CC BY
20
- © С.Г. Гендлер, В.В. Смирняков,
А.Н. Соловьев, 2006
УДК 622.4.012
С.Г. Гендлер, В.В. Смирняков, А.Н. Соловьев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМОВ ЛЫСОГОРСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ
Лысогорский железнодорожный тоннель, капитальный ремонт которого предполагается провести в недалеком будущем, располагается на линии Туапсе-Краснодар между железнодорожными станциями Чилипси и Чинары. Протяженность тоннеля равна 3020 м. Тоннель проходит под вершиной одного из отрогов горы Лысая, имеющего высоту 530 м. Максимальную высотная отметка самой горы составляет 976 м. Высотные отметки Южного и северного порталов соответственно равны 267,03 м и 283,94 м. Профиль тоннеля двускатный, имеющий наибольшую высотную отметку 289,7 м.
В процессе эксплуатации Лысогорского тоннеля имеют место процессы биологической коррозии строительных конструкций, приводящие к разрушению бетонной обделки и нарушениям нормальной работы систем сигнализации и связи. Одной из задач, которая должна быть решена в ходе капитального ремонта, является предотвращение или минимиза-
133
ция интенсивности этих процессов, что позволит повысить безопасность движения железнодорожного транспорта.
В результате осуществленного предварительного анализа было предположено, что возможной причиной появления биологической коррозии могут являться интенсивные массо-обменные процессы, протекающие при движении воздуха по тоннелю и приводящие как к повышению влажности до 95100 %, так и к конденсации влаги на поверхности обделки тоннеля. В этом случае возможность предотвращения развития этих процессов будет связана с обеспечением в тоннеле необходимых термодинамических параметров воздушной среды, что может быть достигнуто с помощью организации заданного вентиляционного режима. Расход воздуха и режим его подачи в тоннель при этом должен выбираться с учетом интенсивности массообменна в различные периоды года и различные периоды суток, влияния естественной тяги и поршневого действия поездов. Необходимым условием предотвращения или минимизации массообменных процессов следует считать достижение уровня относительной влажности, не превосходящего 90 %.
Для обоснования параметров схемы проветривания тоннеля было необходимо решение следующих задач:
1) установление динамики естественной тяги в течение годового периода;
2) определение величины поршневого эффекта поездов;
3) исследование интенсивности массообменных процессов между воздушным потоком и поверхностью тоннельной обделки.
Для их решения на первом этапе были проанализированы многолетние данные по климатическим параметрам атмосферного воздуха в районе расположения тоннеля. Для Северного и Южного порталов тоннеля эти параметры определены по данным метеорологических наблюдений Краснодарского краевого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для ближайших к порталам населенным пунктам: Горячий ключ (Северный портал), абсолютная высота пункта наблюдений 61,8 м; Горный (Гойтх) (Южный портал), абсолютная высота пункта наблюдений 323,4 м с последующим пересчетом среднемесячных значений климати-
134
ческих параметров относительно высотных отметок порталов (табл. 1). Из анализа данных, представленных в табл. 1. следует, что термодинамические параметры атмосферного воздуха у северного и южного порталов существенно отличаются друг от друга. У северного портала среднемесячные температуры атмосферного воздуха ниже, чем у южного портала на 2-3 0С, относительные влажности воздуха - на 2-5 %. Средне январская температура воздуха у северного портала отрицательна и равна -1,1 0С. В тоже время средне январская температура у южного портала составляет 1,6 0С.
Термодинамические параметры атмосферного воздуха у северного и южного порталов могут претерпевать значительные изменения в течение суточного периода как по абсолютной величине, так и по сравнению друг с другом. Например, температуры атмосферного воздуха достигают минимальных значений в утренние часы (с 300 до 900). В это же время суток Таблица 1
Среднемесячные значения термодинамических параметров атмосферного воздуха у порталов тоннеля за период 1998-2002 гг.
месяцы Температура, 0С Относительная Атмосферное дав-
влажность, % ление, мм. рт. ст.
Северный Южный Северный Южный Северный Южный
портал портал портал портал портал портал
январь - 1,1 1,6 84 82 740,1 741,2
февраль 1,6 3,5 79 76 738,3 739,55
март 5,3 6,9 75 68 736,6 737,9
апрель 10,9 12,5 76 67 735,45 736,9
май 13,5 14,7 77 71 736,08 737,5
июнь 18,5 19,4 76 76 734,4 735,7
июль 22,5 23,75 74 68 734,6 734,7
август 21 22,6 74 70 734,3 735,9
сентябрь 15,8 17,5 80 79 736,3 737,6
октябрь 9,7 12,0 83 80 739,2 740,5
ноябрь 4,1 7,3 86 78 739,5 740,8
декабрь -0,2 2,9 81 77 739,7 740,9
Средн. год. 10,1 12,1 79 74 737 738,3
135
относительная влажность воздуха максимальна и равна 8590 %. В дневные часы относительная влажность воздуха опускается до 60-70 %. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев, относительная влажность воздуха у порталов тоннеля не будет превосходить 85-90 %, за исключением аномальных явлений, когда она становится равной 96-100 % (так называемая, адвекция теплого воздуха, фён). Атмосферное давление воздуха у порталов тоннеля является более стабильной величиной, чем температура и относительная влажность воздуха. В течение суточного периода оно изменяется в пределах 1,5-2 мм. рт. ст.
Второй этап исследований включал проведение натурных наблюдений за вентиляционным и тепловым режимами действующего тоннеля. Исследования осуществлялись летом 2003 г. В процессе натурных наблюдений в точках, расположенных на расстояниях 500 м друг от друга, измерялись скорости воздушного потока, температура, относительная влажность воздух и давление воздуха. По измеренным значениям температуры воздуха, его относительной влажности и атмосферного давления были рассчитаны величины влаго-содержания воздуха Ь (кг/кг). Наиболее характерные результаты замеров приведены в табл. 2-3.
Анализ результатов натурных измерений показывает, что при движении воздушного потока от северного к южному порталу за счет действия естественной тяги его количество составляет 36-43 м3/с. Разница в количествах воздуха связана с движением поездов по и против направления перемещения воздушного потока. Температура воздуха, поступающего в тоннель, на первых 500 м быстро понижается, асимптотически приближаясь к естественной температуре пород (13,6 0С). Относительная влажность воздуха монотонно возрастает от 29-32 % до 67-86 % в зависимости от направления движения поездов (вторая цифра соответствует случаю совпадения направлений движения воздуха и поездов).
При движении воздуха от южного портала к северному порталу (см. табл. 3) количество воздуха, поступающее в тоннель за счет естественной тяги, сокращается до 5-12 м3/с
136
при одновременном повышении относительной влажности воздуха в тоннеле до 91-95 %.
Влагосодержание воздуха только в период наблюдений утром 18 июня 2003 г. монотонно повышается с 0,005 кг/кг до 0,009 кг/кг. В остальных случаях при общей тенденции повышения влагосодержания в направлении движения воздушного потока по длине тоннеля имеются участки падения влагосодержания, что свидетельствует о наличии процессов конденсации влаги на поверхности тоннельной обделки (в выше приведенных таблицах эти участки выделены полужирными цифрами).
Для оценки влияния на вентиляционный режим поршневого действия поездов замерные точки были выбраны в непосредственной близости от порталов. Полученные результаты измерений в точке у Южного и Северного порталов представлены в табл. 4.
Анализ данных, приведенных в табл. 4, позволил сделать следующие выводы.
1. Поршневой эффект наблюдался во всех случаях прохода поезда по тоннелю. При этом максимальная скорость воздуха
137
Таблица 2
Результаты натурных наблюдений за термодинамическими параметрами воздуха 18 июня
Измеренные Расстояние от Южного портала, м
параметры Южный 0 500 1000 1500 2000 2500 3020 Северный
портал (по- портал (по-
верхность) верхность)
Время наблюдений T=8.40-13.00
Q, м3/с - 44,1 43,6 45,8 44,6 42,3 40,7 42,1 -
Ъ 0С 15,2 14,8 14,2 14,4 14,6 15,2 17,1 17,6 20,1
ф, % 60 86,5 85 65 58 53 48 41 32
B, кПа 98,66 98,67 98,6 98,4 98,4 98,3 98,3 98,3 98,35
d, (кг/кг) 0,007 0,009 0,009 0,007 0,006 0,006 0,006 0,005 0,005
Примечание: Воздух устойчиво движется от Северного к Южному порталу, поезда следуют в том же направлении ^ср. = 43,3 м3/с )
Время наблюдений T=14.40-17.40
Q, м3/с - 42,6 34,5 36,7 35,4 39,4 31,9 33,9 -
Ъ 0С 19,2 14,8 14,4 15,0 15,2 15,8 17,9 18,8 21,2
ф, % 46 69 69 69 70 69 65 42 32
B, кПа 98,56 98,57 98,55 98,5 98,4 98,4 98,4 98,4 98,4
d, (кг/кг) 0,007 0,007 0,007 0,008 0,008 0,008 0,009 0,006 0,005
Примечание: Воздух устойчиво движется от Северного к Южному порталу, поезда следуют во встречном направлении, происходит периодическое опрокидывание струи ^ср. = 36,3 м3/с )
Таблица 3
Результаты натурных наблюдений за термодинамическими параметрами воздуха 21 июня
Измеренные Расстояние от Южного портала, м
параметры Южный 0 500 1000 1500 2000 2500 3020 Северный
портал (по- портал (по-
верхность) верхность)
Время наблюдений T=8.35-12.00
Q, м3/с - 4,4 2,1 1,4 7,2 4,9 3,6 7,1 -
Ъ 0С 14,6 14,8 14,2 14,2 14,3 14,2 14,3 14,4 24,2
ф, % 85 83 87 91 85 85 84 87 36
B, кПа 98,15 98,1 97,9 97,65 97,65 97,6 97,6 97,58 97,55
d, (кг/кг) 0,009 0,009 0,009 0,01 0,009 0,009 0,009 0,009 0,005
Примечание: Воздух неустойчиво движется от Южного к Северному порталу, периодически стоит, поезда движутся с севера на юг ^ср. =4,4 м3/с )
Время наблюдений T=13.40-17.40
Q, м3/с - 14,4 12,1 11,1 8,2 9,9 13,6 17,1 -
Ъ 0С 22,0 15,6 15,0 15,2 14,8 15,3 15,4 16,2 27,2
ф, % 67 95 92 88 86 86 84 85 40
B, кПа 97,73 97,7 97,6 97,5 97,5 97,5 97,45 97,4 97,5
d, (кг/кг) 0,012 0,011 0,01 0,01 0,009 0,01 0,01 0,01 0,009
Примечание: Воздух движется от Южного к Северному порталу, периодически стоит, поезда движутся с юга на север ^ср. =12,34 м3/с )
Таблица 4
Основные результаты исследования поршневого эффекта в тоннеле
Замерное се- Направление дви- Средняя Максимальная ско- Время существова- Среднее кол- Примеча-
чение жения скорость рость воздуха, ния поршневого во воздуха за ние
воздуха в м/с эффекта, с поездом 0, м3/с
поезда воздуха тоннеле до прохода поезда, м/с перед поездом позади поезда перед поездом позади поезда
Южный пор- С^Ю С^Ю 0,9 4,3 3,3 240 540 81,1 Пассаж.
тал С^Ю С^Ю 1,1 4,5 3,5 300 510 104,6 Товарн.
С^Ю - - 4,1 3,3 315 580 77,6 Товарн.
С^Ю - - 3,9 2,7 270 625 56 Пассаж.
С^Ю - - 3,7 2,5 170 400 52 1 электр.
Ю^С С^Ю 0,8 - 6,1 - 240/300 116 Товарн.
Ю^С С^Ю 1,0 - 3,2 - 240/300 66,8 Пассаж.
Ю^С С^Ю 0,8 - 3,5 - 255/285 77 Товарн.
Северный С^Ю С^Ю 0,85 - 2,5 - 330 69,5 1 электр.
портал С^Ю С^Ю 0,85 - 3,6 - 660 93,4 Пассаж.
С^Ю С^Ю 0,85 - 4,2 - 760 104,8 Товарн.
С^Ю - - - 2,2 - 505 51,7 Электр.
Ю^С - - 4,9 4,5 240 660 68,9 Товарн.
Ю^С С^Ю 0,85 4,1 4,0 205 265/340 106,8 Товарн.
Ю^С С^Ю 0,7 5,5 3,6 195 240/265 95 Пассаж.
Ю^С С^Ю 0,9 4,6 3,15 180 210/200 69 Пассаж.
Примечание: в числителе дано время существования поршневого эффекта, в знаменателе время опрокидывания воздушной струи от нуля до начального значения (до прохода поезда)
зафиксированная перед поездом, составила 5,5 м/с, после прохождения поезда 6,1 м/с.
2. Время существования поршневого эффекта перед поездом приблизительно равно времени прохода поезда по тоннелю и составляет 170-315 сек. Скорость поездов при следовании по тоннелю не превышает 40 км/час.
3. Время существования поршневого эффекта после прохождения поезда варьирует в более широком диапазоне (210-760 сек.). Этот период складывается из времени движения поезда по тоннелю и времени падения скорости до первоначального значения после выхода поезда из тоннеля. Такое различие объясняется разными направлениями в движении воздуха до подхода поезда и движении поездов. Наибольшее время существования поршневого эффекта наблю-
140
дается при одинаковых (спутных) направлениях в движении поездов и воздуха либо при отсутствии движения воздуха.
4. Величина среднего количества воздуха, поступающего в тоннель за период существования поршневого эффекта, зависит от вида состава поезда. Наибольшее количество воздуха поступает при прохождении товарных составов (максимальная величина 116 м3/с), меньшее при прохождении пассажирских поездов (максимальная величина 95 м3/с), минимальное при прохождении отдельных локомотивов (максимальная величина 52 м3/с).
5. Время опрокидывания струи воздуха при движении поезда по тоннелю против первоначального направления составляет не более 30 секунд после входа поезда в тоннель (рис. 1).
6. Период восстановления вентиляционного режима, существовавшего до прохода поезда, при противоположном движении поезда и потока составляет не более 340 секунд.
На основе полученных в процессе измерений экспериментальных данных были вычислены коэффициент аэродинамического сопротивления тоннеля а и коэффициент массоотдачи (влагоотдачи) с поверхности тоннельной обделки рм.
Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления тоннеля осуществлялся по измеренным значениям естественной тяги (Ие) и количества воздуха (О), поступающего в тоннель, в соответствии формулой [2].
а = (1у83)/(Ы)-О2)
Ш
а, м3/с
40 0
-40 -80
-120 -160
-200
Г
■ «Ч
£ -- •- -- - -- т * • п Г' * -
11 * 1 1—
/ и ; — Н * м
1 1 Г 1 /
1 1 1 1
д 4 г~ 1 J и % 1_
□л V V- г / Г 1 г 1 _!. !_
г С > с 7 1 1 1 1
\ л / л г Г 1 1
V, N 2 / > т_ 1 г ~Г 1 ~г Г~
s > ЯЩ г 2 ~Г 1 1
ч < "П - т * ~г 1
—1 1 || 1
1 || | 1
1 || 1 _ 1 1
1 || Г -т 1 | 1 порш. J 1 топр.
л. -ц J
11 д д д J В П И ы Ы "П.
1 1| 3 □ □ □ У ь 1 -ь в □ □ ■ ь.
а«
141
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 т, с
Рис. 1. Изменение количества воздуха в тоннеле в зависимости от времени движении поездов в направлении, противоположном направления естественного воздушного потока: 1 - товарные поезда; 2 - пассажирские поезда, Оест.- количество воздуха, поступающее под действием естественной тяги
Величина естественной тяги, включающая высотно-температурную и «орографическую» составляющие, равна 10-12 Па, а расход воздуха в тоннеле 40 - 43 м3/с. При длине тоннеля 1_, равной 3020 м, сечении Б - 44,5 м2 и периметре и - 23,6 м величина коэффициента аэродинамического сопротивления составляет 0,006 Н-с2/м4.
Для вычисления величины рм было использовано следующее соотношение [3].
Рм = (Дсю-Рв)/ [(1-фср)- Рп • Рн.п.0ор)] (2)
где АС -приращение влагосодержания воздуха в тоннеле, кг/кг; -рв - плотность воздуха, кг/м3; фср - средняя влажность воздуха в тоннеле, доли ед; Рп - полная поверхность тоннеля, м2; Рн.п.(1ср) - парциальное давление насыщенного пара при средней температуре воздуха в тоннеле, МПа.
Подставляя в уравнение (2) значения АС = 0,004 кг/кг, фср = 0,62, Рп = 71 272 м2, = 15 0С и О = 43 м3/с, получим, что коэффициент массоотдачи (влагоотдачи) с поверхности тоннельной обделки равен рм = 4,27-10-3 кг/(м2- с •МПа).
Определение количества воздуха, поступающего в тоннель под действием естественной тяги, выполнено с учетом данных, характеризующих термодинамические параметры атмосферного воздуха у северного и южного порталов тоннеля
142
(см. табл. 1.) и рассчитанного выше коэффициента аэродинамического сопротивления тоннеля. При этом использована методика расчета, апробированная на ряде железнодорожных тоннелей России (Дуссе-Алиньский, Байкальский, На-нхчульский, Северо-Муйский) [1].
Результаты расчета средних в течение каждого месяца расходов воздуха приведены в табл. 5. Таблица 5
Количества воздуха, поступающие в тоннель под действием естественной тяги от северного к южному порталу
Месяц 1 2 3 4 5 5 7 8 9 10 11 12
О, м3/с 112 98 79 41 47 54 60 64 70 74 82 100
Анализ результатов расчета, позволяет сделать вывод о том, что в большинстве случаев естественная тяга будет направлена от северного к южному порталу. В этом же направлении будет перемещаться воздух. Причем его расход в зимний период может достигать 100-120 м3/с. В летний и переходной периоды расход воздуха снижается до 40-60 м3/с. Вместе с тем, следует отметить, что приведенные в табл.5 данные характеризуют лишь средние за месяц значения расходов воздуха. Так как термодинамические параметры воздуха у порталов тоннеля изменяются не только в течение годового периода, но и во время суток, то будут изменяться и расходы воздуха, поступающего в тоннель, величины которых могут снижаться до 10-40 м3/с.
Для определения минимального допустимого расхода воздуха в тоннеле, при котором может происходить рост относительной влажности выше величины 90-95 %, для каждого из месяцев года был осуществлен расчетный анализ. Вычисления выполнялись с использованием зависимости, приведенной в работе в работе [3].
фк = [фн + 1,6СнРср/Рн.п(У + 1,6РмРср Рп Рн.п.(Тср)/Ов Рн.п(Ш1 + +0,8р м Рср Рп Рн.п.^ср )/вв Рн.п(У] - фн (8)
где фн, фк - начальное и конечное значения относительной влажности воздуха, д.е.; С - начальное значение влагосо-держания воздуха, кг/кг; Ов - весовой расход воздуха, кг/с; Рнп(У, Рн.п.0ср), Рнп.(Тср) -парциальные давления насыщенно-
143
го пара, вычисленные конечной температуре воздуха, при средней температуре воздуха, при средней температуре поверхности бетонной обделки, МПа, Рср - среднее значение атмосферного давления в тоннеле, МПа.
Результаты вычислений представлены в табл. 6 Результаты расчетного анализа свидетельствуют о том, что при расходах воздуха 80-100 м3/с и направлении его движения в сторону южного портала конечное среднемесячное значение относительной влажности воздуха не будет превосходить 90 %, что приведет к минимизации всех негативных процессов, снижающих безопасность движения железнодорожного транспорта. В случае снижения количества воздуха в тоннеле до 40-60 м3/с относительная влажность воздуха превышает установленное предельное значение, что увеличивает риск возникновения нештатных ситуаций и определяет необходимость подачи в тоннель дополнительных количеств воздуха с помощью механической вентиляции. Если же начальное значение относительной влажности воздуха будет достигать практически 100 %, то даже ис-
Таблица 6
Конечные значения относительной влажности воздуха, % *
Расход
40 60 80 100
1 2
97 95
95 94
92 89
88 86
3
93 91 87 84
4 5
93 94
91 91
86 87
83 85
Месяц
6 7
95 94
93 92
89 87
86 85
8 9
92 93
89 90
86 88
83 86
10
94 91 90 87
11 12
93 96
90 94
87 90
86 87
*) Начальные значения относительной влажности воздуха соответствуют данным табл. 1
пользование механической вентиляции не приведет к положительному результату с точки зрения достижения необходимого термовлажностного режима, который может гарантировать необходимый уровень безопасности движения.
Обеспечение безопасных условий эксплуатации при этом может быть осуществлено только с помощью использования теплотехнических систем.
144
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что для создания необходимого термовлажно-стного режима, предотвращающего или минимизирующего процессы биологической коррозии, необходимо обеспечить поступление в тоннель 80-100 м3/с воздуха. Для этого наиболее рационально использовать естественную тягу, основной период времени направленную от северного портала к южного порталу, и механическую вентиляцию, включаемую при снижении расхода воздуха, поступающих за счет естественной тяги, до 60 м3/с и изменения направления её действия. При повышении начального значения относительной влажности воздуха до 100 % дополнительно необходимо предусмотреть использование теплотехнических систем.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гендлер С.Г. Проблемы проветривания протяженных железнодорожных тоннелей в сложных условиях/ Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, №3, 1999 г.
2 Рудничная вентиляция. Справочник. Под редакцией проф. Ушакова К.З. Москва. «Недра». 1988 г.
3. Справочное пособие к СНиП «Теплофизические расчеты объектов народного хозяйства, размещаемых в горных выработках», Москва, Строй-издат,1989 г.
|— Коротко об авторах-
Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, профессор, Смирняков В.В. - доцент, кандидат технических наук, доцент кафедра «Безопасность производства и разрушения горных пород», Санкт-Петербургский государственный горный институт ( технический университет),
Соловьев А.Н. - заместитель главного инженера ОАО проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Ленмет-рогипротранс».
- © Л.А. Лысов, 2006
УДК 622.
Л.А. Лысов
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО
145
