Решением Главниипроекта Минэнерго СССР от 13 мая 1975 г. N 90 срок введения установлен

Правила проектирования вентиляции распространяются на кабельные тоннели тепловых и атомных электростанций.

С выходом настоящих "Правил" аннулируется справочник проектировщика электростанций - "Вентиляция кабельных тоннелей".

Правила проектирования выполнены с учетом требований государственной системы стандартизации ГОСТ 1.0-68 - ГОСТ 1.5-68, Норм технологического проектирования тепловых электростанций и тепловых сетей изд. 1973 г.

1.1. Основными вредностями в кабельных тоннелях являются тепловыделения от кабелей. В случае пожара - вредностями являются продукты горения и распыляемые пожаротушащие вещества.

1.2. Кабельные тоннели по условиям пожаробезопасности секционируются на отсеки при помощи перегородок с расстоянием между ними в пределах до 150 м.

1.3. Во всех приточных и вытяжных камерах должны устанавливаться противопожарные клапаны, снабженные конечными выключателями, предназначенными для аварийного их закрывания в случае возникновения пожара.

Извещатели пожара, устанавливаемые в проходных и полупроходных кабельных тоннелях, должны давать импульс на включение электромагнитов противопожарных клапанов и на выключатели вентиляторов.

После погашения пожара в кабельном тоннеле, вручную включается вентилятор и открываются противопожарные клапаны в приточной и вытяжной камерах.

1.4. Максимальная температура воздуха в кабельных тоннелях не должна превышать 40 °C. Минимальная температура, а также относительная влажность воздуха в тоннелях не регламентируются.

1.5. В кабельных подземных тоннелях, прокладываемых вне главного здания, поглощение теплоизбытков и обеспечение максимально допустимой температуры воздуха в тоннеле (не выше 40 °C) следует осуществлять за счет потерь тепла ограждающими конструкциями в грунт, а также за счет приточно-вытяжной системы вентиляции с естественным или механическим побуждением. При условии, когда тепловыделения кабелей полностью компенсируются теплопотерями ограждений в грунт, вентиляцию тоннелей предусматривать не следует.

Необходимость устройства вентиляции с механическим побуждением устанавливается теплотехническим и аэродинамическим расчетом.

1.6. Теплопотери ограждениями в грунт тоннелей, прокладываемых в помещении главного корпуса в тепловом балансе тоннеля учитывать не следует.

1.7. При вентиляции с механическим побуждением вентиляторный агрегат можно размещать как в приточной, так и в вытяжной камере. Но в целях экономии электроэнергии, а также для создания более благоприятного теплового режима работы электродвигателя (при размещении вентагрегата в приточной камере электродвигатель омывается воздухом с более низкой температурой), вентиляторный агрегат, при прочих равных условиях, предпочтительнее располагать в приточной камере.

1.8. В целях обеспечения возможности работы вентиляционной системы с механическим побуждением в режиме естественного побуждения, разность между высотой вытяжной и приточной решетками должна быть не менее 3 м.

Высота от поверхности земли до низа приточной решетки должны быть не менее 1 м.

1.9. Осевые вентиляторы механической системы вентиляции должны быть сблокированы с датчиками температуры, устанавливаемыми в отсеке (вблизи вытяжной камеры). Вентилятор автоматически отключается при понижении температуры воздуха в тоннеле ниже минимальной, установленной для данного климатического района.

Эта температура для каждого климатического района приводится в табл. 3 (графа 5).

При повышении температуры воздуха в тоннеле на 5 °C выше минимальной, вентилятор автоматически вновь включается в работу. При отключении вентагрегата вентиляция тоннеля должна осуществляться естественным путем.

2.1. В целях уменьшения мощности вентиляторного агрегата и улучшения температурного режима в подземных кабельных тоннелях, тепловой баланс кабельного тоннеля следует выполнять с учетом круглогодичной работы вентиляции.

2.2. Количество тепловой энергии, выделяемой кабелями в тоннеле, следует определять по формуле:

2.3. Теплопотери ограждениями тоннеля в грунт на 1 м трассы тоннеля определяются по формуле:

2.4. Теплоизбытки в тоннеле определяются по формуле:

2.5. Количество приточного воздуха, необходимое для поглощения теплоизбытков в тоннеле следует определять по формуле:

а) без учета круглогодичной работы вентиляции на 1 м трассы тоннеля:

б) с учетом круглогодичной работы вентиляции на 1 м трассы тоннеля:

Методика расчета теплопотерь ограждениями тоннеля в грунт приведена в приложении 1.

Методика расчета потребного количества приточного воздуха с учетом круглогодичной работы вентиляции тоннеля приведена в приложении 2.

2.6. Для облегчения расчетов при проектировании вентиляции кабельных подземных тоннелей конкретных объектов, в табл. 1 приведены усредненные показатели теплопотерь ограждениями тоннеля сечением 1,8 x 2,1 (h) м, а также показатели по воздухообмену для различных климатических районов.

ПРИМЕЧАНИЯ: 1. В конкретных проектах при подсчете количество приточного воздуха, необходимого для поглощения теплоизбытков в тоннеле, показатели графы 6 табл. 1 следует умножать на мощность (выраженную в кВт), теряемую кабелями.

2. Показатели, приведенные в табл. 1 подсчитаны для климатических районов, приведенных в табл. 2.

ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Максимальная температура воздуха в тоннеле принята = 40 °C.

2. Продолжительность периода с температурой наружного воздуха, превышающей минимальную температуру воздуха в тоннеле, соответствует суммарной продолжительности работы вентиляционной системы с механическим побуждением.

Теплопотери ограждениями следует рассчитывать по методике, разработанной Военно-инженерной Академией им. Куйбышева (3). Этот метод учитывает условия нестационарного теплообмена между заглубленными ограждениями тоннеля и грунтом.

Теплопотери заглубленными ограждениями определяются по формуле:

Величина сопротивления теплопередаче ограждения тоннеля и прилегающего грунта является величиной переменной и изменяется в зависимости от периода прогрева массива.

Сопротивление теплопередаче зависит также от физических параметров массива, а также от геометрической формы поверхности теплообмена (тоннеля) и определяется по формуле

Формфактор, учитывающий геометрическую форму тоннеля, определяется по формуле:

Температуру грунта на расчетной глубине следует принимать по метеорологическим данным. В приложении 3 приведены данные о средней температуре грунта за август на глубинах 0,8; 1,6; 2,4 и 3,2 м от поверхности земли для ряда населенных пунктов, преимущественно южных районов. Этими данными следует пользоваться при расчете теплопотерь ограждениями.

Для пунктов, не приведенных в приложении 3 и при отсутствии данных о температуре грунта, можно пользоваться формулой:

Поправку к температуре, зависящей от толщины и продолжительности стояния снежного покрова можно принимать по табл. 4.

Величину "y", характеризующую границы колебаний температуры грунта в верхних слоях земной коры от воздействия солнечной радиации при определении максимальной температуры грунта следует принимать со знаком плюс, при определении минимальной температуры - со знаком минус.

Для различных климатических районов величину "y" следует определять по табл. 5.

В силу сезонных изменений температуры приточного воздуха наиболее неблагоприятными с точки зрения обеспечения удаления тепла из тоннелей являются летние месяцы с высокой температурой наружного воздуха. В этот период объем вентиляционного воздуха, рассчитанный на удаление тепловыделений, будет наибольшим.

Однако, расход вентиляционного воздуха может быть значительно уменьшен, если правильно учесть способность окружающего грунта аккумулировать тепло.

В летний период, когда температура воздуха в тоннеле выше температуры окружающего грунтового массива, значительная часть тепла, выделяемого в тоннеле, аккумулируется грунтом с повышением его температуры.

В зимнее время, напротив, температура воздуха в тоннеле должна быть ниже температуры грунта. В этом случае происходит отдача тепла в воздух тоннелей от прогретого летом грунта и понижение его температуры.

Через год после начала эксплуатации кабельного тоннеля колебания температуры воздуха в тоннеле и ограждения тоннеля будут происходить около одного и того же среднего значения, т.е. будет иметь место равенство

Следует отметить, что прогреву в летнее время года и охлаждению в зимнее время подвергается только слой массива некоторой толщины, соприкасающейся с обделкой тоннеля. Величина прогрева грунта зависит от физических параметров грунта и продолжительности прогрева и определяется по уравнению

При усредненных физических параметрах грунта и продолжительности прогрева = в год величина прогрева грунта от кабельного тоннеля составляет около 1,4 м.

При значительной продолжительности прогрева грунта физические параметры материала ограждений тоннеля не оказывают существенного влияния на величину прогрева грунта, поэтому величину прогрева грунта следует определять с учетом физических параметров грунта.

Условием постоянства средней температуры грунта при сезонных изменениях температуры на поверхности ограждений тоннеля является равенство между количеством тепла, аккумулированного массивом в летний период и количеством тепла, возвращенного в воздух тоннеля в зимнее время. Это условие обеспечивается круглогодичной работой вентиляции с более или менее постоянным воздухообменом. В холодный период года этот воздухообмен может осуществляться вентиляцией с естественным побуждением.

Сезонные изменения температуры наружного воздуха с известной точностью могут быть представлены в виде синусоиды с годовым периодом. Температура воздуха в тоннеле и температура ограждения тоннеля также изменяются синусоидально и с тем же периодом.

При изменении температуры воздуха около поверхности полупространства по синусоиде температура этой поверхности также изменяется по синусоиде, причем амплитуда этих колебаний в раз меньше амплитуды колебаний температуры воздуха, а сами колебания отстают до фазе от колебаний температуры воздуха на величину .

Значения величин и определяются из выражений:

Расчетное значение коэффициента, показывающего степень уменьшения амплитуды колебаний температуры поверхности полой выработки относительно амплитуды колебания температуры воздуха

Коэффициент температуропроводности грунта

Относительный коэффициент теплоотдачи

Амплитуда изменения температуры наружного воздуха:

Амплитуда изменения температуры воздуха в тоннеле:

Наконец, необходимое количество приточного воздуха определяется по уже приведенной ранее формуле:

На основании формул (11 - 18) составлены таблицы 1 и 2, в которых приведены основные параметры воздуха и ограждений тоннеля, а также количество вентиляционного воздуха, - необходимого для поглощения теплоизбытков в тоннеле. Климатические условия районов строительства приведены в табл. 2.

В качестве исходных данных приняты:

Массовая плотность грунта ;

Теплопроводность грунта ;

Удельная теплоемкость грунта C = 0,3 ккал/кг·град;

Период прогрева грунта Z = 4380 часов в год.

Обеспечение кабельного тоннеля круглогодичной вентиляцией имеет большое экономическое значение, ибо при работе вентиляции только в теплый период происходит перегрев грунта, снижение теплопоглощающей способности грунта, что влечет за собой увеличение производительности вентиляционной системы.

В табл. 1 приводятся сравнительные показатели о теплопоглощающей способности грунта и о расходе вентиляционного воздуха как при круглогодичной работе вентиляции, так и при работе вентиляции только в летний период.

Следует также иметь в виду, что в табл. 1 теплопоглощающая способность ограждений (грунта) в варианте без обеспечения круглогодичной вентиляции подсчитана при продолжительности эксплуатации тоннеля в течение 1 года. В последующие годы эксплуатации тоннеля часовая теплоотдача ограждениями в грунт будет уменьшаться примерно на 6% в год.

Схема трассировки кабельных тоннелей на промплощадке ТЭС представлена на рис. 1. Сечение тоннеля = 1,8 x 2,1 м (см. рис. 2). Глубина заложения тоннеля = 2,6 м.

Климатическая характеристика района строительства.

Атмосферное давление Б = 700 мм рт. ст.

Среднегодовая температура наружного воздуха = 10 °C.

Средняя температура наружного воздуха в 13 часов самого жаркого месяца = 29 °C.

Средняя относительная влажность наружного воздуха в 13 часов самого жаркого месяца = 40%.

Среднее парциальное давление водяных паров, содержащихся в воздухе в 13 часов самого жаркого месяца Рп = 12 мм рт. ст.

Потеря мощности в отсеках

Отсек 1 - 900 Вт на 1 м трассы

Отсек 2 - 800 Вт на 1 м трассы

Отсек 3 - 600 Вт на 1 м трассы

Отсек 4 - 450 Вт на 1 м трассы.

Определяем массовую плотность наружного воздуха при вышеприведенных его параметрах [5]:

Определяем количество приточного воздуха, необходимого для ассимиляции тепловыделений в тоннеле с учетом потери мощности в отсеках и их протяженности. Принимаем, что вентиляция будет действовать круглогодично: в теплый период года с механическим побуждением, в холодный период - с естественным побуждением.

Расчет ведем с использованием таблицы 1, согласно которой при принятых климатических условиях и при потере мощности в 1 кВт на 1 м трассы количество вентиляционного воздуха составляет 200 кг/ч на 1 м трассы тоннеля.

С учетом потери мощности количество вентиляционного воздуха в отсеках составит:

Расчетные данные сводим в табл. 11.

Аэродинамическое сопротивление тракта тоннелей при потере мощности в пределах 1 кВт на 1 м трассы, как показывают расчеты, не превышает 0,1 кгс/м² на 1 м трассы тоннеля. Эту ориентировочную величину и принимаем в расчет.

Характеристика вентиляторов в каталоге дается для стандартных параметров воздуха, т.е. при атмосферном давлении = 760 мм рт. ст., при температуре = 20 °C и относительной влажности = 50%.

В нашем примере воздух имеет нестандартные параметры, следовательно, каталожная характеристика вентилятора должна быть пересчитана:

а) Производительность вентилятора

Производительность вентилятора приточной камеры П-1 должна быть:

.

Камеры П-2 .

Камеры П-3 .

Камеры П-4 .

Расчетные величины производительности вписываем в графу 8 табл. 8.

б) Требуемый напор вентилятора:

.

Для П-1 .

Для П-2 .

Для П-3 .

Для П-4 

Величину напора вписываем в графу 9 табл. 8.

Здесь: - каталожная производительность вентилятора, м³/ч;

- требуемое количество воздуха при стандартных параметрах воздуха, м³/ч;

Н_тр - требуемый напор вентилятора по каталогу, кгс/м²;

Н_ст - потери напора в тракте тоннеля при стандартных параметрах воздуха, кгс/м².

В нашем примере установка вентиляционного агрегата предусмотрена в приточной камере. В принципе, установка вентилятора допустима и в вытяжной камере, но в этом случае вентилятор будет всасывать более подогретый воздух, следовательно, при установке вентилятора в вытяжной камере несколько возрастет потребляемая мощность вентилятором, а также ухудшится тепловой режим работы электродвигателя. Сделаем соответствующий подсчет.

Увеличение потребляемой мощности вентилятором при всасывании воздуха с более высокой температурой выражается уравнением (6):

т.е. при всасывании вентилятором воздуха с температурой = 40 °C при расположении его в вытяжной камере, потребляемая мощность электродвигателей увеличивается на 7,5% по сравнению с вариантом расположения вентилятора в приточной камере, когда температура всасываемого воздуха не превышает 29 °C.

При повышении температуры окружающего воздуха коэффициент полезного действия электродвигателя несколько снижается, таким образом, увеличение потребляемой мощности электродвигателем при расположении его в вытяжной камере, будет более 7,5%.

Минимальная температура воздуха в тоннеле согласно табл. 3 для приведенного в примере климатического района равна 16 °C. Продолжительность периода с температурой наружного воздуха, превышающей 16 °C, согласно той же таблице, составляет 3600 часов. Следовательно, согласно вводной части, суммарная продолжительность работы вентиляционной системы с механическим побуждением составит примерно 3600 часов в год.

5160 часов в год вентиляция должна осуществляться с естественным побуждением. На эту температуру и должна быть настроена автоматика приточного вентиляционного агрегата, который должен быть сблокирован с датчиком температуры, установленным в обслуживаемом отсеке кабельного тоннеля.

Кабельный тоннель сечением 1800 x 2100 мм проходит на промплощадке ТЭЦ Карагандинского металлургического завода. Глубина заложения тоннеля равна 2,6 м.

Потеря мощности кабелями составляет 90 Вт на 1 м трассы тоннеля.

Среднегодовая температура наружного воздуха = 2,3 °C.

Согласно табл. 1 теплопотери в грунт ограждениями тоннеля при среднегодовой температуре наружного воздуха в 2,3 °C составят (по интерполяции):

т.е. теплопотери ограждениями в грунт с избытком компенсируют тепловыделения в тоннеле, следовательно, вентиляцию в тоннеле предусматривать не следует.

Сечение тоннеля = 1,8 x 2,1 (h), м (см. рис. 1).

Тоннель заглублен на 2,6 м.

Периметр тоннеля P = 7,8 м.

Площадь охлаждающей поверхности на 1 м трассы тоннеля = 7,8 м².

Потеря энергии кабелями = 40 Вт на 1 м трассы.

Физические параметры грунта:

Объемная масса = 2000 кг/м³.

Теплопроводность = 1 ккал/м·ч·град;

Удельная теплоемкость C = 0,3 ккал/кг·град.

Максимально допустимая температура воздуха в тоннеле = 40 °C.

Температуру грунта на соответствующих глубинах определяем по приложению 3, где для района Целинограда приводятся следующие величины:

По этому приложению определяем температуру грунта на глубинах, соответствующих каждому типу ограждающей конструкции:

а) Покрытие 16,2 °C

б) Стены (до интерполяции)

для средней глубины = 1,3 м

в) Днище 

глубина = 2,6 м.

Продолжительность периода прогрева грунта принимаем в 1 год = 8760 часов.

Площадь поверхности ограждения:

а) покрытия = 1,8 м²

б) стен = 2,1 x 2 = 4,2 м²

в) днища = 1,8 м²

Формфактор, учитывающий геометрическую форму тоннеля по формуле (9)

Сопротивление теплопередаче массива по формуле (8)

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности тоннеля к воздуху для вентилируемого тоннеля принимается = 5 ккал/м²·ч·град.

Теплопотери ограждениями на 1 м трассы по формуле (1):

покрытие 

Стены - 

Днище - 

Итого теплопотери = 90 ккал/ч на 1 м трассы тоннеля.

Поскольку теплопоступления в тоннеле составляют 40 Вт/м·ч 35 ккал/ч·м, т.е. менее 90 ккал/ч, вентиляцию в тоннеле можно не предусматривать.

Формула (10) дает крайние пределы температуры грунта, - максимальную и минимальную. Запаздывание фаз температурных колебаний грунта по глубине эта формула не учитывает. В действительности максимальная температура наружного воздуха наблюдается примерно в середине июля. Максимальная температура грунта на определенной глубине наступает позже, а именно: на глубине 1,6 м (средняя глубина тоннеля) примерно в середине августа, на глубине 2,6 м (основание тоннеля) в начале сентября. Температура грунта в середине июля соответственно на 1,5 и 2 °C ниже максимальной температуры. Эту поправку рекомендуется вносить в формулу (10) согласно табл. 6.

Для облегчения расчетов по составлению теплового баланса в кабельных тоннелях, расположенных в различных климатических районах, в табл. 7 приведены усредненные величины температуры грунта, соприкасающегося с различными конструкциями тоннеля сечением 1,8 x 2,1 (h), м заглубленного на 2,6 м.