CC BY
71
------------------------------------------------- © Д. В. Зедгенизов, 2008
УДК 62-543.2: 624.191.94 Д.В. Зедгенизов
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ ЛИНИИ МЕТРОПОЛИТЕНА
Приведены критерии оптимального управления проветриванием линии ММЗ, особенности вентиляционной системы.
Семинар № 13
Актуальность исследований
Лроцессы воздухообмена в вентиляционной сети метрополитена являются определяющими при рассмотрении вопросов повышения экономичности и безопасности проветривания. В настоящее время снижение затрат на вентиляцию метрополитена стало весьма актуальной проблемой, необходимость решения которой обусловлена ростом требований к энергосбережению вентиляционного оборудования при его эксплуатации. Ужесточаются требования к системам вентиляции по обеспечению проветривания при пожарах, за-газованиях и террористических актах.
Управление проветриванием метрополитенов в мире в настоящее время осуществляется либо путем автоматического выбора режима работы системы вентиляции в зависимости от температуры атмосферного воздуха (ступенчатое изменение производительности и времени работы вентиляторов), либо изменением числа работающих вентиляторов по заранее рассчитанной программе в зависимости от времени суток и дней недели [1].
Такой подход серьезно затрудняет повышение экономичности проветривания, т.к. при этом не учитывается взаимное влияние вентиляционных режимов станций, возмущения, вносимые в
воздухораспределение движущимися поездами. Не учитываются также возможности имеющихся подземных регуляторов воздухораспределения по эффективному перераспределению объемов воздуха для обеспечения требований санитарных норм и правил, а также снижения расхода электроэнергии на вентиляцию. Формализация этого процесса может быть осуществлена путем постановки и решения соответствующей оптимизационной задачи совместного управления вентиляторами и регуляторами воздухораспределения линии метрополитена.
В мировой практике отсутствует опыт проектирования и эксплуатации метрополитенов мелкого заложения (ММЗ) в условиях холодного резкоконтинентального климата. Поэтому задача повышения эффективности управления тоннельной вентиляцией в штатных и аварийных режимах проветривания с учетом специфических условий метрополитенов мелкого заложения Сибири является актуальной. Для существующих ММЗ эта задача может быть решена путем разработки и внедрения оптимальных алгоритмов совместного автоматического управления всеми средствами регулирования вентиляционного режима метрополитена. Указанные алгоритмы должны разрабатываться на
Поезд
Рис. 1. Схема типового участка метрополитена мелкого заложения: датчиков давления
основе закономерностей аэродинамических и теплофизических процессов, получение которых для условий метрополитенов мелкого заложения является отдельной, весьма важной фундаментальной задачей.
Особенности вентиляционной системы линии ММЗ как объекта управления
Управление проветриванием ММЗ имеет ряд особенностей, связанных с некоторыми специфическими характеристиками объекта. Незначительная глубина заложения тоннелей (8-20 м) определяет, во-первых, существенную аэродинамическую связь воздуха тоннелей с атмосферным, во-вторых, значительное влияние друг на друга вентиляционных режимов всех станций линии метрополитена, в-третьих, малую инерционность термодинамических процессов, протекающих в воздухе тоннеля, обусловленную небольшим объемом окружающего тоннели грунта.
В работе [2] изложены предпосылки к оптимальному управлению проветриванием метрополитенов мелкого заложения в условиях резкоконтинентального климата Сибири.
Всю линию ММЗ (4-10 станций) можно разбить на типовые участки, управление проветриванием которых осуществляется от центрального контроллера на основе оптимальных для
данного участка алгоритмов. При декомпозиции вентиляционной сети линии ММЗ в качестве типового принят участок, включающий в себя платформу станции с примыкающими 4 тоннелями, в двух из которых установлены регуляторы воздухораспределения, станционную установку тоннельной вентиляции (УТВ) и перегонную УТВ с регулируемым клапаном. Типовой участок метрополитена мелкого заложения приведен на рис. 1.
Блок-функциональная схема типового участка линии ММЗ приведена на рис. 2. На данном этапе исследований при составлении математической модели объекта предлагается пренебречь влиянием вентиляционных сбоек на воздухораспределение, а также принять, что перегонный вентилятор в штатном режиме выключен, а вентиляционный клапан не регулируется. Пассажирские и эскалаторные спуски к платформе также предлагается объединить.
Для такого участка можно составить следующую систему уравнений, описывающих статическое состояние объекта:
О ПЛ і = ± О П1 і ± О П2 і ± О Т1 і ±
± О Т2 і ± О ПЭС і ;
О П1 і = О Т1 (і -1) ± О ВК1 і ± О ТВ і ;
О П2 і = О Т2 (і +1) ± О ТВ і ;
О Т2 (і -1) = О Т2 і ± О ВК2 і ;
О ВК і = О ВК1 і + О ВК2 і
Рис. 2. Блок - функциональная схема типового участка метрополитена мелкого заложения:
О ПЛ - расход воздуха на платформе, О П - расход воздуха, приходящий из тоннелей вместе с поездами, О Т - расход воздуха, уходящий в тоннели вместе с поездами, О ПЭС - расход воздуха через пассажирские спуски и эскалаторы, О ВК - расход воздуха через вентиляционную камеру, О ТВ -производительность тоннельного вентилятора, РВ - регулятор воздухораспределения, ВК - вентиляционная камера, ТВ - тоннельный вентилятор, индекс «1» и «2» относятся, соответственно, к первому и второму путевому тоннелю
Граничные условия О Т1 (і -1), О Т2 (і +1), О Т2 (і -1), О Т1 (і +1) по расходам воздуха в данной модели определяются соответствующими САУ проветриванием участков на каждом такте управления и передаются в контроллер верхнего уровня для выработки и выдачи оптимальных управляющих воздействий на регуляторы вентиляционного режима линии ММЗ.
В качестве регуляторов вентиляционного режима станции предлагается использовать станционный вентилятор и два регулятора воздухораспределения. Регулирование производительности станционного вентилятора осуществляется локальной системой управления, изменяющей угол установки лопаток рабочего колеса вентилятора или частоту питающего электродвигатель напряжения. В качестве регуляторов воздухораспределения предлагается использовать ли-нейные регуляторы шиберного типа, частично перекрывающие сечение тоннеля.
Принципы эффективного автоматического управления проветриванием линии метрополитена мелкого заложения
1. Применение современных технических средств автоматического регулирования производительности станционных и перегонных вентиляторов позволит оперативно изменять количество воздуха, подаваемого вентиляторами, в зависимости от числа пассажиров и пар поездов на линии, температуры атмосферного воздуха и пр.
2. Использование дополнитель-
ных способов управления воздушными потоками (например, регулируемые жалюзи, заслонки на путях движения воздуха) позволит оптимизировать возду-хораспределение на станциях, а так же использовать существенное взаимное влияние вентиляционных режимов соседних станций в метрополитенах мелкого заложения.
3. Для повышения точности и надежности управления проветриванием необходимо постоянно контролировать направления и величины расходов воздуха одновременно в нескольких точках вентиляционной сети станции. Для уменьшения числа точек мониторинга необходимо для каждой станции на основе численного и натурного экспериментов выявить несколько узловых контрольных точек, установка датчиков в
которых позволит иметь полную картину воздухораспределения на платформе. Учет влияния вентиляционных режимов соседних станций друг на друга также позволит сократить число точек контроля и управления воздухораспре-делением.
4. Оперативный контроль и использование расхода воздуха на платформе, создаваемого поршневым действием поездов, позволит снижать требуемую производительность тоннельных вентиляторов, причем при увеличении числа пар поездов на линии в часы «пик» доля расхода воздуха, создаваемая поездами, так же увеличивается.
5. Регулирование производительности станционного вентилятора целесообразно проводить только в периоды значительного изменения входных управляющих воздействий.
6. Выходные управляющие воздействия на все локальные регуляторы должны централизованно формироваться системой управления проветриванием на основе алгоритмов с переменной структурой оптимизации в зависимости от входных управляющих и возмущающих воздействий.
7. Оптимальное управление проветриванием возможно проводить только с использованием математической модели вентиляционной сети ММЗ как объекта автоматического управления и численного эксперимента с последующей проверкой результатов моделирования в действующем метрополитене.
Для выработки оптимальных управляющих воздействий на регуляторы вентиляционного режима линии метрополитена автоматизированная система управления проветриванием линии ММЗ (АСУП ММЗ) должна в реальном времени получать информацию со всей линии метрополитена по всем требуемым параметрам.
Входными управляющими воздействиями АСУП ММЗ должны служить:
• информация о расходах воздуха в определенных местах тоннелей, в основном определяющих воздухораспре-деление, поступающая от датчиков расхода;
• информация о количестве пассажиров на платформе станции, определяемая по числу человек, прошедших через датчики турникетов;
• график движения поездов на линии;
• информация о теплосодержании наружного воздуха от датчиков температуры, установленных в вентиляционных камерах;
• сигналы задания требуемых параметров работы устройств регулирования воздухораспределения (тоннельные вентиляторы, жалюзи, воздушно-тепловые завесы, клапаны).
Система управления проветриванием ММЗ испытывает следующие возмущающие воздействия:
• периодическое изменение аэродинамического сопротивления участков вентиляционной сети при прохождении по ним поездов;
• изменение расхода воздуха при прохождении поезда (поршневое действие поездов).
• изменение расхода воздуха в тоннеле, вызванное непостоянством вентиляционных режимов на соседних станциях линии.
Выходные управляющие воздействия формируются системой управления на основе алгоритмов с переменной структурой оптимизации в зависимости от входных управляющих и возмущающих воздействий. Выходными управляющими воздействиями АСУП ММЗ являются:
• сигналы управления регуляторами воздухораспределения, затворами
Рис. 3. Функциональная схема системы автоматического управления проветриванием участка линии метрополитена
гражданской обороны и воздушными клапанами;
• сигналы задания требуемой производительности САУ тоннельными вентиляторами, а также направления подачи воздуха (вытяжка или приток).
На рис. 3 представлена функциональная схема САУ проветриванием участка линии ММЗ. Управляющий контроллер верхнего уровня выдает на участковую САУ сигнал задания требуемого расхода воздуха на платформе станции Изд. Этот сигнал формируется исходя из требований обеспечения оптимального управления вентиляционным режимом участка (линии). Устройство управления (УУ) на основе заложенных алгоритмов выдает сигналы управления на вентилятор дЗТВ и регуляторы воздухораспределения дЗРВ1 и 0ЗРВ2. Взаимное влияние вентиляционных режимов соседних станций ведет к изменению граничных условий дт1гр и Отгір. При этом для обеспечения требуемого расхода воздуха на платформе иПЛ устройство управления вычисляет и выдает на соответствующий регулятор воздухораспределения сигнал задания (0зРВ1 ИЛи 0зрв2).
Если требуемый расход воздуха на платформе иПЛ не может быть обеспе-362
чен совместной работой только регуляторов воздухораспределения, то устройство управления выдает сигнал иЗТВ на увеличение производительности вентилятора и, если необходимо, сигналы на закрытие регуляторов воздухораспреде-ления.
Для обеспечения требуемой кратности воздухообмена на платформе станции необходимо одновременно контролировать расходы воздуха во всех подходящих к платформе тоннелях. Поэтому сигналы о расходах воздуха через пассажирские спуски и эскалаторы QпЭc, а также сигналы о расходах воздуха в тоннелях, по которым поезда уходят со станции Qтl и QT2 формируются соответствующими датчиками скорости воздуха.
Критерии оптимального управления проветриванием линии ММЗ
Так как вентиляционные режимы соседних станций линии метрополитена оказывают друг на друга существенное влияние [3], эффективное управление проветриванием всей линии в целом является сложной оптимизационной задачей. При построении оптимизационного функционала необходимо учитывать сле-дующее:
1. Совместная работа тоннельного вентилятора и регуляторов воздухорас-пределения на каждом участке вентиляционной сети должна обеспечивать расход воздуха на платформе, равный требуемому расходу, который определяется количеством пассажиров, прошедших через платформу за час и числом пар поездов в час. Иными словами, фактический расход воздуха на каждой пассажирской платформе линии ММЗ не должен превышать требуемый для этой платформы в данный момент времени расход.
2. Энергопотребление на проветривание метрополитена уступает только энергопотреблению подвижного состава. Затраты электроэнергии на обеспечение требуемого вентиляционного режима станции для вентилятора и регулятора воздухораспределения существенно отличаются. Поэтому система управления должна обеспечить минимум энергопотребления на проветривание как отдельной станции, так и всей линии в целом. При этом на платформы должно поступать требуемое по санитарным нормам и правилам количество воздуха.
3. График движения поездов на линии метрополитена определяет число поездов, проходящих в час через станцию. Для каждой станции известен типовой график пассажиропотока в час для каждого дня недели. Поэтому расчет управляющих воздействий на регуляторы и вентиляторы линии ММЗ необходимо производить с учетом прогнозного изменения в течение часа (суток) пассажиропотока и числа пар поездов.
Выводы
1. Для осуществления автоматического управления вентиляцией ММЗ необходимо провести декомпозицию вентиляционной сети всей линии. При этом в качестве типового может быть принят участок, включающий в себя
платформу станции с примыкающими 4 тоннелями, в двух из которых установлены регуляторы воздухораспределения, а также станционную и перегонную установки тоннельной вентиляции.
2. Оптимальное распределение воздуха на платформе станции ММЗ может быть получено совместным автоматическим управлением станционным тоннельным вентилятором, двумя регуляторами воздухораспределения и, при необходимости, управляемым вентиляционным клапаном.
3. Регулирование производительности станционного вентилятора целесообразно проводить только в периоды значительного изменения входных управляющих воздействий. Выходные управляющие воздействия на все локальные регуляторы воздухораспре-деления должны централизованно формироваться системой управления проветриванием на основе оптимальных алгоритмов, структура (минимизирующий функционал) которых будет переменной в зависимости от изменения входных управляющих и возмущающих воздействий.
4. В качестве основных критериев оптимизации можно принять следующие:
- минимум энергопотребления на проветривание как отдельной станции, так и всей линии в целом при обеспечении требуемого на платформе количества воздуха в час;
- вычисление управляющих воздействий с учетом прогнозного изменения пассажиропотока и числа пар поездов в течение часа (суток).
1. Зедгенизов Д. В. Опыт решения проблем управления проветриванием транспортных тоннелей // Безопасность жизнедеятельности. -№ 7. - 2006. - С. 12 - 19.
2. Зедгенизов Д. В. Новый подход к управлению проветриванием метрополитенов мелкого заложения // Горный информационно-
аналитический бюллетень. Тематическое приложение "Безопасность". М. МГГУ. - 2005. -С.312 - 323.
3. Экспериментальное исследование возду-хораспределения на станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена // Отчет о НИР / Новосибирск, ИГД СО РАН, 1993. - 97 с. иш=з
+
I— Коротко об авторе -----------------------------------------------------
Зедгенизов Д.В. - ИГД СО РАН, г. Новосибирск.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 13 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.Д. Певзнер.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА
ГАСПАРЬЯН Никита Александрович Пылеподавление на основе использования фазовых переходов влаги при ведении открытых горных работ 05.26.01 к.т.н.
ЖОАО ТУНГА ФЕЛИКС Стратегия устойчивого развития предприятий алмазодобывающей промышленности Анголы 08.00.05 к.э.н.
