Иван Вадимович Минин, научный руководитель проекта
Павел Владимирович Вяткин, генеральный директор ОАО «АМЗ «Вентпром»
Вадим Витальевич Минин, советник ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ), г. Екатеринбург
Специалисты ФГБОУ ВО «УГГУ» осуществляют содействие горным предприятиям, в том числе метрополитену, в рамках норм и правил безопасности, утверждённых приказом Рос-технадзора от 08.12.2020 (ФНиП № 505). Положения п. 160 и п. 182 (ФНиП № 505) в части проветривания горных выработок содержат «п. 160. Действующие выработки должны непрерывно проветриваться активной струёй воздуха…» и «п. 182. …с использованием механизированных комплексов и проветривания забоя воздушно-водяной смесью должно быть обеспечено удаление исходящей струи из забоя с помощью отсасывающего вентилятора местного проветривания…».
Таким образом, должно быть обеспечено удаление исходящей струи из забоя с помощью отсасывающего вентилятора местного проветривания, при этом в данной действующей выработке должна быть применена активная струя воздуха при проветривании забоя воздушно-водяной смесью, что обеспечивается струйными вентиляторами.
Струйная вентиляция представляет собой современную технологию, обеспечивающую эффективное движение воздушных потоков в подземных выработках метрополитена. Основные компоненты струйного вентилятора: входной канал, сопла (сужающиеся каналы), диффузор, корпус, импульсная трубка, выходной канал, рабочее колесо, двигатель, которые обеспечивают технологию создания воздушного потока, процесс основан на следующих принципах:
1. Сжатие воздушной струи через сопло с увеличением скорости потока.
2. Ускорение движения воздуха в узком сечении.
3. Распределение потока через диффузор.
4. Создание разрежения в выходном канале.
Разработки ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ) и ОАО «АМЗ «Вентпром», изначально созданные для газоопасных рудников, адаптированы для систем вентиляции метрополитена.
Известны проблемы вентиляции в метрополитене, связанные со спецификой метрополитена, они предъявляют особые требования к системам вентиляции, такие как:
1. Скопление вредных веществ в воздухе, где могут накапливаться выхлопные газы от техники, пыль с дневной поверхности в городах, продукты износа материалов и т. п.
2. Высокая плотность пассажиропотока с количеством людей, которое повышает уровень CO2, температуру и влажность воздуха на станциях.
3. Ограниченная циркуляция воздуха: в тоннелях и на станциях имеют место замкнутые пространства, где сложно обеспечить естественный воздухообмен.
4. Ограниченная пожарная безопасность, здесь в случае возгорания критически важно оперативно удалять дым и подавать свежий воздух для эвакуации людей на поверхность.
5. Загрязнение шумами, так как вентиляционные системы не должны создавать дополнительный шум, превышающий допустимые нормы.
6. Низкая энергоэффективность, так как метрополитен потребляет значительные расходы электроэнергии, важно минимизировать затраты на вентиляцию, так как они достигают 65 % эксплуатационных затрат.
7. Слабая управляемость распределением воздуха между участками пути и станциями, не адаптированная под изменения пассажиропотока.
Адаптация решений для метрополитена связана с применением струйных вентиляторных установок. Струйные вентиляторы становятся эффективным элементом вентиляционной системы метро. Преимущества состоят в том, что имеет место:
- создание направленного воздушного потока для локального проветривания;
- возможность установки в ограниченном пространстве тоннелей;
- устойчивость к запылённости;
- гибкость управления (в т. ч. реверсивный режим для дымоудаления).
Адаптируются сложные системы вентиляции (основная центробежная + локальная струйная), что позволяет: обеспечить общий воздухообмен на станциях и между станциями — распределение воздуха согласно пассажиропотоку; точечно проветривать тупиковые застойные зоны и служебные помещения; оперативно менять направление потоков при аварийных ситуациях.
Здесь хорошо применяются автоматизированные системы контроля с датчиками газа, температуры и влажности, возникает возможность: отслеживать параметры свежего воздуха в реальном времени и управлять его составом; автоматически включать/выключать вентиляцию при превышении ПДК вредных веществ; дистанционно управлять режимами распределения воздуха через SCADA-системы.
Расчёт параметров свежего воздуха для метро состоит в примере расчёта потребности в свежем воздухе для участка тоннеля со станций:
объём помещений: участок тоннеля длиной 100 м, сечением 20 м² – V = 100×20 = 2 000 м3.
Кратность воздухообмена для тоннелей метрополитена рекомендуется 4 объёма в час: Qтреб = 2 000×4 = 8 000 м3/ч = 2,22 м3/с.
Резерв мощности: с учётом пиковых нагрузок (часы пик, аварийные ситуации) производительность системы на 30 % выше расчётной Qфакт = 2,9 м3/с.
При этом нормы качества воздуха выдерживаются по: концентрации O2 ≥ 20 об. %; CO ≤ 20 мг/м³ (0,0017 % об.); температуре в зоне пребывания пассажиров ≤ 26 °C; относительной влажности воздуха 30–60 %. Конкретные примеры внедрения в Московском метрополитене: в рамках программы модернизации были установлены вентиляторные установки ВОМ 20 и ВОМ 18R производства «Вентпром», здесь отличительной особенностью стала упрощённая конструкция с одним рабочим колесом, что на 32 % повысило надёжность агрегата, применены новые электродвигатели с защитой от перегрева (работают до двух часов при 400 °C); выполнены системы автоматического управления САУ ВОМ для дистанционного контроля работы. Разработка студентов молодёжного конструкторского бюро УГГУ под руководством научного сотрудника Минина И. В. (2021–2026 гг.), состоящая из систем мониторинга с датчиками и оригинальным программным обеспечением, способным контролировать температуру, влажность, скорость и направление воздушных потоков приборами ПДСВ (производитель «Ингортех»), снижает энергопотребление на 30 %, сокращает избыточную подачу воздуха (заложенную в нормах безопасности) на 7 %.
Внедрение модернизированных систем вентиляции в метрополитене позволит снизить энергопотребление на 20–30 % за счёт оптимизации воздушных потоков и интеллектуального управления; повысить безопасность благодаря оперативному дымоудалению струйными вентиляторами и контролю загазованности вентиляционных путей; улучшить комфорт пассажиров за счёт стабильных параметров микроклимата; сократить эксплуатационные затраты на обслуживание (простота конструкции струйных вентиляторов, долговечность компонентов); уменьшить шумовое загрязнение за счёт использования энергоэффективных режимов Доплеровского эффекта и шумоглушителей. Вывод: адаптация технологий УГГУ и «Вентпрома» для метрополитена — перспективное направление развития современного вентиляторостроения, что позволит создать гибкие, энергоэффективные и безопасные системы вентиляции, отвечающие современным требованиям мегаполисов нашей Родины и дружественных стран.
Таблица отражает достигнутые показатели.
