Содержание к диссертации
Введение
1 Система тоннельной вентиляции метрополитенов. Состояние и задачи исследования
1.1 Особенности и проблемы проветривания метрополитенов мелкого заложения в условиях резко-континентального климата Западной Сибири 9
1.2 Существующие технологические схемы проветривания 18
1.3 Особенности проветривания тупиковых станций. 25
1.4 Работа вентиляционной системы в аварийных режимах... 28
1.5 Особенности эксплуатации действующих осевых вентиляторов 31
1.6 Выводы и задачи исследования 37
2 Исследования работы вентиляционной системы метрополитена в штатных режимах 39
2.1 Исследование степени взаимосвязанности вентиляционных режимов станции на линии метрополитена.
2.2 Определение расхода воздуха, необходимого для работы тоннельной вентиляции в штатном режиме .
2.3 Экспериментальные исследования влияния температуры атмосферного воздуха на параметры воздушной подземной среды при штатном проветривании 64
2.4 Обоснование схемы вентиляции тупиковой станции при значительных отрицательных температурах атмосферного воздуха с учетом действия поршневого эффекта от движущихся поездов 71
2.5 Выводы 85
3 Исследования работы тоннельной вентиляции и разработка технологических схем при аварийных режимах 86
3.1 Анализ работы вентиляционной системы в случае задымления станций 86
3.2 Исследование воздухораспределения под влиянием тепловой депрессии, развиваемой при пожаре 89
3.3 Исследование тепловых режимов работы тоннельной вентиляции при возгорании вагона поезда в тоннеле метрополитена yj
3.4 Разработка технологических схем включения тоннельной вентиляции в аварийных режимах 101
3.5 Выводы 120
4 Технико-экономическое обоснование эффективности модернизации тоннельных вентиляторов и технологических схем вентиляции
4.1 Выбор критериев
4.2 Обоснование путей модернизации действующего парка тоннельных вентиляторов
4.3 Разработка рекомендаций по снижению энергопотребления на тоннельную вентиляцию
4.4 Выводы 138
Заключение 139
Библиография 141
Приложения 150
- Существующие технологические схемы проветривания
- Определение расхода воздуха, необходимого для работы тоннельной вентиляции в штатном режиме
- Исследование воздухораспределения под влиянием тепловой депрессии, развиваемой при пожаре
- Обоснование путей модернизации действующего парка тоннельных вентиляторов
Введение к работе
Актуальность темы
С ростом крупных городов обостряется проблема развития наземных
транспортных коммуникаций. Средняя скорость движения общественного
транспорта находится в пределах 15 - 20 км/ч. Задача массовых перевозок в
крупнейших городах России с населением более 1 млн. чел. успешно решается
v«. путём строительства метрополитенов мелкого или глубокого заложения. Со-
стояние воздушной среды в крупных городах зависит от особенностей климата, наличия промышленных зон, озеленения и т.д. Метрополитен проветривается атмосферным воздухом, поэтому вентиляция в метрополитенах должна отвечать санитарным нормам и проектироваться с учетом местных условий.
Основной функцией вентиляции станций и тоннелей является поддержание в
местах пребывания людей заданных метеорологических условий и химического
состава воздуха, а так же создание необходимых режимов проветривания при
нарушении нормальной работы устройств метрополитена и возникновении чрезвычайных ситуаций, при этом предусматривается удаление с воздухом скапливающихся теплоты, влаги, газов и подача свежего воздуха в сооружения. Организация различных схем движения воздушных потоков с учетом технологии работы метрополитена является основой осуществления вентиляции станций и тоннелей.
Энергопотребление тоннельной вентиляцией достигает 0.9 - 1.2 млн. кВт-ч в год на 1 км линий и уступает только подвижному составу. Поэтому его снижение является насущной необходимостью современных метрополитенов. При эксплуатационном КПД вентагрегатов в среднем 0.22 потери электроэнергии достигают 70% и более. Эксплуатационные показатели метрополитенов в значительной степени зависят от эффективности систем вентиляции, на которые существенное влияние оказывают интенсивность перевозок.
Метрополитен, как любой сложный технический объект, подвержен воздействия внешней среды и авариям, в том числе пожарам, задымлениям и
загазованиям. Прогнозирование развития чрезвычайной ситуации позволяет заранее выработать технические решения для снижения отрицательных последствий и разработать эффективный план ее ликвидации. В связи с тем, что метрополитены мелкого заложения получают все большее распространение, задача совершенствования тоннельной вентиляции - важнейшего звена системы жизнеобеспечения метро - актуальна, имеет важное научное и народнохозяйственное значение.
Цель работы
Разработка экономичных, надежных и безопасных режимов работы тоннельной вентиляции метрополитенов мелкого заложения в штатных и аварийных ситуациях.
Идея работы
Применение в сетевой модели вентиляционной системы теплофизических закономерностей для разработки штатных и аварийных режимов работы тоннельной вентиляции.
Задачи исследований:
обоснование режимов работы тоннельных вентиляторов с учетом специфики условий метрополитена мелкого заложения при воздействии атмосферного воздуха с отрицательными температурами;
разработка способа управления воздухораспределением на тупиковой станции метрополитена при отрицательных температурах атмосферного воздуха;
определение аварийных режимов вентиляции, обеспечивающих условия безопасной эвакуации пассажиров при возгорании вагона поезда в подземных сооружениях метрополитена;
обоснование модернизации тоннельных вентиляторов для штатных и аварийных режимов работы.
Методы исследования: включают проведение теоретических
исследований методами математического моделирования с применением теории графов, уравнений технической теплофизики и экспериментальные исследования в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
Основные научные положения, защищаемые автором:
а) расход воздуха на станции в штатных режимах определяется
интенсивностью движения поездов и температурой атмосферного воздуха.
Количество воздуха, перемещаемого за счет поршневого действия поездов,
достаточно для осуществления тоннельной вентиляции без включения
вентиляторов при температуре атмосферного воздуха менее 8 G.
б) нормативные параметры микроклимата на тупиковой станции
метрополитена при температуре атмосферного воздуха от минус 5 С до минус
30С обеспечиваются управлением воздухораспределения для достижения
соотношения в диапазоне от 1.2 до 3.6 между тёплым тоннельным и холодным
атмосферным воздухом, проходящим через вестибюль.
в) аварийные режимы вентиляции, обеспечивающие скорости воздуха не
менее 2.3 м/с для безопасной эвакуации пассажиров, при возгорании поезда в
тоннеле, возможны только с применением вентиляционных перемычек.
Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается использованием современных методов и средств исследований, достаточным объемом и сходимостью результатов проведённых математических расчетов и натурных экспериментов, а также проверкой полученных результатов на практике при эксплуатации тоннельной вентиляции Новосибирского метрополитена.
Новизна научных положений заключается в следующем:
- определены зависимости расхода воздуха на станции и производительность
тоннельного вентилятора от пассажиропотока, объема станции и интенсивности
движения поездов на линии;
- обоснован рациональный способ управления воздухораспределением
тупиковой станции метрополитена при отрицательных температурах
атмосферного воздуха;
v« - доказана необходимость использования вентиляционных перемычек при
пожаре поезда в тоннеле.
Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов,
проведении численных и натурных экспериментов по исследованию штатных и
аварийных режимов тоннельной вентиляции, её влияния на распределение
температуры воздуха, обделки и заобделочного грунта на перегоне, реализации
^ новых экономичных схем вентиляции в Новосибирском метрополитене.
Практическая ценность
В результате исследований разработаны технологические схемы проветривания и предложен способ модернизации вентиляторов, позволяющие сократить энергопотребление на тоннельную вентиляцию в среднем в 3 раза. Приведены рекомендации по режимам работы тоннельных вентиляторов в зависимости от температуры атмосферного воздуха и обоснованы параметры производительности вентиляторов для штатного проветривания. Разработан способ нормализации температурного режима тупиковой станции в зимний период. Определены условия для реализации аварийных режимов вентиляции.
Реализация работы в промышленности
Научные разработки и положения диссертационной работы использованы при составлении нормативных документов: «График работы тоннельной вентиляции Новосибирского метрополитена на 2005г.», согласованный Главным
врачом Западно-Сибирского дорожного центра ГСЭН МПС РФ и утверждённый главным инженером МУЛ «Новосибирский метрополитен» 24 января 2005г., «Инструкция о режиме работы шахт тоннельной вентиляции в случае задымления или загазованности на объектах Новосибирского метрополитена», утверждённая приказом № 01-117/8 начальника МУЛ «Новосибирский метрополитен» 12 апреля 2005г.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты были представлены на Всероссийской конференции «Организация систем воздухообмена, контроля и управления микроклиматом, управление режимами вентиляции в экстремальных условиях в тоннелях и на станциях метрополитена» (г. Санкт-Петербург, 1997); совещании-семинаре «Создание, внедрение и эксплуатация тоннельных вентиляторов вертикального исполнения ВВО-2 IP» (г. Новосибирск, 2003); Международной Конференции «Организация воздухообмена в тоннелях и на станциях метрополитенов. Работа вентиляции в экстремальных условиях» (г: Екатеринбург, 2004); Международной Конференции «Проблемы и перспективы горных наук» (г. Новосибирск, 2004).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, включая авторское свидетельство.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и 5 приложений, изложенных на 155 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 55 рисунков и библиографии из 90 наименований.
Основной объём экспериментальных исследований выполнен в лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН и в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
Существующие технологические схемы проветривания
Тоннельная вентиляция может осуществляться с естественным и искусственным побуждением при поперечном, полупоперечном и продольном способах распределения воздуха [1,4,5,14,15]. При вентиляции с естественным побуждением воздухообмен в тоннелях и на станциях происходит за счет поршневого действия проходящих поездов и гравитационных сил, возникающих при перепадах геодезических отметок соединений тоннелей с поверхностью и температур внутреннего и наружного воздуха. По опыту эксплуатации Московского метрополитена [1] известно, что такая система вентиляции требует большого числа перегонных вентиляционных шахт, расстояние между которыми должно быть в пределах 100 — 150 м. Однако условия на поверхности не всегда позволяют так часто располагать шахты, что приводит к неравномерности проветривания.
При вентиляции с искусственным побуждением воздух либо принудительно (с использованием вентиляторов) подается, либо принудительно извлекается из тоннелей, либо и то и другое одновременно. В странах СНГ для вентиляции метрополитенов наиболее распространен продольный способ распределения воздуха. При его использовании воздуховодами служат сами тоннели. При этом требуется меньше капитальных и эксплуатационных затрат [1], по сравнению с другими способами воздухораспределения.
Принятая на практике двунаправленная схема предполагает использование вентилятора в двух режимах: прямом и обратном. Перевод вентилятора в обратный режим осуществляется путем изменения направления вращения приводного электродвигателя с одновременным поворотом лопаток спрямляющего аппарата. Из аэродинамической теории осевых вентиляторов известно, что невозможно создать вентилятор, работающий в обратном режиме с такими же высокими показателями, как в прямом. Это иллюстрируется на рисунке 1.1, где приведены аэродинамические характеристики вентилятора ВОМД-24. В реверсивном режиме производительность вентилятора (пунктирные линии) ниже на 30%, а номинальное давление на 20%. Кроме того, знакопеременное движение воздуха не позволяет эффективно адаптировать конструкцию вентиляционного тракта для снижения аэродинамического сопротивления и снижения мощности вентиляторов, а, следовательно, и эксплуатационных затрат. Применение однонаправленных схем проветривания позволяет избежать потерь, связанных с уменьшением КПД вентилятора при реверсировании, а также оптимизировать строительное исполнение элементов вентиляционных каналов для снижения аэродинамических, а, следовательно, и эксплуатационных потерь [16-24].
Системы тоннельной вентиляции метрополитенов проектируются с учетом в первую очередь годового теплового баланса, обеспечивающего в тоннелях и на станциях допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха в тоннелях. Энергопотребление на тоннельную вентиляцию уступает только энергопотреблению подвижного состава и достигает 0.9 - 1.2 млн. кВт-ч в год на Г км линии. На тепловой баланс тоннелей существенное влияние оказывает глубина заложения подземных выработок, которая на разных участках метрополитена может отличаться на порядок. Следовательно, на различных участках метро влияние колебаний параметров атмосферного воздуха (температура и влажность) существенно неравномерно. Это обусловливает неравномерность требуемых параметров вентиляционных режимов [22].
Вентиляция метрополитенов, эксплуатирующихся в регионах с резкоконтинентальным климатом, например, в Сибири, имеет свои особенности [34,35]. В первую очередь к ним относится сезонный характер работы вентиляции. Например, многолетний опыт эксплуатации Новосибирского метрополитена показал, что для сохранения требуемых температур на станциях и в тоннелях вентиляционная система должна отключаться при появлении отрицательных среднесуточных температур атмосферного воздуха. Это обусловлено, главным образом, недостаточными теплоаккумулирующими способностями вентиляционных шахт и тоннелей из-за их мелкого заложения. Воздухообмен при этом осуществляется посредством «поршневого действия» поездов [36] и естественной тяги через вестибюли станций, которая при отрицательных температурах атмосферного воздуха составляет 12 - 28 % от всего воздухообмена [1]. Вентиляторы в венткамерах на станциях и перегонах отключены и находятся в состоянии готовности к выполнению аварийного режима, вентиляционные каналы перекрыты затворами гражданской обороны. Опыт эксплуатации показывает, что при любой технологической схеме, включение системы вентиляции в холодный период года приводит к переохлаждению тоннельного воздуха и строительных конструкций вентиляционных и путевых тоннелей. В то же время, отсутствие принудительной вентиляции ведет к неравномерности воздухообмена и образованию застойных зон воздуха. В связи с этим возникает задача поиска рациональных схем вентиляции и исследования возможности периодического или уменьшенного по объему постоянного проветривания в холодный период.
При аварийном включении вентиляции в зимний период резко возрастает влияние пожарной тепловой депрессии, развиваемой при горении поезда в тоннеле вследствие значительной разности температур наружного воздуха и пожарных газов. Противодействие пожарной депрессии напору, развиваемому вентиляторами, может привести к опрокидыванию потока воздуха и задымлению путей эвакуации пассажиров, так, что они становятся непригодны для вывода пассажиров и обслуживающего персонала. Возникает необходимость определения степени влияния естественной тяги на процесс вентиляции для зимнего периода года и при возгорании поезда в тоннеле. Все это обусловливает актуальность задачи определения параметров и режимов вентиляции в штатном и аварийном режимах с учетом климатических и конструктивных факторов и особенностей, как метрополитена, так и вентиляторов.
Основным объектом при исследовании системы вентиляции являются ее следующие параметры: - направление движения воздуха на участках; - расход воздуха на участках; - температура воздуха; - производительность и давление вентиляторов. Исследования параметров вентиляционной системы особенно эффективно проводить на сетевых математических моделях. Вопросам моделирования вентиляционных систем посвящено большое количество работ, которые в основном относятся к вентиляционным системам шахт и рудников. Несмотря на то, что вентсистемы шахт и метрополитенов подобны и имеют много общего, есть и существенные отличия. К этим отличиям относятся: - большое количество соединений сети с атмосферой в виде вестибюлей, вентиляционных киосков, порталов метромоста, метродепо и др.; - различное направление и значение естественной тяги на различных т участках вентиляционной сети, которое не всегда удается учесть поправкой к характеристике вентилятора; - большое количество вентиляторов тоннельной вентиляции; - подверженность интенсивному возмущению вентиляционного потока из-за поршневого действия от движущихся поездов; - существенно более мелкое заложение участков вентиляционной сети, что обеспечивает их более значительную взаимосвязанность через общую точку - атмосферу.
Определение расхода воздуха, необходимого для работы тоннельной вентиляции в штатном режиме
В соответствии с требованиями пункта 5.8 СНиП 32-02-2003 «Метрополитены» необходимо обеспечить не менее 3-х кратного воздухообмена в час по внутреннему объему пассажирских помещений и не менее 30 м /ч на одного пассажира, причем в часы «пик» это число увеличивается до 50 м3/ч.
Рассмотрим требования к производительности вентиляторов, исходя из объема станций. Объем станций зависит как от ее конструкции, так и от длины платформы, которая определяется максимальным количеством вагонов в поезде, эксплуатируемом в конкретном метрополитене.
При расчете производительности вентилятора следует учесть, что воздух подается на платформу через эскалаторные спуски и из 2-х тоннелей, подходящих к платформе со стороны противоположной той, где находится станционная венткамера (рисунок 2.12). Из 2-х других тоннелей, воздух не попадает на платформу, а движется непосредственно в венткамеру.
Учтем, что около 26 % объёма воздуха, перемещаемого станционным вентилятором, поступает на платформу через эскалаторные спуски [57]. И только половина объёма воздуха из оставшихся 74 % также проходит через платформу.
Таким образом, объём воздуха, проходящего через платформенный зал, составляет 63 %. - платформа; 2 - венткамера; 3 - эскалаторный тоннель Стрелками показано направление движения воздуха, а цифрами процентное соотношение его количества Рисунок 2.12 - Схема движения воздуха по станции
Если пренебречь потерями в вентиляционной камере в виде перетечек воздуха, то Qc является производительностью станционного вентилятора для выполнения нормативных требований по кратности воздухообмена в пассажирских помещениях станций с платформой вмещающей 5-ти вагонный поезд, что характерно для метрополитенов мелкого заложения.
Так как величина Q2 зависит одновременно от пассажиропотока Пи интенсивности движения поездов I, то проведем анализ этих зависимостей по графикам с использованием рисунка 2.13. В большинстве метрополитенов России при максимальном пассажиропотоке 1000 - 8000 пасс/час [57] интенсивность движения поездов составляет 15-20 пар/час. Для такого сочетания параметров П и I требуемый расход через платформенный зал станции составит Q2 « 3-9 м /с. Следовательно, Q2 не превышает Qi. При неизменном пассажиропотоке, с ростом интенсивности движения метропоездов, уменьшается количество пассажиров, одновременно находящихся на станции, поэтому уменьшается и требуемое количество воздуха, подаваемого вентилятором.
Причем при температуре атмосферного воздуха выше +25С, необходимая производительность вентиляторов резко возрастает. Прирост этой температуры в диапазоне от +25 до +27 С ведет к увеличению необходимой производительности вентилятора от 85 до 140 м3/с. Это превышает возможности вентиляционной системы. При температуре атмосферного воздуха выше +25С необходимо изменять схему включения вентиляторов на следующую: станционные вентиляторы - отключены, перегонные - включены на приток.
При этом сохраняется направление движения воздуха (от перегонной венткамеры к станции), который, охлаждаясь при взаимодействии со стенками тоннеля, понизит свою температуру и будет «вытолкнут» со станции через вестибюли поршневым действием поездов. Таким образом, максимальная производительность вентилятора, необходимая для удаления избыточного тепла в метрополитенах мелкого заложения, эксплуатирующих 4-х - 5-ти вагонные поезда, равна QB = 85-90 м3/с.
Движение поездов по тоннелям метрополитена вызывает значительные потоки воздуха, сопровождающиеся периодическими изменениями скорости воздуха и колебаниями его давления [1,59]. Движущиеся поезда существенно изменяют аэродинамическое сопротивление участка вентиляционной сети, по которому они перемещаются. Движение пассажиров через двери вестибюлей станции также ведет к изменению сопротивления последних. Это обстоятельство приводит к значительным колебаниям аэродинамического сопротивления станций. Институт горного дела СО РАН провел комплексное исследование действующих возмущений в Новосибирском метрополитене. Эксперименты проводились под руководством д.ф-м.н. Шера Е.Н на станции «Октябрьская» и прилегающем перегоне.
Запись сигналов датчиков велась в течение 30 - 45 минутных отрезков. По данным динамического давления определялась скорость воздуха. На рисунке 2.16 пиковые значения скоростей обозначены числами. С помощью численного интегрирования вычислялся объем воздуха, перемещенный по тоннелям в результате прохода поезда (на рисунке 2.16 обозначен знаком 1).
Проведенные экспериментальные исследования воздушных потоков на станции «Октябрьская», вызванных суммарным действием движения поездов и работы вентиляторов, показали, что пиковые значения скоростей и динамического давления воздушных потоков определяются в основном движением поездов и составляют 3-6 м/с (Pdv = 7-20 Па).
Установлено, что за один проход пары поездов через станцию перемещается от 2 до 3 тыс. м воздуха. Эта величина зависит от режима работы вентиляторов. Максимальное значение разрежения на станции, наблюдаемое в момент ухода поезда со станции, составляет 25-32 Па. В тоже время максимальное статическое давление от поршневого действия поезда достигается в тоннеле в центре полуперегона (замерный пункт ТІ на рисунке 2.16) и составляет 212 Па, а в перегонной вентиляционной камере (замерный пункт Т5) - 100 - 120 Па.
Определим, какую часть вентиляционной нагрузки по проветриванию станций метрополитена можно переложить на поршневое действие поездов. Исследование проведем на примере станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена.
Исследование воздухораспределения под влиянием тепловой депрессии, развиваемой при пожаре
При возгорании вагона поезда в тоннеле увеличивается разница температур между атмосферным и тоннельным воздухом. Возникающая при этом дополнительная пожарная тепловая депрессия (ПТД) может оказать значительное влияние на общее количество поступающего на аварийный участок воздуха и его распределение в вентиляционной сети [55,56,64,65]. Без учета этой депрессии велика вероятность большой погрешности при составлении плана ликвидации аварии и разработке режимов работы системы тоннельной вентиляции, обеспечивающих безопасность путей эвакуации пассажиров и обслуживающего персонала.
Поскольку ПТД способна вызвать опрокидывание вентиляционной струи, необходимо производить ее точный учет. СП 32-105-2004 (п.5.16.5.4) для защиты людей от проникновения дыма регламентирует скорость воздушного потока в зоне примыкания эвакуационных путей к платформенным залам станции не ниже 1.7 м/с.
В СП 32-105-2004 «Метрополитены» приведены значения требуемой скорости воздуха Vjp в аварийном тоннеле, которая при уклоне более 10% составляет 2.3 м/с для тоннеля кругового очертания внутренним диаметром 5.1 м. Большинство участков Новосибирского метрополитена имеют уклон менее 10%, но проверять устойчивость вентиляционной струи необходимо и для них.
Ее величина также рассчитывается по формуле (3.1), где h - это высота вентиляционной камеры от уровня головки рельса в месте слияния с тоннелем до уровня выхода воздуха из венткиоска. В отличие от тоннеля действие ПТД в венткамере совпадает по направлению с тягой вентилятора при его работе в вытяжном режиме. Поэтому учет влияния ПТД производится корректировкой аэродинамической характеристики вентилятора путем прибавления величины пожарной тепловой депрессии к свободному члену квадратной параболы, аппроксимирующей аэродинамическую характеристику вентилятора. Расчетные значения ПТД в перегонной вентиляционной камере приведены в таблице 3.2 для случая развитого пожара на перегоне между станциями «Сибирская» и «Площадь Гарина-Михайловского» Новосибирского метрополитена.
Пожарная тепловая депрессия в перегонной венткамере уменьшается с увеличением расстояния от венткамеры до горящего поезда. По данным расчетов для рассматриваемого примера при глубине заложения не более 15 м величина ПТД составляет 4-66 Па. Прирост производительности двух вентиляторов ВОМД-24 в перегонной венткамере, с углом установки лопаток рабочего колеса 45, от влияния ПТД составляет 5-6 м/с, т.е. около 5% суммарной производительности венткамеры. Поэтому ПТД в вентиляционной камере можно пренебречь, если расстояние от перегонной венткамеры до горящего метропоезда более 200 м. При горении поезда на большем расстоянии ошибка в расчете воздухораспределения не превысит 5%. Но при большой глубине заложения перегонной венткамеры ПТД возрастет прямо пропорционально глубине заложения, и тогда учет ее действия необходимо производить для случая возгорания метропоезда в любой точке перегона. 3.3 Исследование тепловых режимов работы тоннельной вентиляции при возгорании вагона поезда в тоннеле метрополитена
Возгорание и остановка горящего поезда в тоннеле является одним из наиболее опасных случаев аварийной ситуации в метрополитене. Это обусловлено большим скоплением пассажиров в непосредственной близости от очага возгорания, наличием единственного эвакуационного пути (тоннеля) и длительным временем эвакуации. Первоочередной задачей при ликвидации аварий является безопасная эвакуация пассажиров и обслуживающего персонала из аварийной зоны. Для этого необходимо, чтобы пути эвакуации остались незадымленными, а поток свежего воздуха был направлен навстречу эвакуирующимся. Чтобы разработать режимы работы вентиляции, обеспечивающие безопасность путей эвакуации людей с аварийного участка, необходимо решить следующие задачи: - провести расчет температуры пожарных газов при движении их по тоннелю от горящего поезда до места дымоудаления; - определить направление действия и величину пожарной тепловой депрессии; - рассчитать требуемое воздухораспределение с учетом тепловой депрессии; - определить тепловой режим работы вентиляторов при обтекании их потоком удаляемых нагретых пожарных газов.
Зависимость температуры пожарных газов в некотором сечении тоннеля определяется зависимостью коэффициента нестационарной теплообмена [45-47, 9,10,74-76] от времени развития пожара и удалением от очага горения, пожарная тепловая депрессия рассчитывается на основе гидростатического метода [11,69], требуемое воздухораспределение определяется с помощью численных экспериментов [37,77] на сетевой модели вентиляционной сети метрополитена (раздел 2).
Исследования проводились на примере действующего участка Новосибирского метрополитена: перегон между станциями «Сибирская» и «Площадь Гарина-Михайловского» (рисунок 2.19). Станция «Площадь Гарина-Михайловского» - тупиковая, станция «Сибирская» является пересадочной и имеет общий вестибюль со станцией «Красный проспект». Между пересекающимися линиями метрополитена существует вентиляционная сбойка. Кроме того, линии связаны однопутной соединительной веткой. Схема воздухораспределения при возгорании крайнего вагона поезда В каждой вентиляционной камере на станциях и перегоне установлены по два вентилятора ВОМД-24. При включения системы вентиляции в штатном режиме в теплый период года вентиляторы в станционных венткамерах включены на вытяжку, перегонные вентиляторы отключены и находятся в режиме готовности к аварийному включению, их шиберные аппараты открыты. В холодный период года вентиляторы на станциях и перегонах отключены и находятся в режиме готовности к аварийному включению. При горении хвостового вагона наиболее удаленного от перегонной вентиляционной камеры конца поезда (вариант №1 на рисунке 3.1) задача обеспечения требуемых параметров воздушного потока на путях эвакуации пассажиров решается относительно просто вне зависимости от номера участка.
Обоснование путей модернизации действующего парка тоннельных вентиляторов
В метрополитенах стран СНГ парк тоннельных вентиляторов насчитывает более 1800 действующих машин, из них 84 % составляют: типа ЦАГИ - 16% и ВОМД-24 - 68%. Вентиляторы ЦАГИ в большинстве своем трехкратно, а вентиляторы ВОМД-24 двукратно выработали проектный ресурс, так как первые работают по 40-50 лет, а вторые более 15—35 лет. По ряду причин, указанные вентиляторы морально были устаревшими еще в начале 80-х годов XX века, в то время как более 2/3 парка вентиляторов тоннельной вентиляции, например, США, Великобритании, Японии и некоторых других стран использовали осевые машины с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса [86-89]. Отечественные вентиляторы, которые создавались на основе аэродинамических схем У-2, К-06 и ОВ-103, разработанных ЦАГИ в 40-х - 60-х годах, не эффективны и не обеспечивают всех требований, предъявляемых к тоннельным вентиляторам современными нормативными документами. Для устранения этого несоответствия потребность метрополитенов в замене тоннельных вентиляторов, выработавших свой ресурс, составляет 35 % от общего количества [3]. Однако замена даже одного вентилятора связана с существенными затратами, т.к. сопряжена с подготовительными, демонтажными, монтажными и др. работами и приобретением нового оборудования.
В условиях дефицита бюджетного финансирования метрополитенов, являющихся муниципальной структурой, экономически целесообразна модернизация действующих вентиляторов, которая в два - три раза дешевле их замены. Для метрополитенов СНГ (Новосибирск, Нижний Новгород, Ташкент, Минск) доля вентиляторов ВОМД-24 составляет более 80 %, а в Самарском, Ереванском, Харьковском и Днепропетровском метрополитенах эксплуатируются только указанные вентиляторы. Причём большая часть таких вентиляторов установлена на линиях мелкого заложения. Очевидно, что модернизацию тоннельных вентиляторов необходимо начинать именно с ВОМД-24.
Теоретические исследования ИГД СО РАН и Института гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ СО РАН) позволили создать ряд новых аэродинамических схем для осевых вентиляторов тоннельной вентиляции, которые особенно эффективны при создании реверсивных машин с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса [85]. Применение новых аэродинамических схем позволяет не только создавать высокоэкономичные и надежные вентиляторные установки, но и начать модернизацию устаревшего парка тоннельных вентиляторов с целью продления срока их службы, повышения эксплуатационных аэродинамических характеристик (давления, производительности и к. п. д.) и повышения надежности установок, в том числе в режиме реверсирования.
При оснащении вентилятора ВОМД-24 механизмом поворота лопаток рабочего колеса потребуются более мощный приводной электродвигатель и новые рабочие лопатки, имеющие специальную геометрию на заданные вентиляционные параметры заказчика (например, по аэродинамическим схемам АМ-27 или АМ-25А), обеспечивающие повышение максимальной производительности. При модернизации необходимо заменить двухступенчатый ротор на одноступенчатый, демонтировать поворотно-лопастной СНА, заменив его на неповоротный СА, лопатки которого жестко крепятся между корпусом (кожухом) и втулкой вентилятора. Изменение угла установки лопаток РК для регулирования и реверсирования производительности на ходу вентилятора осуществляется, например, посредством механизма типа РЭМ-3-300-25 ИКПН.031.01.00.ТУ. По предварительным оценкам, модернизация вентилятора путём замены старого ротора на новый с механизмом поворота лопаток рабочего колеса будет составлять половину стоимости установки нового агрегата [50], что в ценах 2005 г. составит примерно 700- 800 тыс. руб. Для управления таким модернизированным вентагрегатом потребуется новая система, стоимость которой составит около 400 - 500 тыс. руб.
Применение частотно регулируемого привода позволяет без изменения аэродинамической схемы обеспечить как регулирование, так и форсирование режима работы. Такая модернизация, в основном, будет сводиться к демонтажу ЛРК на второй ступени, замене клиноременной передачи существующего приводного электродвигателя на жёсткую механическую связь с валом вентилятора с применением преобразователя частоты. В качестве преобразователя частоты предлагается использовать, например, типа FR-A-540 фирмы MITSUBISHI ELECTRIC, обеспечивающий большую перегрузочную способность до 150% и широкий диапазон регулирования от 0,01 до 50 Гц. В результате, появляется возможность регулировать подачу воздуха в широком диапазоне, исходя из фактической потребности в любой промежуток времени. Без изменения действующей системы управления вентилятором преобразователь частоты позволяет также осуществлять плавные пуски и торможение электродвигателя, изменение производительности вентагрегата в зависимости от интенсивности движения поездов и от температуры атмосферного воздуха. Регулирование режима вентилятора снизит расход электроэнергии на проветривание станций и тоннелей дополнительно на 35 - 42 % [50]. По предварительным оценкам, модернизация вентилятора путём установки преобразователя частоты будет составлять около 20% стоимости нового агрегата, что в ценах 2005 г. составит не более 200 тыс. руб.