ПОД ЗЕМЛЕЙ — КАК НА ЗЕМЛЕ

Cибирская наука — повышению экономичности строительства и безопасности систем проветривания метрополитенов.

В.Кошкин,
начальник МУП "Новосибирский метрополитен"

Г.Рузаев,
начальник МУП "Управление заказчика по строительству
подземных транспортных сооружений" Новосибирска

А.Красюк,
доктор технических наук, ИГД СО РАН

В России действуют шесть метрополитенов и пять находятся в стадии строительства, в том числе первый в Сибири Новосибирский метрополитен.

С ростом крупных городов обостряется проблема наземных транспортных коммуникаций. Средняя скорость наземного городского транспорта находится в пределах 15–20 км/ч. Сооружение линий метрополитенов кардинально повышает деловую активность прилегающих территорий, уровень комфортности и безопасности пассажирских перевозок, улучшает экологическую ситуацию и социально-психологическую комфортность жителей города. Указанное проявляется в росте стоимости жилья и земли вдоль линий метро, росте инвестиционной привлекательности и престижа городов, имеющих метрополитены.

Переход от дотационной схемы финансирования строительства метрополитенов к схеме, при которой только 50 % стоимости строительства покрывается за счет средств госбюджета РФ, приводит к росту финансовых проблем для городов, строящих метрополитены. Это обостряет необходимость проведения экономического анализа затрат, согласно известным методическим рекомендациям Минфина, Минэкономразвития и Госстроя РФ.

Основным звеном системы жизнеобеспечения подземных транспортных коммуникаций является вентиляция. Для проветривания метрополитенов у каждой станции и на перегонах между ними строятся вентиляционные камеры. В них традиционно устанавливаются вентиляторные агрегаты мощностью до 90 кВт, при этом их энергопотребление уступает только энергопотреблению подвижного состава и достигает например, в Новосибирском метрополитене более 2 млн киловатчасов в год.

Сегодня метрополитены страны имеют нерегулируемую вентиляцию, если не считать дискретных включений--выключений вентиляторных агрегатов. Фактическая же потребность воздуха в течение суток неравномерна и зависит от числа поездов на линии, пассажиропотока и температуры атмосферного воздуха, поэтому производительность тоннельных вентиляторов в течение суток должна регулироваться.

Стоимость систем тоннельной вентиляции с учетом сооружений и оборудования составляет от 4 до 10% от сметной стоимости метрополитенов, при этом стоимость вентиляционных сооружений достигает 90% от стоимости систем проветривания. В структуре эксплуатационных затрат метрополитенов расходы на потребление электроэнергии составляют около 10% от суммарных затрат. Необходимо отметить, что начавшийся в конце 90-х годов рост стоимости электроэнергии привел к тому, что эксплуатационные издержки на тоннельную вентиляцию на 85% определяются расходом электроэнергии. При этом потери из-за низкой эксплуатационной экономичности вентиляторных агрегатов достигают 75–85% энергопотребления. Следовательно, задача повышения эксплуатационной экономичности тоннельных вентиляторных агрегатов вышла в первый ряд проблем.

Основной причиной низкой экономичности действующих на метрополитенах тоннельных вентиляторных агрегатов является несоответствие их аэродинамических характеристик, имеющих, как правило, завышенные номинальные давления, разнообразию аэродинамических сопротивлений участков, обслуживаемых вентиляционных сетей.

Известные модификации тоннельных вентиляторов (типов ЦАГИ, ВОМД, ВОМ и др.) создавались каждый раз на основе всего лишь одной из аэродинамических схем. При этом агрегаты создают номинальные давления от 350 до 650 Па, а фактические их режимы по давлению в большинстве случаев находятся в пределах 70–180 Па, то есть далеко от режимов, где вентилятор может работать с максимальным КПД (его эксплуатационные КПД находятся в пределах 0,07–0,22).

В этой связи с началом строительства Новосибирского метрополитена и развернулись широкие исследования по инициативе лаборатории рудничной аэродинамики Института горного дела Сибирского отделения РАН. Эта лаборатория традиционно занимается вентиляцией подземных горных предприятий. А тут, как подарок судьбы, можно сказать, — под зданием института проложены подземные коммуникации метро... Новый поворот в исследованиях. Предложение ИГД СО РАН о сотрудничестве поддержал первый начальник Новосибирского метрополитена Ю.Лелеков и начальник дирекции строящегося метрополитена Ю.Гурков. Совместно разработанная долгосрочная программа по созданию новой вентиляционной техники для метрополитенов была утверждена еще в бывшем "Главметрополитене" МПС СССР.

В свое время были выполнены исследования по экономико-математическому моделированию вентиляционных систем, разработке реверсивных и регулируемых осевых вентиляторов с поворотными лопатками, систем автоматического управления вентиляцией шахт и метрополитенов. Лабораторией стала опытная вентиляционная камера на перегоне между станциями "Октябрьская" — "Речной вокзал", где в условиях действующего метрополитена были проведены комплексные исследования по вентиляции и созданию новых образцов вентиляционной техники. Большую помощь в проведении работ оказали специалисты ЗАО "Новсибметропроекта" А.Мельник, В.Романов и метрополитена — Н.Балаклеевский, Н.Вергузов, В.Демин, Г.Салашин, А.Чигишев и другие.

В результате проведенных исследований было показано, что в зависимости от длины перегонов между станциями, типов тоннельной обделки и компоновок вентиляционных путей аэродинамические сопротивления участков вентиляционных сетей изменяются в широких пределах. Поэтому для повышения экономичности систем вентиляции требуется достаточно широкий по давлению ряд тоннельных вентиляторов — низконапорных, средненапорных и высоконапорных.

Наряду с разнообразием требований по давлению существует широкий диапазон производительности тоннельных вентиляторов. При высоких пассажиропотоках (Москва, Санкт-Петербург) это требование, как правило, не удовлетворяется. Воздуха не хватает особенно для обеспечения аварийных режимов — задымления, загазованности) и на пересадочных станциях.

Для решения проблем нужно создавать новые машины на основе разнообразных аэродинамических схем с уменьшенными втулочными размерами вентиляторов, имеющих более длинные лопатки.

На базе работ, выполненных в условиях Новосибирского метрополитена, научно-исследовательским и опытно-конструкторским институтом "Аэротурбомаш" (Новосибирск) разработаны и осваиваются в производстве такие новые тоннельные вентиляторные агрегаты.

Разработчики использовали фундаментальные результаты, полученные в институтах СО РАН (ИГиЛ, ИГД и др.) под руководством профессора В.Курзина.

Заметим, что весь комплекс работ, выполненный специалистами под руководствам профессора Н.Петрова, широко обсуждался, достаточно полно освещен в статьях и публикациях (см., например, сайт в интернете: www.AЕROTM.NAROD.ru). По материалам исследований защищены две докторские диссертации (ст.н.с. А.Красюк и ст.н.с. Н.Попов). Защищено также несколько кандидатских диссертаций. По сути в Новосибирске организовалась научная школа по проблемам проветривания транспортных тоннелей и созданию новых вентиляторов. В ее формировании значительна роль специалистов первого сибирского метрополитена.

Тоннельная вентиляция — основное звено обеспечения безопасности пассажиров в случае возникновения нештатных ситуаций (пожар, загазованность и т.п.). Поэтому возможности вентиляционного маневра (форсирование, реверсирование и т.п.) являются важнейшим рычагом обеспечения безопасности.

Новые тоннельные вентиляторы с поворотными на ходу лопатками могут существенно повысить безопасность систем проветривания. Например, они реверсируются за 30–40 сек., при этом производительность в реверсивном режиме достигает 95% от нормальной, что выгодно отличает новую технику от существующей. Например, машины ВОМД-24А для реверса надо остановить, развернуть лопатки направляющего и спрямляющего аппаратов, и заново запустить в обратном направлении. Выполнение таких операций требует от 5 до 9 минут путем включения — выключения четырех механизмов с электроприводами, что может приводить к задымлению и загазованности подземных сооружений. Аналогично реверсируются тоннельные вентиляторы при использовании систем с регулируемым частотным приводом.

При освоении производства нового ряда тоннельных вентиляторов в полной мере используются результаты эксплуатации опытной партии из четырех машин, сданных в эксплуатацию при пуске станции имени Маршала Покрышкина Новосибирского метрополитена. Вентиляторы разработаны под руководством заведующего лабораторией Института горного дела СО РАН профессора Н.Петрова.

Как отмечалось ранее, стоимость вентиляционных сооружений достигает 90% от общей стоимости вентиляционных комплексов метрополитенов. На базе Новосибирского метрополитена впервые методом экономико-математического моделирования поставлена и решена задача определения оптимального размерного ряда требуемых тоннельных вентиляторов. На основе этих работ с использованием методических рекомендаций Минэкономразвития и Минфина РФ выполнено "Технико-экономическое обоснование" (ТЭО), которое рассмотрено в соответствующих департаментах мэрии и утверждено мэром Новосибирска В.Городецким. В материалах ТЭО показано, что минимум суммарных затрат на создание и эксплуатацию вентиляционных систем метрополитенов обеспечивается разработкой и применением нового ряда тоннельных вентиляторов с различной компоновкой вентиляционных сооружений. Существующая практика проектирования вентиляционных систем на основе типового проектирования и традиционно выпускаемых тоннельных вентиляторов экономически не обоснована! При этом качество выпускаемых в РФ тоннельных вентиляторов невысоко, а критерии его оценок неэффективны, так как не рассматриваются основные статьи — интегральные затраты на создание систем проветривания.

Специалисты считают, что для сокращения затрат на сооружение вентиляционных систем метрополитенов и эксплуатационных расходов необходимо применять в практике проектирования современные методы анализа интегральных приведенных затрат, разработанные новосибирской научной школой, методы оптимального выбора тоннельных вентиляторов на стадии проектирования и новую вентиляционную технику, создаваемую на базе Новосибирского метрополитена.