Метрополитен является наиболее совершенным и важнейшим видом городского транспорта, который способен справляться с высокой интенсивностью пассажиропотока, как никакой другой вид городского транспорта. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его системы вентиляции и теплоснабжения, на которые существенное влияние оказывают как частота движения поездов на линии, так и метеорологические и гидрологические условия города. [1]
Состояние воздушной среды влияет на самочувствие пассажиров, здоровье и работоспособность обслуживающего персонала, а также на сохранность технического оборудования. Это обуславливает повышение требования к теплоснабжению и в особенности к вентиляции. [2]
В составе чистого атмосферного воздуха содержится кислород, азот, аргон, углекислый газ и в очень небольших количествах неон, гелий, криптон, ксенон и водород. Как правило, только значительные изменения этого состава могут оказаться опасными для человека. Например, самочувствие человека может ухудшиться при содержании кислорода в воздухе менее 17% и более 23% или при увеличении содержания углекислого газа до 1%. При этом значение имеет не только количество в воздухе того или иного составляющего, но и время пребывания человека в образовавшейся газовой среде, т. е. чем меньше человек находится в среде воздуха, имеющего, например, завышенный процент углекислого газа, тем меньше он ощущает эти изменения [3]. Человек постоянно пополняет количество углекислого газа в вагоне, вдыхая с воздухом 0,03 – 0,05 % его, а выдыхая в 100 раз больше.
В соответствии с санитарными нормами концентрация углекислого газа не должна превышать 20 мг/м3 [4]. При большей, чем указано в нормативах, концентрации углекислого газа у людей может наступить потеря сознания, поэтому в главную задачу вентиляции входит не допустить опасных для человека концентраций вредных газов.
Также определяющее влияние на самочувствие человека имеют метеорологические факторы: температура, относительная влажность, барометрическое давление и подвижность воздуха.
Для станций и вестибюлей метрополитена характерно наличие значительных площадей холодных поверхностей, ограждающих конструкции (стен), и высоких скоростей воздушных потоков, возникающих из-за поршневого воздействия поездов. В этой связи обслуживающий персонал и пассажиры ощущают практически не ту температуру, которую показывает термометр, а несколько меньшую, называемую эффективно-эквивалентной, т. е. когда усиливается отдача тепла от человека к холодным стенам (экранам) и отдача конвекцией путем интенсивного «смывания» воздухом, а также когда скорость воздуха превышает 4 м/с, человек испытывает более низкую температуру, чем показывает термометр, и неприятные ощущения. Защитой от таких явлений для обслуживающего персонала может служить специальная одежда, укрытия в виде кабин, а также помещения, оборудованные промышленными телевизионными установками, позволяющими персоналу находиться в местах, удобных для работы, и видеть все происходящее на станции на экране.
Так как пассажиры находятся на станциях, в наклонных ходах эскалаторов и других сооружениях метрополитена незначительное время, на них указанные выше факторы особого влияния не оказывают.
Более серьезные задачи перед вентиляцией возникают в теплый, особенно в жаркий период года. При температуре окружающего воздуха, примерно равной температуре человеческого тела, и относительной влажности около 100% нарушается нормальная отдача тепла организмом, вследствие чего температура человеческого тела повышается. В этом случае у человека может наступить состояние теплового удара. [5]
Задачей вентиляции станций и тоннелей является не только поддержание в местах пребывания пассажиров и обслуживающего персонала заданных метеорологических условий и химического состава воздуха, удовлетворяющих гигиеническим требованиям, но и создание необходимых режимов проветривания при нарушении нормальной работы устройств метрополитена и задымлении.
В метрополитенах, как правило, предусматривается удаление с воздухом из сооружений на поверхность скапливающихся теплоты, влаги, газов и подача свежего воздуха в сооружения. Организация различных схем движения воздушных потоков с учетом технологии работы метрополитена (движение поездов, пассажиропотоки по времени суток и направлениям, состояние воздушной среды на поверхности, исправная работа вентиляционных агрегатов, квалифицированное обслуживание вентиляционных устройств, четкая система управления и диспетчерского контроля) является основой осуществления вентиляции станций и тоннелей. [6]
Исходя из вышесказанного, задачами вентиляционной системы являются:
– подача требуемого количества воздуха для обеспечения нормативного температурного режима на станциях в зимнее и летнее время, а также удаление вредных выделений в атмосферу (пыль, газ, бактериальная флора и т. д.).
– обеспечение комфортных аэродинамических условий для пассажиров и работников метрополитена, которые определяются притоком свежего воздуха, его температурой и скоростью движения в местах скопления людей.
– локализация развития аварийных вентиляционных режимов (пожар) и оперативное удаление продуктов горения по безопасным для людей маршрутам.
Для изучения систем управления вентиляцией метрополитена была разработана адекватная физическая модель, выполненная в форме односводчатой станции метрополитена (рисунок 1) в численном масштабе 1:50.
Рисунок 1. Общий вид лабораторного стенда
Модель (лабораторный стенд) системы автоматизированного управления проветриванием шахт (САУПШ) состоит из физической модели и математической модели. Интерфейс пользователя САУПШ позволяет имитировать процессы воздухораспределения и метановыделение в вентиляционной сети. Математическая модель состоит из узлов и ветвей, которые имеют свои параметры, такие, как сопротивление, координатное расположение в окне приложения. Потоки чистого или загрязненного воздуха имитируется красными или синими векторами. Приблизительное значение объёма воздуха поступающего в элемент вентиляционной сети, отображается толщиной вектора. Математическая модель имеет шесть точек, с которых снимаются показания, имитируя датчики расхода воздуха и метана. Каждому датчику соответствует свой график. Так же имеется график мощности ВГП, где передаваемое значение измеряется в кубических дециметрах в секунду.
При разработке были проанализированы и смоделированы такие компоненты работы вентиляции метрополитена, как микроклимат на станции, поршневой эффект при движении поездов, адекватность в работе станционных и перегонных вентиляторов, а также, обработка полученных данных различных показателей, таких как: температура, влажность, содержание углекислого газа. Вентиляторы, отвечающие за поддержание климатических условий комфортных для организма человека на станции метрополитена, должны обеспечивать оптимальные значения данных показателей.
Для регулирования скорости вращения станционных и перегонных вентиляторов, моделируемых в лабораторном стенде, на базе микроконтроллера разработана система управления. Изменение скорости вращения вентиляторов производится по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Данный принцип позволяет производить управление в ключевом режиме, что повышает кпд системы, сохраняя при этом возможность плавного управления скоростью вращения.
Для подключения вентиляторов к микроконтроллеру разработана схема драйвера, представленная на рисунке 2. Драйвер в составе системы управления выполняет функции согласования сигналов и обеспечивает качественное управление вентиляторами.
Рисунок 2. Микропроцессорный модуль управления вентиляторами
Блок-схема алгоритма управления представлена на рисунке 3. Алгоритм обеспечивает плавное увеличение и снижение скорости вращения вентиляторами, моделирование поршневого эффекта на станции.
Рисунок 3. Алгоритм программы запуска и регулирования скорости вращения вентиляторов
Разработанный лабораторный комплекс позволяет исследовать различные режимы и законы управления тоннельными и станционными вентиляторами для обеспечения заданных показателей эффективности работы системы.
Рецензенты:
Аносов В.Н., д.т.н., проф., зав. кафедрой Электропривода и автоматизации промышленных установок Новосибирского государственного технического университета, г.Новосибирск;
Алиферов А.И., д.т.н., проф., зав. кафедрой Автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского государственного технического университета, г. Новосибирск.