Экономить электроэнергию можно… простым поворотом лопатки

Уже более четырех лет в Новосибирском метрополитене (на станции «Маршала Покрышкина») работает опытная партия из четырех вентиляторных агрегатов с микропроцессорными системами управления, предназначенных для вентиляции транспортных тоннелей (автомобильных и железнодорожных) и метрополитенов с параметрами по производительности от 20 до 80 м3/с, по давлению с 10 до 70 Па. Самые первые опытные образцы этих агрегатов (модель ВВО-21), разработанных специалистами лаборатории рудничной аэродинамики Института горного дела СО РАН совместно с Научно-исследовательским и опытно-конструкторским институтом «Аэротурбомаш», были установлены в нашем метро между ст. «Речным вокзалом» и «Октябрьской» еще в конце 84. Результаты эксплуатации опытной партии машин оказались более чем красноречивыми. Использование данных вентиляторных агрегатов позволяет снизить энергопотребление на вентиляцию транспортных тоннелей и метрополитенов на 25-27%, а объемы и стоимость подземных вентиляционных сооружений – на 50-65%. К настоящему времени еще четыре вентилятора усовершенствованных моделей ВО-21ВК и ВО-21К ждут окончания строительства станции «Березовая роща», где и планируется установить эти современные высокоэкономичные агрегаты. Никто не ставит под сомнение необходимость проветривания транспортных тоннелей, а в особенности тоннелей метрополитена. Известно, что требуемое количество воздуха в метрополитенах определяется, главным образом выделением теплоизбытков. При этом тепловыделения носят неравномерный характер, что обусловлено графиком пассажиропотока и числом пар поездов на линии. Кроме того, СНиП 3208 регламентирует подачу воздуха на станцию метрополитена в объеме 30 м3/час на 1 человека, а в часы «пик», когда количество пассажиров быстро меняется в течение каждого часа (приблизительно с семи до девяти утра и с пяти до семи вечера) – 50 м3/час. В настоящее время в метрополитенах России и СНГ установлены вентиляторы, рассчитанные на подачу такого объема воздуха, который способен обеспечить максимальный пассажиропоток. И это значит, что в практике проектирования и эксплуатации систем вентиляции метрополитенов очень редко учитываются временные интервалы, когда выделение в окружающую среду вредных компонентов многократно снижается. То есть расход воздуха в большинстве современных отечественных систем вентиляции метрополитенов в течение суток не регулируется. Новосибирский метрополитен в этом отношении отнюдь не исключение. Но без регулирования производительности вентиляторных агрегатов при их круглосуточной работе со 100% расчетной производительностью перерасход энергии составляет примерно 42%, что в значительной степени отражается на городском бюджете, а конечном итоге и на наших карманах. Факт в том, что энергопотребление тоннельной вентиляции метро уступает только подвижному составу и достигает 0,9-1,2 млн. кВтч в год на 1 км линий метрополитена. Поэтому вопросы снижения потребления электроэнергии на вентиляцию, особенно сейчас, в условиях постоянного роста тарифов, являются актуальными как при проектировании новых вентиляционных объектов, так и на действующих метрополитенах. Специалистами было установлено, что для экономичного поддержания производительности вентиляционных агрегатов на заданном уровне необходимо изменять их режим минимум один раз в час, т.е. одновременно с изменением числа пар поездов на линии. Вывод прост: вентилятор должен содержать устройства изменения подачи воздуха, а регулируемые тоннельные вентиляторы смогут обеспечить значительную экономию электроэнергии. Именно такие вентиляторные агрегаты и были спроектированы Институтом горного дела СО РАН совместно с институтом «Аэротурбомаш». Их важнейшей конструктивной особенностью является то, что они регулируются и реверсируются на ходу поворотом лопаток рабочего колеса, что позволяет контролировать расход воздуха. Агрегаты оснащены микропроцессорными системами управления, которые также выполняют функции диагностики, контроля режимов и защиты агрегата от перегрузок. Безусловно, регулирование режима работы осевых вентиляторов возможно и другими способами, такими как уменьшение сечения воздуховода (дросселирование), изменение угла установки лопаток входного направляющего аппарата и изменение частоты вращения при использовании регулируемого электропривода. Последний – наиболее конкурентоспособен по показателям экономичности, однако, как показывает практика, изменение производительности и обеспечение требуемой глубины регулирования наиболее выгодны и эффективны при изменении угла установки лопаток рабочего колеса. Каким образом устроено рабочее колесо вентиляторов типа ВО-21ВК и ВО-21К? Проще говоря, это шесть пар сдвоенных лопаток, расположенных по радиусу, каждая из которых представляет собой две листовые лопатки определенной формы, сваренных между собой перемычкой для жесткости. Изменение угла поворота этих лопаток относительно их оси и позволяет изменить количество воздуха, подаваемого вентилятором. Казалось бы, просто, однако аналогов этим агрегатам в нашей стране нет. Работы по созданию реверсивных вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса были начаты в Институте горного дела (ИГД СО РАН) еще в 60-х годах прошлого столетия. Позднее, теоретические исследования ИГД СО РАН и Института гидродинамики им. Лаврентьева позволили создать ряд новых аэродинамических схем для осевых вентиляторов тоннельной вентиляции, которые особенно эффективны при создании реверсивных машин с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса. Теперь они дают возможность не только создавать высокоэкономичные и надежные вентиляторные установки, но и начать модернизацию устаревшего парка тоннельных вентиляторов с целью продления срока их службы, повышения эксплуатационных аэродинамических характеристик (давления, производительности и КПД) и повышения надежности установок, в том числе в режиме реверсирования. Модернизация существующих вентиляторов метрополитенов в ближайшем будущем, вне всякого сомнения, должна стать одним из перспективных направлений. Это обусловлено тем, что около 95% парка действующих машин составляют вентиляторы типа ЦАГИ и ВОМД-24. Вентиляторы ЦАГИ в большинстве своем трехкратно, а вентиляторы ВОМД-24 двукратно выработали проектный ресурс, так как первые работают уже более 40-50 лет, а вторые – по 15-35 лет. По ряду причин указанные вентиляторы морально были устаревшими еще в начале 80-х годов, так как к тому времени около 83% парка вентиляторов тоннельной вентиляции (ВТВ), например, США, Великобритании, Японии и некоторых других стран использовали осевые машины с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса. Пути модернизации устаревшего парка тоннельных вентиляторов по замыслам специалистов ИГД СО РАН и «Аэротурбомаша» лежат в создании одноступенчатых осевых вентиляторов с поворотными лопатками на основе новой аэродинамики путем замены роторов в корпусах вентиляторов, находящихся в эксплуатации машин ВОМД-24(А) и ЦАГИ в двухступенчатом исполнении. Модернизация упомянутых вентиляторов сможет не только продлить проектный эксплуатационный срок службы выработавших ресурс машин, но и даст значительную экономическую выгоду, так как по расчетам экономия в этом случае составит 160-200 тыс. кВт/ч электроэнергии в год на один вентилятор, что вполне сопоставимо с затратами на модернизацию. Стоит сказать и том, что современные типовые нормы проектирования вентиляционных систем метрополитенов во всей нашей стране предусматривают, в основном, применение агрегатов с горизонтальной осью вращения. Вентиляторы ВО-21ВК и ВО-21К – вертикальные, а площадь основания вентиляторного агрегата с вертикальной осью вращения меньше горизонтального. Таким образом, при проектировании новых объектов метрополитена, за счет снижения объема вентиляционных камер, появляется возможность снизить объем вынимаемого грунта (а каждый метр подземных работ влечет за собой большие затраты). Как следствие, стоимость подземных сооружений метрополитена понижается. Регулирование расхода воздуха в транспортных тоннелях – тема, которая уже не первое десятилетие занимает умы специалистов многих стран мира. Все более актуальной эта проблема становится и для нашей страны. На строящихся метрополитенах как за Уралом (например, в Красноярске и Омске), так и в европейской части России, без сомнения, будут востребованы вентиляторные агрегаты нового поколения. Это касается так же и железнодорожных, и автомобильных тоннелей. К сожалению, в нашей стране проветривание транспортных тоннелей пока не принято, но речь идет о тоннелях, протяженностью в несколько километров, где вентиляция невозможна путем естественного перемешивания воздуха, или о тоннелях с интенсивным потоком машин и высокой концентрацией выхлопных газов. Без должного проветривания, человек рискует так и не увидеть света в конце тоннеля. Вентиляторные агрегаты такого типа – регулируемые и реверсируемые на ходу поворотом лопаток рабочего колеса – используются и в угольных шахтах, где контроль за содержанием в воздухе метана зачастую становится вопросом жизни и смерти. Система управления этими вентиляторами, оснащенная микропроцессорами, легко «обучается» – достаточно установить датчики и задать требуемые параметры количества и качества воздуха. Робота над проектированием усовершенствованных вентиляторных агрегатов в лабораториях Института горного дела и «Аэротурбомаша» не прекращается. Сейчас на повестке дня – динамика и оптимизация перераспределения воздуха всех линий системы вентиляции метрополитена, а значит еще более эффективное регулирование и энергосбежение. Использованная литература: 1.Зедгенизов Д. В., Красюк А. М., Петров Н. Н., Чигишев А. Н. Анализ способов регулирования режима работы тоннельных осевых вентиляторов. http://www.aerotm.narod.ru/result.htm 2.Петров Н. Н., д. т. н., проф., Красюк А. М., к. т. н., доц., (ИГД СО РАН), Чигишев А. Н. (Новосибирский метрополитен). Пути модернизации устаревшего парка тоннельных вентиляторов метрополитенов. http://www.aerotm.narod.ru/result.htm Редакция благодарит кандидата технических наук старшего научного сотрудника лаборатории рудничной аэродинамики Института горного дела СО РАН Дмитрия Владиленовича ЗЕДГЕНИЗОВА за помощь в подготовке материала.