Пример расчёта продольной схемы вентиляции автодорожного тоннеля

7.1 Исходные данные

Осуществить выбор параметров продольной струйной системы вентиляции для городского автодорожного тоннеля, имеющего следующие характеристики:

- год, на который запланирован пуск тоннеля – 2015.

- длина тоннеля – 1200 м;

- сечение тоннеля – 75 м²;

- периметр тоннеля – 31 м;

- количество полос движения – 2;

- направление движения по каждой полосе – в противоположенные стороны;

- высота горы Н_г, через которую проходит тоннель – 300 м;

- высотная отметка портала А – 100 м;

- высотная отметка портала В – 76 м;

- разница высот между порталами тоннеля – 24 м;

- уклон тоннеля – 2%;

- скорость ветра у портала В – 5 м/с;

- угол между направлением ветра и осью тоннеля - 60⁰;

- скорость ветра у портала А – 0 м/с;

- температура атмосферного воздуха у портала А, имеющего большую высотную отметку - t_A =15⁰С;

- атмосферное давлении у портала с большей высотной отметкой Р_А = 755 мм. рт. ст.

- температура атмосферного воздуха у портала с меньшей высотной отметкой - 16⁰С;

- атмосферное давлении у портала с меньшей высотной отметкой Р_В = 757,5 мм. рт. ст.

- атмосферное давлении на высотной отметке горы, через которую проходит тоннель, Р_г = 734 мм. рт. ст.

- средняя температура воздуха в тоннеле – 20 ⁰С;

- интенсивность движения транспортных средств в «час пик» 1800 привед. авт./час.

- установленная скорость движения всех категорий автотранспорта – 60 км/час;

- скорость движения автотранспорта при замедленном движении – 10 км/час;

- интенсивность движения при замедленном движении в «час пик» - 57% от интенсивности движения при движении с установленной скоростью;

- относительные количества в транспортном потоке машин различного типа составляют: Y =20%, c=10%, ω= 20%, σ=49%, β =70%.

- технологический стандарт, определяющий выбросы загрязняющих веществ – С;

- предельно-допустимые концентрации СО для режимов движения «А», «Б» - 80 мг/м³, для режима движения «В» - 115 мг/м³.

- предельно-допустимые концентрации NO₂ для режимов движения «Б» и «В» - 5 мг/м³;

- предельно-допустимые концентрации сажи (взвешенных частиц выхлопного происхождения) для режимов движения «Б» и «В» - 4 мг/м³;

- величина коэффициента ослабления (затухания) – для режима движения «А» - 0,005 м^-1, для режима движения «Б» - 0,007 м^-1; для режима движения «В» - 0, 009 м^-1.

- коэффициент трения воздуха о стенки тоннеля – 0,031;

- сечение тоннеля на участке, предназначенного для аварийной остановки транспорта составляет 90 м²;

- протяженность участка аварийной остановки – 30 м;

- проектная мощность пожара – 100 мВт.

7.2 Расчет необходимого количества воздуха для проветривания тоннеля.

7.2.1 Расчет количества транспортных средств каждого вида, находящихся в тоннеле для условий «часа пик» и полного прекращения движения.

При отсутствии данных о прогнозных интенсивностях движения транспортных средств расчет выполняется по заданной величине приведенных машин с использованием формул (6.2)- (6.5).

Для режима движения транспорта «А» интенсивность движения транспортного потока находится по формуле (7.7) при интенсивности движения приведенных автомобилей 1800 пр.авт./час.:

тр.ср./час

Интенсивности движения легковых машин с бензиновыми и дизельными двигателями, легкого грузового транспорта, тяжелого грузового транспорта массой 15 т и автобусов, тяжелого грузового транспорта массой 32 т вычисляются по формулам (7.8):

А_л.б. = 1500·(1 –0,8) · (1-0,8)/(1+0,1) =873 авт./час;

А_л.д. = 1500·(1 –0,8) ·0,8/(1+0,1) =218 авт./час;

Бл.гр. = (Бл.гр.б + Бл.гр.д) = 1500 ·(1 – 0,8) ·(1 +0,1) =109 авт./час;

Вгр.1 = 0,2· 0,7· 1500 = 210 авт./час

В_гр.2. = 0,2 · (1-0,3) ·1500 = 90 авт./час

Количество транспортных средств различного типа, находящих одновременно в тоннеле, устанавливается по формулам (6.1):

n _а.б. = 873 ·1,2/60 = 18 маш.; n_а.д. = 218·1,2/60 = 4; n_л.гр.= 109 ·1,2/ 60 = 2;

n_гр.1. = 210 ·1,2/ 60 = 4; n_гр..2 = 90 ·1,2/ 60 = 2.

Для замедленного режима движения «Б» и режима остановки движения «пробка» «В» расчеты интенсивностей движения транспортных средств различного типа и количества автомобилей, находящихся в тоннеле, определяются аналогичными образом соответственно при интенсивности движения приведенных автомобилей в «час пик», составляющей 57% от интенсивности движения при установленной скорости, и числе транспортных средств, находящихся в тоннеле, из расчета 165 тр.ср./км на одной полосе движения. Результаты вычислений приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Интенсивности движения (A) и количества машин (n) различного типа для режимов эксплуатации «А», «Б» и «В».

7.2.2 Определение выбросов загрязняющих веществ от транспортных средств, находящихся в тоннеле.

- Базовые значения выбросов загрязняющих веществ (СО, NO_x, сажи, взвешенных частиц не выхлопного происхождения), устанавливаются для технологического стандарта А в зависимости от типа транспортного средства, скорости его движения (режимы движения «А», «Б», «В») и уклона тоннеля по данным приложений А-В (табл. А.1-А.3 В.1 – В.3) и приложения Д (табл. Д.).

Величины базовых выбросов загрязняющих веществ приведены в табл. 7.2.

- Значения выбросов загрязняющих веществ для технологического стандарта С, планируемого года пуска тоннеля, высоты над уровнем моря, массы тяжелых грузовых машин, установлены с учетом поправочных коэффициентов, принятых по данным приложения Г (Табл. Г.1 – Г.5). Значения этих коэффициентов, а также величины суммарного поправочного коэффициента приведены в Табл. 7.3.

Данные таблиц 7.2-7.3 использованы для вычисления выбросов загрязняющих веществ от транспортных средств различного типа (табл. 7.4).

Например, величина выброса NО_х (в пересчете на NО₂) у тяжелых грузовых машин массой 32 т для режима движения Б рассчитывается как: q = 192,8·0,61·1,90·1,80·1,0= 403,0 г/час

Таблица 7.2. Базовые значения выбросов СО, NО₂, сажи, взвешенных частиц не выхлопного происхождения для различных типов транспортных средств

*) Только в расчете на дизельный двигатель

Таблица 7.3. Поправочные коэффициенты на величины выбросов загрязняющих веществ

Таблица 7.4. Значения выбросов загрязняющих веществ от транспортных средств различного типа

- Суммарные выбросы загрязняющих веществ от машин различного типа, находящихся в тоннеле, рассчитываются по их количеству (табл. 7.1) и значению выбросов (табл. 7.4). При этом принято, что количества машин, движущихся по уклону тоннеля вверх (к порталу А) и вниз (к порталу В), равны между собой.

Например, для режима движения с замедленной скоростью (режим «Б») величина выброса NО_х (в пересчете на NО₂) у тяжелых грузовых машин массой 32 т составляет:

Q_выб. = 3 (403,0 + 240,3) = 1929,9 г/час

Результаты вычислений для принятых во внимание типов транспортных средств и режимов их движения представлены в табл. 7.5.

Таблица 7.5. Суммарные выбросы загрязняющих веществ от машин различного типа, находящихся в тоннеле, г/час, (м²/час)

Объемный расход воздуха G, для обеспечения ПДК СО, NO_x (в пересчете на NO₂) (г/час), сажи вычисляется по формуле (7.13).

Принимая ПДК NO₂ для режима «Б» 5 мг/м³, а значения выбросов NO₂ для машин различных типов в соответствии с данными табл. 7.5, получим:

= 0,28· (459 +150 +152,3 + 1663,9 + 1929,9)/5 = 242 м³/с

Объемный расход воздуха G, обеспечивающий нормативную видимость в тоннеле, рассчитывается по формуле (7.14).

При принятом значении K_зат для режима движения «Б» 0,007 м^-1 и суммарном выбросе сажи и взвешенных частиц не выхлопного происхождения, определяемым данными табл. 7.4, расход воздуха будет составлять:

G = 0, 00028 [ 60·84_. + 15·(45+21) + 7·(26,5+9,8)+ 14·(281,2+19,6) +

+ 6·(347,7+142,8)]/0,007 = 33,5 м³/с.

Результаты расчетов расходов воздуха по остальным факторам приведены в табл. 7.6.

Таблица 7.6 Потребный расход воздуха для обеспечения нормативных параметров воздушной среды в тоннеле

Расхода воздуха при аварийном режиме проветривания (возникновение пожара) определяется по критической скорости потока V_кр. Её величина вычисляется по формуле (6.6)Пункт 6.11 СП при К_g = 1,055, что соответствует отрицательному углу уклона тоннеля - 2%.

V_кр = 1,264{[20,4×(1+(1-2/20,4)^1/2) - 1]^1/3 + [20,4×(1-(1-2/20,4)^1/2) - 1]^1/3 -1} = 3,4 м/с,

где А= 100 ·10³/3·1,2 ·1,005 ·75· (273+20) = 1, 264; М = 1,5· 9,8·8,5·0,606³·1,055³ /1,264² = 20,4

Расход воздуха, соответствующей этой скорости воздуха, равен:

G_кр.ск. = 3,4 × 75 = 255 м³/с

Сравнивая данные таблицы 7.5 и величину расхода воздуха, необходимого для обеспечения критической скорости воздушного потока при пожаре, выбираем для дальнейших расчетов наибольшее из этих величин, т.е G_max =G_кр.ск = 255 м³/с.

7.3 Расчет потерь давления при движении воздуха по тоннелю

Потери давления на порталах тоннеля с входящей и исходящей воздушной струей составляют: формулы (8.2), (8.4) Приложение З. Плотность воздуха, вычисленная по формуле (8.3) Приложение З, равна 1,23 кг/м³.

DР_вх = 0,5 ПаDР_вых = 1,0 Па

7.3.1. Потери давления от трения воздуха о стены тоннеля

DР_тр = 0,125·0,031 = 26,7 Па

Потери давления на преодоление сопротивлений при расширении (сужении) воздушного потока на участке, предназначенного для аварийной остановки транспорта, рассчитываются по формулам (8.6) – (8.9) Приложение З.

С учетом данных графика на рис. 8.1 Приложение З при S_уз.с./S_ш.с= 0,83 x_р.гл = 0,045 x_с.гл = 0,09. Тогда:

x_р. = 0,045 (1+ 12,5· 1,2 ·0,031) = 0,066 x_с. = 0,09 (1+ 9,62 ·1.2 ·0,031) = 0,122

DP_расш. = 0,5 ·255²· 0,066 ·1,2/ 75² =0,45 Па; DP_суж. = 0,5· 255²·0,122 ·1,2/ 75² =0,85 Па

Потери давления на трения на этом участке:

Р_{тр.уч.ост.} = 0,125·0,031 = 0,42 Па.

Общие потери напора на участке остановки транспорта составляют: DP_{уч. ост}. = 1,72 Па

7.4 Расчет величины естественной тяги

Гравитационная (тепловая) составляющая естественной тяги Р_гр. вычисляется по формуле (8.10) Приложения З

Па

Направление действия гравитационной) составляющей естественной тяги от портала А к порталу В.

Барометрическая составляющая естественной тяги DР_б рассчитывается по формуле (8.11) Приложения З.

Па

Ветровая составляющая естественной тяги определяется по формуле (8.9), Приложение З

Р_ветр. = 0,5· 0,7· 1,22·5² ·Cos² 60⁰ = 2,7 Па

Направление действия ветровой составляющей естественной тяги от портала В к порталу А.

Суммарное значение естественной тяги составляет:

Р_ест. = 3,9 – 4,06 +2,7 = 2,54 Па

Таким образом, суммарное значение естественной тяги составляет 2,54 Па при направлении действия от нижнего портала В к верхнему порталу А.

7.5 Расчет потерь давления на преодоление аэродинамического сопротивления стоящих в тоннеле транспортных средств_.

При возникновении пожара часть транспортных средств по обе стороны от очага пожара по направлению их движения покинет тоннель. Примем, что в случае расположения очага пожара в центральной части тоннеля на каждой из полос движения может находиться половина транспортных средств от их количества, характеризующего режим транспортной «пробки». Тогда величину DР_порш вычислим по формуле (8.13) при количестве транспортных средств и их типах, соответствующих данным табл. 7.1.

DР_порш = 0,5·1,22 ·3,4²/75 [103· 2_.· 0,4 + 11 · 5· 1,0_. + 28·7· 1,0_.] = 31,3 Па

7.6 Расчет общих потерь давления DР_общ.

Общие потери давления в тоннеле при реализации аварийном режиме проветривания в случае пожара и подаче воздуха в направлении портала В, вычисленные по формуле (8.1), будут равны:

DР_общ. = 14,2+ 26,7+ 1,72 +2,54 + 31,3 = 76,5 Па

7.7 Определение числа струйных вентиляторов и мест их расположения

Общий импульс N_общ. струйных вентиляторов, обеспечивающий подачу в тоннель необходимого количества воздуха G, вычисленный по формуле (6.5), Пункт 6.10 СП, составляет:

N_общ. =76,5· 75 = 5738 Н_,

При условии расположения струйных вентиляторов попарно у свода тоннеля на расстоянии, равном диаметру выходного отверстия от поверхности тоннеля, параллельно оси тоннеля на расстояниях между группами вентиляторов, превышающем 100 м, и удаленных от порталов тоннеля также на 100 м, корректирующие коэффициенты к номинальному импульсу силы вентилятора будут составлять:

k₁ = (27,1 - 3,54) /27,1 =0,87, где 30,6 м/с – величина скорости воздуха на выходе из струйного вентилятора;

k₂ = 0,935 при 2z/(D_T - D_F) =0,29 (см.рис. 6.4) (диаметр выходного отверстия D_F = 1, 2 м)

k₃ = 1,0

k₄ = 1,0

k₅ = 1,0

Суммарная величина корректирующего коэффициента будет равна:

k_общ. = 0,87·0,935· 1,0·1,0·1.0 = 0,813

При установке в тоннеле 8 вентиляторов (по два в каждом сечении) номинальный импульс силы, который должен развивать каждый вентилятор, равен:

N_ном. = 5738/8·0,826 = 882 Н

Данным параметрам отвечает, например, реверсивный струйный вентилятор компании “Zitron”, типа JZR 12-22/4*), имеющий номинальный импульс силы 954 Н.

П р и м е ч а н и е – Цифра 12 означает диаметр выходного отверстия в дм; 22 – мощность двигателя в кВт; 4- число полюсов у двигателя.

Учитывая сформулированный выше принцип резервирования вентиляторов на случай выхода из строя одной группы, состоящей из двух вентиляторов, при их попадании в зону очага пожара, общее количество струйных вентиляторов, которые необходимо установить в рассматриваемом тоннеле будет составлять 10 штук (5 групп по два вентилятора в каждой группе).

Расстояние между каждой из групп вентиляторов может быть выбрано, равным 200 м. При этом расстояние от каждого из порталов до первой группы вентиляторов будет равно 100 м.

Подача в тоннель наружного воздуха (направление работы струйных вентиляторов осуществляется в направлении портала тоннеля В (нижний портал) (рис. 7.1).

Рисунок 7.1. Аварийный режим проветривания автодорожного тоннеля

Библиография

[1] Vehicle Emissions Air Demand Environment Longitudinal Ventilation — Committee on Road Tunnels. 1995

[2] Road Tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation — PIARC Technical Committee on Road Tunnel Operation (C5). November, 2004

[3] ROAD TUNNELS: VEHICLE EMISSIONS AND AIR DEMAND FOR VENTILATION. PIARCTechnicalCommitteeC4 RoadTunnelsOperation.

[4] - Об утверждении специального технического регламента «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» Постановление Правительства РФ от 12 октября 2005 г. N 609;

[5] - Методика определения выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях», 1997 г;

[6] - Публикация комитета по автодорожным тоннелям Мировой дорожной ассоциации «Ав-тодорожные тоннели: Выбросы, вентиляция, окружающая среда, 1995 (RoadTunnels: Emissions, Ventilation, Environment». PIARCCommitteeonRoadTunnel. 1995).

[7] - Публикация технического комитета по эксплуатации автодорожных тоннелей Мировой дорожной ассоциации «Автодорожные тоннели: Выбросы от транспорта и требования к воздуха для вентиляции. 2012. («Road Tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand For Ventilation». PIARC Technical Committee on Road Tunnel Operation». 2012).

[7] - NEPA 502. 2004 Edition. Standard for road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highway. NationalProtectionAssociation. 2004.

[8] Пилотная документация на туннели. оборудование.вентиляция Конструкторский центр туннелей. 2003 г. стр. 152.Dossier pilote des tunnels èquipements. Section 4.1. Ventilation. Responsible de la production: Pierre Carlotti - Cetu. Conceptioncouverture – Edition: SEVENLyon.2003.

[9] НП «АВОК» 7.6 – 2013 Определение параметров продольной системы вентиляции автодорожных тоннелей

УДК____________ ОКС________________ ОКП________________

Ключевые слова: вентиляция, тоннели автодорожные

Руководитель организации-разработчика

ООО «СанТехПроект»

Технический директор ____________________ Шарипов А.Я.

СОИСПОЛНИТЕЛИ

Руководитель организации-соисполнителя

АС «СЗ Центр АВОК»

Президент ___________________ Гримитлин А.М.

Санкт-Петербургский горный университет

Профессор ___________________ Гендлер С.Г.

ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Главный технолог ___________________ Соколов В.А.