Рис. 1. Возможные варианты обустройства тоннелей с продольной схемой вентиляции
Рис. 2. Графоаналитические методы определения
Рис. 3. Значения эффективности и акустические показатели осевых вентиляторов фирмы Matthews & Yates
Табл. 1. Крупнейшие зарубежные проекты, реализованные за последнее время
Наиболее значительные научнопрактические исследования осуществлены фирмой PB (Parsons Brinckerhoff) в рамках проекта SERP (Subway Environment Research Project). Результатом явилась разработка фундаментального руководства по проектированию систем вентиляции тоннелей (Subway Environmental Design Handbook), а также программного комплекса SES (Subway Environment Simulation).
Последний использует новейшие средства численного моделирования применительно к задачам промышленной аэродинамики, широко известные как CFD (Computational Fluid Dynamic) и являющиеся воплощением последних достижений в области компьютерных технологий и теории параллельных вычислений.
Программный комплекс SES оснащен развитым интерфейсом, обеспечивающим моделирование работы систем вентиляции, как в штатном, так и в экстремальных режимах (аварии, пожары, взрывы) с использованием визуализации получаемых результатов компьютерными средствами VR (Virtual Reality).В табл. 1 представлена сводка крупнейших зарубежных проектов, реализованных за последнее время. Известны три основные схемы вентиляции тоннелей:
- Поперечная схема, при которой воздух подается вдоль одной из стен и удаляется вдоль другой. Недостатком является большая протяженность используемых воздуховодов. Возможно использование как осевых, так и центробежных вентиляторов.
- Полупоперечная схема, при которой воздух раздается с некоторой степенью равномерности по длине туннеля и вытесняется в осевом направлении.
- Продольная схема, при которой вентиляторы монтируются под сводом туннеля, обеспечивая продольное перемещение воздуха.
Последняя схема является наиболее экономичной при длине тоннеля до 1 км в условиях нормальной плотности транспортного потока. На рис. 1 представлены возможные варианты обустройства тоннелей с продольной схемой вентиляции. В качестве основного технического средства реализации указанных вариантов являются осевые вентиляторы.
Выбор и обоснование используемых моделей осевых вентиляторов определяется их аэродинамической характеристикой. Наряду с требуемыми номинальными параметрами (расход воздуха, статический напор) учитываются показатели, характеризующие влияние: а — скорости вращения электродвигателя; б — плотности воздуха и в — сопротивления системы на работу вентилятора. На рис. 2 схематически представлены соответствующие графоаналитические методы определения указанных показателей. Интегральная эффективность осевых вентиляторов определяется следующим соотношением:
где: L — расход воздуха, м3/с; P — развиваемый напор, н/м2; N — мощность вентилятора, кВт. Помимо этого, одним из решающих факторов являются акустические характеристики вентилятора, сравнительный анализ которых осуществляется по силовым (дБ) и мощностным (дБА) показателям, определяемым согласно методике №1 стандарта BS 848, часть II.
Наиболее известным производителем осевых вентиляторов, предназначенных для вентиляции тоннелей, является фирма Matthews & Yates (Великобритания), специализирующаяся в данной области с 1882 г. Продукция фирмы имеет мировую известность также под брендами GW Axial, Myson Fans и Brooks.
На рис. 3 представлены значения эффективности и акустические показатели осевых вентиляторов производства фирмы Matthews & Yates с диаметром импеллера 305; 380; 480; 535; 610; 760; 965; 1220; 1525; 1900 мм, что соответствует обеспечиваемым расходам воздуха от 50 до 170 000 м3/ч.Ниже в качестве примера приводится краткая характеристика проектных решений вентиляции автомобильного тоннеля в районе г. Сочи, осуществленных АООТ «Ленметрострой» (к.т.н. Э.М. Юшковский) с использованием вышеупомянутого оборудования производства фирмы Matthews & Yates.
Аналогичные решения использованы в системе вентиляции Северо-Муйского железнодорожного тоннеля.
Краткое описание принятой системы вентиляции
Принятая вентиляционная система тоннеля включает в себя следующие обособленные подсистемы, связанные решением общей задачи — обеспечение нормируемых параметров воздушной среды в подземном транспортном сооружении. Этими подсистемами являются:
- Струйная система вентиляции транспортного отсека тоннеля.
- Система дымоудаления при аварии.
- Система вентиляции дренажной штольни.
- Система управления вентиляционным оборудованием.
Работа струйной вентиляции транспортного отсека
Воздух для проветривания тоннеля забирается из атмосферы через портал и с помощью струйных вентиляторов перемещается вдоль тоннеля и выбрасывается через противоположный портал. Предпочтительной при эксплуатации является организация работы системы таким образом, чтобы использовать действие естественных факторов, облегчающих работу системы. В данном случае такими факторами являются утренний и вечерний бризы, действующие круглогодично.
Работа системы дымоудаления при аварии
При возникновении в тоннеле аварии на транспорте (пожар или загорание) в работу включается система дымоудаления. При этом находящаяся в работе система струйной вентиляции штольни отключаются. Атмосферный воздух, замещающий отсасываемые продукты горения, поступает через порталы и удаляется в атмосферу через дренажную штольню. Дымоудаление через штольню осуществляется по всему сечению.
Учитывая, что в начальных стадиях пожара продукты горения скапливаются под сводом тоннеля, организован их отсос из этого пространства. Для этого в месте примыкания дренажной штольни сооружена разграничительная перегородка, позволяющая сформировать отсасываемый поток газов. Для перераспределения потоков воздуха и продуктов горения предусмотрена возможность использования системы струйной вентиляции в совместной работе с установкой дымоудаления.
Вентиляция дренажной штольни
При постоянной эксплуатации воздух для проветривания штольни забирается из транспортного отсека тоннеля и выбрасывается в атмосферу через портал штольни. Такой режим проветривания предусмотрен исходя из климатических параметров воздушной среды штольни, характеризующейся высокой влажностью, с целью обеспечения сохранности вентиляционного и электротехнического оборудования системы дымоудаления, расположенного в вентиляционной камере штольни.
При выполнении осмотров штольни, ремонтных работ на оборудовании, ревизий и прочее производится реверсирование вентиляционной установки, и воздух для проветривания штольни забирается из атмосферы через портал штольни и выбрасывается в транспортный отсек тоннеля. Эта операция должна выполняться не позднее, чем за 15 мин до начала работ в штольне или вентиляционной камере. Допускается постоянное использование вентиляционной установки на подачу свежего воздуха через портал штольни в переходные периоды года (весна, осень), при невысокой (до 75 %) влажности атмосферного воздуха.
Система тоннельной вентиляции
Для проветривания тоннеля принята продольная система тоннельной вентиляции (СТВ). Расход воздуха определен по обеспечению предельно-допустимой концентрации оксида углерода, в соответствии с требованиями СНиП 3204–97 для режима движения «А» (п. 7.26), составляющей 150 мг/м3 для времени пребывания транспорта в тоннеле 1,5 мин. Нормируемые санитарно-гигиенические условия обеспечиваются при расходе воздуха 390 тыс. м3/ч.
Принятый расход воздуха удовлетворяет требованиям СНиП и для режимов «Б» и «В» движения транспорта. Для СТВ приняты одноступенчатые струйные вентиляторы типа 30G.4Р диаметром 760 мм с частотой вращения рабочего колеса 1440 мин–1 с двигателем на одной оси мощностью 5,37 кВт. Всего в тоннеле установлены 20 агрегатов системы струйной вентиляции. Установки реверсивны и конструкция вентилятора позволяет при реверсе сохранить 100 % производительность.
Двигатель вентилятора имеет изоляцию класса «F» и в состоянии работать в газовом потоке с температурой 600 °С в течении 1,5 ч.Вентиляторы попарно смонтированы под сводом тоннеля симметрично относительно вертикальной оси с шагом 128 м. Для монтажа и демонтажа используется специальный автотранспорт с грузоподъемным оборудованием.
Учитывая значительное количество вентагрегатов СТВ, предусмотрено хранение на складе 20 %го (четыре штуки) резерва для срочной замены при выходе из строя в процессе эксплуатации или в результате аварии.
Система дымоудаления при аварии
Для системы дымоудаления, по аналогии с нормами для автодорожных тоннелей Западной Европы RVS 9.261 «Основные принципы», принят расход воздуха — 80 м3/с.Выполненный расчет показал, что для обеспечения данного расхода воздуха с выбросом его через дренажную штольню в атмосферу требуется напор вентилятора H = 45 кГ/м2. Для установки дымоудаления использован вентилятор 75G.8Р фирмы Matthews & Yates с электродвигателем на одной оси мощностью 75 кВт и частотой вращения 720 мин–1.
Двигатель имеет изоляцию класса «F» и может работать в течении 1,5 ч в газовом потоке с температурой 600 °С. У вентиляторов установлены вентиляционные клапаны, перекрывающие проточную часть неработающего агрегата и имеющие электрическую блокировку с приводным двигателем. Установлены два вентагрегата — один рабочий, второй 100 % резерв. Размещения вентиляционного и электротехнического оборудования осуществлено в камере штольни. Вентиляторы смонтированы на фундаментах. В камере предусмотрено необходимое грузоподъемное оборудование и транспортная тележка для перемещения вышедшего из строя электродвигателя.
Система вентиляции дренажной штольни
Для вентиляции дренажной штольни предусмотрена механическая принудительная вентиляции, которая осуществляется осевым одноступенчатым вентилятором фирмы Matthews & Yates с электродвигателем на одной оси мощностью 5,37 кВт и частотой вращения 1440 мин–1. Производительность вентилятора составляет 29 тыс. м3/ч, что создает скорость движения воздуха 0,91 м/си обеспечивает в штольне нормируемые в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005–88 (189) «Воздух рабочей зоны.
Санитарно-гигиенические и климатические условия».Конструкция вентилятора 30G.4Р обеспечивает реверсивную его работу с сохранением 100 % производительности. Двигатель имеет изоляцию класса «F» и может работать в течении 1,5 ч в газовом потоке с температурой 600 °С. Вентилятор смонтирован в вентиляционной камере установки дымоудаления в простенке, разделяющем всасывающие и нагнетающие линии вентиляторов. У вентилятора установлен вентиляционной клапан, электрически сблокированный с двигателем.
