Luận án tiến sĩ: Xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy tại Hà Nội

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Chí Tình 2. Trịnh Thế Dũng HÀ NỘI - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các tài liệu, số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực.

Các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Tác giả luận án Nguyễn Quang An Luận án tiến sĩ Kĩ thuật MỤC LỤC Trang Những từ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Mở đầu 1 1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 3.

Phương pháp nghiên cứu 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 5. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án 3 6. Kết cấu luận án 3 Lời cảm ơn 4 Chương 1.

Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên thế giới 5 và Việt Nam 1. Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và chữa 5 cháy trong tòa nhà cao tầng 1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển khói 6 1. Các thành phần của hệ thống điều khiển khói 15 1.

Phương pháp điều khiển 19 1. Sự dịch chuyển của khói 23 1. Tính toán, thiết kế quạt điều áp cầu thang 28 Nhận xét 30 Chương 2. Mô hình hóa, mô phỏng quá trình động lực học hệ 31 thống điều khiển khói 2.

Các khối chức năng và phương pháp mô hình hóa cho hệ thống 31 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật điều khiển khói 2. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh 33 2. Mô hình hóa hệ thống hút khỏi hành lang và điều áp cầu thang 42 trong chế độ động Nhận xét 57 Chương 3. Các giải pháp cơ bản để giám sát và điều khiển tự động 58 cho hệ thống điều khiển khói 3.

Nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển tự động 58 3. Cấu trúc cơ bản của hệ giám sát và điều khiển tự động cho hệ 59 thống điều khiển khói. Nguyên lý hoạt động của trạm điều khiển khói và hệ thống hút 60 khói hành lang. Các yêu cầu và đặc điểm của hệ thống điều áp cầu thang 63 3.

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển điều áp cầu thang 64 3. Mô hình mẫu của hệ thống điều khiển áp suất dư trung bình 66 3. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để điều 75 khiển áp suất dư trung bình 3. Mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cầu thang bằng phần mềm 87 Simulink 3.

Thuật toán điều khiển thích nghi 90 3. Điều khiển độ chênh áp giữa các vùng 94 Nhận xét 103 Kết luận và kiến nghị 104 Danh mục các công trình công bố của tác giả có liên quan đến nội 105 dung của luận án Tài liệu tham khảo 106 Phụ lục 1. Các kết quả mô phỏng hệ thống điều áp cẩu thang 112 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cẩu thang 117 khi thay đổi các thông số NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers/ Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí (Hoa kỳ) BAS: Building Automation Systems/ Hệ thống tự động hóa tòa nhà BMS: Building Management Systems/ Hệ thống quản lý tòa nhà CFD: Computational fluid dynamics/ Lý thuyết động lực học chất lưu DDC: Direct digital control/ Điều khiển số trực tiếp DNS: Direct numerical simulation/Mô phỏng số trực tiếp FDS: Fire dynamics simulator/Mô phỏng động lực học đám cháy FACP: Fire Alarm Control Panel/ Trung tâm báo cháy tự động FSCS: Firefighter’s Smoke Control Station/ Trạm điều kiển khói HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning/ Điều nhiệt, Thông gió, Điều hòa không khí IBC: International Buiding Code/ Tiêu chuẩn xây dựng quốc tế IMC: Internal Model Control/ Mô hình điều khiển nội LES: Large eddy simulation/ Mô phỏng xoáy rộng MRAS: Model Reference Adaptive Systems/ Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MIT: Massachusetts Institute of Technology/ Viện công nghệ Massachusetts NFPA: National Fire Protection Association/ Hiệp hội phòng cháy quốc gia (Hoa kỳ) PLC: Programmable Logic Controller/ Bộ điều khiển khả trình Luận án tiến sĩ Kĩ thuật RANS: Reynolds Averaged Navier-Stokes/ Số Reynolds trung bình SIMC: Skogestad IMC DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Ý nghĩa Trang 1.1 Các giá trị đo áp suất dư cầu thang 26 2.1 Sự thay đổi của áp suất dư trung bình theo lưu lượng 40 quạt gió 2.2 Sự thay đổi của hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 41 3.1 Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía trên 96 3.2 Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía dưới 96 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Ý nghĩa Trang 1.1 Hệ thống điều áp cầu thang bộ 8 1.2 Hệ thống điều áp buồng thang máy 8 1.3 Hệ thống điều áp thang máy kết hợp hút khói hành lang 9 1.4 Hệ thống điều khiển khói phân vùng 10 1.5 Điều kiển khói phân vùng với hệ thống HVAC 10 1.6 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu 12 1.7 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng AP giới thiệu 12 1.8 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà 14 CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng 1.9 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà 14 chung cư 125D Minh Khai 1.10 Cấu tạo của các van gió 16 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 1.11 Mặt trước của FSCS 19 1.12 Hiệu ứng ống khói trong tòa nhà 24 1.13 Đo áp suất dư cầu thang bằng máy đo cầm tay Testo 510 26 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển khói 31 2.2 Đặc tính của quạt tăng áp cầu thang VIHEM 36 2.3 Mô hình hóa từ một tòa nhà thực 37 2.4 Xây dựng đặc tính của quạt gió 38 2.5 Giao diện của một tầng 39 2.6 Đồ thị thay đổi hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 41 2.7 Tensor ứng suất Cauchy 43 2.8 So sánh sự dịch chuyển của khói giữa thực nghiệm và mô 48 phỏng 2.9 Giao diện chương trình đọc kết quả mô phỏng 51 2.10 Kết quả mô phỏng hoạt động hút khói hành lang 53 2.11 Đồ thị biến đổi nồng độ CO2 tại tầng 1 và 2 theo thời gian 54 2.12 Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống điều áp cầu thang 55 3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển của FSCS 62 3.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống điều áp cầu thang 65 3.3 Các khối chức năng cơ bản điều khiển áp suất dư trung bình 66 3.4 Đơn giản hóa đối tượng quán tính bậc nhất có trễ 69 3.5 Đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển 70 3.6 Mô hình của đối tượng điều khiển 70 3.7 Đặc tính quá độ khi khởi động quạt gió bằng biến tần 71 3.8 Mô hình điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID 73 3.9 Đặc tính quá độ với bộ điều khiển PID 73 3.10 Đặc tính quá độ khi thay đổi diện tích khe hở 74 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 3.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 75 3.12 Mạch vòng điều khiển PI 79 3.13 Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển áp suất dư 80 3.14 Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển sau rút gọn 81 3.15 Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển có khâu phi tuyến 81 3.16 Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng đầy đủ 82 3.17 Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng rút gọn 83 3.18 Mô hình hệ điều khiển thích nghi biến đổi tương đương 85 3.19 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.20 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.21 Kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số của mô hình đối 89 tượng 3.22 Mô hình mẫu có khâu phi tuyến 92 3.23 Lưu đồ thuật toán điều khiển thích nghi hệ thống điều áp cầu 93 thang 3.24 Nguyên lý điều khiển độ chênh áp giữa các tầng 95 3.25 Lưu đồ thuật toán điều khiển độ chênh áp khi hệ số a không 98 đổi 3.26 Lưu đồ thuật toán điều khiển độ chênh áp khi hệ số a thay đổi 99 3.27 Cầu thang thoát hiểm của tòa nhà số 3 Nguyễn Huy Tưởng 100 3.28 Kết quả mô phỏng hoạt động điều khiển độ chênh áp 101 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 nhứng nguyên nhân gây thương vong cho con người là do khói gây ra. Khói sinh ra trong các đám cháy cũng gây ra thương vong đối với các cán bộ chiến sĩ làm nhiệm vụ chữa cháy và gây nhiều khó khăn trong công tác chữa cháy và cứu hộ cứu nạn. Ở khu vực Hà Nội, trong những năm gần đây đã xảy ra nhiều vụ cháy nhà cao tầng gây thương vong cho con người.

Điển hình là vụ cháy tòa nhà JSC34 trên đường Khuất Duy Tiến vào ngày 10/3/2010 làm chết 2 người do ngạt khói. Tiếp đó là vụ cháy tòa nhà 33 tầng của Tập đoàn điện lực Việt Nam tại phố Cửa Bắc ngày 15/12/2011 khiến 24 công nhân bị ngạt khói. Gần đây là các vụ cháy lớn tại tòa nhà CT4 khu chung cư Xala ngày 11/10/2015; vụ cháy chung cư Hồ Gươm Plaza ngày 14/12/2015. 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 kiểm soát khói (smoke control).

Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị như điều áp cầu thang, quạt hút khói, các van gió tự động (damper), các cảm biến… Các hệ thống kiểm soát khói tiên tiến được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển số đặc biệt.