Управление воздукораспределением в метрополитенах мелкого заложения

Краткое описание

Содержание
Введение... 4

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

49 метрополитена в штатных режимах... Dy

2.1 Исследование степени взаимосвязанности вентиляционных режимов станций на линии метрополитена... 39

2.2 Определение расхода воздуха, необходимого для работы тоннельной вентиляции в штатном режиме... $2

2.3 Экспериментальные исследования влияния температуры атмосферного воздуха на параметры воздушной подземной среды при штатном проветривании... 54

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

2

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... 93

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... *21

4.1 Выбор критериев...

4.2 Обоснование путей модернизации действующего парка

19S

тоннельных вентиляторов... 1ZJ

4.3 Разработка рекомендаций по снижению энергопотребления на тоннельную вентиляцию... 128

4.4 Выводы ... 138

Заключение... 139

Библиография... 141

Приложения... 150
Введение

Введение

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 путём строительства метрополитенов мелкого или глубокого заложения. Состояние 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°С.

б) нормативные параметры микроклимата на тупиковой станции метрополитена при температуре атмосферного воздуха от минус 5°С до минус 30°С 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;

- 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 МУП «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 МУП «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. ф 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.

{Г

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.

8

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

С ростом крупных городов обостряется проблема развития наземных транспортных коммуникаций. Средняя скорость движения общественного транспорта находится в пределах 15 - 20 км/ч. Увеличение парка автобусов, троллейбусов и других подобных транспортных средств остроты проблемы не снимает. Поэтому развитие подземных транспортных коммуникаций (метрополитенов) является эффективным решением проблемы перевозки пассажиров в крупных городах.

В современных условиях метрополитен, один из наиболее совершенных видов городского транспорта, способен справиться с высокой интенсивностью пассажиропотока. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его систем вентиляции, на которую существенное влияние оказывают как интенсивность перевозок в метрополитене, так и метеорологические и гидрогеологические условия города, в котором он расположен. Вентиляция выполняет важнейшую функцию в системе жизнеобеспечения метрополитенов, как в штатных режимах, так и в аварийных ситуациях.

В связи с этим проблема создания эффективной системы тоннельной вентиляции для метрополитенов актуальна и имеет важное научное и народнохозяйственное значение [1-5];

В Российской Федерации распространен подземный метрополитен, который обеспечивает решение транспортной проблемы городов, не нарушая как сложившуюся планировку улиц, так и их внешний вид. Участки метрополитенов с глубиной заложения более 20 м относятся к участкам глубокого заложения, а менее 20 м - мелкого заложения. Участки мелкого заложения сооружаются в основном открытым способом, т.е. с нарушением поверхности земли с

последующей его засыпкой, глубина заложения тоннелей находится в пределах 5- 12 м. При закрытом способе тоннели закладываются на глубине более 8 м.

Система вентиляции путевых тоннелей (перегонные тоннели, станции, тупики, камеры съездов поездов и соединительные тоннели), является основной -тоннельной, а система вентиляции отдельных служебных помещений или их группы - местной.

В сооружениях метрополитена выделяются следующие вредности [1]:

- тепло от поездов, освещения, приточных вентиляционных установок в тоннелях и притоннельных сооружениях кабельной сети, токоведущих рельсов, эскалаторов, электротехнических установок тяговых и понизительных электроподстанций (выпрямительных, аккумуляторных, распределительных устройств, пультов управления и др.), пассажиров и обслуживающего персонала;

- влага, увлажняющая тоннельный воздух, выделяется при дыхании и потовыделении пассажиров и обслуживающего персонала, испарение с мокрых поверхностей тоннелей, смачиваемых грунтовой водой, проникающей в тоннели через неплотности гидроизоляции, а также в периоды мытья тоннелей и платформ станций;

- газы, выделяемые пассажирами и обслуживающим персоналом при дыхании (двуокись углерода), а также другие газы, проникающие в тоннели через неплотности гидроизоляции с грунтовой водой, из газопроводов, фекальной канализации и др., которые пересекают метрополитен, или проходят вблизи него. Аккумуляторные батареи, расположенные в тягово-понизительных электроподстанциях, также являются источником загрязнения воздуха аэрозолями серной кислоты или едких щелочей (в зависимости от типа применяемых аккумуляторов) и водорода, выделяющихся из электролита. Водород может создать в воздухе, в определенных условиях, взрывоопасную концентрацию;

- пыль, образующаяся в тоннелях вследствие истирания рельсов, колесных бандажей и тормозных прокладок подвижного состава, а также вследствие выветривания верхнего строения пути и обделки тоннелей и вносимая с наружным воздухом и обувью пассажиров;

10

- маслянистый туман - продукт охлаждения паров минеральных масел и керосина, применяемых для смазки и промывки подвижных частей вагонов;

- микробиологическая обсемененность - возникает от людей особенно в вагонах и на станциях в периоды наибольшего скопления пассажиров в часы пик.

Основными нормативными документами, регламентирующими требования к вентиляции, являются СНиП 32-02-2003 «Метрополитены», СП 32-105-2004 «Метрополитены» и СП 2.5.1337-03 «Санитарные правила эксплуатации метрополитенов».

Вентиляция тоннелей метрополитена предусматривается для извлечения на поверхность выделяющихся в них вредностей, а также для поддержания в тоннелях заданных метеорологических условий и химического состава воздуха. Основным параметром системы вентиляции является расход подаваемого и удаляемого воздуха, который для проектируемого участка должен удовлетворять следующим требованиям [6,7]:

- баланс между количеством приточного и вытяжного воздуха с преобладанием количества приточного воздуха на 15- 20% (выполнение этого требования ориентировано на приточно-вытяжные системы с механическим побуждением и должно препятствовать возникновению зон застойного воздуха в помещениях сооружений метрополитена, находящихся вне главной вентиляционной струи тоннельной вентиляции);

- обеспечение не менее трехкратного воздухообмена в час по внутреннему объему пассажирских и других помещений, обслуживаемых тоннельной вентиляцией;

- подача наружного воздуха не менее 30 м3/ч, а в часы пик - не менее 50 м3/ч на одного пассажира;

- содержание загрязняющих веществ в воздухе тоннелей и пассажирских помещений не должно превышать максимальных разовых предельно допустимых концентраций для атмосферного воздуха населенных мест по ГН 2.1.6.1338-03 и ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» с учетом фоновых концентраций этих веществ в местах

11

размещения воздухоприемных устройств, концентрация смешанной пыли - 0,5 мг/м3, содержание двуокиси углерода - в летнее время - 0,1%, а в остальные сезоны года - 0,12% по объему;

- обеспечивать дымоудаление при пожаре на станции или в тоннеле. Особенностями проветривания метрополитенов мелкого заложения в условиях резко-континентального климата Западной Сибири являются:

- необходимость отключения тоннельной вентиляции при снижении температуры атмосферного воздуха ниже 8°С с целью недопущения размораживания водонесущих коммуникаций в тоннеле и сохранения теплового баланса на станциях. В связи с этим время работы тоннельной вентиляции ограничивается промежутком тёплого периода года с мая по октябрь;

- в зимний период года при наступлении устойчивых холодов температура в пассажирских помещениях тупиковых станций и станций, расположенных рядом

с выходом линии метрополитена в атмосферу (например, порталы метромоста)г\ опускается ниже нормативной;

- тоннельные сооружения и станции имеет малые аэродинамические сопротивления, что позволяет использовать поршневое воздействие поездов в качестве вентиляционной нагрузки при проветривании помещений и сооружений.

Безопасная и эффективная эксплуатация подземных сооружений определяется возможностью создания в них необходимых тепловых условий и связана с обеспечением:

- санитарно-гигиенических норм, предусматривающих отсутствие необратимых физиологических изменений в организме людей, чья деятельность связана с работой, обслуживанием, или пребыванием в подземных сооружениях;

- технологических требований, как предотвращающих возникновение аварийных ситуаций, угрожающих здоровью и жизни людей, так и направленных на создание рационального эксплуатационного режима.

Выбор параметров систем управления тепловыми режимами подземных сооружений базируется на анализе процессов тепломассопереноса в подвижной системе «флюид-горный массив». Закономерности протекания этих процессов в

12

метрополитене отличаются от аналогичных в наземных сооружениях ив горных выработках шахт и рудников. В первом случае это обусловлено влиянием переменных аэротермодинамических параметров воздушного потока, характеризующих условия формирования естественного теплового режима или определяющих выполнение заданных технологических требований, а во втором связано с существенной нестационарностью теплообмена с практически неограниченным горным массивом [8].

Научно-обоснованный выбор способов управления тепловым режимом подземных сооружений метрополитена, позволяющий не только обеспечить безопасный и эффективный режим их эксплуатации, но и приводящий к снижению энергетических, материальных и трудовых затрат на создание необходимых параметров микроклимата в условиях нарастающего дефицита всех видов ресурсов, является актуальной проблемой.

В общем тепловом балансе тепловыделения в тоннельных сооружениях в результате взаимодействия массива грунта, окружающего их, с воздухом превышают 30-50% и во многом определяют тепловой режим сооружений. Поэтому точность учета этого источника тепловыделений имеет большое значение при оценке микроклимата сооружений и определении характеристик систем регулирования.

Основой для возникновения и развития теории тепломассообмена подземных сооружений метрополитена явились математические модели, описывающие тепловые режимы глубоких шахт и рудников. Различия в математическом описании тепловых режимов шахт и метрополитенов связаны в основном с различной глубиной проходки горных выработок и тоннелей метрополитена.

Первые попытки математического описания процесса рудничного тепломассообмена были предприняты еще в 30-х годах прошлого века F. Jansen, Б. Шточесом и Б. Черником, G. Jeppe, H. Fritzsche. Однако их расчетные формулы не отражали действительного характера процессов и были построены на принципиально неверном допущении о стационарности теплообмена между охлаждающимся породным массивом и рудничным воздухом [9].

13

Исследования теплового режима глубоких шахт и рудников в СССР были начаты еще в 30-х годах, однако действительно широкий размах они получили уже в послевоенные годы. Здесь следует отметить исследования А.Ф. Воропаева, К.В. Кочнева и особенно работы А.Н. Щербаня и О.А. Кремнева [10].

Тепловой расчет шахт и рудников, т.е. определение^ (х, т) и Т (х, R, т) -температуры воздуха и пород в любой точке для заданного момента времени при известных начальных условиях Ю (т) и фО (т) - представляет собой весьма сложную задачу, не имеющую точного решения.

Приближенное решение этой задачи дано А.Ф. Воропаевым [11], использовавшим метод конечных разностей для описания непрерывного процесса охлаждения породного массива в виде прерывной последовательности стационарных состояний.

Большим вкладом в изучение нестационарной теплопроводности, породного массива вокруг горной выработки являются исследования А.Н. Щербаня [10]; Его формулы для расчета Т (х, R, т) получены при условии, что температура рудничного воздуха не изменяется в течение всего периода 2т, и справедливы лишь для этого случая.

Наиболее правильным является решение задачи нестационарной теплопроводности породного массива вокруг горной выработки, полученное О.А. Кремневым, которым введено понятие о коэффициенте нестационарного теплообмена кт, получены формулы для определения кт в различных условиях, а также выражения для расчета поправок к кт, учитывающих изменения температуры воздуха за период проветривания выработки. Однако в указанные выражения входят неизвестные значения определяемой температуры воздуха t (x, т), амплитуды ее колебаний At (x, т) и среднего годового уровня 0(х, т), для расчета которых необходимо знать значение кт.

Краткий обзор исследований в области рудничного тепломассообмена указывает на сложность этих процессов. Существующие методы теплового расчета шахт и рудников являются приближенными. Методика учета фактора

14

времени и взаимообусловленности теплового режима выработок и температурного режима окружающих их пород недостаточно соответствует физической сущности процессов и нуждается в дальнейшем совершенствовании.

На основе этих исследований разработаны методы тепловых расчетов и выбора параметров систем регулирования тепловлажностных условий, которые вошли в соответствующие нормативные документы и в настоящее время широко используются в практике горно-теплофизических расчетов.

Тепловой режим подземных сооружений транспортного назначения определяется сложным сочетанием климатических, геолого-геотермических и горнотехнических факторов, значимость каждого из которых зависит от условий эксплуатации сооружений.

Применительно к выработкам подземных сооружений круг этих исследований ограничен рассмотрением отдельных вопросов, которые в той или иной мере изучались в работах А.Ф. Зильберборда, B.C. Гусева, Б.Ф. Шкурко, Р.Д. Октябрьского, В.А. Киреева, В.Я. Цодикова, B.G. Казакова, X. Бароу, С. Поупа, Г. Данко и др.

Вместе с тем, в этих работах в недостаточной степени были учтены закономерности процессов тепломассопереноса, свойственные для выработок подземных сооружений, а именно переменный характер аэродинамических параметров воздушного потоков, определяющий условия формирования естественного теплового режима и выполнения заданных технологических требований.

Более подробно этот вопрос рассмотрен в работах С.Г. Гендлера [12]. В результате обобщения теоретических и экспериментальных исследований им установлено, что изучение этих закономерностей следует осуществлять на основе анализа динамики процессов тепломассопереноса в системе «движущийся флюид - горный массив», которые в общем случае описываются уравнениями следующего вида:

15

di di

дт ду , (1.1)

дх дх

(1.2)

где i - энтальпия движущегося потока (Дж/кг); х - влагосодержание потока (кг/кг); v - скорость движения потока (м/с); рф - плотность потока, (кг/м3); qvn, Qvh, jvn, jvn - соответственно тепло- и влаговыделения, поступающие в движущуюся среду из горных пород и от других источников, расположенных в выработках подземных сооружений (Вт/м3, кг/(м3с)).

Выполненные оценки с помощью уравнений (1.1) и (1.2) позволили показать, что процессы тепломассопереноса в системе «движущийся флюид - горный массив» проходят в своем развитии следующие основные стадии:

а) для неограниченного горного массива: существенно нестационарную для флюида и горных пород, квазистационарную для флюида и существенно нестационарную для массива пород, квазистационарную для флюида и для массива пород;

б) для горных массивов конечных размеров - существенно нестационарную для флюида и массива пород, существенно нестационарную для флюида и регулярную для пород, регулярную для флюида и пород, стационарную для флюида и пород.

На тепловой режим тоннелей метрополитенов основное влияние оказывают циркуляционные потоки, образующиеся между параллельными тоннелями, вследствие действия поршневого эффекта, неравномерный характер выделения теплоты от энергетических источников, как по длине перегона, так ив течение суточного периода эксплуатации метрополитена [13]. Уточнение моделей тепломассобменных процессов, описанных в рассмотренных выше работах, позволит не только управлять тепловым режимом тоннелей с помощью вентиляции в штатных режимах, но и организовывать требуемое

16

воздухораспределение для таких аварийных ситуаций, как, например, возгорание метропоезда в тоннеле. При этом возникают такие дополнительные факторы, влияющие на вентиляцию, как дополнительная пожарная тепловая депрессия, задымление тоннелей и путей эвакуации. Кроме того, перегрев тоннельных осевых вентиляторов удаляемыми нагретыми пожарными газами способен вызвать их отказ, что может привести к опрокидыванию вентиляционных потоков и значительным человеческим жертвам. В холодный период года аварийная ситуация усугубляется необходимостью подачи в тоннель воздуха с низкой отрицательной температурой, что может привести к туманообразованию (затруднению эвакуации), образованию наледей (помеха в работе оборудования, в том числе и спасательного) и размораживанию оборудования инженерно-технических систем метрополитена. При этом резкий перепад температур способен вызвать деформацию обделки тоннелей и строительных конструкций помещений.

17

Список литературы