Вентилация на автотранспортни и железопътни тунели

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2011

Използвани схеми за организация на въздухообмена


Трасетата на железопътни линии и автомагистрали често преминават през места, където се налага изграждането на надземни или подземни тунели. От друга страна, в съвременните условия подземните пътнотранспортни съоръжения са част от възможността за облекчаване на натовареността на надземния транспорт. Под земята се изграждат автомобилни паркинги, строят се подземни железопътни линии и автомобилни магистрали. Пребиваването на хора вътре в подобни съоръжения, обаче, е свързано с определени рискове, свързани със замърсяването на въздуха от отпадните газове, отделяни от транспортните средства. Обикновено това са въглеродни окиси (СО2 и СО), метан (СН4) и ненаситени въглеводороди като ацетилен, етилен, пропилен и други. Неблагоприятно влияние върху микроклимата в тунелите оказва и отделящата се топлина от съоръженията и инсталациите, както и отделящите се водни пари. За да се осигури благоприятна въздушна среда в тунелите и поддържане на необходимите параметри, се препоръчва организирането на добра естествена или механична вентилация в зависимост от дължината и геометрията на тунела. Осигуряването на добра вентилация оказва благоприятно влияние и върху експлоатационните параметри на използваното оборудване.

Организация на вентилацията
При избора на схема на организация на вентилацията обикновено се взимат предвид няколко основни фактора като: геометрия и дълбочината, на която се намира тунелът, особености на преминаващия поток от транспортни средства, външния ветрови напор и други. Специалистите препоръчват също, предварително да се разработят сценарии за аварийните ситуации с най-голям процент вероятност да се случат, да се направи оценка на степента на риска за хората, а така също да се разработи алгоритъм на работа на вентилационната система в случай на извънредна ситуация. В последните години, поради намаленото ниво на изхвърляни токсични газове от новите автомобили, при разработването на системите за вентилация за по-рискова се счита ситуация от евентуално възникнал пожар, поради което приоритетно се цели осигуряването на добра пожарна безопасност. Добре е да се има предвид и фактът, че вентилационната система оказва влияние върху начина на развитие на възникналите извънредни ситуации. Например, подаваният от вентилационната система въздух оказва влияние върху направлението на разпространение на намиращи се в тунела токсични и горещи газове. Може да ускори изпарението на разлети възпламеняващи се течности, но в същото време способства за намаляване на концентрацията на замърсяващи вещества.
Възможности на естествената вентилация
Принципно, възможностите на естествената вентилация (фиг. 1) са сравнително ограничени и се влияят от редица фактори. Сред основните от тях са: разликата между температурите на въздуха отвън и вътре в тунела; разликата в барометричното налягане при двата портала и скоростта, и направлението на вятъра. Върху естествената тяга на въздуха влияние оказват още дължината на тунела, неговото сечение, план и надлъжен профил, както и количеството на движещите се в него транспортни средства, които увличат въздуха зад себе си, създавайки т. нар. бутален ефект.
В определени ситуации, буталният ефект, създаван от транспортните средства, може да предизвика преместването на значително количество въздух. По този начин може да се създаде тяга, която може да подпомогне или, съответно, възпрепятства естественото вентилиране, да уравновеси или да промени временно движението на въздуха в обратна посока. Този ефект е по-значим при еднопосочните транспортни тунели и еднопътните железопътни тунели. При двупътните железопътни тунели оставащото свободно пространство между влака и облицовката е значително по-голямо, което отслабва буталното действие. При пътните тунели с двупосочно движение създаденото от колите въздушно течение се променя често и съдейства за увеличаване или намаляване на естественото проветряване. Буталният ефект при тях е чувствително по-малък. Обикновено ефектът се проявява по-осезателно при движението на колона от транспортни средства с минимални интервали между тях.
При евентуално възникване на аварийна ситуация естествената вентилация не дава възможност за въздействие върху ситуацията. Например, не може да се контролира разпространението на дим или други вредни вещества. От друга страна, наличието на силен напор на вятъра или пад на налягането, могат да възпрепятстват процеса на естествена вентилация или въобще да я сведат до минимум. В стандартите се определя максимално допустимата дължина на тунелите, за които се допуска използването само на естествена вентилация.
В зависимост от пътните условия, естествената вентилация на пътническите тунели може да бъде подпомогната за нейното повишаване, намаляване или стабилизиране чрез използването на струйни вентилатори. Струйните вентилатори създават определена надлъжна скорост на въздушния поток. Необходимо е тази скорост да бъде индивидуално определена в зависимост от напречното сечение на тунела, обема на трафика и т. н.

Използвани схеми за механична вентилация
При проектирането, строителството и експлоатацията на вентилационната система, специалистите препоръчват да се вземе предвид контролът на: изхвърлените от автомобилите газове при нормално движение и в часовете с максимално движение; изхвърлените от автомобилите газове, когато движението е спряно поради авария или пътнотранспортно произшествие; топлината и разпространението на дима в случай на пожар.
Основните цели на механичната вентилация по време на експлоатация на тунелите е: да се намали концентрацията на вредните газове до степен, която не представлява опасност за човешкия организъм; да се отстрани пушекът и да се осигури добра видимост в тунела; да се намали температурната разлика на въздуха вътре и вън от тунела; да се запазят инсталациите в тунела и облицовката му от разрушителното действие на газовете и влагата.
Проектирането на вентилационната система обикновено е въз основа на данни за интензивността на движението през тунела, вида на транспортните средства, посоката на движение, геометричните особености на тунела като напречно сечение, дължина, както и вида на облицовката. Добре е да се има предвид, че при определяне на необходимото количество въздух при пътните и при железопътните тунели има съществени различия. Обикновено за организация на вентилацията в тунелите се използва една от следните схеми – надлъжно, напречно, полунадлъжно или полунапречно вентилиране.

Надлъжно вентилиране
При използването на механична вентилация често се предвижда използването на надлъжна схема на вентилиране, тъй като тя се счита за лесно реализуема и със сравнително ниски разходи за изграждане, експлоатация и поддръжка. Приема се за много добро решение при вентилиране на тунели с неголяма дължина и с еднопосочно движение. При използването на надлъжно вентилиране въздухът циркулира надлъжно в тунела, като са възможни различни варианти на подаване на пресен въздух и отвеждане на замърсения. Сред използваните е подаване на чист въздух от едната страна на тунела, който преминава по цялата му дължина, при което се смесва със замърсения, и излиза от другата страна (фиг. 2). Друг вариант е замърсеният въздух да се изсмуква от единия край на тунела, при което от другия нахлува чист въздух. Използва се и схемата, при която на единия портал се поставя нагнетателен вентилатор, а на другия – смукателен. При всяка една от тези схеми вентилаторите се разполагат близо до портала, извън напречното сечение на тунела.
Добре е да се има предвид, че при надлъжното вентилиране е необходимо да се отчете посоката на естественото проветряване. Когато тази посока е променлива, се препоръчва използването на два вентилатора (по един за всеки портал) или се прилагат реверсивни вентилатори. Като предимство на надлъжното вентилиране обикновено се посочва фактът, че цялото светло сечение на тунела служи като вентилационна тръба, която поради големия си размер оказва малко съпротивление на движението на въздуха, а това позволява използването на вентилатори с по-ниски мощности. Към недостатъците могат да се отнесат увеличаването на концентрацията на вредни примеси по дължината на тунела, влиянието, оказвано от естествената тяга, която зависи от топлинния и ветрови напор и недостатъчната пожарна безопасност.

Разновидност
на надлъжното вентилиране е струйната вентилационна система, при която се използват реверсивни струйни вентилатори. Струйните вентилатори представляват аксиални вентилатори със свободна входяща и изходяща част. Те се поставят на тавана или в ниши в горната част на тунела. Реверсивните струйни вентилатори променят автоматично посоката на действие в зависимост от посоката на естественото въздушно течение в тунела. Разполагат се в групи от 1 до 4 броя в едно напречно сечение.
За градски тунели изхвърлянето на замърсения въздух често се реализира с големи аксиални вентилатори, разположени в близост до изхода в смукателни въздуховоди, като по този начин се постига поддържане на емисиите от вредни вещества на изхода в приемливи нива. За по-дълги тунели с надлъжната вентилация по-често се използва секционна надлъжна такава. В този случай дължината на тунела е подразделена на няколко секции. В края на всеки сектор замърсеният тунелен въздух се изхвърля през тръби с помощта на аксиални вентилатори и в същото време се подава свеж въздух в съседната секция. С тези мерки може да бъде по-добре контролиран и възникнал огън в тунела.

Напречно вентилиране
Счита се за особено подходящо за вентилация на пътни тунели. Реализира се чрез вентилационни канали, поместени в тунелното сечение, с помощта на които се подава свеж въздух и се отвежда замърсеният. Използват се няколко схеми на организация на въздухообмен: подаване на чист въздух в долната част на тунела и отвеждане на замърсения в горната (фиг. 3), подаване и отвеждане на въздуха само от горната част на тунела, подаване в горната част и отвеждане от долната. Широко използвана в практиката е схемата с подаване на въздух по канали под пътното платно, а замърсеният се отвежда по канали, разположени в горната част на тунела. От друга страна, при подаване на пресен въздух в горната част на тунела и отвеждането на замърсения в долната част не се допуска издигане на вредните газове и праха, образувани в близост до пътното платно. По този начин се осигурява по-добра видимост и се намалява концентрацията на въглеродни окиси по височина. Като предимства на напречното вентилиране могат да се посочат: бързо отвеждане на вредните газове по най-късия път; равномерно подаване на пресен въздух по цялата дължина на тунела; отсъствие на въздушно течение с големи скорости; независимост от естественото движение на въздуха и от движещите се коли. Основен недостатък се явява необходимостта от по-голямо напречно сечение на тунела спрямо това при използването на надлъжна вентилация.
Разделянето на тунела на отделни участъци за вентилиране дава възможност за намаляване сечението на каналите, за разпределяне на общото необходимо налягане върху повече вентилатори и за намаляване на загубите от триене вследствие по-малките скорости на движение на въздуха в каналите.

Полунадлъжно и полунапречно вентилиране
При полунадлъжното вентилиране замърсеният въздух се отвежда по вентилационен канал, разположен в свода, а пресният въздух постъпва в тунела през порталите. Характеризира се неравномерно разпределение на чистия въздух по дължината на тунела.
Полунапречното вентилиране представлява комбинация от напречното и надлъжното вентилиране. В повечето случаи пресният въздух се подава в долната част от двете страни на тунела през специални отвори, разположени равномерно по дължината на тунела. Замърсеният въздух се събира в горната част на тунела и движейки се надлъжно се изхвърля през порталите или се изсмуква през вентилационни шахти. Тази схема обаче, се счита за недостатъчно ефективна при необходимост от отвеждане на дим при възникване на пожар, ако източникът е на равни разстояния от вентилационните шахти. Следва, също така, да се вземе предвид възможното разрушително въздействие на високите температури върху вентилационните канали и на разположеното в тях оборудване. При полунапречната система за вентилация могат да се използват струйните вентилатори за контролиране на потока дим в случай на пожар. Чрез тях може да се повлияе върху посоката на разпространение на дима и да се осигури път за евакуация.

Оборудване и управление
В зависимост от типа на използвания вентилатор и използваната схема на вентилация, се реализират два основни способа за автоматизирано регулиране на количеството подаван въздух в тунела и направлението на потока. Първият е изменение на ъгъла на въртене на лопатките на вентилатора и превключване на степените на скоростта на въртене, при използването на многополюсен вентилатор, вторият – използването на инверторни регулатори на скоростта на въртене и реверсиране (за вентилаторите с фиксиран ъгъл на въртене на лопатките).
И двата метода са доказали своята жизнеспособност, въпреки че използването на един или друг вариант пряко зависи от аеродинамичните характеристики на тунела в работен и авариен режим. При това, необходимо условие се явява близостта на работната точка на всеки вентилатор в стандартен и авариен режим в пределите на работната зона.
Важен аспект при избора на система за управление е поддържането на необходимото налягане, създавано в нагнетателните и смукателните устройства, с цел предотвратяване на неконтролираното връщане на потока, което поставя определени ограничения при използването на вентилатори с регулиране на скоростта на въртене и изменение на ъгъла на завъртане на лопатките.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top