Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системы тоннельной вентиляции метрополитенов. Состояние и задачи исследования 11
1.1 Особенности и проблемы проветривания метрополитенов. Анализ требований, предъявляемых к системам тоннельной вентиляции... 11
1.2 Сравнительный анализ существующих систем вентиляции 14
1.3 Анализ специфических требований к проветриванию метрополитенов мелкого заложения в условиях резкоконтинентального климата Западной Сибири 17
1.3.1 Исследование работы вентиляционной системы метрополитена в штатных и аварийных режимах на примере Новосибирского 19
1.4 Выводы и задачи исследований 26
Глава 2. Исследование установившегося воздухораспределения при штатном режиме проветривания метрополитенов 28
2.1 Анализ методов исследования вентиляционных систем 28
2.2 Разработка математической модели вентиляционной системы Новосибирского метрополитена 40
2.3 Исследование воздухораспределения в вентиляционной системе Новосибирского метрополитена и сравнительный анализ эффективности технологических схем проветривания
2.4 Определение степени взаимосвязности вентиляционных режимов станций на линии метрополитена 56
2.5 Выводы 66
Глава 3. Исследование аварийных режимов работы тоннельной вентиляции метрополитенов при задымлениях и загазованиях станций 68
3.1 Анализ условий работы вентиляционной системы в случае задымления и загазования станций 68
3.2 Экспериментальные исследования режимов дымоудаления на станциях 71
3.3 Обоснование требований к станционным вентиляторам для реализации аварийного режима дымоудаления 80
3.4 Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих схем включения вентиляции в аварийном режиме 82
3.5 Выводы 74
Глава 4. Исследование действия опасных факторов при чрезвы чайных ситуациях (пожары и т.п.) в тоннелях метрополитена 85
4.1 Динамики нагрева воздуха при горении вагона метропоезда в тоннеле 85
4.2 Исследование тепловых режимов работы тоннельных вентиляторов при обтекании их потоком удаляемых высокотемпературных пожарных газов 92
4.3 Анализ влияния тепловой депрессии, развиваемой при пожаре, на воздухораспределение
4.4 Определение требований по производительности к тоннельным вентиляторам в перегонных вентиляционных камерах для реализации аварийного режима 99
4.5 Выводы 102
Заключение 103
Список литературы 105
Приложения 116
- Сравнительный анализ существующих систем вентиляции
- Разработка математической модели вентиляционной системы Новосибирского метрополитена
- Экспериментальные исследования режимов дымоудаления на станциях
- Исследование тепловых режимов работы тоннельных вентиляторов при обтекании их потоком удаляемых высокотемпературных пожарных газов
Введение к работе
Актуальность темы
Метрополитены являются одним из наиболее совершенных видов городского транспорта, способного справиться с высокой интенсивностью пассажиропотока. Поэтому их развитие является эффективным решением проблемы пассажироперевозок в крупных городах. В настоящее время в России действуют 5 метрополитенов и 4 находятся в стадии строительства.
Эксплуатационные показатели метро 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. Например, использование вентиляционных систем метрополитенов в условиях мелкого заложения и резко-континентального климата Западной Сибири носит сезонный характер. Это обусловлено, главным образом, недостаточными теплоаккумулирующими возможностями вентиляционных шахт и тоннелей из-за их мелкого заложения.
Одной из важнейших проблем современных метрополитенов является энергопотребление тоннельной вентиляции, которое уступает только энергопотреблению подвижного состава и достигает 0.9...1.2 млн кВт-ч в год на 1 км линий. При эксплуатационном КПД используемых вентиляторов 0.07.. .0.55 (в среднем 0.22) потери электроэнергии составляют более 70 %.
Метрополитен, как любой сложный технический объект подвержен авариям, в том числе и пожарам, задымлениям и загазованиям. Прогнозирование развития аварийной ситуации позволяет выработать технические решения для снижения отрицательных последствий аварии и заранее разработать эффективный план ее ликвидации. В связи с тем, что метрополитены мелкого заложения получают все большее распространение, задача совершенствования вентиляции - важнейшего звена системы жизнеобеспечения метро - актуальна и имеет важное научное и народнохозяйственное значение.
2. Цель работы в разработке технологических схем проветривания и режимов работы вентиляции в аварийных ситуациях для повышении экономичности, надежности и безопасности систем тоннельной вентиляции метрополитенов.
3. Идея работы в использовании методов математического моделирования с проведением численных экспериментов при помощи сетевой модели вентиляционной системы метрополитена для штатных и аварийных режимов с учетом теплофизических закономерностей.
4. Задачи исследований
- создание сетевой математической модели вентиляционной системы метрополитена мелкого заложения с учетом специфических особенностей объекта и адаптация существующего программного обеспечения по расчету шахтного воздухораспределения для исследования работы вентиляции при штатных и аварийных режимах;
- анализ различных технологических схем вентиляции метрополитенов мелкого заложения в условиях резкоконтинентального климата, разработка и обоснование наиболее эффективной схемы по критериям безопасности и минимума энергопотребления;
- определение степени взаимосвязности вентиляционных режимов станций линии метрополитена и влияние топологических особенностей вентиляционной сети на воздухораспределение;
- исследование воздухораспределения и теплогазодинамических режимов вентиляционных систем метрополитенов с целью определения аварийных режимов вентиляции для обеспечения условий безопасной эвакуации пассажиров и разработки требований к тоннельной вентиляторам.
5. Методы исследования
включают проведение теоретических исследований методами математического моделирования с применением теории графов, потоковых алгоритмов и уравнений технической теплофизики, а также экспериментальные исследования в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
6. Основные научные положения, защищаемые автором
- учет влияния естественной тяги и пожарной тепловой депрессии в существующих методиках и моделях исследований шахтного воздухораспределения позволяет использовать их для анализа штатных и аварийных режимов работы вентиляционных систем метрополитенов;
- применение технологической схемы проветривания метрополитена, при которой станционные вентиляторы работают в режиме вытяжки, а в перегонных венткамерах устанавливается клапан, обеспечивающий движение вентиляционного потока от венткиоска до тоннелей, минуя вентиляторы, позволяет в 1.1...2.8 раза снизить энергопотребление на вентиляцию и повысить устойчивость работы системы в аварийных режимах;
- в зависимости от топологии метрополитена 70...82% воздуха, перемещаемого станционным вентилятором при работе на вытяжку, поступает из тоннелей перегонов, при этом изменение расхода воздуха на платформах в пределах не менее 8 соседних станций в схемах с тупиковой линией составляет не ниже 10 % от изменения производительности вентилятора в станционной венткамере-источнике возмущения. 7. Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается использованием современных методов и средств исследований, достаточным объемом и сходимостью результатов проведенных математических расчетов и натурных экспериментов по исследованию режимов работы вентиляции метрополитена, а также проверкой полученных результатов на практике при эксплуатации вентиляции Новосибирского метрополитена.
8. Новизна научных положений
Впервые получены следующие результаты:
- создано математическое обеспечение для анализа режимов работы вентиляционной системы метрополитена с учетом специфики объекта исследования;
- предложено совместное использование алгоритмов математического сетевого моделирования и методов технической теплофизики, с помощью которых определены зависимости распределения температуры смеси воздуха и пожарных газов по длине тоннеля и в перегонной вентиляционной камере в зависимости от расположения очага пожара в тоннеле и в поезде;
- на основе численного моделирования обоснована рациональная схема вентиляции метрополитена мелкого заложения;
- на основе численных и натурных экспериментов определены зависимости
« расхода воздуха на станциях линии метрополитена от изменения режима
работы станционного вентилятора, установлены соотношения между расходами воздуха через тоннели и через вестибюли станции при работе станционных вентиляторов в вытяжном режиме.
9. Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, разработке сетевой математической модели вентиляционной системы метрополитена и проведении численных и натурных экспериментов по исследованию режимов работы
« системы вентиляции в штатных и аварийных режимах, получении закономерностей распределения температуры пожарных газов в тоннеле, обработке и анализе результатов и содействии реализации новых схем вентиляции при штатных и аварийных режимах в Новосибирском метрополитене.
10. Практическая ценность
- результаты исследований позволяют сократить энергопотребление на тоннельную вентиляцию в 1.1...2.8 раза за счет применения рациональной технологической схемы проветривания;
- применение предлагаемой однонаправленной схемы проветривания позволяет обеспечивать большинство режимов работы вентиляции при аварии на платформе станции (пожар, задымление) и уменьшает время перевода системы вентиляции в аварийный режим работы;
- разработана методика расчета распределения температуры пожарных газов по тоннелю при возгорании метропоезда и определена динамика нагрева вентиляторов в перегонных вентиляционных камерах.
11. Реализация работы в промышленности
Научные разработки и положения диссертационной работы включены в нормативный документ Новосибирского метрополитена: «Инструкции о работы тоннельной вентиляции Новосибирского метрополитена» на 2003г. приказ №01-433/8 от 25.12.2002г. регламентирующий работу однонаправленной схемы тоннельной вентиляции с включением вентиляторов на станциях в вытяжном режиме.
12. Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты были представлены на Международном семинаре «Энерго-ресурсосбережение в Сибирском регионе» (г. Новосибирск, 1998); Научно-практической конференции «Геотехнологии на рубеже 21 века» (г. Новосибирск, 1999); Международном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2002, 2003); Российско-китайском симпозиуме «Строительство шахт и городских подземных сооружений» (г. Кемерово, 2002); Всероссийской конференции «Научно-технические проблемы в строительстве» (г. Новосибирск, 2003); Всероссийская научно-практическая конференция «Достижения науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (г. Юрга, 2003).
13. Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.
14. Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений, изложенных на 138 страницах машинописного текста, и содержит 13 таблиц, 29 рисунков и список литературы из 102 наименований.
Основной объем экспериментальных исследований выполнен в лаборатории Рудничной аэродинамики ИГД СО РАН и в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
Сравнительный анализ существующих систем вентиляции
Тоннельная вентиляция может осуществляться с естественным и искусственным побуждением при поперечном, полупоперечном и продольном способах распределения воздуха [1,4,5,8,9]. 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.
В соответствии с [6], технологические схемы вентиляции могут быть однонаправленными и двунаправленными. На практике преобладает применение двунаправленной схемы вентиляции, включающей: - летний режим, когда воздух подаётся через станционные венткамеры, а удаляется через перегонные; - зимний режим, когда воздух подаётся через перегонные венткамеры, а удаляется через станции. 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 наглядно 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 [10... 18].
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 1 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. Вентиляция метрополитенов, эксплуатирующихся в регионах с резкоконтинентальным климатом, например, в Сибири, имеет свои особенности [28...29]. 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 возможностями вентиляционных шахт и тоннелей из-за их мелкого заложения. Воздухообмен при этом осуществляется посредством "поршневого действия" поездов [39] и естественной тяги через вестибюли станций. При этом, доля естественной тяги (при отрицательных температурах атмосферного воздуха) составляет 12...28 % от всего воздухообмена [1]. Вентиляционные агрегаты 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 значение 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 обуславливает 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.
Разработка математической модели вентиляционной системы Новосибирского метрополитена
Первые станции Новосибирского метрополитена были введены в эксплуатацию в 1985 году. Его нынешнее состояние описано в разделе 1.1. Исследование воздухораспределения в сооружениях метрополитена аналитическим способом требует создания математической модели вентиляционной сети. Математически воздухораспределение в вентиляционной сети метрополитена описывается уравнениями 2.1...2.5. Для исследования конкретной вентиляционной сети, необходимо иметь точные сведения об ее топологии и аэродинамическом сопротивлении ее участков. Основу топологической схемы вентиляционной сети тоннельной вентиляции составляют перегонные тоннели и станции. Помимо транспортных тоннелей путями движения воздуха и выходами в атмосферу являются вентиляционные сооружения и пешеходные пути.
Для создания расчетной схемы вентиляционной сети Новосибирского метрополитена проведено исследование проектно-конструкторской документации на архитектурно-строительную часть действующих объектов метрополитена, включающую пути движения воздуха. При исследовании использован комплект документации Управления Заказчика по Строительству Подземных Транспортных Сооружений мэрии Новосибирска. Для проверки соответствия проектных данных и существующих сооружений проведены натурные обследования вентиляционных сооружений станций и перегонов. В ходе обследования уточнены следующие данные: - геометрические размеры; - топология; - загроможденность пути следования воздуха стационарным оборудованием; - параметры вентиляционных дверей (их количество в ряду, угол раскрытия); - параметры и состояние вентиляционных решеток для входа-выхода воздуха в атмосферу; - наличие утечек и перетечек воздуха.
На основе полученных уточненных данных проведен расчет аэродинамических сопротивлений ветвей сети.
При расчете аэродинамических сопротивлений движению воздуха по перегонным тоннелям с различными типами обделки, использованы данные [1]. Сопротивление пешеходных тоннелей прямоугольной формы и венттоннелей произвольной формы определены с использованием данных [1,61,62].
Местные сопротивления (сужения, расширения, повороты, разветвления и т.п.) рассчитаны с использованием [47,61]. На вентиляционных путях метрополитена существуют такие комбинации местных сопротивлений, для расчета которых пока не найдено аналитических формул. Существенное влияние на величину потерь в местных сопротивлениях оказывает возмущение потока воздуха другими элементами, если они расположены на небольшом удалении. Существующие опытные данные недостаточны для учета взаимного влияния местных сопротивлений при различных комбинациях их расположения. Вследствие этого коэффициент местного сопротивления принимается без учета возможного взаимовлияния, хотя в некоторых случаях оно может быть существенным. В таких случаях, в расчетах принято суммарное сопротивление последовательного ряда изолированных от влияния друг друга местных сопротивлений.
Расчетная схема вентиляционной системы Новосибирского метрополитена приведена в приложении 2. Давление, развиваемое вентилятором в отдельных ветвях описывается аппроксимирующими уравнениями рабочей (нисходящей) части аэродинамической характеристики вентилятора по формуле квадратичной параболы, применение которой позволяет повысить точность расчета воздухораспределения в системе тоннельной вентиляции метрополитена по сравнению с описанием характеристики осевых вентиляторов линейной зависимостью.
Для аппроксимации характеристик вентиляторов ВОМД-24 использованы данные [63], достоверность которых подтверждена замерами, полученными в условиях эксплуатации. Для аппроксимации характеристики вентиляторов ВВО-21р использованы данные, полученные при аэродинамических испытаниях [64]. Для аппроксимации характеристики вентиляторов других типов использованы данные из их технических паспортов. В метрополитене кроме принудительного движения воздуха, создаваемого вентиляторами, существует естественная тяга. Она возникает в результате действия гравитационных сил и разницы температур и плотностей тоннельного и атмосферного воздуха при разнице геодезических отметок соединений вентиляционной сети с атмосферой. В общем случае, при использовании гидростатического метода расчета, величина естественной тяги ЛРЕ определяется по формуле: где рнв - плотность атмосферного воздуха при заданной температуре, кг/м3; Ртв - плотность воздуха в подземном сооружении при заданной температуре, кг/м3; h - разница геодезических отметок соединений вентиляционной сети с атмосферой, м; g - ускорение свободного падения, м/с2. Вдоль трассы метрополитена имеется большое количество соединений сети с поверхностью (пешеходные входы и выходы, стволы вентиляционных и кабельных шахт, портальные выходы тоннелей на поверхность, метромост). Значение естественной тяги постоянно меняется не только в течение года, но и в течение суток. Это обусловлено колебаниями температуры, а следовательно, и плотности атмосферного воздуха. Поэтому расчет естественной тяги по всей линии метрополитен значительно затруднен. Как правило, значение естественной тяги при низких отрицательных температурах (-30С) в среднем составляет 12...28% от напоров, развиваемых движущимися поездами. В теплое время года величина естественной тяги составляет в среднем 1.5...3.0% от напора, развиваемого вентиляторами, в зависимости от топологии участка. Поэтому с целью упрощения расчетов некоторых участков, естественной тягой на них в теплое время года можно пренебречь.
В случае Новосибирского метрополитена участками, требующими учета действия естественной тяги при расчете воздухораспределения, являются перегоны ст. «Октябрьская» - ст. «Речной вокзал» и ст. «Площадь Гарина-Михайловского» - ст. «Сибирская» - ст. «Маршала Покрышкина». Величина естественной тяги на этих участках достигает 10% от давления тоннельных вентиляторов». Моделирование естественной тяги осуществлено как установка в схеме вентиляционной сети фиктивного источника тяги с аэродинамической характеристикой SV=APE =const. Температуры воздуха по участкам и разности высотных отметок уточнялись после предварительного определения направления движения воздуха.
Экспериментальные исследования режимов дымоудаления на станциях
Как отмечалось выше, обычно планом ликвидации аварии при задымлении пассажирской платформы станции предусматривается включение станционных вентиляторов в вытяжном режиме, а соседних перегонных - в приточном. Опыты, проведенные Электромеханической службой Новосибирского метрополитена в рамках пожарных учений, показывают, что при различных параметрах настройки вентиляторов станционных и перегонных венткамер и внешних условиях, направление движения воздуха на путях эвакуации разное. Это происходит из-за того, что станционные вентиляторы не могут переместить через станционную вентиляционную камеру весь воздух, идущий из тоннелей и с путей эвакуации (пассажирских выходов на поверхность). Учитывая, что вентиляторы должны обеспечивать требуемый аварийный и штатный режимы на станциях, становится очевидным, что их настройка сложна, а иногда и невозможна из-за того, что они не могут изменять на ходу режим своей работы. Это приводит к противоречию: с одной стороны вентагрегат должен обеспечивать экономичный режим штатного проветривания, с другой эффективный аварийный режим. Например, для подачи 50 м3/ч воздуха на одного пассажира в часы «пик», на пересадочных станциях «Красный проспект» и «Сибирская» необходимо, чтобы в станционных вентиляционных камерах работало по одному вентилятору с углами установки лопаток рабочего колеса соответственно 35 и 15. Но при такой настройке вентиляторов ВОМД-24 невозможно обеспечить эффективный аварийный режим вентиляции. Возможен вариант настройки одного из вентиляторов в камере на обеспечение экономичного штатного режима, а резервного вентилятора - на аварийный режим. Ниже будет показано, что и этот вариант не удовлетворяет требованиям СНиП по аварийному режиму. Разрешение этого противоречия возможно двумя путями: 1 - применением регулируемых и реверсируемых на ходу вентиляторных агрегатов, 2 - применением такой схемы проветривания, у которой при всех возможных чрезвычайных ситуациях не требуется реверсирования воздушной струи, а будет необходимо только ее форсирование. Самый эффективный способ решения этой проблемы - одновременное применение регулируемых вентиляторных агрегатов и использование однонаправленной схемы вентиляции. В Новосибирском метрополитене эксплуатируются нерегулируемые на ходу вентиляторы ВОМД-24. Поэтому, поиски эффективных аварийных режимов сосредоточим на выявлении рациональных схем вентиляции.
Рассмотрим аварийную работу на примере пересадочных станций «Сибирская» - «Красный проспект». Выполненные в 1998-99 гг. экспериментальные исследования показали, что требуемые давления в Новосибирском метрополитене находятся в пределах 80...380 Па, поэтому будем рассматривать только такие схемы вентиляции, в которых исключена последовательная работа вентиляторов. Для проведения сравнительного анализа вариантов схем проветривания использована подробная модель вентиляционной системы станций Новосибирского метрополитена, приведенная в приложении 2. Были также проведены эксперименты по определению фактических режимов работы эксплуатируемых вентиляторов ВОМД-24, их внутреннего аэродинамического сопротивления при остановленном роторе, а также времени разгона при пуске и выбега при отключении вентилятора.
Исследования аварийных режимов проводились в виде численных экспериментов при различных вариантах включения вентиляторов. Для оценки точности полученных результатов, в нескольких режимах определялись фактические скорости движения воздуха в элементах вентиляционной системы станций метро и сравнивались с расчетными. Анализ результатов позволяет утверждать, что при задымлении станции «Красный проспект» ни при каких вариантах включения вентиляторов не уда-ется добиться скорости 1.7 м /с на эскалаторных спусках.
Аналогичные исследования были проведены для станции «Сибирская». В таблице 3.3 приведены варианты включения вентиляторов, а в таблице 3.4 - параметры некоторых режимов, обеспечивающих безопасную эвакуацию пассажиров. Полученные результаты также позволяют утверждать, что при задымле ний станции «Сибирская» ни один вариант включения вентиляторов не удовлетворяет требованиям СНиП 32-108 «Метрополитены».
Также был проведен расчет пожарных режимов работы вентиляции для всей Ленинской линии Новосибирского метрополитена. Исследования подтвердили, что невозможно достичь требуемых скоростей воздуха на путях эвакуации пассажиров, применяя стандартные схемы (вытяжка через венткамеру на аварийной станции, приток через соседние перегонные) аварийного включения вентиляции. Включение соседних с аварийной станцией перегонных вентиляторов на вытяжку позволяет повысить расчетные скорости на путях эвакуации. Недостатком этой схемы является задымление части тоннелей на прилегающих к аварийной станции полуперегонах. Однако дальше по тоннелям задымление не распространяется и выполняются требуемые скорости воздуха (0.5 м/с) из незадымленных тоннелей.
Исследование тепловых режимов работы тоннельных вентиляторов при обтекании их потоком удаляемых высокотемпературных пожарных газов
Основными параметрами, влияющими на температуру смеси пожарных газов и свежего воздуха, подходящей к вентилятору, являются температура и дебет пожарных газов идущих от горящего поезда, а также свежего воздуха поступающего из незадымленных тоннелей. Надежность работы систем вентиляции является определяющим фактором, обеспечивающим безопасную эвакуацию пассажиров и обслуживающего персонала из горящего поезда. Вентиляторы перегонной венткамеры несут основную нагрузку по созданию требуемого воздухораспределения при горении поезда на перегоне. Через перегонную венткамеру удаляются нагретые пожарные газы, которые определяют тепловой режим работы вентилятора. Работа при температуре выше допустимой может привести к отказу вентилятора. Время, за которое температура смеси удаляемых газов достигает критической отметки, является определяющим для расчета максимального времени ликвидации аварийной ситуации или вывода людей из зоны пожара и задымления. Для установленных на исследуемом перегоне вентиляторов ВОМД-24, содержащих ременные передачи, предельная температура составляет 60 С.
На основе разработанной методики было определено время безопасной эвакуации пассажиров и обслуживающего персонала из горящего поезда для условий перегона ст. «Сибирская» - ст. «Площадь Гарина - Михайловского» Новосибирского метрополитена. Исследуемый перегон был разделен на 5 участков, на которых возможно остановка горящего поезда (рисунок 4.1). Для каждого участка рост температуры смеси пожарных газов и воздуха, удаляемой через вентилятор, определен для трех характерных положений поезда: в начале, в середине и в конце участка. Результаты моделирования представлены в таблице 4.1. При горении хвостового вагона, температура пожарных газов, нагревающих вентиляторы, не достигает предельно допустимого значения, если поезд находится на расстоянии более 300 м от вентиляционной камеры. В случае горения двух вагонов, это расстояние составляет 550 м.
При горении 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 [93...96]. 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 32-108 «Метрополитены» устанавливает требования к скорости движения воздуха на наклонных участках с уклоном более 10% (формула 4.8) с нисходящим проветриванием, обеспечивающей устойчивость вентиляционной струи. Vmp =14.6-i0M =14.6-0.1066 = 3.2м/с, (4.8) Большинство участков Новосибирского метрополитена имеют меньший уклон, но проверять устойчивость вентиляционной струи необходимо и для них. СП 32-108 для защиты от проникновения дыма регламентирует скорость воздуха на путях эвакуации не ниже 1.7 м/с (п.5.16.5.4). На основании этих требований, для обеспечения незадымляемости путей эвакуации, принимаем следующие значения скорости воздуха на аварийном участке: - при уклоне более 10% - не менее 3.2 м/с; - при уклоне менее 10% - 1.7 м/с.
ПТД возникает не только в тоннеле, но и в перегонной венткамере. Ее величина также рассчитывается по формуле (4.9), 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 4.3 при случая развитого пожара для перегона ст. «Сибирская» - ст. «Площадь Гарина-Михайловского» Новосибирского метрополитена. В расчете температуры смеси пожарных газов и воздуха на входе в венткамеру (см. раздел 4.4), на основании предварительных исследований воздухораспределения, принято, что относительный массовый расход пожарных газов от горящего поезда равен 0.3, остывание смеси пожарных газов и воздуха при движении по вентиляционным каналам длиной до 50 м составляет 13%.
Результаты расчетов показывают, что величина пожарной тепловой депрессии в тоннеле возрастает с увеличением расстояния от горящего метропоезда до перегонной венткамеры. В приведенном примере максимальная величина ПТД составила 74 Па. Максимальное значение, которое ПТД принимает при горении поезда на полуперегоне длиной 500 м при уклоне трассы 10% на 45-ой минуте горения метропоезда, составляет 340 Па. Давление, развиваемое перегонными вентиляторами при работе в аварийном режиме составляет 300...600 Па [98,99], т.е. сравнимо с величиной ПТД. Поэтому необходим учет ПТД при расчете аварийного включения вентиляции при горении поезда в тоннеле.
Пожарная тепловая депрессия в перегонной венткамере уменьшается с увеличением расстояния от венткамеры до горящего поезда. По данным расчетов для рассматриваемого примера (рисунок 4.1, глубина заложения не более 15 м), величина ПТД составляет 4...66 Па. Прирост производительности двух вентиляторов ВОМД-24 в перегонной венткамере с углом установки лопаток рабо-чего 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 метро-поезда 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.
