Кто и как проветривает метрополитен

Кто и как проветривает метрополитенЗаходя в метро летом, мы наслаждаемся приятной прохладой, а зимой согреваемся после мороза, не задумываясь о том, какие системы заботятся о нас. Вентиляция Новосибирского метрополитена, настройкой и модернизацией которой занимались специалисты Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН совместно с электромеханической службой метро, обеспечивает не только благоприятный микроклимат на станциях и в вагонах, комфортную температуру в зимний период, но и повышенную безопасность пассажиров во время пожара.

Новосибирский метрополитен — первый в таком холодном климате — проектировался специалистами института «Ленметрогипротранс» (Санкт-Петербург), а привязкой станций к реальным условиям занимался «Новосибирскметропроект». Метро нашего города мелкого заложения, а Санкт-Петербурга — глубокого. Казалось бы, какое это имеет значение для вентиляции?

«Дело в том, что для проветривания метрополитенов в Советском Союзе разработали единственный тип машин «ВОМД-24» (вентилятор осевой метрополитеновский двухступенчатый, с диаметром рабочего колеса 2,4 м), который комплектовался двигателями от 45 до 110 киловатт. Он экономично работал только в метро глубокого заложения, а их в стране было всего три: в Москве, Тбилиси и Ленинграде, но и там максимальный КПД машины составлял 35 %, а в Новосибирске он был и того меньше — 9-12 %, максимум — 17 %», — пояснил главный научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН доктор технических наук Александр Михайлович Красюк.

Поэтому в первую очередь специалисты ИГД СО РАН разработали математическую модель воздухораспределения в системе тоннельной вентиляции всего метрополитена. На основе большого количества вычислительных экспериментов они постарались максимально эффективно использовать ресурс машин, поменяв технологию вентиляции таким образом, что расход электроэнергии снизился в три раза.

 «Мы перешли к однонаправленной схеме проветривания, хотя изначально проектом предусматривалось, чтобы устройства полгода работали на вытяжку, а следующие шесть месяцев — на приток, как это было во всех метрополитенах СССР. Такая схема была следствием того, что Новосибирский метрополитен проектировали согласно нормам, принятым в Европе: зимой воздух подавался на перегон, грелся, проходя по нему, и теплым выходил на станцию, а летом — наоборот. Вентиляция Новосибирского метрополитена имеет свои особенности, к которым в первую очередь относится сезонный характер работы. При отрицательных температурах атмосферного воздуха принудительное проветривание отключается из-за риска переохладить тоннели, а воздухообмен в них осуществляется посредством поршневого действия поездов и естественной тяги. Это обусловлено в основном низкими теплоаккумулирующими способностями окружающих грунтов, вследствие мелкого заложения тоннелей и станций. Кроме того, при работе в реверсивном (обратном) режиме КПД машин становился почти в два раза ниже, поэтому мы перенастроили все вентиляторы (их тогда было 44 или 46, сейчас количество увеличилось) на однонаправленную работу, за счет этого они стали подавать на 20 % воздуха больше, а суммарная потребляемая мощность снизилась на 30 %», — рассказал Александр Михайлович.

На каждой станции и перегоне есть вентиляционная камера, где работают две машины, подающие воздух. ВОМД-24 первой очереди установлены в 1985 году. Нормативный срок их службы — 16 лет, а самое слабое место с точки зрения современных требований пожарной безопасности — ременная передача, которая теряет свою работоспособность уже при +60 ОС.

 «Мы моделировали пожары: когда через вентиляторы шел горячий воздух, ремни вытягивались, и вся система прекращала работу. Поэтому с появлением новых СНиПов (строительных норм и правил. — Прим. ред.) в 2003 году у метрополитена возникло требование избавиться от такого типа передач, сделать их пожароустойчивыми, чтобы они выдерживали 400 ОС в течение двух часов. Но заменить вентиляторы на новые практически невозможно. Во-первых, они в камерах замурованы, и вносить или выносить оборудование можно только таких габаритов, которые проходят в проемы. Во-вторых, новые агрегаты весьма дорогостоящие. И, в-третьих, в старых вентиляторах 70 % узлов и деталей могут служить еще лет шестьдесят. С учетом этого мы предложили модернизировать машины: сохранить те части, которые изнашиваются минимально, а поменять только роторы. Причем изготовить их с аэродинамическими характеристиками, соответствующими вентиляционной сети станций нашего метрополитена», — добавил Александр Красюк.

Совместно с Новосибирским энергомашиностроительным заводом «Тайра» специалисты лаборатории рудничной аэродинамики разработали модернизированную одноступенчатую машину с регулируемым приводом и в 2011 году модернизировали вентилятор на станции «Октябрьская». Его эксплуатационный КПД составил 85 % (против 17 % в предыдущей модификации), а мощность двигателей осталась прежней — 45 кВт⋅ч.

«Что касается обновления остальных вентиляторов, то теперь сотрудники метрополитена проводят ее сами в партнерстве с заводом «Тайра», изредка приглашая нас на аэродинамические испытания. Аналогичную работу по обновлению двух машин мы сделали и для Екатеринбургского метрополитена», — заметил Александр Красюк.

Установка датчиков давления на модернизированный вентиляторЗима, холода

Если первая крупная проблема вентиляции метро была связана с низкой экономичностью вентиляторов, то другая стала следствием холодного климата.

 «После запуска первой линии, когда наступила зима и подали холодный воздух на перегон, внутри всё начало замерзать: коммуникации, водоводы, помещения, где работают люди. Поэтому тоннельную вентиляцию отключили на зиму, чтобы не произошло тяжелых аварий и проветривание стало осуществляться за счет поршневого действия поездов», — продолжил Александр Красюк.

Однако зимой на тупиковых станциях («Золотая Нива» и «Площадь Гарина-Михайловского») из-за значительной естественной тяги и поршневого эффекта в вестибюли станции засасывался холодный воздух, как следствие и эти помещения, и кассовый зал переохлаждались: температура воздуха после отхода поезда опускалась до -10-15 градусов Цельсия.

 «Обычно проектные институты не учитывают поршневое действие поездов при расчете вентиляции или делают расчеты воздухораспределения с большой погрешностью, поэтому мы решили заняться исследованием этого эффекта. В итоге у нас появилось полное понимание процесса и возможность его моделировать, что позволило решить проблему переохлаждения вестибюлей и кассовых залов за счет перераспределения воздушных потоков. Мы предложили, во-первых, снизить скорость уходящего поезда на участке от платформы до вентиляционной сбойки (участок свободного пространства между тоннелями. — Прим. ред.) до 20 км/ч и при отправлении состава открывать вентиляционный канал (он находится за станцией, в тоннеле. — Прим. ред.), тогда бóльшая часть холодного воздуха поступает через него, минуя вестибюль. Когда поезд прибывает, канал, наоборот, закрывается, и весь предварительно нагретый в тоннеле теплый воздух выталкивается на станцию. До применения нашей методики соотношение между теплыми и холодными потоками, проходящими через вестибюль, составляло 0,97, а после — 3,6. К сожалению, это техническое решение не было реализовано. Метрополитен пошел другим, более энергозатратным путем и установил дополнительные калориферные установки мощностью более сотни кВт», — пояснил Александр Красюк.

Влиянием поршневого действия поездов на воздухораспределение в тоннелях, в СССР занимались несколько организаций, включая отраслевые институты и службы эксплуатации метрополитенов Москвы и Харькова. Но их результаты сильно отличались друг от друга. В основном это происходило из-за того, что приемники давления воздуха устанавливались вблизи стенок тоннеля и их показания не давали корректную информацию о воздушном потоке во всем сечении подземного коридора. Сотрудники ИГД СО РАН совместно со специалистами метрополитена провели серию натурных экспериментов, установив приборы на лобовой и хвостовой поверхностях поезда. При этом приходилось возить с собой «ноль» — емкость, где было атмосферное давление, чтобы делать измерения относительно него.

 «Результаты наших экспериментов полностью совпали с выводами специалистов Венского университета (Австрия), которые решали аналогичную задачу по изучению скачков давления воздуха перед головным вагоном при входе скоростных ж/д поездов в тоннели. В итоге нам удалось создать математическую модель поршневого действия поезда в тоннеле метрополитена», — прокомментировал Александр Михайлович.

Кто и как проветривает метрополитенВентиляция и безопасность

Подземный город подразумевает огромное количество «жителей», соответственно, заботу об их безопасности. В частности, это обеспечение надежного пути эвакуации при пожарах. Согласно существующим нормам, если случился пожар, на станцию необходимо, во-первых, подавать чистый воздух со скоростью не ниже 1,7 м/с навстречу пассажирам, чтобы предотвратить опрокидывание свежего потока тепловой депрессией, возникающей при пожаре (тепловая депрессия — перепад давлений из-за того, что теплый воздух стремится подняться, а холодный — опуститься. — Прим. ред.). Во-вторых, не допускать задымления прилегающих к станции тоннелей (скорость выхода воздуха из них на задымленную платформу должна быть не менее 0,5 м/с). Без дополнительных приспособлений такой режим невыполним из-за низкой производительности вентиляторов. Поэтому раньше чистым воздухом обеспечивались только пути эвакуации, а тоннели оставались в дыму. Специалисты ИГД СО РАН провели численные эксперименты аварийного включения вентиляции и предложили новосибирскому метрополитену меры, позволяющие соблюсти оба нормативных требования.

«Несмотря на общее сходство, у каждой станции есть особенности конструкции. Мы разработали отдельные режимы дымоудаления для каждой в нашем метро, а проведение на станциях натурных экспериментов с дымовыми шашками, имитирующими пожар, полностью подтвердило правильность наших расчетов — эвакуационные пути были свободны. Но есть такие станции, на которых обеспечить незадымление путей эвакуации невозможно существующими техническими средствами. Например, на «Березовой роще» необходимо либо установить специальные перегородки на лестничных спусках, либо опускать шторку, перекрывающую верхнюю часть платформенного зала в месте примыкания лестничного спуска, до высоты 2,2 м от пола», — объясняет Александр Красюк. Также сотрудники лаборатории рудничной аэродинамики предложили варианты аварийной вентиляции для двухпутных тоннелей — таким способом планируется построить участок от станции «Гусинобродская» до «Молодежной» в нашем городе, Кожуховскую линию в Московском и вторую линию в Екатеринбургском метрополитенах.

Пожар на перегоне: в каком вагоне лучше находиться?

Казалось бы, если загорелся поезд, есть ли разница, в какой вагон вы сели? Оказывается, в однопутном тоннеле это имеет большое значение.

«Если воспламенился первый или последний вагон, свежий воздух подается с противоположной стороны состава, люди выходят навстречу свежему потоку и идут по тоннелю до станции. Если же горят средние вагоны, части пассажиров придется эвакуироваться по задымленному пространству или пройти между горящим участком и стеной с огромным риском для жизни. В СНиПах от 2003 года было понятие нулевого режима: предполагалось настроить вентиляцию так, чтобы скорость потока воздуха была не более 0,5 м/с. Тогда дым распространяется медленно, его никуда не тянет, и люди могут выходить из вагонов в обе стороны, так как скорость движения пожарных газов в этом случае ниже темпа бегущего человека», — отметил Александр Красюк.

Однако организовать нулевой режим непросто: все тоннели сделаны наклонными, чтобы стекала вода, соответственно, существует естественная тяга, к тому же велико влияние тепловой депрессии при пожаре. Поэтому нужно определенным образом управлять вентилятором, что позволяет избежать быстрого распространения дыма хотя бы на время эвакуации — 8—10 минут.

«Поскольку в метро стоят в основном нерегулируемые машины и нет автоматических режимов управления их производительностью для разных ситуаций, то в новых СНиПах пункт про нулевой режим был исключен. Появилось правило о том, что аварийный поезд обязательно должен быть вытянут на станцию. А представляете, если там взрыв? Состав не двигается… Мы разработали вариант безопасной эвакуации пассажиров даже из средней части поезда: в момент начала пожара машинист нажимает кнопку и срабатывает аэродинамическая перегородка типа подушки безопасности, которая надувается между вагонами и стенкой тоннеля, значительно увеличивая его аэродинамическое сопротивление. Фактически, создается пробка, и пожарные газы в первые минуты очень медленно распространяются по тоннелю. Под ней остается пространство метра в полтора, люди могут спокойно выйти, пока горит изолирующий материал. Нужно всего лишь десять минут, за которые место происшествия успеют покинуть обычные пассажиры, не профессионалы. Дальше будут работать сотрудники МЧС, умеющие ориентироваться в чрезвычайных ситуациях. У нас готовы предложения, позволяющие внедрить подобный механизм действий при пожарах в тоннеле»,— добавил Александр Красюк.

Надежда Дмитриева

http://www.sbras.info/articles/science/kto-i-kak-provetrivaet-metropoliten

Комментарии (0)