屏蔽門對隧道通風系統(tǒng)設計影響及分析摘要:通過加裝屏蔽門系統(tǒng)必要性的分析及對廣州地鐵一號線隧道通風工程的研究,提出加裝屏蔽門后隧道通風系統(tǒng)設計正常和事故運行方案,通過模擬計算和分析比較得出,只要每個車站兩端的活塞風井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺下回風系統(tǒng)改造成為排風系統(tǒng),就可以滿足正常運行和事故運行的要求。關鍵詞:加裝屏蔽門 必要性 隧道通風系統(tǒng) 活塞風井0加裝屏蔽門系統(tǒng)的必要性 地鐵屏蔽門系統(tǒng)屬于車站設備系統(tǒng)之一,屏蔽門系統(tǒng)安裝在站臺邊緣,將站臺公共區(qū)與隧道軌行區(qū)完全屏蔽,減少站臺區(qū)與軌行區(qū)之間冷熱氣流的交換,降低了環(huán)控系統(tǒng)的運營能耗。屏蔽門系統(tǒng)的設置可以有效防止乘客有意或無意跌入軌道,減小噪聲及活塞風對站臺候車乘客的影響,改善了乘客候車環(huán)境的舒適度,為軌道交通實現(xiàn)無人駕駛奠定了技術基礎。目前內地深圳地鐵一號線、廣州地鐵二號線均設置了屏蔽門系統(tǒng),目的是為了簡化環(huán)控系統(tǒng),節(jié)約能源,提高乘客候車的安全性和舒適性[1]。 廣州地鐵一號線采用開閉式通風空調系統(tǒng)。早期規(guī)劃時,在東南亞各軌道交通系統(tǒng)中,只有新加坡地鐵系統(tǒng)采用屏蔽門技術,同時由于投入使用年限較短,其安全及可靠性還未能驗證且屏蔽門系統(tǒng)投資較高,因此一號線采用了開閉式通風空調系統(tǒng)。廣州地鐵一號線全線自1999年投入運營以來,由于車站的熱環(huán)境條件受隧道活塞風影響通風空調系統(tǒng)的能耗比較大,約占整條線路能耗的三分之一以上。從廣州地鐵二號線有屏蔽門系統(tǒng)來看,屏蔽門使車站與區(qū)間隧道的氣流相互隔離,避免列車運行產生的熱負荷對車站的影響,同時取消了車站兩端的迂回風道和線路由地面轉入地下時在洞口設置的空氣幕系統(tǒng),從而簡化了車站環(huán)控系統(tǒng),降低運營能耗,可節(jié)省運行費約38%左右。由上可見,廣州地鐵一號線增設屏蔽門系統(tǒng)是完全必要的。 目前香港的原有地鐵線路如荃灣線、觀塘線和港島線的車站均已開始了增設屏蔽門系統(tǒng)的改造工作[2]。1工程概況 廣州市地下鐵道一號線工程設16座地鐵車站,其中地下車站14座,地面站2座,隧道長約16.46km,公農區(qū)間設有與二號線的聯(lián)絡線。采用開/閉式的隧道通風系統(tǒng),隧道通風系統(tǒng)和車站通風空調系統(tǒng)既相對獨立又相互密切關聯(lián)。區(qū)間隧道通風系統(tǒng)有兩種設置方式: 隧道通風機設置于站廳層,推力風機設于列車出站一側的線路外側或站廳層板上或站臺板上。推力風機將車站站臺上的冷空氣送到區(qū)間隧道內,以冷卻阻塞停車的列車空調冷凝器。從黃沙站B端至體育中心A端10個區(qū)間隧道兩頭,及芳村A端廣州東站B端采用如圖1的設置形式。 隧道風機設于站臺層,在隧道風機端部增設噴嘴,芳村站B端至黃沙站A端與體育中心B端至廣州東站A端采用如圖2的設置形式。 在站廳、站臺公共區(qū)長度范圍內設有通風空調管道均勻送風、排風。在站臺下及軌道頂設有排風管。列車進站端一側車站端部設集中冷風送風口,以冷卻進站熱風,集中送風量占總送風量的20%~25%。排風比例為軌頂(OTE)排60%,站臺下(UPE)排40%。站臺下排風道采用土建式風道,軌頂排風道為鋼板風管。2隧道通風系統(tǒng)方案比較及分析 根據(jù)廣州地鐵一號線的現(xiàn)有情況及改造工程的設計原則,在車站站臺加裝屏蔽門后,將改善原有隧道通風系統(tǒng)火災運行的條件,使原有系統(tǒng)更容易組織排除煙氣、熱量及送入新風,更利于乘客逃生。
2.1正常運行方案 方案一:開啟車站兩端活塞風道和兩條隧道的迂回風道的風閥,即左右線在車站兩個端頭連通且與活塞風道連通。 方案二:開啟車站兩端活塞風道和迂回風道出站端風閥,即活塞風道設于車站的出站端。 方案三:開啟車站兩端活塞風道和迂回風道進站端風閥,即活塞風道設于車站的進站端。 每種方案又分加冷氣與不加冷氣兩種情況,進行模擬計算,并分析比選。2.1.1不加冷氣的正常運行方案 以上三個方案均不需要改變原設計活塞風道、風機、風閥的設置,只需改變正常運行的運行模式。根據(jù)前面三個方案,建立了隧道通風模擬計算模型,用SES(SubwayEnvironmentalSimulationComputerProgram,美國交通部組織編寫,目前最新版本為SES-V4.1)進行模擬計算,模擬計算結果見圖3所示。 從圖3中可以看出正常運行時,方案一、二、三,隧道內溫度普遍超過35℃,且超過一半的隧道溫度達到38℃以上,甚至部分區(qū)段達到40℃以上,不能滿足列車正常運行的環(huán)境溫度要求。同時也可看出,方案三在進站端開啟活塞風道的情況最差,方案一和方案二的基本情況相差不大,但方案二略優(yōu)。2.1.2加冷氣的正常運行方案 為解決隧道內溫度超標問題,利用原系統(tǒng)設計中在進站端集中送入冷風的條件送入6.5m3/s的空調冷風(冷量約200kW),再次進行模擬計算,其結果如圖4所示。 從圖4中可以看出隧道溫度已有較大改善,但方案三仍然偏高,方案一、二的隧道溫度基本控制在37℃以下,且方案二略優(yōu),故設計推薦采用方案二,即活塞風道只與車站隧道的出站端相連通。 如果按方案二運行,仍有部分區(qū)間隧道及車站溫度超過原設計標準35℃,其環(huán)境條件不滿足現(xiàn)有列車壽命內的運行條件,所以對近期的情況也進行了模擬計算,根據(jù)原設計,列車近期(15年后)高峰小時行車對數(shù)為20對,即發(fā)車間隔為180秒進行模擬計算,計算結果見圖5。從圖中可以看出區(qū)間隧道及車站隧道內的溫度均低于35℃。因此近期內采用方案二對列車運行環(huán)境無影響。由于列車空調的使用年限約為15年,使用15年后基本上需要更換,推薦在15年后的列車空調改造及采購新列車時,列車空調按37℃的運行環(huán)境改造及設計,以滿足遠期的運營要求。2.2事故運行方案 由于原隧道通風系統(tǒng)阻塞運行時,雖然初始溫度較原設計有約2℃的提高,但改善了原設計隧道風機運行時的通風效果,從總體來說原設計基本應能滿足阻塞運行的要求。當發(fā)生區(qū)間阻塞情況時,可開啟阻塞區(qū)間后方車站同一條隧道兩端的兩臺隧道風機送風,前方車站一臺隧道風機排風,并相應打開前方車站的車站軌道排風系統(tǒng)。通風方向與行車方向一致,同時屏蔽門應保持關閉狀態(tài),以保證區(qū)間的氣流組織,如圖6所示。并且在設置有射流風機或推力風機的特殊區(qū)段,還可運行相關輔助設備強制組織氣流方向,保證區(qū)間隧道的平均溫度及風速滿足相關標準。 當發(fā)生火災情況時,排煙組織需根據(jù)列車的具體著火部位選定執(zhí)行模式。一般而言,當列車車頭著火時,采用與行車方向一致的方向組織排煙;當列車車尾著火時,采用與行車方向相反的方向組織排煙;當列車中部著火時,則根據(jù)列車與兩邊中間聯(lián)絡通道的距離確定送風方向;當火災位置不清楚時,按與行車一致的方向送風。排煙模式運行時,需通過區(qū)間兩端車站的隧道通風設備的組合運行,保證火災隧道的斷面風速≥2m/s,有效控制煙氣的流向,防止煙氣蔓延。2.3方案實施 推薦方案采用每個車站兩端的活塞風井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺下回風系統(tǒng)改造成為排風系統(tǒng),由車站通風空調系統(tǒng)按各車站的改造工藝完成,因此只需調整原有系統(tǒng)的運行模式而不增加任何設備,即只需改造BAS系統(tǒng)軟件即可。3廣州地鐵一號線加裝屏蔽門經濟性比較 車站加裝屏蔽門后,將車站與隧道隔成兩個空間,極大地減少了車站冷量泄漏,從而大幅度地減少了車站的冷負荷,按遠期運行條件計算,各車站公共區(qū)的冷負荷比原系統(tǒng)有較大減少,包括計入送入隧道的冷量后,平均到每臺組合式空調器的冷負荷基本上比每個車站原有一臺組合式空調器冷量略有減少,總的送風也略有減少。以目前正在改造的黃沙站為例,改造前和改造后的空調設備和運行費用比較如表1所示。 從表1可以看出,加裝屏蔽門后車站的主要空調設備數(shù)量減少了一半,年運行費用可以減少99.1萬元,經濟效益非常明顯。4結論 ①廣州地鐵一號線加裝屏蔽門降低了站臺空調能耗、節(jié)省了運行費用。 ②由于采用屏蔽門可以減少空調設備和環(huán)控機房的土建初投資;而采用的屏蔽門國產化,則又可以降低初投資,所以總投資并非很高,因此廣州現(xiàn)設計的幾條地鐵線都采用了屏蔽門系統(tǒng)。 ③采用屏蔽門系統(tǒng)的地鐵隧道內溫度有可能超出規(guī)范要求,因此要經過詳細的模擬計算才可確定是否需要往隧道內送冷量。一號線加裝屏蔽門隧道通風系統(tǒng)經過模擬分析,須往隧道內加冷氣才能滿足溫度要求。參考文獻[1]孫增田.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵的應用前景[J].地鐵與輕軌,2005,(2):22-26[2]劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應用[J].城市軌道交通研究,2000,(1):34-38
2.1正常運行方案 方案一:開啟車站兩端活塞風道和兩條隧道的迂回風道的風閥,即左右線在車站兩個端頭連通且與活塞風道連通。 方案二:開啟車站兩端活塞風道和迂回風道出站端風閥,即活塞風道設于車站的出站端。 方案三:開啟車站兩端活塞風道和迂回風道進站端風閥,即活塞風道設于車站的進站端。 每種方案又分加冷氣與不加冷氣兩種情況,進行模擬計算,并分析比選。2.1.1不加冷氣的正常運行方案 以上三個方案均不需要改變原設計活塞風道、風機、風閥的設置,只需改變正常運行的運行模式。根據(jù)前面三個方案,建立了隧道通風模擬計算模型,用SES(SubwayEnvironmentalSimulationComputerProgram,美國交通部組織編寫,目前最新版本為SES-V4.1)進行模擬計算,模擬計算結果見圖3所示。 從圖3中可以看出正常運行時,方案一、二、三,隧道內溫度普遍超過35℃,且超過一半的隧道溫度達到38℃以上,甚至部分區(qū)段達到40℃以上,不能滿足列車正常運行的環(huán)境溫度要求。同時也可看出,方案三在進站端開啟活塞風道的情況最差,方案一和方案二的基本情況相差不大,但方案二略優(yōu)。2.1.2加冷氣的正常運行方案 為解決隧道內溫度超標問題,利用原系統(tǒng)設計中在進站端集中送入冷風的條件送入6.5m3/s的空調冷風(冷量約200kW),再次進行模擬計算,其結果如圖4所示。 從圖4中可以看出隧道溫度已有較大改善,但方案三仍然偏高,方案一、二的隧道溫度基本控制在37℃以下,且方案二略優(yōu),故設計推薦采用方案二,即活塞風道只與車站隧道的出站端相連通。 如果按方案二運行,仍有部分區(qū)間隧道及車站溫度超過原設計標準35℃,其環(huán)境條件不滿足現(xiàn)有列車壽命內的運行條件,所以對近期的情況也進行了模擬計算,根據(jù)原設計,列車近期(15年后)高峰小時行車對數(shù)為20對,即發(fā)車間隔為180秒進行模擬計算,計算結果見圖5。從圖中可以看出區(qū)間隧道及車站隧道內的溫度均低于35℃。因此近期內采用方案二對列車運行環(huán)境無影響。由于列車空調的使用年限約為15年,使用15年后基本上需要更換,推薦在15年后的列車空調改造及采購新列車時,列車空調按37℃的運行環(huán)境改造及設計,以滿足遠期的運營要求。2.2事故運行方案 由于原隧道通風系統(tǒng)阻塞運行時,雖然初始溫度較原設計有約2℃的提高,但改善了原設計隧道風機運行時的通風效果,從總體來說原設計基本應能滿足阻塞運行的要求。當發(fā)生區(qū)間阻塞情況時,可開啟阻塞區(qū)間后方車站同一條隧道兩端的兩臺隧道風機送風,前方車站一臺隧道風機排風,并相應打開前方車站的車站軌道排風系統(tǒng)。通風方向與行車方向一致,同時屏蔽門應保持關閉狀態(tài),以保證區(qū)間的氣流組織,如圖6所示。并且在設置有射流風機或推力風機的特殊區(qū)段,還可運行相關輔助設備強制組織氣流方向,保證區(qū)間隧道的平均溫度及風速滿足相關標準。 當發(fā)生火災情況時,排煙組織需根據(jù)列車的具體著火部位選定執(zhí)行模式。一般而言,當列車車頭著火時,采用與行車方向一致的方向組織排煙;當列車車尾著火時,采用與行車方向相反的方向組織排煙;當列車中部著火時,則根據(jù)列車與兩邊中間聯(lián)絡通道的距離確定送風方向;當火災位置不清楚時,按與行車一致的方向送風。排煙模式運行時,需通過區(qū)間兩端車站的隧道通風設備的組合運行,保證火災隧道的斷面風速≥2m/s,有效控制煙氣的流向,防止煙氣蔓延。2.3方案實施 推薦方案采用每個車站兩端的活塞風井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺下回風系統(tǒng)改造成為排風系統(tǒng),由車站通風空調系統(tǒng)按各車站的改造工藝完成,因此只需調整原有系統(tǒng)的運行模式而不增加任何設備,即只需改造BAS系統(tǒng)軟件即可。3廣州地鐵一號線加裝屏蔽門經濟性比較 車站加裝屏蔽門后,將車站與隧道隔成兩個空間,極大地減少了車站冷量泄漏,從而大幅度地減少了車站的冷負荷,按遠期運行條件計算,各車站公共區(qū)的冷負荷比原系統(tǒng)有較大減少,包括計入送入隧道的冷量后,平均到每臺組合式空調器的冷負荷基本上比每個車站原有一臺組合式空調器冷量略有減少,總的送風也略有減少。以目前正在改造的黃沙站為例,改造前和改造后的空調設備和運行費用比較如表1所示。 從表1可以看出,加裝屏蔽門后車站的主要空調設備數(shù)量減少了一半,年運行費用可以減少99.1萬元,經濟效益非常明顯。4結論 ①廣州地鐵一號線加裝屏蔽門降低了站臺空調能耗、節(jié)省了運行費用。 ②由于采用屏蔽門可以減少空調設備和環(huán)控機房的土建初投資;而采用的屏蔽門國產化,則又可以降低初投資,所以總投資并非很高,因此廣州現(xiàn)設計的幾條地鐵線都采用了屏蔽門系統(tǒng)。 ③采用屏蔽門系統(tǒng)的地鐵隧道內溫度有可能超出規(guī)范要求,因此要經過詳細的模擬計算才可確定是否需要往隧道內送冷量。一號線加裝屏蔽門隧道通風系統(tǒng)經過模擬分析,須往隧道內加冷氣才能滿足溫度要求。參考文獻[1]孫增田.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵的應用前景[J].地鐵與輕軌,2005,(2):22-26[2]劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應用[J].城市軌道交通研究,2000,(1):34-38
