CC BY
102
УДК 625.42 Д.В. Зедгенизов
НОВЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ ПРОВЕТРИВАНИЕМ МЕТРОПОЛИТЕНОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ*
Действующий в настоящее время на территории России СНиП 32-08 «Метрополитены» регламентирует подачу наружного воздуха на станции в объеме не менее 50 м3 на одного человека в часы «пик» и не менее 30 м3 на человека в остальное время суток [1]. Кроме того, количество воздуха, которое должно подаваться средствами тоннельной вентиляции, рассчитывается, исходя из необходимости удаления теплоизбытков, выделяемых пассажирами и поездами, поддержания требуемой температуры грунта за обделкой тоннелей, а также разбавления и выноса влаги и вредных газов. Для выполнения требований к микроклимату подземных сооружений необходимо также обеспечивать не менее, чем трехкратный воздухообмен в час по внутреннему объему пассажирских помещений и тоннелей [2]. Иными словами, проектными нормами допускается изменять объем подаваемого в течение суток воздуха в зависимости от числа пассажиров, температуры наружного воздуха и ряда других величин, то есть допускается оперативно управлять проветриванием. Однако, при проектировании метрополитенов до сих пор не предусматриваются современные технические средства и эффективные алгоритмы управления вентиляцией. Это обстоятельство на практике приводит к тому, что в метрополитенах мелкого заложения (Новосибирск, Нижний Новгород, Красноярск, ряд станций Москвы) управление проветриванием носит эпизодический, сезонный характер или вообще не производится. По указанной причине бюджеты городов несут значительные убытки от непроизводительных затрат электроэнергии на неэффективную, нерегулируемую вентиляцию.
*Автор выражает благодарность Фонду содействия отечественной науке за грантовую поддержку своих исследований
Как правило, поезда движутся по двум путевым тоннелям, которые составляют линию метрополитена. При подходе к станции поезд выталкивает из тоннеля на платформу определенное количество воздуха, а при уходе со станции - затягивает за собой часть воздуха с платформы, увеличивая тем самым воздухообмен на станции. Указанный поршневой эффект от движения поездов можно рассматривать как дополнительный источник обеспечения требуемого проектными нормами расхода воздуха на станции.
В настоящее время уже имеется ряд готовых, апробированных технических решений по регулированию производительности тоннельных вентиляторов (поворот на ходу лопаток рабочего колеса, изменение частоты вращения электродвигателя, применение многоскоростных
электрведвигатообшюдрей метрополитенов мелкого заложения следует отметить значительную аэродинамическую связь их вентиляционных сетей с поверхностью и существенное взаимовлияние режимов проветривания соседних станций друг на другаУ. казанные обстоятельства позволяют предложить новый подход к управлению проветриванием метрополитенов мелкого заложения, заключающийся в следующем:
1) Контроль расхода воздуха на платформе станций позволит оперативно вычислять фактическую обеспеченность станции воздухом, и сравнивать ее с требуемым оптимальным расходом воздуха на платформе.
2) При увеличении числа пар поездов на линии в часы «пик» доля расхода воздуха, вызванного движением поездов, так же увеличивается, что позволит по заранее заданным алгоритмам снижать требуемую производительность тоннельных вентиляторов.
3) Применение современных технических средств автоматического регулирования производительности станционных и (или) перегонных вентиляторов позволит оперативно изменять количество воздуха, подаваемого вентиляторами в тоннели, в зависимости от числа пассажиров и пар поездов на линии, температуры наружного воздуха и т.п.
Перегонная УТБ Перегонная УТВ
Рис. 1. Схема типового участка метрополитена мелкого заложения: —> - направление движения воздуха, вызванное работой станционного вентилятора;------>■ -
направление движения воздуха, вызванное действием поездов; ■ -
места установки датчиков давления; ^ - направление
движения поездов
4) Использование дополнительных средств управления воздушными потоками (например, регулируемые жалюзи на путях движения воздуха) позволит оптимизировать воздухораспре-деление на станциях, а так же использовать су-ществующее значительное взаимовлияние вентиляционных режимов соседних станций в метрополитенах мелкого заложения.
Цель исследований: обосновать подход к оптимальному управлению проветриванием метрополитенов мелкого заложения.
Типовой участок метрополитена мелкого заложения приведен на рис. 1. Участок включает в себя станцию с размещенной на ней станционной установкой тоннельной вентиляции (УТВ) и два полуперегона с перегонными УТВ.
Исследованиями установлено, что для указанного
класса объектов наиболее эффективной является однонаправленная схема проветривания. В соответствии с этой схемой, венти-лятор станционной венткамеры работает на вытяжку, Вентиляторы в перегонных камерах отключены и их шиберующие аппараты открыты. Сплошными стрелками на рис. 1 показаны основные направления движения воздуха, вызванные работой станционного вентилятора. Рассмотрим наиболее распространенный на практике случай одновременного нахождения на рассматриваемом участке двух поездов. Пунктирными стрелками на рисунке показаны основные направления движения воздуха, вызванные поршневым действием поездов. Станционная УТВ удаляет воздух из тоннеля №3, с платформы станции, из тоннеля №2 (минуя платформу, через подплат-форменное пространство). Воздухообмен на платформе также обеспечивается поездами, приходящими из тоннелей №2 и №3. Пассажирские пути (эскалаторные спуски и лестницы) являются выходами в атмосферу, через которые движутся переменные по направлению потоки.
Недостатком существующего способа управления проветриванием является то, что обеспеченность станций воздухом оценивается только на основании данных о расходе воздуха через вентиляционную камеру. При этом не учитывается, какая часть этого расхода поступила со станции (т.е. участвовала в воздухообмене на платформе), а какая поступила прямо из тоннеля от перегонной УТВ. При определенном соотношении аэродинамических сопротивлений участков вентиляционной сети возможна ситуация, когда наружный воздух от перегонной УТВ поступает через тоннель прямо в станционную венткамеру, т.е. не участвует в воздухообмене на станции.
Особенность предлагаемого подхода к управлению проветриванием состоит в том, что необходимо учитывать поршневое действие поездов при расчете (на этапе проектирования) и контроле (при эксплуатации) требуемого воздухообмена на платформе станции. Как показывают оценки, станционный вентилятор при этом должен менять свою производительность не чаще одного раза в час, либо работать постоянно с минимальной требуемой производительностью. Не целесообразно регулировать производительность станционного вентилятора, отслеживая прибытие и уход каждого поезда, как это предполагалось ранее [3]. Достаточно корректировать производительность станционных вентиляторов в зависимости
Рис. 2. Графики скоростей воздуха в исследуемых сечениях станции «Октябрьская»: У1 ... У4 - скорости воздуха, соответственно, в 1...4 тоннеле; У5 -скорость воздуха по эскалаторному спуску; под знаком интеграла приведены оценки объемов перемещаемого воздуха.
от числа пар поездов на линии, числа пассажиров или температуры наружного воздуха.
В Институте горного дела СО РАН проводилось экспериментальное исследование воздухораспределения на станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена [3, 4]. В каждом тоннеле устанавливались датчики динамического давления (см. рис. 1), а у эскалаторного спуска - датчик статического давления. Второй выход со станции через лестницу был закрыт. Показания всех пяти датчиков синхронизировались с моментами прихода поездов на станцию. Экспериментальные данные приведены на рис. 2. Эксперимент проводился при отключенных станционных и перегонных вентиляторах. Интенсивность движения поездов составляла 12 пар в час. После обработки экспериментальных данных были получены инте-
гральные оценки количества воздуха, приходящего ( +| ) и уходящего ( -| ) через контролируемое сечение каждого тоннеля при проходе пары поездов. Установлено, что за один цикл (приход поезда из тоннеля №2 и уход в тоннель №4, и приход поезда из тоннеля №3 и уход его в тоннель №1) на станцию из тоннелей приходит
3
около 3 тыс. м воздуха.
Исследованиями установлено, что при подходе поезда к станции по тоннелю №2 большая часть воздуха, доставляемого поездом на платформу (642 м3 из 1100 м3), сразу уходит в тоннель №1. Подобная картина наблюдается и при подходе поезда по тоннелю №3 (см. пунктирные стрелки на рис. 2).
Так как пассажиропоток является одним из управляющих воздействий для регулирования расхода воздуха, необходимо дать его точное определение. Имеющиеся в нормативных документах рекомендации по определению пассажиропотока в ряде случаев дают большую погрешность и непригодны для практической оценки. Только однозначная оперативная оценка количества пассажиров, одновременно находящихся на платформе станции, позволит эффективно формировать управляющие воздействия в регуляторы системы автоматического управления проветриванием метрополитена.
В настоящее время обработаны статистические данные по количеству пассажиров, проходящих по станции «Октябрьская», предоставленные Новосибирским метрополитеном. Выбраны наиболее характерные для каждого времени года недельные пассажиропотоки. Общий пассажиропоток станции находился суммированием количества вошедших через пропускной пункт и вышедших пассажиров. Типовой суточный график пассажиропотока в рабочие дни недели по станции «Октябрьская» приведен на рис. 3.
В соответствии с нормами СНиП 32-08 «Метрополитены» вычислен требуемый по пассажиропотоку расход воздуха на платформе станции 2Ра;Р<л. Исходя из внутреннего объема станции, вычислен требуемый по трехкратному воздухообмену расход воздуха на платформе станции Qvo. Указанный расход воздуха должен быть обеспечен работой станционного вентилятора. На основе графика движения поездов по Ленинской линии Новосибирского метрополитена получена оценка расхода воздуха, подаваемого поездами на платформу Qpoezd. Указанные величины приведены на рис. 4.
Рис. 3. График пассажиропотока на станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена
При низкой интенсивности или отсутствии движения поездов (в период с 21 до 6 часов) необходимо обеспечивать на платформе требуемый трехкратный воздухообмен. В остальное время движущиеся поезда способны обеспечить от 30% до 90% требуемого расхода воздуха, даже при отключенных станционных и перегонных УТВ. Последнее обстоятельство объясняется близким расположением тоннелей к поверхности и должно учитываться при управлении вентиляцией.
Просуммировав Qvo и Qpoezd, получим расход воздуха Qvo+poezd на платформе станции, который должен быть обеспечен совместным действием станционного вентилятора и движущимися поездами (см. рис. 5). На данном этапе исследований не учитывалось взаимное влияние поршневого эффекта движущихся поездов (дополнительное переменное сопротивление, вносимое поездом) и работающего станционного вентилятора.
Необходимо отметить, что требуемый по СНиП 32-08 «Метрополитены» расход воздуха в часы «пик» почти в два раза превышает расход в остальное время (соответственно, 50 и 30 м3 на одного человека в час). Это требование приводит к завышению диапазона регулирования расхода воздуха, создаваемого средствами тоннельной вентиляции, т.е. к фактическому существенному удорожанию оборудования. В условиях роста тарифов на электроэнергию необходимо обосновать такое увеличение производительности. Вместе
Рис. 4. График расхода воздуха на платформе станции «Октябрьская»: Qvo -
требуемый по трехкратному воздухообмену расход воздуха; Qpasp0t - требуемый по пассажиропотоку расход воздуха; Qp0eZd - расход воздуха, подаваемый поездами на платформу
с тем в нормативных документах нет четкого определения часа «пик».
Для удовлетворения требований СНиП при оперативном управлении вентиляцией необходимо также однозначно контроли-
Рис. 5. График расхода воздуха на платформе станции «Октябрьская», вызванного совместным действием станционной УТВ и поршневым действием движущихся поездов Qvo+poezd
ровать начало часа «пик» и с этого момента увеличивать требуемый расход воздуха на платформе. То есть необходимо знать: во сколько раз (или на сколько процентов) увеличился пассажиропоток на станции, чтобы выдавать сигнал о начале часа «пик». На-
о о 00 <"100 1 ^00 1 о
пример, для рис. 3 явные часы «пик» - с 8 до 9 и с 17 до 18 часов. Является ли часом «пик» промежуток с 1800 до 19 часов?
При выполнении исследований были выявлены следующие проблемы, требующие отдельного рассмотрения:
1. Фактическая обеспеченность станций воздухом и ее контроль. В настоящее время фактический расход воздуха на платформе станции большинства метрополитенов страны может быть замерен только эпизодически в одной точке. Причиной этого служит отсутствие у эксплуатационных служб аппаратуры автоматического определения расхода воздуха на пассажирской платформе. Для повышения точности и надежности управления проветриванием необходимо постоянно контролировать направления и величины расходов воздуха одновременно в 7-9 точках вентиляционной сети станции. В настоящее время такая возможность отсутствует. Нет информации об эффективности проветривания станции или такая информация субъективна, т.е., по сути, не контролируется выполнение основного требования, предъявляемого к вентиляции: обеспечение необходимых расходов воздуха в пассажирских помещениях станций.
2. Соотношение расходов воздуха, проходящих через платформу и приходящих из тоннеля. В настоящее время не учитывается, какая часть воздуха, удаляемая станционным вентилятором, проходит через платформу, а какая поступает из тоннелей. Необходимо контролировать соотношение этих расходов при учете переменности рабочих параметров вентиляторов, поршневого действия поездов и естественной тяги. Данная проблема требует составления математической модели участка вентиляционной сети метрополитена с последующим исследованием статики и динамики воздухо-распределения.
Поставленные проблемы являются задачами, которые необходимо в первую очередь решить в ходе дальнейших исследований для повышения эффективности тоннельной вентиляции метрополитенов. Отсутствие точных однозначных формулировок в нормативных документах с одной стороны, и неконтролируемое на прак-
тике воздухораспределение - с другой, приводит к необоснованному перерасходу электроэнергии на проветривание, значительному росту капитальных затрат на сооружение и эксплуатационных затрат на обслуживание установок тоннельной вентиляции.
Автоматизированная система управления проветриванием метрополитенов мелкого заложения может быть построена по следующим основным принципам:
1. Входными управляющими воздействиями системы должны служить:
- информация о расходах воздуха в определенных местах тоннелей, в основном определяющих воздухораспределение, 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 и т.п.).
2. Входными возмущающими воздействиями на систему являются:
- периодическое изменение аэродинамического сопротивления участков вентиляционной сети при прохождении по ним поезда;
- изменение расхода воздуха в тоннеле, вызванное непостоянством вентиляционных режимов на соседних станциях.
3. Выходными управляющими воздействиями на регуляторы воздухораспределения служат сигналы управления тоннельными вентиляторами, клапанами, жалюзями, воздушно-тепловыми завесами и т.п.).
4. Выходные управляющие воздействия формируются системой управления на основе оптимальных алгоритмов с переменной структурой оптимизации в зависимости от входных воздействий.
5. Учет существенного влияния вентиляционных режимов соседних станций друг на друга позволит сократить число точек контроля и управления воздухораспределением, т.е. устанавливать аппаратуру в наиболее характерных местах вентиляционной сети.
Для большинства метрополитенов России режим проветривания в течение суток не может оперативно регулироваться в силу многих причин. Отсутствие эффективного управления проветриванием на практике приводит к тому, что тоннельная вентиляция должна подавать постоянно в течение суток максимальное количество воздуха (для исследуемой станции - 42 м3/с, исходя из пассажиропотока в часы «пик»). Предлагаемый подход к управлению проветриванием позволит для рассмотренной станции обеспечить экономию в сутки до 67% электроэнергии. Более точные оценки экономической эффективности управления проветриванием можно получить только после создания и всестороннего изучения математической модели вентиляционной сети метрополитена с учетом динамики воздухораспределения и экспериментальной проверки предложенных алгоритмов автоматического управления.
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. При работе станционного вентилятора с параметрами, обеспечивающими трехкратный воздухообмен на станции и учете расхода воздуха, создаваемого движущимися поездами, обеспечивается требуемый по пассажиропотоку расход воздуха на платформе в течение суток, за исключением часов «пик».
2. Целесообразно регулирование производительности станционного вентилятора проводить только в часы «пик» для обеспечения требуемого по пассажиропотоку расхода воздуха.
3. Предложен подход к управлению проветриванием метрополитенов мелкого заложения, основанный на оперативном контроле воздухораспределения в тоннелях и на станциях и оптимальном управлении регуляторами расхода воздуха с учетом поршневого действия поездов на линии.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 32-08: Метрополитены. - М.: Издательство стандартов, 1999. - 45
с.
2. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1975. - 568 с.
3. Совместные испытания двух вентагрегатов в венткамере // Отчет о НИР / Новосибирск, ИГД СО РАН, 1991. - 59 с.
4. Экспериментальное исследование воздухораспределения на станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена // Отчет о НИР / Новосибирск, ИГД СО РАН, 1993. - 97 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Зедгенизов Д.В. - кандидат технических наук, Институт горного дела СО РАН, Новосибирск.
----------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Месторождения полезных ископаемых: Учебник для вузов / В.А. Ермолов, Г.Б. Попова, В.В. Мосейкин и др.: Под ред. В.А. Ермолова. — 2-е изд., стер. —
570 с.
ISBN 5-7418-0143-9 (в пер.)
Приведены общие сведения о месторождениях полезных ископаемых и площадях их распространения, обобщены данные по вещественному составу, морфологии и условиям залегания тел полезных ископаемых. Дана современная генетическая классификация месторождений, описаны процессы и условия их образования, охарактеризованы различные месторождения эндогенной, эндогенно-экзогенной и экзогенной серии. Рассмотрены свойства, области применения, запасы и горногеологические условия месторождений металлических, неметаллических и горючих ископаемых. Изложены методика и технология геологоразведочных работ, геолого-промышленная оценка месторождений на разных стадиях их промышленного освоения.
Для студентов вузов, обучающихся по горным специальностям.
УДК 553.3/.9(075.8)
--------^
^---------
