Обоснование режимов работы автоматизированной системы управления параметрами микроклимата в Северо-Муйском железнодорожном тоннеле. . 

ческой и увеличенной в 1,5-2 раза интенсивностях движения может соответственно достигать 4ПДК, 6ПДК и 7ПДК (рис. 3 а, б).

Поскольку конечным критерием безопасности жизнедеятельности мегаполисов выбран критерий здоровья населения, то безусловно важным является выбор той или иной модели функционирования предприятий топливно-энергетического и автотранспортного комплексов на основе оценки рисков проявления отрицательных эффектов воздействия загрязнения воздушной среды различными компонентами.

Принято считать, что приемлемое значение риска немедленных рефлекторных эффектов (приемлемый риск) оценивается величинами в пределах 0,02-0,05 (когда допускается, что от 20 до 50 человек из каждой 1000, подвергнутой экспозицией максимальных уровней загрязнения, могут проявить рефлекторные реакции) [2]. Максимальный риск немедленного действия выражается в вероятности ощущения населением неприятных запахов или развития иных рефлекторных

реакций (слезоточение, кашель), дискомфортных состояний, головной боли и т.д.

Специалистами НИИ атмосферы МПР России были найдены количественные соотношения между величинами приемлемых рисков проявления немедленных эффектов и концентрациями диоксида азота [2]. Согласно расчПтам, риск будет приемлемым при концентрациях диоксида азота в воздухе не более

0,25-0,28 мг/м3.

Основываясь на данном факте, применительно к моделированию ситуации с автотранспортными потоками наилучшими с точки зрения приемлемого риска будут ситуации 1 и 2 (интенсивность 1 и 2) в солнечную погоду, а в дождливую - только ситуация 1.

Таким образом, оценивая приемлемый риск по совокупности ингредиентов, можно выбрать наиболее эффективный вариант взаимодействия топливно-энергетического и автотранспортного комплексов мегаполиса.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Состояние атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге в 2000 году (Г.Т. Фрумин, М.Н. Петрова, Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды)/Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-петербурге в 2000 году/Под

ред. Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. -СПб., 2001.

2. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Санкт-Петербурга в 2000 году и прогноз развития ситуации на ближайшие годы (В.Б. Миляев, Р.А. Шатилов, Н.М. Иванова, НИИ атмосферы МПР России)/ Охрана окружающей среды,

природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-петербурге в 2000 году/Под ред. Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. -СПб., 2001.

3. Луканин В.Н, Трофпменко Ю.В. Промышленно-транспортная

экология: Учеб. Для вузов/ Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш.шк., 2001.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, проф. каф. «Экология, аэрология и охрана труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт.

Домпальм ЕМ. - доцент, кандидат технических наук, каф. «Экология, аэрология и охрана труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт.

Кузнецов В.С., Авраамова Н.С., Карионова Д.В. — студенты, ассистенты профессора, Санкт-Петербургский государственный горный институт.

горных выработок, одни из которых непосредственно используются для движения транспортных средств, а другие для - организации вспомогательных процессов, обеспечивающих безопасность жизнедеятельность подземных объектов в штатных (вентиляция, водоотлив, электроснабжение, освещение и т.п.) и чрезвычайных ситуациях. Для каждой из выработок, задействованной при эксплуатации подземных объектов, обосновывает-

Сся комплекс нормативов, позво-

овременные подземные транспортные соору- ляющих минимизировать вероят-

жения представляют собой сложные системы ность возникновения аварийной ситуации. Посколь-

© С.Г. Геиллер, С.Г. Геиллер, В.А. Соколов, Б.Н., Пишик, 2002

YAK 622.8

С.Г. Геиллер, В.А. Соколов, Б.Н., Пишик

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ МИКРОКЛИМАТА В СЕВЕРО-МУЙСКОМ ЖЕЛЕЗНОАОРОЖНОМ ТОННЕЛЕ

ку протяженность горных выработок может превышать две-три тысячи километров, а в некоторых случаях достигать и 7 -15 км (например, Байкальский и Северо-Муйский тоннели), то контроль и создание в них заданных технологических режимов и параметров, в том числе и климатических параметров, могут быть обеспечены только с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Рассмотрим принципы создания АСУ ТП на примере Северо-Муйского тоннеля (СМТ). СМТ, имеющий протяженность 15343 м, проходит под Ангараканским перевалом Северо-Муйского хребта и имеет двухскатный профиль с превышением Западного портала над Восточным порталом на 49 м и - наиболее высокой точки профиля тоннеля над Восточным порталом на 65 м. Тоннель имеет четыре ствола №1, №2, №3, №4 глубинами, соответственно равными 316 м, 356 м, 166 м и 200 м, к каждому из которых прилегает система около-ствольных выработок и кроссинг, связанный с тоннелем. Параллельно транспортному тоннелю (ТТ) проходит транспортно-дренажная штольня (ТДШ), имеющая протяженность, примерно соответствующую длине транспортного тоннеля, соединенная с ним серией сбоек (рис. 1).

В процессе многолетних исследований, прове-

Рис. 1. Схема основных выработок Северо-Муйского тоннеля

денных специалистами СПГГИ и ОАО «Ленметро-гипротранс», установлено, что основными причинами, препятствующими безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях, в том числе и СМТ, в штатных ситуациях могут являться возможность образования наледей, разрушение бетонной обделки тоннеля вследствие развития термодеформационных процессов, образование тумана, а также выделение СО и №О2 при движении транспортных средств [2, 4, 7]. Дополнительно для условий СМТ в качестве важной причины следует отметить выделение радона из воды и пород, приводящее к превышению эквивалентной равновесной объШмной активности радона (ЭРОА радона) нормативных значений (310 Бк/м3 - категория Б и 1240 Бк/м3 - категория А) [10, 11].

Основным средством поддержания необходимых параметров микроклимата в СМТ является создание заданного вентиляционного и теплового режимов, обеспечивающим, независимо от времени года, подачу в выработки определенного количества воздуха с положительной температурой и его распределение по ним [5, 6, 9]. Выбор режимов вентиляции определяется, главным образом, значением температуры атмосферного воздуха. Предусмотрено два основных режима вентиляции: летний и зимний. Переход от зимнего режима к летнему должен происходить при установлении среднесуточной температуры атмосферного воздуха выше +2 оС, и наоборот, от летнего к зимнему при понижении температуры атмосферного воздуха ниже указанного предела. И для зимнего, и для летнего периодов в качестве вентиляторов главного проветривания предложено использовать вентиляторы ВОМ-18, установленные у ствола №2, которые могут работать как на «вытяжку», так и на

0*^4 «/с

ІГ5 ГО

ФУ ли

^ ^ еэ Эжжтрокадорнфер

ф у Візиткипир и ііі Ворота штольни

@ Ворота с электроприводом

@ Ворота с рсігляпюром расхода воздуха х Ве е і тиля иш ный клапан

Рис. 2. Схема вентиляции СМТ в зимний период года

Рис. 3. Значения температур атмосферного воздуха у устья ствола №2 (кривая 1), западного (кривая 2) и восточного (кривая 3) порталов Северо-Муйского тоннеля в течение суток

подачу воздуха в выработки тоннеля.

Основной режим вентиляции в летний (теплый) период года предусматривает подачу в ТТ и ТДШ воздуха в количестве достаточном для нормализации радиационной обстановки по радону. Расход воздуха, определенный по этому фактору, должен составлять не менее 20 м3/с по тоннелю и 48 м3/с по штольне, причем эти количества воздуха в равных долях распределяются между восточными и западными участками тоннеля и штольни [10]. В условиях реальной эксплуатации возможно сокращение величины воздухообмена при условии обеспечения ЭРОА радона в вентиляционном воздухе ниже предельнодопустимых значений. Все сбойки между штольней и тоннелем должны быть закрыты. В этом режиме, в зависимости от направления действия естественной тяги (направление движения воздуха должно совпадать с направлением действия естественной тяги) подача атмосферного воздуха в выработки тоннеля осуществляется или через порталы тоннеля или через ствол №2. В первом случае атмосферный воздух забирается через Восточный и Западный порталы тоннеля и штольни, двигается к вентиляционному кроссингу у ствола №2, и затем, к главной вентиляторной установке, с помощью которой через ствол №2 выбрасывается в атмосферу.

В зимний (холодный) период года воздух во всех случаях поступает в тоннель и штольню через Западный и Восточный порталы тоннеля, где осуществляется его подогрев. Далее воздух движется по тоннелю к кроссингу ствола №2, а затем к главной вентиляторной установке (рис 2). Для проветривания штольни часть воздуха вентиляторами П-9 (восточный участок) и П-8 (западный участок) отводится из транспортного тоннеля в штольню и направляется по ней к кроссингу ствола №2, где затем смешивается с тоннельным воздухом и выбрасывается по стволу №2 в атмосферу. В штольне часть воздуха забирается из основного потока вентиляторами П-1 (П1-1), П-2 (П1-2), расположенными в портальных зданиях, и направляется в сторону порталов к калориферным установкам, где нагревается совместно с атмосферным воздухом и направляется в тоннель. Для регулирования количества воздуха, поступающего в тоннель под действием естественной тяги и вентилятора главного проветривания у порталов тоннеля сооружены вентиляционные ворота, которые имеют отверстие для размещение контактного провода [12]. Через эти отверстия, а также через

Рис. 4. Расчетное распределение воздуха по выработкам СМТ в зимний период года при использовании ВОД-18, работающим на выдачу воздуха с порталов по ЖДТ и РДШ через ствол Ш2 на поверхность

1 4 / ' ’ - —Л

У / _ і

/ /

^ ^ ^ /

неплотности в вентиляционных воротах в тоннель поступает холодный наружный воздух.

Потребные количества воздуха и его необходимое распределение по выработкам тоннеля и штольни, установлены по радиационному фактору (см. рис. 2).

Вместе с тем, очевидно, что на общее количество воздуха, поступающее в тоннель и его распределение по выработкам, определенное влияние может оказывать естественная тяга, величина которой зависит от соотношения температур атмосферного воздуха у порталов тоннеля и ствола №2 [1, 3] (рис. 3).

Как показывают расчеты, величина естественной тяги между порталами и устьем ствола №2 при указанном распределении температур в атмосферном воздухе может достигать 350-900 Па. На рис. 4. приведены результаты математического моделирования распределения воздуха по выработкам СМТ для значений естественной тяги между восточным и западным порталами и устьем ствола №2, соответственно равными 720 Па и 650 Па. Анализ приведенных данных расчетов, а также результатов вычислений при других значениях естественных тяг, позволяет сделать вывод о возможности достижения заданного воздухораспределения независимо от температурных условий на поверхности. Последнее, объясняется стабилизирующим влиянием, которые оказывают на аэродинамику вентиляционной струи вентиляционные ворота у порталов тоннеля, а также работа вентилятора главного проветривания.

Для подогрева воздуха наружного воздуха ис-

пользуются электрокалориферы установленной мощностью 1440 кВт на Восточном портале и 1440 кВт на Западном портале. Подогрев воздуха, засасываемого из штольни, осуществляется системой П3 (П3') в электрокалориферах ЭК-65-01общей мощностью 135 кВт на Восточном и 135 кВт на Западном портале. Дополнительный подогрев воздуха при аномальном понижении температуры атмосферного воздуха предполагается осуществлять в тепловентиляционной установке (ТВУ), снабженной собственным вентилятором и электрическим калорифером мощностью 450 кВт.

Для регулирования величины подогрева воздуха, в зависимости от значения температуры наружного воздуха, предусмотрено три ступени включения установленной мощности калориферов (33%, 66% и 100% от общей мощности).

При подходе поезда к тоннелю портальные ворота со стороны прибытия поезда движения поездов открываются (при закрытых воротах со стороны противоположенного портала), что приводит к нарушению вышеописанной схемы проветриванию, так как в тоннель начинает поступать количество воздуха, в несколько раз превышающее его необходимый расход, рассчитанный из условия обеспечения радиационной безопасности по радону. Это количество воздуха еще в большей степени возрастает при входе поезда в тоннель и в процессе его движения по участку тоннеля до сопряжения с кроссингом к стволу №2. Через определенный промежуток времени после входа поезда в тоннель портальные ворота за ним закрываются, но открываются ворота со стороны противоположного портала. Количество воздуха, поступающее в тоннель, по ходу движения поезда резко снижается и затем по мере его выхода из тоннеля и закрытия ворот стремится к первоначальному значению. График зависимости, иллюстрирующий выше описанные закономерности изменения расхода воздуха, построен на основании данных математического моделирования аэродинамики поршневой вентиляции и представлен на рис. 5 (кривая 1). На этом же графике приведены результаты расчетов количеств воздуха, поступающих в тоннель со стороны одного из порталов по ходу движения поезда, при закрытом стволе №2, открытых воротах в подходной к стволу (см. рис. 2) и различных аэродинамических сопротивлениях кроссинга, создаваемых с помощью вентиляционных регуляторов (см. рис. 5, кривые 2, 3).

Как следует из приведенных графиков, использование схемы вентиляции с выключением из сис-

темы проветриваемых выработок ствола №2 и включением в неП подходной к стволу позволяет существенно снизить количество воздуха, поступающее в тоннель при движении транспортных средств. Это, хотя и приводит к возникновению рециркуляции воздуха между подходной к стволу и выработкой, где установлены вентиляторы главного проветривания, дает возможность обеспечить необходимой подогрев атмосферного воздуха при аномально низких значениях его температуры имеющимися калориферными установками. Следует отметить, что калориферные установки при движении поезда по тоннелю включаются со стороны прибытия поезда и отключаются со стороны его выхода из тоннеля.

Мощность одновременно включенных калориферных установок определяется температурой атмосферного воздуха, его количеством, поступающим в тоннель, в период отсутствия поездов, интенсивностью движения поездов и используемой схемой проветривания. Конечная температура воздуха после калориферов ^ определяется из условия обеспечения компенсации холода, вносимого в тоннель поездами [3, 6].

Ґ,

ср

(

Ато

1 + -

1 + к ц Ат„

\

1 + кп Ато

Атп

Ато

1 + -

1 + к Ц Атп

1 + кп Ато

к ц — к п

1 + к п

“от у

где ^р - среднее значение температуры воздуха за периоды отсутствия в тоннеле поездов и действия поршневого эффекта (для определения ^ значение температуры ^р принимается равным 2 0С, а для расчета минимально-допустимой температуры воздуха ^1п - 0 0С; Атот и Атп - относительные времена действия поршневого эффекта и его отсутствия, Атот = тот/Ет, Атп = тп/Ет. Ет, тп, тот - соответственно интервал времени между следующими друг за другом в одном направлении поездами, суммарное время действия поршневого эффекта и время отсутствия поршневого действия поездов, сек; кц = 0от/0ц, кп= 0п/0ц. 0от, 0п, 0ц - соответственно весовые расходы воздуха в тоннеле при отсутствии поршневого действия поездов, при поршневом эффекте и рециркуляционного воздуха, кг/с.

Мощность калориферов, обеспечивающих подогрев наружного воздуха до этой температуры, будет равна:

(

N = Оо

і — І

1шт 1ц

Л

к ц

V ц

Результаты вычислений мощности калориферов для условий схемы проветривания, показанной на рис. 2., и различной интенсивности движения транспортных средств показаны на рис. 6.

+

+

N кВт

2000 5 / 4 3 2

1

1000

—0 < 1—1— —1—1—1—1— —1—1—1—1— —1—1—1—1—

Ъ,°С

-10

-20

-30

-40

Из анализа графиков на рис. 6. следует, что при интенсивности движения транспортных средств, соответствующей 8 пар/сут., портальные калориферы обеспечивают необходимый уровень подогрева воздуха до значений температуры -30 °С, при увеличении интенсивности до 24 пар/сут. эта величина повышается до -24 °С, что делает необходимым или включение дополнительных калориферов (ТВУ) или переход на схему проветривания с рециркуляцией воздуха между подходной к стволу №2 и выработкой, где установлены вентиляторы главного проветривания. На основании выше представленных расчетов были установлены режимы работы калориферного оборудования и осуществлен выбор схем проветривания, обеспечивающих при различных климатических и эксплуатационных параметрах, требуемые вентиляционный и тепловой режимы.

Рис. 6. Зависимость необходимой для подогрева воздуха мощности калориферов от температуры наружного воздуха и интенсивности движения транспортных средств.

Таким образом, условиями введения соответствующих вентиляционного и теплового режимов в штатной ситуации являются: значение температуры наружного воздуха; распределение температур воздуха по длине тоннеля и штольни; направление воздушного потока в тоннеле и штольне; значение концентрации радона по длине тоннеля и штольни; значение концентраций СО, И02 при движении поездов на тепловозной тяге. В случае возникновения аварийной ситуации необходимо предусмотреть введение соответствующих аварийных режимов, для которых используются стволы №№ 1, 3, 4, оборудованные соответствующими вентиляционными системами.

Система контроля параметров воздушной среды должна быть ориентирована на измерение температуры, относительной влажности, скорости и направления движения, ЭРОА радона, концентрации СО и ИО2. Сбор информации о состоянии воздушной среды в тоннеле и штольне осуществляется комплексом контрольно-изме-рительных приборов, составляющих шесть замерных станций с комплектом датчиков, а также метеорологических станций. Информация будет поступать в вычислительный комплекс диспетчерского центра (расположен в здании технических служб тоннеля в 2-х км от Восточного портала) и обрабатываться в соответствии с заданной программой. Результатом этого будет является выбор оптимальных режимов вентиляции и подогрева, и определение номенклатуры задействованного вентиляционного и калориферного оборудования.

Управление системами вентиляции предусмотрено: местное (поэлементное); дистанционное (телемеханическое). Местное управление предполагается использовать при ремонтных и наладочных работах.

Для телемеханического управления предусмотрено два режима работы:

1. Телемеханическое поэлементное - управление каждой единицей оборудования (вентилятор, клапан, электрокалорифер и т.п.);

2. Телемеханическое программное - управление комплексом вентиляционного оборудования в соответствии с определенным режимом вентиляции тоннеля (теплый, холодный и переходный периоды года, аварии).

Схема управления системой вентиляции предусматривает частичную автоматизацию управляющих процессов (рис. 7). В зависимо-

ис. 5. Количество воздуха, поступающее в тоннель, по

оду движения поезда в зависимости от времени нахож-

:ния поезда в тоннеле (1- схема вентиляции, указанная

рис. 2; 2,3- схемы вентиляции Рис.“7. Схема технологиЧеск открытыми воротами в подходи 10^и^ микроклиматом в СМ1

ду

0

сти от степени использования средств автоматизации предлагается два режима управления: автоматический - реализуемый программой управления и ручной - реализуемый диспетчером. В этом случае диспетчер, получив информацию о технологических параметрах системы вентиляции, производит ручное введение режима, поэлементно переводя необходимое оборудование в требуемое состояние (включено, отключено и т.п.). Приняв решение, через исполнительные механизмы он воздействует на ход процесса.

В схеме управления имеется несколько этапов циркуляции информации по замкнутому контуру. Информация о ходе управления процессом передается диспетчеру и в вычислительное устройство (программируемый контроллер) системами телемеханики (СТ). Применение СТ обуславливается тем, что управляемый процесс (изменение расхода воздуха) рассредоточен на большой длине: управляемые установки расположены в тоннеле протяженностью 14000 м, а также тем, что измеренные и полученные средствами сбора информации данные, необходимо передать в вычислительное устройство, находящееся на значительном расстоя-

нии (до 20,0 км) от технологических агрегатов. Передача сигналов от вычислительного устройства к исполнительным механизмам также должна осуществляться с помощью СТ.

Технологическим процессом предусмотрены следующие режимы управления: автоматическое управление; полуавтоматическое управление; ручное поэлементное управление.

При использовании автоматического управления выбор режима определяется и исполняется программой автоматически. В случае полуавтоматического управления выбор режима определяется диспетчером из перечня режимов, предлагаемых системой. Режим устанавливается программой. И, наконец, при ручном поэлементном управлении диспетчер, используя диалоговые средства АСУТП, осуществляет управление оборудованием непосредственно с пульта.

Таким образом, предлагаемые режимы функционирования АУСУ ТП, позволят создать в выработках Северо-Муйского тоннеля параметры микроклимата, обеспечивающие необходимый уровень безопасности его эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вассерман А.Д. Специфика теплового режима подземных сооружений при передаче тепла мас-сиву//Физические процессы горного производства. Тепломассопере-нос в горных выработках и породных коллекторах. Сборник научных трудов. - Л.: Изд. ЛГИ, 1985. - С. 103-107.

2. Гендлер С.Г. Оценка условий наледеобразования в транспортных тоннелях//Физические процессы горного производства. Всесоюзный межвуз. сб.- Л.: Изд. ЛГИ, 1988. - С. 80-84.

3. Гендлер С. Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях. С.Г Гендлер, С.Е Беспалов., В.А Соколов., Ю.М. Горшков, Э.М. Юшков-ский. Транспортное строительство, №4, 1990. - С.18-22.

4. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях//

Транспортное строительство, №11, 1991. - С.15-17.

5. Гендлер С.Г. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период/ Авт. свид. СССР № 1627723. С.Г. Гендлер, С.Е. Беспалов, В.А. Соколов, Э.М. Юшковский Ю.М. Горшков. БИ №6, 15.02.91.

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

7. 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

9. Гендлер С.Г. Способ регули-

рования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период. Патент РФ на Изобретение № 2124131. С.Г. Гендлер,

Ю.М.Горшков, В.Н. Шибалин. Бюл. из. № 36, 1998.

10. Гендлер С.Г. Проблемы проветривания протяженных железнодорожных тоннелей в сложных условиях // Горный информационноаналитический бюллетень, Изд-во МГГУ, №3, 1999.

11. Нормы радиационной безопасности (НРБ- 99). М.: Минздрав России, 1999, 113 с.

12. Хомпнскпй В.А. Вентиляционный затвор для железнодорожного тоннеля. Пат. РФ № 2029872. В.А. Хоминский, В.А. Макаров, В.А. Соколов, Ю.М. Горшков, С.Г. Гендлер, М.Л. Покрывалов, А.И. Салан. БИ №6, 27.02.95.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------------

Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, проф. каф. «Экология, аэрология и охрана труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт.

Соколов В.А. - нач. отдела института ОАО «Ленметрогипротранс».

Пищик Б.Н. - доктор технических наук, зав лаб. конструкторско-технологического института вычислительной техники СО РАН.