Исследование динамики нагрева тоннельного воздуха при горении поезда на перегоне метрополитена

© Л.В. Зелгенизов, И.В. Лугин, 2003

УЛК 624.191.94: 622.445

Л.В. Зелгенизов, И.В. Лугин

ИССЛЕЛОВАНИЕ ЛИНАМИКИ НАГРЕВА ТОННЕЛЬНОГО ВОЗЛУХА ПРИ ГОРЕНИИ ПОЕЗЛА НА ПЕРЕГОНЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Метрополитен является мощным инженерным транспортным комплексом, который, как любая сложная техническая система, подвержен риску технологическим авариям. Одними из самых опасных аварий являются пожары, задымления и загазования в тоннелях и на станциях метрополитена. Первоочередная задача при возникновении пожара - эвакуация пассажиров и обслуживающего персонала из аварийной зоны. При этом обязательным условием успешной эвакуации людей является надежная работа системы вентиляции, при которой вентилятор должен подавать поток свежего воздуха навстречу людям, выходящим из аварийной зоны.

При пожаре подвижного состава в тоннеле наиболее опасными являются два фактора. К первому из них относится развитие тепловой пожарной депрессии, способной вызвать опрокидывание струи свежего воздуха на путях эвакуации и, как следствие, их задымление и гибель людей. Ко второму фактору относится нагрев вентилятора и его приводного электродвигателя высокотемпературными пожарными газами, удаляемыми из зоны возгорания через вентиляционный канал в атмосферу. Нагрев выше допустимой температуры узлов вентилятора или электродвигателя вызывает останов вентилятора и прекращение удаления пожарных газов. При этом происходит перераспределение воздуха в системе вентиляции, при котором возможно опрокидывание воздушного потока и задымление путей эвакуации. Поэтому исключительно важным является определение времени безотказной работы дымоудаляющего вентилятора. Указанные обстоятельства, на наш взгляд, определяют актуальность исследований.

Цель исследований: повышение безопасности подземных пассажирских перевозок при аварийных ситуациях путем разработки методики анализа аварийных режимов работы тоннельной вентиляции при горении поезда в тоннеле метрополитена, а также разработки рекомендаций по настройке и схемам включения тоннельных вентиляторов. Для достижения поставленной цели использовались методы теории нестационарного теплообмена и теории графов для моделирования воздухораспределения в сетях.

Объектом исследования является участок Дзержинской линии Новосибирского метрополитена: перегон ст. «Сибирская» - ст. «Площадь Гарина -Михайловс-

Рис. 1. Профиль перегона ст. «Сибирская» - ст. «Площадь Гарина - Михайловского»

Рис. 2. План исследуемого перегона с разбиением на участки возможной остановки горящего метропоезда

кого» (рис. 1). Станция «Площадь Гарина-Михайловского» - тупиковая, станция «Сибирская» является пересадочной к поездам Ленинской линии и имеет общий вестибюль со ст. «Красный проспект». Между пересекающимися линиями метрополитена существует вентиляционная сбойка Дзержинской линии (рис. 2). Кроме того, Ленинская и Дзержинская линии связаны однопутной соединительной веткой. Движение по линии осуществляется парами 4-х вагонных поездов.

В вентиляционных камерах станций и перегонов установлены по два вентилятора ВОМД-24. При включении системы вентиляции в штатном режиме в теплый период года вентиляторы в станционных вентка-мерах включены на вытяжку. При этом перегонные вентиляторы отключены и находятся в состоянии готовности к включению в режиме аварийного дымоудаления, их шиберные аппараты открыты. Эта схема рекомендована лабораторией рудничной аэродинамики ИГД СО РАН для Новосибирского метрополитена и применяется с 2001 г. [1]. В холодный период года вентиляторы на станциях и перегонах отключены и находятся в состоянии готовности к включению в режиме аварийного дымоудаления.

Свод правил СП 32-108 «Метрополитены» регламентирует скорости воздуха на наклонных путях эвакуации не ниже 1,7 м/с для предотвращения проникновения продуктов сгорания на пути эвакуации. Поток свежего воздуха должен подаваться навстречу эвакуирующимся пассажирам. Площадь сечения тоннеля с обделкой из железобетонных тюбингов составляет 18,6 м2. Следовательно, расход воздуха на путях эвакуации должен быть не ниже 31,6 м3/с. Направление движения воздуха должно обеспечить незадымление соседних тоннелей и станций метрополитена.

Месторасположение горящего поезда условно делит тоннель на два участка: участок чистого воздуха, в

вентсбойка перегонная вентиляционная камера

потоке которого движутся эвакуирующиеся пассажиры и задымленный участок - от очага возгорания до места удаления пожарных газов из тоннеля. Задымленный участок характеризуется высокой температурой пожарных газов. Температурные параметры газов, протяженность и месторасположение участка имеют существенное значение при расчете пожарной тепловой депрессии и аварийного воздухораспределения.

Рассмотрим динамику изменения температуры пожарных газов по длине тоннеля, которая определяется длиной участка и расположением горящего вагона в поезде. Примем, что до возникновения пожара через тоннель в течение длительного времени проходил воздух с постоянной температурой. При пожаре резко меняется температура и массовый расход пожарных газов. Примем допущение, что теплофизические свойства пожарных газов идентичны свойствам нагретого до той же температуры воздуха. Температура пожарных газов в очаге возгорания принята по данным [2] в соответствии с рис. 3.

Тепловой режим пожарных газов, проходящих по тоннелю, зависит от геометрических и теплофизических характеристик тоннеля и его обделок, длины расчетного участка, начальной температуры и расхода пожарных газов [3, 4, 5].

Нами проведены численные эксперименты по определению температуры пожарных газов в тоннеле на различном расстоянии от очага пожара (горящего метропоезда) по ходу вентиляционной струи. Результаты расчета для случая возгорания ближнего к вент-камере вагона метропоезда приведены на рис. 4.

Полученные данные позволяют утверждать, что на расстоянии до 20 метров от очага возгорания температура пожарных газов снижается не более, чем на 30 0С. При температуре в очаге возгорания 400 0С темпе-

Рис. 3. Средние в сечении температурные режимы газового потока на стыках горящих вагонов: 1-2, 2-3 - номера вагонов, образующих стыковочную пару

Рис. 4. Изменение температуры пожарных газов в тоннеле метрополитена на различном удалении от очага возгорания во времени

Рис. 5. Температура смеси пожарных газов и свежего воздуха, удаляемой вентилятором

ратура пожарных газов составляет 370 0С. При увеличении расстояния от очага возгорания рост температуры пожарных газов в тоннеле замедляется. На расстоянии 275 м разница составит уже 225 0С, т.е. при температуре в очаге возгорания 400 0С, в исследуемом сечении температура пожарных газов достигнет 175 0С. Проведенные расчеты позволяют прогнозировать распределение температуры пожарных газов по длине тоннеля. Результаты расчета необходимы для определения пожарной тепловой депрессии и теплового режима работы перегонных вентилятора.

Основными параметрами, влияющими на температуру смеси пожарных газов и свежего воздуха, удаляемой вентилятором, являются температура и расход пожарных газов идущих от горящего поезда, а также свежего воздуха поступающего из незадымленных тоннелей. Теплосодержание смеси пожарных газов и воздуха определяется уравнением G • с • Т = G • с • Т + G • с • Т

^СМ ''СМ ±СМ ^X '-X т ^ПГ ''ПГ 1 ПГ

где й - массовый расход, кг/с; с - изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-град); Т- температура, К; СМ, X, ПГ - индексы, обозначающие, соответственно, смесь газов и холодного воздуха, холодный воздух и горячие пожарные газы.

Обозначим относительный массовый расход пожарных газов: — = °пг . Приведем уравнение (1) к

виду (2):

ССМ  ТСМ = — — ) • сх  ТХ + т • сПГ  ТПГ ,

Поскольку теплоемкость является функцией температуры, в уравнении (2), неизвестным является только ТСм- Результаты решения уравнения (2) относительно температуры смеси пожарных газов и свежего воздуха приведены на рис. 5.

Проведенные исследования позволили определить рекомендуемый режим включения системы вентиля-

о

см

ции, например, для наиболее сложного участка №1 (см. рис. 2):

- в вентиляционной камере на ст. "Сибирская" работают параллельно 2 вентилятора ВОМД-24 на приток, лопатки рабочего колеса (РК) установлены на угол 25О.

- на ст. "Красный проспект" работает 1 вентилятор ВОМД-24 на приток, лопатки РК установлены на угол 25О.

- на ст. "Площадь Гарина - Михайловского" работает 1 вентилятор ВОМД-24 на приток, лопатки РК установлены на угол 25О.

- в перегонной вентиляционной камере работают параллельно 2 вентилятора ВОМД-24 в режиме вытяжки, лопатки РК установлены на

угол 45О.

Для обеспечения воздухораспреде-ления, максимально близкого к требуемому, необходимо увеличить аэродинамическое сопротивление указанных на рис. 6 ветвей вентиляционной сети до R = 0,1 кр. При такой схеме включения вентиляторов расчетные параметры следующие: максимальная тепловая депрессия в тоннеле составляет 15,4 Па, максимальная тепловая депрессия в венткамере - 10,3 Па, расход воздуха на участках (м3/с) показан над стрелками на рис. 6.

Вентиляторы перегонной венткаме-ры несут основную нагрузку по созданию требуемого воздухораспределения при горении поезда на перегоне. Через перегонную венткамеру удаляются высокотемпературные пожарные газы,

Рис. 6. Воздухораспределение в тоннелях перегона при возгорании поезда: 1 - горящий поезд; 2 - перегонная венткамера; Н - вентиляционные ветви, в которых необходимо увеличение аэродинамического сопротивления; ЛП и ПП - левый и правый путь; стрелками показано направление движения воздуха, цифрами указан расчетный расход воздуха,

Рис. 7. Температура смеси пожарных газов и воздуха в перегонной венткамере метрополитена на различном удалении ее от очага пожара

которые определяют тепловой режим работы вентилятора. Необходимо отметить, что в соответствии с ГОСТ 1284 приводные клиновые ремни, которыми комплектуются вентиляторы ВОМД-24 Новосибирского метрополитена, сохраняют свою работоспособность при температуре не более 60 ОС. Следовательно, время, за которое температура смеси удаляемых газов достигает критической отметки в 60 0С, является определяющим для расчета максимального времени обеспечения безопасности путей эвакуации людей из зоны пожара и задымления (рис. 7).

На основе разработанной методики было определено время обеспечения безопасности путей эвакуации пассажиров и обслуживающего персонала из горящего метропоезда для условий перегона ст. «Сибирская» -ст. «Площадь Г арина - Михайловского» Новосибирского метрополитена. Исследуемый перегон был разделен на 5 участков, на которых возможна остановка горящего поезда (рис. 2). Для каждого участка рост температуры смеси пожарных газов и воздуха, удаляемой через перегонный вентилятор, определен для трех характерных положений горящего поезда: в начале, в середине и в конце участка, при возгорании либо в крайнем, либо в следующем за ним вагоне. Результаты моделирования представлены в таблице.

Полученное время безопасной эвакуации пассажиров следует использовать для составления плана эвакуации при горении метропоезда на различных участках рассматриваемого перегона.

При выполнении исследований получены следующие результаты:

1. Даны рекомендации по схемам включения вен-

ВРЕМЯ ЛОСТИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ СМЕСИ ПОЖАРНЫХ ГАЗОВ И ВОЗАУХА В ПЕРЕГОННОЙ ВЕНТКАМЕРЕ КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ 60 ‘С

№ участка Расстояние от горящего поезда до венткамеры, м Время достижения критической температуры 60 0С, с

Горит 1-й вагон Горит 2-ой вагон

1 1130 Не достигается Не достигается

715 Не достигается Не достигается

300 900 1300

2 530 Не достигается 2700

275 1050 1500

20 450 750

3 300 1200 1650

160 750 1150

20 450 780

4 530 Не достигается Не достигается

415 Не достигается 2150

300 1200 1670

5 830 Не достигается Не достигается

565 Не достигается Не достигается

300 1350 1800

тиляции при пожаре метропоезда в тоннеле. По результатам расчетов для перегона ст. «Сибирская» -ст. «Площадь Гарина-Михайловского» разработаны рекомендации по включению тоннельных вентиляторов для обеспечения требуемого воздухораспреде-ления. Показаны схемы включения системы вентиляции, которые обеспечивают безопасность путей эвакуации людей из горящего на перегоне поезда. Рекомендованы места установки быстровозводимых пожарных перемычек, позволяющих создать требуемое воздухораспределение.

2. Определено время безопасной эвакуации пассажиров и обслуживающего персонала из горящего метропоезда. На основе расчета температуры смеси пожарных газов и воздуха, проходящей через дымоудаляющий вентилятор, определено время нагрева элементов клиноременной передачи вентилятора до предельной температуры, при которой возможно обеспечить надежную передачу вращающего момента

электродвигателя на рабочее колесо вентилятора. Исследованиями установлено, что через 8-45 мин. после начала движения горячих пожарных газов через дымоудаляющий вентилятор температура клиноременной передачи превысит допустимую величину и вентилятор не сможет обеспечить требуемый для безопасной эвакуации людей расход воздуха. Указанное время является определяющим для расчета максимального времени безопасного вывода людей из зоны пожара и задымления.

Вывод: Разработана методика, позволяющая для сложных вентиляционных сетей определить возможные схемы включения вентиляторов и параметры воз-духораспределения, обеспечивающие безопасность путей эвакуации людей из зоны пожара или задымления. Методика расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях метрополитенов может быть распространена также на транспортные тоннели, шахты и рудники.

СПИСОК ЛИTEРATYРЫ

1. Лугин И.В., Красюк АМ, Чиги-шев А.Н. Взаимное влияние режимов вентиляции станций линии метрополитена //Метро. - 2002. - № 2. - С. 36-38.

2. Голиков А.Д, Негодаев ГД, Чижиков В.П. Требуемый предел огнестойкости обделок тоннелей метрополитена // Борьба с пожарами в метро-

политенах. Сборник научных трудов. -М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. -С 71-81.

3. Петров Н.Н, Тимошенко Н.И. Тепловой режим вентиляционных стволов и его регулирование // ФТПРПИ. - 1985. - № 3. - с. 59 - 64.

4. Медведев Б.И. Тепловые основы вентиляции шахт при нормальных

и аварийных режимах проветривания. Киев - Донецк, издательское объединение «Вища школа», Головное изд-во, 1978, 156 с.

5. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, - М.: Наука, 1966.

КОРОШО ОБ ABTOРAX

Зедгенизов Д.В - кандидат технических наук, ИГД СО РАН, г. Новосибирск. Лугин И.В. - аспирант, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

© П.В. Бересневич, В.В. Ежов,

В.Ю. Тышук, 2003

YAK 622.411.51

П.В. Бересневич, В.В .Ежов, В.Ю. Тышук

АВТОНОМНЫЙ ПРИБОР АЛЯ ОТБОРА

ПРОБ ВОЗА"ХА В ПЫЛЕГАЗОВОМ ОБЛАКЕ

ПРИ ПРОВЕАЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В КАРЬЕРАХ

ё1^тбора проб воздуха с вредными примесями при проведении взрывов в карьерах существует не-СкЗёЪко конструкций приборов, позволяющих осуществлять контроль состава атмосферы в верхней и нижней части пылегазового облака, а также на поверхности и внутри горной массы.

Институтом ВНИИБТГ был разработан прибор для экспресс-отбора пылегазовых проб в верхней части пылегазового облака [1]. Прибор представляет вакуу-мированную емкость, на которой закреплен патрон с пылевым фильтром. Патрон сообщается с регулятором

расхода воздуха, выполненным в виде камеры. Прибор работает следующим образом. Включением по радио электромагнитного клапана открывается доступ воздуха через пылезаборный патрон и регулятор расхода воздуха в вакуу-мированную емкость. Система управления осуществляется с помощью радиосигналов с вертолета, к которому крепится секция из четырех приборов на внешней подвеске. При отборе проб указанный контейнер с приборами, прикрепленный к вертолету на специальной внешней подвеске, доставлялся в верхнюю часть пылегазового облака. Таким образом, из вышесказанного следует, что работа данного прибора трудоемка, сопряжена со сложным техническим оснащением и со значительными материальными затратами. Для отбора проб воздуха в нижней части пылегазового облака ВННИБТГ предложен прибор, работающий на принципе водяного аспиратора [2]. Корпус прибора изготавливается из оцинкованного железа в виде сосуда ем-