Основные направления модернизации системы вентиляции Байкальского железнодорожного тоннеля

© С.Г. Гсндлср, 2013

УДК 622.8 С.Г. Гендлер

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ БАЙКАЛЬСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ

Описаны различные варианты схем проветривания Байкальского тоннеля. Приведены данные экспериментальных исследований аэродинамических параметров тоннеля и определения величины естественной тяги. Вычислены количества воздуха для проветривания тоннеля с учетом радиационного фактора для различных схем вентиляции. Определены основные направления модернизации вентиляции Байкальского тоннеля.

Ключевые слова: схема вентиляции, выделение радона, подогрев воздуха, естественная тяга, вентиляционные ворота.

Байкальский железнодорожный тоннель, имеющий длину 6698 м и односкатный профиль с превышением восточного портала над западным на 82 м, является одним из трёх тоннелей России, где целенаправленно осуществляется подогрев наружного воздуха до положительной температуры. Создание в тоннеле в зимний период года положительного теплового режима определялось необходимостью предотвращения образования наледей и разрушения тоннельной обделки при высоких деби-тах поступающей в тоннель воды и низких температурах наружного воздуха [1, 3]. Основным препятствием для осуществления поставленной цели явились значительные расходы наружного воздуха, поступающие в порталы тоннеля за счет естественных факторов и действия поршневого эффекта транспортных средств. Так как участки тоннеля, прилегающие к порталам тоннеля, оказываются наиболее уязвимыми с точки зрения воздействия рассматриваемого негативного влияния, то одним из требований к схеме проветривания является

максимальное приближение места подачи в тоннель нагретого воздуха к его порталам.

Первый вариант схемы вентиляции Байкальского тоннеля предусматривал использование для подачи в тоннель подогретого воздуха ствол 1 (рис 1). Предлагалось осуществлять подогрев наружного воздуха электрическими калориферами 6 на устье ствола до +2 °С с последующей его подачей вентиляторами 3, расположенными в квершлаге 2, по вентиляционной сбойке 10 в штольню 4. В штольне 4 воздух разделяется на две части. Одна часть направляется к западному порталу, догревается за счет теплообмена с до температуры 5-6 °С и далее через сбойку 9 поступает в тоннель 5, где смешиваться с холодным воздухом, и перемещается за счет действия естественной тяги по тоннелю в восточном направлении. Другая часть воздуха движется по штольне к западному порталу и удаляется из неё через окно, выполненное в вентиляционных дверях 11.

При проведении пуско-наладочных испытаний описанной системы венти-

Рис. 1. Схемы проветривания Байкальского тоннеля: 1 - ствол; 2 - квершлаг; 3 -вентилятор главного проветривания; 4 - транспортно-дренажная штольня; 5 - тоннель; 6 -калориферы; 7 - калориферы; 8 - вентиляторы; 9- сбойки; 10- вентиляционная сбойка

ляции выяснилось, что на вентиляционный режим тоннеля значительное влияние оказывают сложные метеорологические процессы, определяемые периодическими температурными инверсиями атмосферного воздуха у западного и восточного порталов тоннеля. Влияние этих процессов приводило как к увеличению количества воздуха, поступающего в тоннель, так и к периодическим изменениям направления его движения. В результате этого мощности калориферов для подогрева воздуха, установленных на устье ствола, оказалось недостаточно для обеспечения в тоннеле теплового режима, исключающего появление наледей.

На основании результатов пуско-наладочных работ было принято решение об изменении схемы проветривания Байкальского тоннеля. Комплекс научных исследований и тоннельных испытаний, выполненных в 1984-1989 годах, показал, что наиболее рациональной в рассматриваемых условиях будет являться рециркуляци-

онная схема проветривания [1, 2]. Основная идея, реализованная в этой схеме, заключалась в переводе движения воздуха из вертикальной плоскости ствол - штольня - сбойка - тоннель в горизонтальную плоскость по контуру штольня 4 - сбойка 9 - тоннель 5 -сбойка 9- штольня 4 (см. рис. 1).

При использовании рециркуляционной схемы проветривания вентиляторы и электрические калориферы были размещены в сбойках у Западного портала и Восточного портала. Это давало возможность оперативно изменять места подачи в тоннель нагретого воздуха (западный или восточный порталы) в зависимости от направления действия естественной тяги, а также регулировать мощность калориферов при изменении температуры наружного воздуха за счет включения в работу различного количества секций.

Вместе с тем, в процессе эксплуатации тоннеля выяснилось, что эффективность рециркуляционной схемы проветривания с одновременным

50

70

90

110

130 150

170

190

Qе, м /с

Рис. 2. Количества воздуха №„), поступающее в Байкальский тоннель под действием естественной тяги, при сооружении вентиляционных ворот на одном портале (сплошная линия) и двух порталах (пунктирная линия). Qе - количество воздуха при отсутствии вентиляционных ворот

подогревом воздуха значительно уменьшается при температуре наружного воздуха ниже -20 °С, а также при увеличении количества воздуха, поступающего в тоннель за счет действия естественной тяги [4, 5].

Натурные измерения, выполненные на Байкальском тоннеле, позволили определить аэродинамические параметры тоннельных выработок и оценить величину естественной тяги в различные периоды года. При аэродинамическом сопротивлении тоннеля, составляющем 0,0316 нс2/м8, величина естественной тяги в летний период составляет 90-100 Па. В случае отрицательных температур воздуха естественная тяга может достигать значений 600-800 Па, что приводит к поступлению в тоннель 130-160 м3/с наружного воздуха.

Для снижения количества воздуха, поступающего в тоннель, была использована воздушная завеса, сооруженная на западном портале тоннеля. Работа двухсторонней воздушной за-

весы обеспечивалась с помощью двух вентиляторов ВЦП-16. Максимальный эффект по сокращению количества поступающего в тоннель воздуха был зафиксирован при работе вентиляторов на 1У-ой скорости (число оборотов 1470). При этом количество воздуха, поступающее в тоннель, было уменьшено всего на 20% по сравнению с первоначальной величиной. На основании проведенных испытаний было сделано заключение о недостаточной эффективности использования в данных условиях воздушных завес [1, 2].

Опыт эксплуатации Се-веро-Муйского тоннеля свидетельствует о том, что наиболее эффективным средством снижения количества воздуха, поступающего в тоннель, является сооружение на порталах вентиляционных ворот [6, 11]. При аэродинамическом сопротивлении ворот, составляющем 0,16 нс2/м8, их влияние на количество воздуха, поступающее в тоннель, определяется графиком на рис. 2. Следует отметить, что сооружение ворот определяет необходимость строительства вентиляционных зданий.

После оценки радиационной обстановки в Байкальском тоннеле, осуществленной сотрудниками Иркутского государственного университета путей сообщения, и сделанных выводов о превышении более, чем в 3,5 раза, объемной активности радона (ЭРОА радона) нормативного значения, установленного для «профессионалов» группы А [8], изменился принципиальный подход к организации

Рис. 3. Изменение дебита радона

200

а 160

120

80

40

40

60

80

100

120

Q,

140

3,

Рис. 4. Количество рециркуляционного воздуха, необходимое для поддержания в выработках тоннеля радиационной обстановки, удовлетворяющей нормативам для «профессионалов» группы «А» при использовании одного контура рециркуляции

проветривания тоннеля. Ранее основные усилия были направлены на

снижение количества воздуха, поступающего в тоннель, что позволяло сократить энергетические затраты на создание положительного теплового режима. Требование нормализации радиационной обстановки привело к

необходимости установления минимального значения количества воздуха, при котором в выработках тоннеля обеспечивается нормативное значение ЭРОА радона.

Для определения количества воздуха, приводящего к снижению ЭРОА радона, летом 2009 года были осуществлены экспериментальные исследования, на основании которых установлена величина дебита радона. На рис. 3. представлено изменение дебита радона Э по длине транспортно-дренажной штольни.

Данные о значениях дебитов радона были использованы для определения количеств воздуха, обеспечивающих нормализацию радиационной обстановки. Для этого использовались зависимости, приведенные в работах [7, 10]. При этом с целью выбора схемы вентиляции, при которой количество воздуха, вычисленное с учетом радиационного фактора, является минимальным, были рассмотрены различные схемы проветривания тоннеля.

Для рециркуляционной схемы проветривания, используемой в настоящее время, количество воздуха в контуре рециркуляции будет тем больше, чем меньше расход поступающего наружного воздуха. Вышесказанное подтверждается результа-

0

м

З.П. В.П

-> - ♦ --\ ^ V - - ->

^ьста^Еазй.

пп

Рис. 5. Рециркуляционная схема проветривания тоннеля с двумя контурами рециркуляции

тами расчетов, представленными на рис. 4.

Анализ расчетных данных на рис. 4. показывают, что при снижении расхода наружного воздуха, поступающего в тоннель с 100 м3/с до 40 м3/с, необходимое количество рециркуляционного воздуха увеличивается в 4 раза, достигая 160 м3/с. При площади сечения штольни 12,55 м2 скорость воздуха будет составлять почти 13 м/с, что более, чем в два раза превышает установленное ПБ предельной значение.

Таким образом, возможность сокращения поступающего в тоннель наружного воздуха при рециркуляционной схеме вентиляции с одним контуром ограничена минимально-допустимым расходом рециркуляционного воздуха по радиационному фактору.

Если принять максимально-допустимую скорость движения воздуха по штольне 6 м/с, то расход рециркуляционного воздуха не должен превышать 75 м3/с. Минимальное значение количества поступающего наружного воздуха при этом не должно быть меньше 50 м3/с.

Использование при организации проветривания тоннеля двух конту-

ров рециркуляции (рис. 5) дает возможность снизить суммарное поступление радона в вентиляционную струю в каждом из контуров. В результате этого появляется возможность для снижения количества воздуха, циркулирующего в каждом из контуров, при примерно одинаковом суммарном расходе воздуха по сравнению с одним рециркуляционным контуром (рис. 6).

Кроме того, схема вентиляции на основе двух контуров рециркуляции, позволяет без ухудшения радиационной обстановки уменьшать количество поступающего наружного воздуха до 40 м3/с, что приводит к снижению энергетических затрат на подогрев воздуха.

На рис. 7. показана схема вентиляции, исключающая рециркуляцию воздуха и предполагающая обособленную подачу наружного воздуха в штольню и тоннель. Одновременно с улучшением радиационной обстановки использование этой схемы дает возможность повысить устойчивость функционирования тоннеля при возникновении аварийной ситуации, например, связанной с возникновением пожара.

а

80

60

40

20

40

60

80

100

120

140

Qвх, м /с

Рис. 6. Количество рециркуляционного воздуха, необходимое для поддержания в выработках тоннеля радиационной обстановки, удовлетворяющей нормативам для «профессионалов» группы «А» при использовании двух контуров рециркуляции (см. рис. 5.) (Длина первого контура, прилегающего к западному порталу 4000 м, длина второго контура, прилегающего к восточному порталу 2700 м). Расходы рециркуляционного воздуха в первом и втором контурах рециркуляции и общее количество рециркуляционного воздуха соответствуют графикам, показанным штрихпунктирной, пунктирной и сплошной линиям

Наличие двух обособленных выработок, в одну из которых вентилятором нагнетается воздух, гарантирует осуществление безопасной эвакуации людей.

Количество воздуха, которое необходимо подавать в штольню для нормализации в ней радиационной

обстановки, определенное в соответствии с методикой, изложенной в работах [7, 10], составляет 15,5 м /с (рис. 8).

Для схемы вентиляции с обособленным проветриванием тоннеля и штольни нормализация радиационной обстановки в транспортном тоннеле будет происходить в результате поступления в него за счет действия естественной тяги и поршневого эффекта поездов наружного воздуха. Вследствие того, что количество этого воздуха не влияет на радиационную обстановку в штольне, как при рециркуляционных схемах проветривания, его расход может быть уменьшен до минимального значения, которое реально достижимо при использовании вентиляционных ворот или иных других средствах управления воздухообменом. Это дает возможность для максимального сокращения энергетических затрат на подогрев воздуха.

Выполненные по разработанным методикам [9, 11] расчеты показали, что, несмотря на более высокий уро-

0

Рис. 7. Схема вентиляции Байкальского тоннеля с обособленным проветриванием тоннеля и штольни

Сравнительная оценка энергетических затрат на создание положительного теплового режима при различных схемах вентиляции Байкальского тоннеля

Энергетические затраты. кВт Среднезимние условия

Схема с обособленным проветриванием тоннеля и штольни 1140 1850 3000

Рециркуляционная схема проветривания 1230 1720 *

*) примечание: Реализация схемы проветривания невозможна из-за превышения скорости воздуха в штольне 6 м/с.

вень энергосбережения, характеризующий рециркуляционные схемы проветривания, ограничения, накладываемые на величину предельного снижения количества поступающего воздуха, требуемого для нормализации радиационной обстановки, приводят к примерно одинаковым энергетическим затратам на обеспечение положительного теплового режима (таблица).

Альтернативным способом борьбы с образованием наледей в Байкальском тоннеле может являться создание в нем отрицательного теплового

ЭРОАНЙ, GK/MJ

1200

режима, приводящего к промерзанию течей и ликвидации условий для роста и развития наледей. Схема вентиляции, реализующая этот принцип, приведена на рис. 9.

О возможность создания в тоннеле отрицательного теплового режима, свидетельствуют данные замеров, выполненные Тоннельной обследовательской станцией Северобайкальского отделения ВСЖД (рис. 10).

Из графика на рис. 10. следует, что в зимний период времени температура воздуха принимает отрицательные значения на всем протяжении тоннеля. Расход воздуха в период проведения замеров не превышал 50 - 70 м3/с.

Выполненный нами расчетный анализ показывает, что при непрерывной подаче в тоннель подаче в тоннель по направлению действия естественной тяги

(с

L, м

Рис. 8. Расчётное распределение ЭРОА ^^ по длине штольни Байкальского тоннеля при расходе воздуха 15,5 м3/с 294

восточного и западного порталов) 140 -150 м3/с возможным всей длине тоннеля отрицательную температуру воздуха с

представляет обеспечить по

Рис. 9. Схема вентиляции Байкальского тоннеля с обособленным проветриванием тоннеля и штольни с одновременным подогревом только наружного воздуха, подаваемого в штольню

максимальным значением в его центре, составляющим -6 °С - -8 °С.

Для повышения количества воздуха в тоннеле в начале периодов с отрицательной температурой и положительной температурой предлагается использовать дополнительное вентиляционное оборудование, установленное в специальной камере. В осеннее-зимний период вентиляторы, установленные в камере, будут уменьшать время промораживания тоннеля за счет усиления воздухообмена во время отрицательной температуры наружного воздуха, а в весенний период способствовать оттаиванию пород и бетонной обделки

Рис. 10. Изменение температуры воздуха по длине тоннеля 23 января 2007 года

путем повышения количества воздуха при положительной температуре наружного воздуха. При этом в штольне за счет подачи подогретого воздуха будет постоянно поддерживаться положительный тепловой режим.

Рассматривая целесообразность данной схемы проветривания, следует отметить, что при явном сокращении энергетических затрат на подогрев воздуха нельзя полностью исключить возможность образования наледей, а также без специальных исследований оценить последствия, которые могут иметь место при одновременном создании в двух параллельных выработках отрицательного и положительного тепловых режимов.

Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что основными направлениями модернизации существующей системы вентиляции Байкальского тоннеля следует считать переход к схеме проветривания с обособленной подачей воздуха в штольню и тоннель, а также сооружение у

порталов тоннеля вентиляционных зданий с воротами, ограничивающими поступление в тоннель наружного воздуха. Максимальная мощность калориферов, располагаемых в венти-

ляционных зданиях и гарантирующих обеспечение в тоннеле положительного теплового режима, исключающего образование наледей, должна составлять 3000 кВт.

1. Гендлер С. Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях. Транспортное строительство, №11, 1991. - С. 15-17.

2. Гендлер С. Г. Управление тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом. Сб. трудов «Наука в С.-Петербургском гос. горном ин-те (техническом ун-те)», Вып.1, СПб., 1997. - С. 227-233.

3. Гендлер С. Г. Защита транспортных тоннелей от образования наледей Наука в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете), Сборник научных трудов. С.-Петербург. вып. 2. 1998. - С. 149-154.

4. Гендлер С.Г, Смирняков В.В., Терен-тьев Р.П. Повышение эффективности обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях Записки горного института, СПГГИ, том 147, 2001. - С. 86-94.

5. Гендлер С.Г. Проблемы проветривания транспортных тоннелей Горный информационный бюллетень. Тематическое приложение Безопасность. Москва, 2005. -С. 281 - 295.

6. Гендлер СГОбеспечение регламентируемых вентиляционного и теплового режима - основа безопасной эксплуатации

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

подземных сооружений транспортного назначения. Безопасность жизнедеятельности, №3, 2005. - С. 24-35.

7. Гендлер С.Г., Мироненкова Н.А Выбор рациональных схем вентиляции железнодорожных тоннелей, расположенных в суровых климатических условиях, по радиационному фактору. Горный информационный бюллетень. 2008. Отдельный выпуск. Тематическое приложение. Аэрология. Москва, 2008. - С. 298 - 306.

8. Нормы радиационной безопасности. Минздрав России, 1999, 115 с.

9. Gendler S. G. Control for heat regime of the railway tunnels located in severe climatic condition. 9th International Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Italy, 6-8 October 1997, pp. 399 - 411.

10. Gendler S.G .Ventilation of the Northern Mujsky Railway Tunnel. 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium, June, 9-11, 2008, Reno, Nevada, USA, pp.407 -413.

11. GendlerS.G., Sokolov V.A. The results of ventilation tests during practical use of the Severomujsky railway tunnel BHRg 12th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 2006, Portoroz, Slovenia, pp. 451 - 462. ГТТТГ?

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Гендлер Семен Григорьевич - доктор технических наук, профессор, профессор, sgendler@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».