hình mẫu của đối tượng, sử dụng mô hình mẫu trong điều khiển thích nghi để đảm bảo sự hoạt
4. 2 động của hệ thống với điều kiện môi trường thay đổi phức tạp và có thể áp dụng cho nhiều tòa nhà cao tầng khác nhau ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn trong thiết kế và thi công các hệ thống kiểm soát khói của các tòa nhà cao tầng. 4. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án Qua phân tích các quá trình động lực học của khói và ảnh hưởng của các yếu tố. Nghiên cứu đặc tính động học của đối tượng. Qua đó nhận dạng hệ thống, xây dựng mô hình toán học để thiết kế và khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển. Đề xuất các thuật toán điều khiển để cải thiện chất lượng và hiệu quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói. Sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi để hệ thống thích nghi được với sự thay đổi của môi trường và có thể áp dụng cho các tòa nhà khác nhau. 5. Kết cấu luận án Kết cầu luận án gồm 3 chương. Chương I. Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên thế giới và Việt Nam. Chương II. Mô hình hóa, mô phỏng quá trình động lực học của hệ thống điều khiển khói. Chương III. Các giải pháp giám sát và điều khiển tự động cho hệ thống điều khiển khói.
5. 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1. Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và chữa cháy trong tòa nhà cao tầng Để đảm bảo cho công tác phòng cháy trong tòa nhà cao tầng cần có các hệ thống kỹ thuật sau: - Hệ thống báo cháy tự động - Hệ thống chữa cháy - Hệ thống điều khiển khói 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển khói 1.2.1.Tình hình nghiên cứu về điều khiển khói Các nghiên cứu được thực hiện bằng các phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm, trong đó phương pháp mô hình hóa được áp dụng nhiều nhất. Các nghiên cứu chủ yếu là khảo sát các diễn biến dịch chuyển của khói và hoạt động điều khiển khói cho từng công trình cụ thể. Ở Việt Nam đến nay chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển khói 1.2.2. Các hệ thống điều khiển khói trên thế giới Các biện pháp để ngăn chặn, kiểm soát khói đang được nghiên cứu và áp dụng cả trong và ngoài nước bao gồm: - Sử dụng hệ thống thông gió, hút khói - Sử dụng hệ thống điều áp để tăng áp suất ở những khu vực cần ngăn chặn khói. 1.2.3. Thực trạng về ứng dụng điều khiển khói ở Việt Nam Hệ thống điều khiển khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội thường có các thành phần:
6. 4 - Hệ thống điều áp cầu thang. - Hệ thống hút khói tầng hầm. - Hệ thống hút khói hành lang. Trong hệ thống điều khiển thường không có trạm điều khiển khói chuyên dùng (FSCS) mà được điều khiển bởi hệ thống báo cháy tự động. Việc thiết kế hệ thống điều khiển khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Theo các tiêu chuẩn của Việt Nam thì chỉ qui định các tòa nhà cao tầng phải có hệ thống điều áp cầu thang, hệ thống hút khói hành lang và hệ thống thông gió, hút khói tầng hầm. Hệ thống tạo áp cầu thang chỉ qui định áp suất dư không dưới 2 kG/m2. 1.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển khói Hệ thống điều khiển khói được cấu tạo gồm các thành phần sau : - Các thiết bị thông gió, hút khói (quạt, van gió, ống gió...) - Các thiết bị điều khiển (Tủ báo cháy, tủ điều khiển khói, tủ điều khiển HVAC) - Các thiết bị kích hoạt (đầu dò khói, nút ấn khẩn cấp...) 1.4. Phương pháp điều khiển 1.4.1. Thiết bị điều khiển Hệ thống điều khiển khói có đặc điểm là làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, môi trường ô nhiễm, nguồn điện có thể thay đổi đột ngột, chế độ làm việc phải linh hoạt. Để đáp ứng yêu cầu khắt khe của hệ thống điều khiển khói, hiện nay phần lớn các tiêu chuẩn đều yêu cầu sử dụng trạm điều khiển khói chuyên dùng (FSCS) 1.4.2. Cách thức kích hoạt hệ thống điều khiển khói Có 3 cách để kích hoạt hệ thống điều khiển khói: - Kích hoạt tự động
7. 5 - Kích hoạt bằng tay - Kích hoạt bằng FSCS 1.4.3. Quyền ưu tiên điều khiển Tín hiệu điều khiển được ưu tiên hàng đầu là tín hiệu từ FSCS. Tiếp đó là điều khiển từ các nút ấn bằng tay ở các khu vực, cuối cùng là điều khiển từ các cảm biến. 1.4.4. Kết nối giữa hệ thống điều khiển khói với hệ thống báo cháy tự động Việc kết nối giữa FACP với FSCS có thể thực hiện theo hai cách: - Kết nối Point to Point. - Kết nối qua cổng truyền thông nối tiếp. 1.4.5. Giao tiếp với các hệ thống khác trong tòa nhà Trong một tòa nhà cao tầng hiện nay có thể tồn tại nhiều mạng thông tin như mạng thông tin quản lý tòa nhà, mạng Internet. Hệ thống điều khiển khói tiên tiến cũng có khả năng kết nối với các mạng thông tin khác để chia sẻ thông tin và giám sát từ xa. 1.5. Sự dịch chuyển của khói Khi xảy ra cháy, khói được tạo ra và dịch chuyển do tác động của sự chênh áp mà cụ thể là do các yếu tố sau: - Hiệu ứng ống khói - Quá trình tự bay lên của khói - Sự giãn nở vì nhiệt - Tác động của gió - Tác động của hệ thống điều hòa không khí - Hiệu ứng piston trong thang máy 1.6. Tính toán thiết kế quạt điều áp cầu thang Việc tính toán chọn quạt điều áp cầu thang cần quan tâm đến 2 thông số cơ bản là lưu lượng và cột áp.
8. 6 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI 2.1. Các khối chức năng cơ bản và phương pháp mô hình hóa cho hệ thống điều khiển khói 2.1.1. Các khối chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển khói 2.1.2, Các phương pháp mô hình hóa Để có thể mô phỏng cho các quá trình động lực học của hệ thống điều khiển khói thì cần phải sử dụng các phần mềm CONTAM và phần mềm FDS. 2.2. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh 2.2.1. Các thành phần cơ bản trong mô hình Mô hình hệ thống điều khiển khói trong một tòa nhà bao gồm các thành phần cơ bản sau: - Cấu trúc của tòa nhà, trong đó thể hiện được cấu trúc của từng tầng, cấu trúc các phòng, cửa, hành lang, cầu thang, các khe hở... - Các thiết bị cơ khí bao gồm: quạt gió, ống dẫn gió, van gió. - Các nguồn tạo khói và các chất gây ô nhiễm. - Môi trường xung quanh. 2.2.2. Các thông số cơ bản và phương trình liên hệ Khi khảo sát dòng chảy ổn định thì có nhiều thông số cần quan tâm như cột áp, lưu lượng, vận tốc, nhiệt độ, nồng độ khí... Trong đó có 2 thông số đặc biệt quan trọng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau là cột áp và lưu lượng. a, Các lối thoát khí Phương trình đặc trưng cơ bản của các lối thoát khí có dạng lũy thừa: - Lưu lượng thể tích: Q C( p)n (m3/s) (2.1)
9. 7 - Lưu lượng khối lượng: F C'( p )n (kg/s) (2.2) Một số lối thoát khí thông thường như cửa mở, lỗ thông hơi, khe hở tuân theo phương trình họng phun, đó là một trường hợp riêng của phương trình lũy thừa ứng với n = 0,5: 2 p Q C A 3 d (m /s) (2.3) F Cd A 2 p (kg/s) (2.4) b, Đường ống dẫn khí: LU 2 Tổn hao do ma sát trong đường ống p f f D 2 h Tổn thất do động năng: v2 p C d d 2 c, Đặc tính của quạt gió Đặc tính của quạt gió có dạng đường cong và do nhà sản xuất đưa ra trong các tài liệu kỹ thuật của sản phẩm. 2.2.3. Ứng dụng phần mềm CONTAM để mô hình hóa dòng chảy ổn định Phần mềm CONTAM (viết tắt của Contaminant) là một phần mềm phân tích, đánh giá chất lượng không khí và quá trình thông gió trong các tòa nhà. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang Mô hình mô phỏng cho tòa nhà chung cư và dịch vụ thương mại số 3 Nguyễn Huy Tưởng. với 19 tầng nổi, 2 tầng hầm. Kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ ngoài trời thấp hơn nhiệt độ trong nhà thì xảy ra hiệu ứng ống khói thuận, khi đó áp suất dư bên trên cao hơn phía dưới. Khi nhiệt độ ngoài trời cao hơn nhiệt độ
10. 8 trong nhà thì xảy ra hiệu ứng ống khói ngược, khi đó áp suất dư bên trên nhỏ hơn phía dưới. Ở tầng giữa của buồng thang, áp suất dư có giá trị trung bình. Mối quan hệ giữa áp suất dư trung bình với lưu lượng của quạt gió có thể mô tả theo công thức: 2 p k1. Q (2.7) Khi thay đổi lưu lượng của quạt gió thì áp suất dư trung bình tại giữa buồng thang gần như tỷ lệ với bình phương của lưu lượng quạt gió. Mối quan hệ này còn phụ thuộc vào diện tích thoát khí tại các cửa. 35 30 25 20 k1 15 10 5 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Khe hơ (m2) Hình 2.6. Đồ thị thay đổi của hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 2.3. Mô hình hóa hệ thống hút khói hành lang và điều áp cầu thang trong chế độ động 2.3.1. Phương trình cơ bản Phương trình Navier - Stokes u u..  u  p  T f t (2.8)