CC BY
65
---------------------------------- © С.Г. Гендлер, В.А. Плескунов,
2009
УДК 622.8
С.Г. Гендлер, В.А. Плескунов
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ КУЗНЕЦОВСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ
На примере Кузнецовского железнодорожного тоннеля рассмотрены принципы организации проветривания железнодорожных тоннелей на дизельной тяге. Изучено влияние на режим движения воздуха естественных факторов и поршневого эффекта. Осуществлен выбор схем вентиляции в зависимости от интенсивности движения поездов.
Ключевые слова: загрязнение тоннельного воздуха, принудительная система вентиляции, вентиляционный поток.
Сооружение Кузнецовского железнодорожного тоннеля, проходимого через хребет Сихотэ-Алинь, является одним из этапов обхода Кузнецовского перевала. Обход входит в участок Гурское - Высокогорная линии Комсомольск-на-Амуре -Советская Гавань Дальневосточной железной дороги.
Кузнецовский тоннель будет иметь длину 3890 м и высотные отметки соответственно Западного и Восточного порталов 594 м и 558 м. Таким образом, превышение восточного портала над западным составляет АН = 36 м. Сечение тоннеля и периметр равны соответственно 50 м2. Параллельно тоннелю планируется проходка штольни сечением 10,3 м2, которая соединяется с тоннелем сбойками через каждые 300 м (рис. 1).
Особенностью эксплуатации рассматриваемого участка железной дороги, включая и тоннель, является использование тепловозной тяги. При этом на участке расположения тоннеля предполагается задействовать для перевозки грузов два спаренных локомотива серии 3ТЭ10М. В процессе движения подвижного состава по тоннелю будет выделяться значительное количество вредных веществ, которое может привести к нарушению нормальных условий эксплуатации тоннеля. В соответствии со СНиПом 32-04-97 при штатном режиме организации движения учитывается только оксид углерода (СО), а при отклонении от него - оксид азота в пересчете на NO2 и сажа [5]. Дополнительным условием для создания штатного режима
портал
Уровень моря
Рис. 1. Схема выработок Кузнецовского железнодорожного тоннеля
эксплуатации тоннеля будет являться обеспечение в воздухе минимально-допустимой концентрации кислорода, необходимой для эффективной работы дизельных двигателей. Степень загрязнения тоннельного воздуха выше перечисленными веществами определяется их количеством, выделяемым при прохождении подвижного состава, скоростью его движения,
Расход топлива, потребляемого в период движения поездов по тоннелю, зависит от направления их движения. При движении к западному порталу (в сторону Комсомольска-на-Амуре) расход топлива при времени движения поездов по тоннелю 7,1 мин будет равен 300 кг. При движении к восточному порталу (в сторону Советской Г авани) расход топлива и время движения соответственно снижаются до 5,2 мин и 110 кг. Для этих условий интенсивность потребления топлива составит 0,704 кг/с 0,353 кг/с. Принимая во внимание данные работы [4], определяющие, что при сжигании 1 кг топлива выделяется 120 г оксида углерода и 20,5 г оксида азота, легко вычислить интенсивности выделения этих веществ. При движении поездов к западному порталу интенсивности выделения СО и NO2 будут равны 84,5 г/с и 14,4 г/с. В случае движения поездов в обратном направлении интенсивности выделения СО и NO2 снижаются соответственно до 42,4 г/с и 7,2 г/с.
Содержание в тоннельном воздухе загрязняющих веществ определяется не только интенсивностью их выделения, но и количествами воздуха, перемещаемых поршневым действием поездов, поступающих под действием естественных факторов, а также подаваемых в тоннель с помощью принудительной вентиляции. При этом схема принудительной системы вентиляции и её производительность должны быть выбраны с учетом влияния естественных и эксплуатационных факторов.
Оценка прогнозного влияния на количество воздуха в тоннеле естественных факторов выполнена на основании данных, характеризующих атмосферные условий в районе расположения тоннеля. Для каждого сезона были отобраны наиболее характерные периоды, отличающиеся временным и пространственным распределением термодинамических параметров атмосферного воздуха. Для этих периодов определены значения температур и давлений атмосферного воздуха соответственно у западного и восточного порталов 1^. , ^.п. и Рзп., Рвп., а также атмосферное давление на высоте приземного слоя Рп.з. (табл. 1).
Высота приземного слоя по данным аэрологического радиозондирования составляет Нпз. = 2000 м над уровнем моря. Скорости западного и восточного ветров, которые в наибольшей степени влияют на величину ветрового напора равны Уветр = 2,5 м/с.
С учётом исходных данных, приведённых в табл. 1, по методике, изложенной в работе [1], была вычислены значения гравитационной (^р), барометрической (Ьб), ветровой составляющих (Иветр) естественной тяги, её суммарного значения, а также прогнозная величина количества воздуха, который может поступать в тоннель под действием естественной тяги (табл. 2).
При этом средняя температура тоннельного воздуха t для зимнего периода принята увеличенной на 5 °С по сравнению со среднеарифметической температурой атмосферного воздуха на порталах тоннеля; в летний период - на 3 °С ниже среднеарифметической температуры атмосферного воздуха на порталах; в весенний и осенний периоды - равной среднеарифметической температуре атмосферного воздуха на порталах.
Величина суммарного аэродинамического сопротивления тоннеля составляет 0,00467 Н-с/м8.
84
Таблица 1
Термодинамические параметры атмосферного воздуха, определяющие составляющие естественной тяги *
Парам Период
Зима Зима (ад- Зима Весна Весна Лето (ад- Лето Осень
(адвек- векция (адвекция (адвекция (адвекция векция (адвекция (адвекция
ция холода) тепла) тепла) тепла) холода) холода) тепла) холода)
ї-з.п. -20,7 -12,5 -7,3 -1,0 -13,7 14,3 24,4 0,2
ї-в.п. -25,9 -11,4 -1,8 1,7 -12,1 10,5 20,2 -1
р 1 з.п. 720 720 720 720 723 719 715 723
р 1 в.п. 710 720 722 715 715 712 712 712
Рп.з 580 586 584 587 586 594 594 588
t, -18,3 -6,9 0,45 0,7 - 12,5 9,4 19,3 - 0,4
*) в таблице 1 температуры измеряются в С, а давление в мм.рт.ст.
Таблица 2
Характеристика естественной тяги и расчётная величина количество воздуха, поступающего в тоннель______________
Парам Период
Зима Зима Зима Весна Весна Лето (ад- Лето Осень
(адвекция (адвекция (адвекция (адвекция (адвекция векция (адвекция (адвекция
холода) тепла) тепла) тепла) холода) холода) тепла) холода)
*, Па 19,3 7,9 3,34 -4,5 1,86 - 2,83 -1,9 - 2,4
*, Па 217,7 41 -155,7 -157,6 - 235,6 252 208 - 81,6
!Ъ*, Па 240 51,9 -149 -159,1 - 230,7 252,3 209,9 - 81
О , с 227 105 -179 -184 - 222 232 212 -132
**) знак «-» свидетельствует о том, что естественная тяга и движение воздуха по тоннелю направлены от западного к восточному порталу.
**) направление ветровой составляющей естественной тяги выбрано всегда ориентированным к западному порталу, а её величина составляет 3 Па.
Анализ расчётных данных, приведённых в табл. 2, свидетельствует о том, что движение воздуха по тоннелю за счёт действия естественных факторов может осуществляться как в восточном, так и в западном направлениях. Количество воздуха, поступающее в тоннель, при этом может превышать 230 м3/с.
Количество воздуха, перемещаемое по тоннелю поршневым эффектом, создаваемым подвижным составом, установлено на основании анализа результатов экспериментальных исследований на Лысогорском ж.д. тоннеле [3] и расчетов по методике, изложенной в работе [1], с учетом планируемых скоростей движения подвижного состава, равных 33 км/час и 45 км/с соответственно в западном и восточном направлениях.
Результаты вычислений показали, что при указанных скоростях движения подвижного состава депрессия, развиваемая поездом, не будет превышать 200 Па. Расход воздуха при попутном движении естественного вентиляционного потока и подвижного состава в период нахождения поезда в тоннеле будет составлять 306 м3/с. При встречном движении естественного вентиляционного потока и подвижного состава поршневой эффект и естественная тяга могут компенсировать друг друга. В этом случае расход воздуха в тоннеле будет стремиться к нулевому значению. Продолжительность действия поршневого эффекта при противоположенном направлении движения поездов и естественного воздушного потока примерно равна времени нахождения поезда в тоннеле, а при одинаковом направлении их движения - превышает это время в 2 - 2,5 раза.
Для вычисления концентрации С (мг/м3) загрязняющих веществ в тоннельном воздухе использована зависимость вида [2].
С = 103 q/( Fvп ± Qп), (1)
где q - количество вредных веществ, выделяющихся при движении поездов, г/с; Vп -скорость поезда, м/с; F - сечение тоннеля, м2; Qп -расход воздуха в период нахождения поезда в тоннеле, м3/с; знак «+» относится к противоположному направлению движения поезда и воздуха, а знак «-» - к одинаковому направлению движения воздуха и поезда.
Таблица 3
Зависимость концентрации СО от расхода
Расход воздуха, м3/с 50 100 200 300 400
Концентрация СО, мг/м3 207 236 327 534 1457
Анализ формулы (1) показывает, что концентрация загрязняющих веществ в тоннельном воздухе при попутном движении подвижного состава и воздуха будет выше, чем в случае их противоположенного движения. Причем, при попутном движении подвижного состава и воздуха концентрация загрязняющих веществ будет нарастать по мере приближения скорости воздуха к скорости подвижного состава, принимая максимальное значение при их равенстве [2]. Отмеченная особенность приводит, на первый взгляд, к парадоксальному выводу. При попутном движении подвижного состава и воздуха для снижения концентрации загрязняющих веществ в воздухе необходимо не повышать расход подаваемого воздуха, а наоборот, снижать его до минимальновозможного значения. В табл. 3. приводится иллюстрация этого утверждения для условий Кузнецовского тоннеля (скорость поезда 33 км/ч, интенсивность выделения СО 84,5 г/с).
Заметим, что в соответствии со СНиПом 32-04-97 концентрация СО в этих условиях не должна превышать 21 мг/м3. При этом даже в случае равенства расхода поступающего воздуха нулю конечная концентрация оксида углерода буде составлять 184 мг/м3, что почти в 9 раз превышает нормативное значение. Для того чтобы обеспечить предельно-допустимое значение концентрации оксида углерода, необходимо каким-то образом опрокинуть вентиляционный поток и обеспечить поступление в тоннель в направлении, противоположном направлению движения подвижного состава, нереально высокое количество воздуха.
Таким образом, в период движения грузовых поездов по тоннелю отсутствует возможность для эффективного управления содержанием вредных примесей в воздухе. В этом случае задача вентиляции состоит в максимальной очистке воздушной среды от продуктов сгорания топлива перед входом в тоннель
тоннель
Рис. 2. Продольная схема проветривания с размещением «струйных» вентиляторов в специально пройденныш нишах
каждого следующего поезда, т.е. вентиляция должна строиться на «компенсационном» принципе.
Рассмотрим две схеме вентиляции, реализующие этот принцип. При продольной схеме вентиляции принудительное движение воздуха от одного портала к другому осуществляется с помощью «струйных» вентиляторов, расположенных или у кровли тоннеля [7], или в специально выполненных нишах (рис. 2) [6]. При комбинированной схеме вентиляции, для подачи или удаления воздуха из тоннеля используется ствол, расположенный в центральной части тоннеля. Заметим, что последний вариант не исключает использования «струйных» вентиляторов, установленных на западном и восточном крыльях тоннеля и служащих для управления распределением воздушного потока. Для всех рассмотренных вариантов вентиляции предполагается обособленное проветривание штольни, в которой для обеспечения безопасных условий работы обслуживающего персонала планируется создание положительного теплового режима.
При допустимой скорости воздушного потока в транспортной зоне тоннеля 6 м/с [5] максимальное количество воздуха, которое может быть подано в тоннель при продольной схеме вентиляции ограничено 300 м3/с. Депрессия, развиваемая «струйными» вентиляторами, составляет при этом 420 Па.
Для наиболее «худшего» варианта - движение поезда в направлении, противоположенном действию естественной тяги (количество поступающего воздуха равно нулевому значению), вредные вещества с концентрацией, превышающей предельнодопустимое значение, будут распределяться по всей длине тоннеля. Для их полного удаления из тоннеля необходимо за интер-
вал времени между движущимися друг за другом поездами подать в тоннель суммарное количество воздуха, соответствующее объему тоннеля, т.е. EQ = VT =LS (VT = 50x3890 =194 500 м3). При максимально возможной производительности продольной схемы вентиляции 300 м3/с полное время удаления из тоннеля загрязняющих веществ составит 10,8 мин.
Таким образом, интервал времени между поездами, в течение которого представляется возможным удалить из тоннеля загрязняющие вещества, следует принять равным 11 мин. Тогда предельная интенсивность движения, при которой целесообразно использование для проветривания тоннеля продольной схемы, составит 40 пар./сут.
При увеличении интенсивности движения свыше 40 пар./сут. следует ориентироваться на комбинированную схему вентиляции с использованием ствола, при которой воздух подается обособленно на западное и восточное крылья тоннеля.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гендлер С.Г. Тепловой режим подземных сооружений. Л., Изд. ЛГИ, 1987,101 с
2. Гендлер С.Г. Проблемы проветривания транспортных тоннелей. Горный информационный бюллетень. Тематическое приложение Безопасность. Москва,
2005, с. 281 - 295.
3. Гендлер С.Г., Смирняков В.В., Соловьев А.Н. Исследование вентиляционного и теплового режимов Лысогорского железнодорожного тоннеля. Г орный информационный бюллетень. Тематическое приложение Безопасность. Москва,
2006, с 133 -144
4. Поляков А.Х. Проектирование вентиляции тоннелей. Изд. литературы при строительству. М.1971. 142 с.
5. СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные». Москва.
1997.
6. T. Chiu, S Lai, C.W. Wong. A comparison of the tunnel ventilation systems for railway tunnels and road tunnels. BHRg 11th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 2003, Luzern, Switzerland, pp. 171-187
7. Доклад рабочей группы PIARC на ХХ мировом конгрессе в Монреале в 1995 году (Road Tunnels: Emissions, Ventilation, Environment). nsrj=i
Gendler S. G., Pleskunov V.A.
THE CHOICE OF RATIONAL SCHEME OF AIRING OF THE KUZNETSOVSKYRAILWAY TUNNEL
By the example of the Kuznetsovsky railway tunnel principles of the ventilation organization of railway tunnels on diesel operation are considered. Influence on a regime
of air movement of natural factors and piston effect is studied. The choice of schemes of ventilation depending on traffic density is carried out.
Key words: pollution of tunnel air, compulsory system of ventilation, a ventilating stream.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Гендлер С.Г. - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность производств и разрушения горных пород», Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), E-mail: [email protected].
Плескунов В.А. - аспират каф. «Безопасность производств и разрушения горных пород», Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), e-mail:[email protected]
