Взаимосвязность режимов вентиляции станций метрополитена

объективно недостаточная информация о количественной и качественной характеристике запасов месторождения на начальном этапе освоения значительно повышает риск инвесторов;

- потребность рынка в рудном сырье на длительную перспективу прогнозируется сегодня с большими трудностями;

- большую роль играет проблема экономичности транспортирования товарной руды до потребителя.

За последние годы одним из главных методов снижения инвестиционных рисков становится использование адаптационных проектов.

Адаптационный проект должен предусмотреть в конструкции объекта такие свойства, чтобы он смог в дальнейшем, сталкиваясь с непредвиденными ситуациями, перестраиваться без чрезмерно больших трудов и затрат.

В настоящее время значительную роль в оценке месторождений играет комплексное использова-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ние добываемого полезного ископаемого. Поэтому в качестве основного критерия эффективности инвестиций целесообразно использовать показатель извлекаемой ценности руды, определяемый как сумма всех полезных компонентов, извлекаемых из 1 т руды, оцененных по действующим оптовым ценам. Следующим шагом по оценке экономического потенциала месторождений является определение экономических критериев в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования», которыми являются: чистый дисконтированным доход (ЧДД), индекс доходности (ИД), внутренняя норма доходности (ВНД), срок окупаемости.

Знание условий, способа разработки месторождения и технико-экономических показателей для получения товарной продукции является необходимым условием определения основных экономических показателей: объема товар-

ной продукции, величины капитальных вложений, себестоимости, рентабельности. Существенное значение имеет учет местных экономико-географи-ческих условий и перспектив промышленного развития района. Кроме того, для оценки месторождений требуется располагать информацией о возможности и целесообразности извлечения всех компонентах, находящихся в полезном ископаемом, степенью их дефицитности, состояния сырьевой базы данного полезного ископаемого.

Основными факторами, определяющими эффективность

вскрытия и отработки месторождения, является ценность руды, срок строительства, затем величина капитальных и эксплуатационных затрат. Очевидно, изменением этих факторов и можно обеспечить эффективность освоения рассмотренных месторождений, но при этом следует иметь в виду существенное различие в техникоэкономических показателях для разных групп рудных залежей.

Волков Юрий Владимирович- профессор, доктор технических наук, зав. Лабораторией, Институт горного дела УрО РАН. Славиковский О.В. - доктор технических наук, Институт горного дела УрО РАН.

Смирнов А.А. - кандидат технических наук, Институт горного дела УрО РАН

О A.M. Kpасюк, И.В. Лугин, 2003

YA 624.191.94

A.M. Kpасюк, И.В. Лугин

BЗAИMOCBЯЗHOCTЬ РEЖИMOB ВЕНТИЛЯЦИИ CTAHUИЙ METРOПOЛИTEHA

Тоннельная вентиляция является основным звеном системы жизнеобеспечения метрополитенов. К ней предъявляются требования, нормируемые СНиП "Метрополитены" как по созданию комфортных параметров воздушной среды, так и по обеспечению условий безопасной эвакуации пассажиров и обслуживающего персонала при чрезвычайной ситуации. Институт горного дела Сибирского отделения РАН (ИГД СО РАН) совместно с Новосибирским метрополитеном ведут исследования по совершенствованию системы вентиляции и поиску оптимальных режимов работы вентиляторов. Для достижения указанных це-

лей, разработана математическая модель вентиляционной сети правобережной части Новосибирского метрополитена включающая 9 станций, 8 перегонных вентиляционных камер, 9

- станционных и 1 венткамеру в тупике. Схема сети приведена на рис. 1. В системе задействовано 34 вентилятора ВОМД-24 и ВОМД-24а мощностью от 45 до 70 кВт. Вентиляционная сеть метрополитена представляет собой связанную систему с существенным влиянием работающих вентиляторов на параметры воздушного потока в разных точках сети. Поэтому для обоснования оптимальных режимов работы вентиляторов поставлена задача по исследованию количественных зависимостей взаимного влияния вентиляционных режимов станций линии метро. Моделирование проводится с помощью вычислительного пакета для расчета воздухораспределения в сетях горных выработок шахт

и рудников, разработанной в ИГД СО РАН, который позволяет проводить численные эксперименты по ис-

следованию штатных и аварийных режимов проветривания. Программа численных экспериментов предусматривала установление зависимостей расхода воздуха на пассажирских платформах станций Ленинской линии от изменения производительности в 3-х характерных станционных вентиляционных камерах - "источниках возмущений":

ст. «Заельцовская» - как тупиковая; ст. «Площадь Ленина» - как станция на середине линии;

ст. «Речной вокзал» - как ближайшая к выходу в атмосферу (метромосту).

Результаты экспериментов приведены на рис. 2. Исследования показали, что максимальное влияние на вентиляционный режим соседних станций оказывает изменение производительности вентилятора на тупиковой станции. Чем ближе находится источник возмущений к выходу в атмосферу (в данном случае к метромосту), тем меньше его влияние на вентиляционный режим линии. Это факт доказывает, что топология вентиляционной сети существенно влияет на параметры проветривания станций.

Рис. 1. Схема вентиляции правобережной части Новосибирского метрополитена

Рис. 2 Изменение расхода воздуха на пассажирских платформах станций Ленинской линии при изменении угла установки лопаток рабочего колеса вентилятора от 15° до 45° в вентиляционных камерах: а - на станции «Заельцовская»; б - станции «Площадь Ленина»; в - на станции «Речной вокзал»

Для проверки адекватности полученных результатов проведен эксперимент в натурных условиях по определению изменения расхода воздуха на станциях. Эксперимент проводился в ночное время для исключения влияния «поршневого эффекта» от движущихся поездов. Максимальное расхождение результатов численного и натурного экспериментов не превысило 12 %. Величина отклонения достаточно мала, носит постоянный характер и объясняется погрешностями при моделировании сети и аппроксимации аэродинамических характеристики вентилятора ВОМД-24.

Следует отметить, что реальная вентиляционная сеть представлена ориентированным связным графом, к особенностям которого относится большое число открытых параллельных соединений ветвей. Т.к. размерность полного графа исследуемой вентиляционной системы составляет около 35° узлов и 5°° ветвей, расчет воздухораспределения возможен лишь численными методами с применением ЭВМ. Результатам такого расчета органически свойственны недостатки, которые затрудняют получение общих закономерностей для всех метрополитенов, подобных Новосибирскому (мелкого заложения). К этим недостаткам относится привязанность модели к конкретной реальной сети с ее специфическими, присущими только ей особенностями. Для исследований вентиляционной сети с целью установления общих зависимостей потребовалось провести упрощение модели с использованием методов описанных в [3,4]. В результате упрощения исходной вентиляционной сети выделены три различных типа ветвей:

- полуперегон;

- перегонная венткамера с неработающими вентиляторами;

- пешеходные пути на станции.

При расчете аэродинамических сопротивлений этих ветвей использованы усредненные значения для соответствующих участков вентиляционной сети станций и тоннелей Новосибирского метрополитена.

В результате получена упрощенная модель, которая скомпонована из блоков «полуперегон - станционная венткамера - полуперегон - станция» (см. рис. 3). Эта модель вентиляционной сети может представлять линию с любым количеством станций и легко поддается исследованию.

При создании такой модели были приняты следующие допущения:

- режим работы вентиляции соответствует используемому в настоящее время в Новосибирском метрополитене: станционные вентиляторы работают на вытяжку, а перегонные отключены, их шиберные аппараты открыты;

- режим работы вентиляторов - не источников возмущения не зависит от режима работы вентилятора-источника возмущения, что позволяет не учитывать их на схеме и в расчете;

Рис. 4. Изменение аэродинамического сопротивления оставшейся части вентиляционной сети

Рис. 5. Изменение расхода воздуха на платформах станций при увеличении производительности вентиляторов в вентка-мере - источнике возмущений на станции №1 и № 10

- рассматриваемая линия с обеих сторон ограничена тупиками.

Для выявления общих закономерностей воздухо-распределения в протяженной сети были рассмотрены модели линий метро, состоящие из 5...20 станций. Режим работы вентилятора изменялся на станции № 1. Изменение расхода в вентиляционной камере на станции - источнике возмущения осуществлялось в диапазоне 0.100 м3/с.

Рассмотрим изменение расхода воздуха Д01 на станции № 1, которое равно ДОв -изменению подачи вентилятора. Согласно первому закону Кирхгофа:

Д01 = <ксп + ^ ,

где qlсп - изменение расхода воздуха через пешеходные пути станции № 1, м3/с; q1^ - изменение расхода воздуха через тоннели, участок 1-1', м3/с;

Пути, по которым воздух поступает на станцию, представляют собой параллельные участки, состоящие из пешеходных путей на станциях и вентиляционных каналов на перегонах участка 1'-20. Это вполне справедливо, т.к. все выходы сети в атмосферу можно считать общей точкой. Следовательно, распределение изменения расходов воздуха по этим участкам составит:

Ч1сп

Д01

1 +

*1

да

(*1-

1+

Я

где ^сп - сопротивление пешеходных путей на станции № 1, кц; - сопротивление оставшейся части сети, кц.

Из этих двух параллельных сопротивлений известным и одинаковым для всех станций принимается сопротивление пешеходных путей станции ^ ^ = И

=... = ^0 . Сопротивление по сути является сложным параллельным сопротивлением всей оставшейся части сети. Это сопротивление изменяется в зависимости от количества станций в этой части сети (см. рис.4). По графику видно, что сопротивление остается практически постоянным (изменение менее 1 %) до тех пор, пока в оставшейся части сети содержится не менее 5 станций. При меньшем количестве станций на этом участке, его сопротивление резко увеличивается за счет сокращения числа параллельных выходов в атмосферу.

Далее изменение расхода воздуха q1^ по тому же правилу делится на расходы q1.- изменение расхода через венткамеру 1' на перегоне 1-2 и q1'^- изменение расхода через тоннели на участке 1'-2. Зная изменение расхода воздуха на вентиляторе любой станции и сопротивления сети, можно посчитать изменение расхода на всех станциях.

Проведенные исследования позволили установить общие закономерности изменения расхода воздуха на пассажирских платформах станций одной линии метрополитена от изменения производительности венти-

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

станции

-----изменение на 1 станции

-----изменение на 10 станции

лятора в венткамере - источнике возмущений. Некоторые результаты численных экспериментов приведены на рис. 5 . Анализ полученных зависимостей показывает, что при расчете вентиляционной системы станций, следует рассматривать участок сети, включающий 5 соседних станций. Это позволит учесть взаимное влияние режимов работы вентиляторов и обеспечить погрешность расчетов в пределах 10 %. В СНиП 32-08 «Метрополитены» рекомендуется принимать за расчетный участок при проектировании вентиляции станций и перегонов участки вентиляционной системы либо между осями соседних станций, либо между осями перегонных вентиляционных камер на смежных перегонах. Проведенные исследования показали, что такой упрощенный подход к выбору расчетного участка тоннельной вентиляции приводит к большим погрешностям, обусловленными существенным взаимным влиянием режимов работы вентиляторов и топологией вентиляционной сети.

Используя принципы построения данной модели, можно рассчитать взаимовлияние не только на одной линии, но и на пересекающихся линиях.

Исследования воздушных потоков в ветвях вентиляционной сети позволили выявить количественные соотношения между расходом воздуха в тоннелях и на пешеходных путях движения пассажиров. Вследствие практического постоянства значений , соотношение количества воздуха, приходящего на станцию через пешеходные пути и через тоннели, также устанавливается постоянным до -5-ой станции (считая от границы линии метро), рис. 6. При этом 25,6 % от общего расхода воздуха приходится на пешеходные пути и 74,4% - на тоннели. Для Ленинской линии Новосибирского метрополитена распределение расхода воздуха проходящего через станцию, показано на рис. 7.

Анализ полученных результатов показал, что большая часть воздуха проходящего через платформу станции поступает через тоннель, а не через пешеходные пути. Следовательно, тоннели эффективно проветриваются за счет станционных вентиляторов, даже без учета «поршневого эффекта» от движущихся поездов. Это позволяет предложить технологическую схему проветривания метрополитенов, при которой пере-

станции

Рис. 7. Соотношение количества воздуха поступающего на платформу станций Ленинской линии из туннелей

гонные вентиляторы в штатном режиме не работают, а станционные вентиляторы работают на вытяжку.

При этом в перегонной венткамере устанавливается регулируемый клапан сечением не менее 9 м2, сблокированный по управлению с вентиляторами, с помощью которого создается «короткое замыкание» тоннель-атмосфера. Таким образом в вентиляционной сети обособляется замкнутый контур «атмосфера - перегонная венкамера - полуперегон - станционная венткамера - атмосфера», с фиктивной замыкающей веткой- атмосферой. Этот контур будет иметь аэродинамическое сопротивление значительно меньше, чем в существующих сетях метрополитенов, что позволит обеспечить требуемый расход воздуха одним станционным вентилятором. Также это позволит снизить взаимное влияние режимов вентиляции соседних станций, и обоснованно ограничить расчетный участок при проектировании вентиляции метрополитенов с использованием данной схемы до отрезка между двумя соседними перегонными венткамерами. Включение перегонных вентиляторов потребуется только в аварийном режиме ЧС и ГО с одновременным закрытием регулируемого клапана. Требования, предъявляемые к аэродинамическим параметрам перегонных вентиляторов, работающих в аварийных режимах, существенно отличаются от требований к станционным вентиляторам. Это объясняется различными условиями работы вентиляторов и другими значениями расхода удаляемого задымленного воздуха. Следовательно, аэродинамические характеристики перегонных вентиляторов должны отличаться от характеристик станционных, чтобы соответствия специфике их работы. В 2002 году лабораторией "рудничной аэродинамики" ИГД СО РАН планируется завершить исследования по обоснованию аэродинамических параметров вентиляторов для перегонных вентиляционных камер.

Внедрение предлагаемой схемы позволит:

- снизить аэродинамическую мощность вентиляторов на станции за счет уменьшения сопротивления сети и сократить энергопотребление на тоннельную вентиляцию;

- в большей степени использовать «поршневой эффект» от движущихся поездов для проветривания сооружений метрополитена, при этом снизится дутье на станциях (т.к. в перегонных вентиляционных камерах более низкое аэродинамическое сопротивление, связывающее венткамеру с атмосферой);

- уменьшить взаимовлияние изменения вентиляционных режимов соседних станций;

- использовать при аварийных ситуациях на перегонах вентиляторы, наиболее полно соответствующие требованиям пожаротушения и дымоудаления.

Выводы.

Установлены зависимости изменения расходов воздуха на станциях всей линии метрополитена мелкого заложения от изменения режима работы вентилятора в одной из камер. Показано, что радиус значимого взаимовлияния вентиляционного режима на станциях существенно зависит от топологии сети и значительно больше расчетного участка, рекомендуемого СНиП 32-08 «Метрополитены». Расчет вентиляции сооружений метрополитена без учета этих факторов приводит к большой погрешности расчетов.

Выявлены количественные соотношения между объемами воздуха, поступающего к пассажирской платформе станции по тоннелям и по путям движения пассажиров, что позволяет утверждать о достаточности работы только станционных вентиляторов для проветривания метрополитена в штатном режиме.

Предложена однонаправленная технологическая схема проветривания метрополитенов, позволяющая снизить энергопотребление на тоннельную вентиляцию и уменьшить взаимное влияние вентиляционных режимов смежных станций.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Строительные нормы и правила. Метрополитены. Нормы проектирования СНиП 32-°8. - М., Строй-издат, 2°°1, 53 с.

2. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов.

Изд. 2-е, перераб. и доп. - М., «Недра», 1975 г., 568 с.

3. Цой С., Рогов Е.И. Основы теории вентиляционных сетей. - Алма-Ата, «Наука», 1965, 284с.

4. Шепелев С.Ф., Слепых В.Ф, Вязниковцев Е.В. Методические ука-

зания по составлению, упрощению, расчету и проектированию рудников. - Алма-Ата, Академия наук Казахской ССР, Институт горного дела, Казахская комиссия по борьбе с силикозом, 1973, 160 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Красюк Александр Михайлович — доктор технических наук, доцент, ст. научный сотрудник, Институт горного дела Сибирского отделения РАН (ИГД СО РАН), Новосибирск.

Лугин Иван Владимирович - аспирант, Институт горного дела Сибирского отделения РАН (ИГД СО РАН), Новосибирск.