Содержание

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ МЕТРОПОЛИТЕНА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Требования к состоянию воздушной среды в тоннеле метрополитена

1.2 Описание системы вентиляции Новосибирского метрополитена

1.3 Описание технологического процесса проветривания и элементов системы вентиляции на станции «Речной вокзал»

1.4 Требования к управлению температурой и проветриванием на станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена

1.5 Постановка задачи дипломного проектирования

1.6 Выводы

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

2.1 Функциональная схема системы вентиляции на станции

2.2 Описание элементов САУ ВТЗ, взаимодействие элементов в системе

2.2.1 Воздушно-тепловая завеса

2.2.2 Центробежный вентилятор

2.2.3 Преобразователь частоты (ПЧ)

2.2.4 Калориферная установка.

2.2.5 Датчик расхода воздуха.

2.2.6 Математическая модель САУ ВТЗ

2.3 Описание элементов САУ УШ, взаимодействие элементов в системе

2.3.1 Исполнительный механизм управляемых шиберов

2.3.2 Управляемые шиберы

2.3.3 Аэродинамический объект

2.3.4 Датчик расхода воздуха

2.3.5 Математическая модель САУ УШ

2.4 Математическая модель системы управления тепловым режимом на станции

2.5 Выводы

3. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ НА СТАНЦИИ.

3.1 Расчет регулятора САУ ВТЗ

3.1.1 Постановка задачи синтеза регулятора САУ ВТЗ

3.1.2 Построение ЛАЧХ объекта для статической системы

3.1.3 Построение желаемой ЛАЧХ

3.1.4 Расчет корректирующего звена

3.1.5 Построение ЛАЧХ объекта для астатической системы

3.1.6 Построение желаемой ЛАЧХ

3.1.7 Расчет корректирующего звена

3.2 Расчет регулятора САУ УШ

3.2.1 Постановка задачи синтеза регулятора САУ УШ

3.2.2 Формирование поверхности переключения

3.2.3 Проверка устойчивости движения к поверхности переключения

3.2.4 Реализация закона управления. Расчет дифференцирующего фильтра

3.2.5 Численное моделирование переходных процессов в системе по управляющему и возмущающему воздействиям

3.3 Выводы

4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

4.1 SWOT-анализ разработки

4.1.1 Сильные стороны разработки.

4.1.2 Слабые стороны разработки.

4.1.3 Возможности разработки

4.1.4 Угрозы

4.1.5 Формирование и анализ SWOT-матрицы.

4.1.6 Заключение о перспективе разработки.

4.2 Калькуляция себестоимости научно-технической продукции

5. ОХРАНА ТРУДА

5.1 Оздоровление воздушной среды в метрополитене

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект выполнен студенткой Норбоевой Б.М.

Пояснительная записка содержит: 101 страниц, 56 иллюстраций, 6 таблиц и 20 литературных источников.

Целью дипломного проекта является синтез алгоритмов управления тепловым режимом на платформе станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена.

Поставленные задачи: изучение системы вентиляции метрополитена, в частности на станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена, изучение теплового режима и процесса воздухообмена в тоннеле метрополитена, исследование математической модели процесса воздухообмена, синтез системы управления производительностью воздушно-тепловой завесы, разработка системы управления расходом воздуха.

Ключевые слова: температура на платформе станции, расход воздуха, воздушно - тепловая завеса, калориферная установка, теплоноситель, управляемые шиберы, математическая модель, система регулирования.

В результате проведенной работы была рассмотрена математическая модель системы вентиляции на станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена, проведён синтез системы управления тепловым режимом на этой станции.

Численное моделирование переходных процессов системы управления проведено в пакете MatLab 6.5 (в среде Simulink).

В дипломном проекте произведена оценка слабых и сильных сторон проекта, возможностей, стоящих перед ним, и угроз для него, а также заключение о развитии и перспективах разработанной системы. Приведена калькуляция себестоимости разработки. Рассмотрены вопросы охраны труда работников метрополитена, приведены меры безопасности.

Введение

Метрополитен является наиболее совершенным и важнейшим видом городского транспорта, который способен справляться с высокой интенсивностью пассажиропотока, как никакой другой вид городского транспорта. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его системы вентиляции и теплоснабжения, на которые существенное влияние оказывают как частота движения поездов на линии, так и метеорологические и гидрологические условия города.

Состояние воздушной среды влияет на самочувствие пассажиров, здоровье и работоспособность обслуживающего персонала, а также на сохранность технического оборудования. Это обуславливает повышение требования к теплоснабжению и в особенности к вентиляции. Она делится на местную, обслуживающую бытовые и технологические помещения, аккумуляторную, силовую тяговую подстанцию, и тоннельную, проветривающую тоннели и станции.

Задачами вентиляционной системы являются:

1. Подача требуемого количества воздуха для обеспечения нормативного температурного режима на станциях в зимнее и летнее время, а также удаление вредных выделений в атмосферу (пыль, газ, бактериальная флора и т. д.).

2. Обеспечение комфортных аэродинамических условий для пассажиров и работников метрополитена, которые определяются притоком свежего воздуха, его температурой и скоростью движения в местах скопления людей.

3. Локализация развития аварийных вентиляционных режимов (пожар) и оперативное удаление продуктов горения по безопасным для людей маршрутам.

Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности для решения поставленных выше задач.

Дипломный проект содержит 5 глав.

В первой главе рассмотрены особенности вентиляционной сети Новосибирского метрополитена, в частности станции «Речной Вокзал»; определены требования к микроклимату.

Во второй главе исследована математическая модель процесса воздухообмена в тоннеле метрополитена. Представлено поэлементное описание системы управления производительностью вентилятора воздушно-тепловой завесы и системы управления шиберами, установленными в тоннеле метромоста.

В третьей главе осуществлён синтез алгоритмов управления расходом воздуха в тоннеле метрополитена. Представлены результаты численного моделирования.

Четвёртая глава содержит организационно-экономическую часть, в которой показана целесообразность разработки с экономической точки зрения, проведен «SWOT-анализ».

В пятой главе рассмотрены вопросы охраны труда в метрополитене.

1. ОПИСАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ МЕТРОПОЛИТЕНА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Требования к состоянию воздушной среды в тоннеле метрополитена

Метрополитены находятся в крупных городах, состояние воздушной среды в которых может быть различным в зависимости от особенностей климата, наличия промышленных зон, озеленения и т. д. Поэтому вентиляция тоннелей и станций метрополитенов должна не только отвечать санитарным нормам, но и проектироваться с учетом местных условий.

В составе чистого атмосферного воздуха содержится кислород, азот, аргон, углекислый газ и в очень небольших количествах неон, гелий, криптон, ксенон и водород. Как правило, только значительные изменения этого состава могут оказаться опасными для человека. Например, самочувствие человека может ухудшиться при содержании кислорода в воздухе менее 17% и более 23% или при увеличении содержания углекислого газа до 1%. При этом значение имеет не только количество в воздухе того или иного составляющего, но и время пребывания человека в образовавшейся газовой среде, т. е. чем меньше человек находится в среде воздуха, имеющего, например, завышенный процент углекислого газа, тем меньше он ощущает эти изменения. Человек постоянно пополняет количество углекислого газа в вагоне, вдыхая с воздухом 0,03--0,05% его, а выдыхая в 100 раз больше.

В соответствии с санитарными нормами концентрация углекислого газа не должна превышать 20 мг/м³. При большей, чем указано в нормативах, концентрации углекислого газа у людей может наступить потеря сознания, поэтому в главную задачу вентиляции входит не допустить опасных для человека концентраций вредных газов.

Также определяющее влияние на самочувствие человека имеют метеорологические факторы: температура, относительная влажность, барометрическое давление и подвижность воздуха.

Для станций и вестибюлей метрополитена характерно наличие значительных площадей холодных поверхностей, ограждающих конструкции (стен), и высоких скоростей воздушных потоков, возникающих из-за поршневого воздействия поездов. В этой связи обслуживающий персонал и пассажиры ощущают практически не ту температуру, которую показывает термометр, а несколько меньшую, называемую эффективно-эквивалентной, т. е. когда усиливается отдача тепла от человека к холодным стенам (экранам) и отдача конвекцией путем интенсивного «смывания» воздухом, а также когда скорость воздуха превышает 4 м/с, человек испытывает более низкую температуру, чем показывает термометр, и неприятные ощущения. Защитой от таких явлений для обслуживающего персонала может служить специальная одежда, укрытия в виде кабин, а также помещения, оборудованные промышленными телевизионными установками, позволяющими персоналу находиться в местах, удобных для работы, и видеть все происходящее на станции на экране.

Так как пассажиры находятся на станциях, в наклонных ходах эскалаторов и других сооружениях метрополитена незначительное время, на них указанные выше факторы особого влияния не оказывают.

Более серьезные задачи перед вентиляцией возникают в теплый, особенно в жаркий период года. При температуре окружающего воздуха, примерно равной температуре человеческого тела, и относительной влажности около 100% нарушается нормальная отдача тепла организмом, вследствие чего температура человеческого тела повышается. В этом случае у человека может наступить состояние теплового удара.

Задачей вентиляции станций и тоннелей является не только поддержание в местах пребывания пассажиров и обслуживающего персонала заданных метеорологических условий и химического состава воздуха, удовлетворяющих гигиеническим требованиям, но и создание необходимых режимов проветривания при нарушении нормальной работы устройств метрополитена и задымлении.

В метрополитенах, как правило, предусматривается удаление с воздухом из сооружений на поверхность скапливающихся теплоты, влаги, газов и подача свежего воздуха в сооружения. Организация различных схем движения воздушных потоков с учетом технологии работы метрополитена (движение поездов, пассажиропотоки по времени суток и направлениям, состояние воздушной среды на поверхности, исправная работа вентиляционных агрегатов, квалифицированное обслуживание вентиляционных устройств, четкая система управления и диспетчерского контроля) является основой осуществления вентиляции станций и тоннелей.

1.2 Описание системы вентиляции Новосибирского метрополитена

Для обеспечения основного принципа вентиляции сооружений метрополитена, заключающегося в поддержании в допустимых пределах параметров и состава воздуха, необходимо подавать чистый воздух к местам наибольшего скопления пассажиров и длительного пребывания обслуживающего персонала с последующим распределением воздуха по всем тоннелям.

Вентиляция Новосибирского метро осуществляется путем нагнетания воздуха в тоннели и его последующим распределением. При вентиляции с искусственным побуждением воздух принудительно подается в тоннели или только из него извлекается (вентиляторами). Для продольного способа сам тоннель служит воздуховодом, по которому проходит необходимый для вентиляции воздух.

Такой способ вентиляции в метро Новосибирска применен вследствие его мелкого заложения (глубина менее 20 м), и малого расстояния между станциями (в пределах 0,7 - 1,5 км).

Системы тоннельной вентиляции метрополитенов проектируются с учетом в первую очередь теплового баланса, обеспечивающего в тоннелях и на станциях допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха. При этом, для обеспечения нормальных условий эксплуатации (сохранение отделочных материалов, исключение возможного замораживания систем водоотлива, водопровода и канализации) температура воздуха на станциях по существующим нормам должна быть не менее + 10єС. По СНиП 3208-99 регламентируемая подача воздуха на станцию метрополитена должна обеспечиваться в объеме 30 м³/час на одного пассажира и 50 м³/час в часы «пик».

Согласно пункту 7.3 норм проектирования, схемы тоннельной вентиляции могут быть однонаправленными или двунаправленными, при этом в практике проектирования преобладает применение двунаправленных схем вентиляции включающих:

· летний режим, когда воздух подается через станционные вентиляционные камеры, а удаляется через перегонные;

· зимний режим, когда воздух подается через перегонные венткамеры, а удаляется через станции.

Тоннельная вентиляция метрополитена мелкого заложения имеет свои особенности при эксплуатации в регионах с резко-континентальным климатом. Например, более чем 15-летний опыт эксплуатации Новосибирского метрополитена показал, что для сохранения требуемых температур воздуха на станциях и в тоннелях в зимний период, тоннельные вентиляторы должны отключаться при наступлении отрицательных среднесуточных температур атмосферного воздуха. Такой сезонный характер работы вентиляции обусловлен главным образом недостаточными теплоаккумулирующими возможностями грунтов, окружающих вентиляционные шахты и тоннели, из-за их мелкого заложения (как следствие - малой длины). Вентиляция метрополитена в зимний период осуществляется за счет поршневого действия поездов в тоннелях и за счет естественной тяги. При этом на крайних станциях линии метрополитена (на тупиковых станциях и станциях вблизи выхода в атмосферу) может сложиться неблагоприятная ситуация, при которой совместное действие естественной тяги и поршневого действия поездов вызовут переохлаждение пассажирских помещений станции холодным атмосферным воздухом.

1.3 Описание технологического процесса проветривания и элементов системы вентиляции на станции «Речной вокзал»

На рис.1.1 представлена схема процесса вентиляции на станции «Речной вокзал». Вентиляция метрополитена в зимний период осуществляется за счет поршневого действия поездов в тоннелях и за счет естественной тяги. При этом на крайних станциях линии метрополитена (на тупиковых станциях и станциях вблизи выхода в атмосферу) может сложиться неблагоприятная ситуация, при которой совместное действие естественной тяги и поршневого действия поездов вызовут переохлаждение пассажирских помещений станции холодным атмосферным воздухом. Например, при эксплуатации в зимний период года на платформе станции “Речной вокзал” Новосибирского метрополитена, имеющей близлежащий выход в атмосферу - метромост, температура воздуха на платформе опускается до -3…+5⁰C. Снижение общего количества поступающего на станцию холодного воздуха возможно с помощью повышения аэродинамического сопротивления на путях движения холодного атмосферного воздуха с метромоста. При повышении аэродинамического сопротивления снижается расход воздуха через участок тоннеля вне зависимости от того, каким источником давления (поршневым действием поездов или естественной тягой) он инициируется. Повышение сопротивления возможно вследствие установки на участке метромост - платформа так называемых шиберов [2]: конструкций из листового металла или листов асбоцемента, представляющих собой диафрагмы, уменьшающие площадь живого сечения тоннеля для прохода воздуха и существенно повышающих аэродинамическое сопротивление участка тоннеля. Шиберы устанавливаются в тоннелях на расстоянии 2.5…3.5 м - при таком расстоянии сопротивление отдельного шибера максимально. Размеры внутреннего отверстия для прохода воздуха ограничены габаритными размерами поезда для соблюдения безопасности движения метропоездов.

С помощью подвижных шиберов можно управлять поступлением холодного наружного воздуха в тоннель. Далее холодный воздух с метромоста смешивается с горячим воздухом, идущим из воздушно - тепловой завесы (ВТЗ). ВТЗ уменьшает проникновение холодного воздуха из тоннеля метромоста на станцию. Температура полученной смеси регистрируется датчиком температуры, расположенном в тоннеле. Эта температура должна составлять +10єС ± 2єС по п.3.1 Санитарных правил 2.5.1337-03 "Санитарные правила эксплуатации метрополитенов" от 30.06.2003. Рассмотрим уравнение теплового баланса на участке вентиляционной сети [7]:

,

где t_см - температура смешанного воздуха, t_ТН - температура теплоносителя (вода), t_НВ - температура наружного воздуха, G_ВТЗ - массовый расход воздуха ВТЗ, G_НВ - массовый расход наружного воздуха.

Из уравнения теплового баланса t_см вычисляется по формуле:

Полагая температуру наружного воздуха и температуру теплоносителя ВТЗ величинами постоянными, необходимо управлять расходом наружного воздуха (с помощью управляемых шиберов) и расходом воздуха ВТЗ (меняя производительность вентилятора воздушно-тепловой завесы) для поддержания температуры на платформе станции на необходимом уровне.

Рис. 1.1 Схема выбранного участка вентиляционной сети: - места установки датчиков расхода воздуха, - место расположения датчика температуры, Q_ВТЗ - расход воздуха, нагнетаемый вентилятором воздушно-тепловой завесы, Q_НВ - расход наружного воздуха, поступающего через шиберы в тоннель, t_см - температура смешанного воздуха, поступающего на платформу станции.

1.4 Требования к управлению температурой и проветриванием на станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена

С учетом особенностей вентиляционной системы на станции «Речной вокзал» необходимо исследовать математическую модель участка вентиляционной сети и систему автоматического управления температурным режимом на станции в зимний период года.

Выбранный участок вентиляционной сети включает в себя платформу станции с примыкающим тоннелем, в котором установлены управляемые шиберы, а также воздушно-тепловая завеса.

Требования к вентиляционной сети станции «Речной вокзал» :

1. Требования, предъявляемые к качеству переходных процессов в системе управления шиберами (САУ УШ): t_п 70 с, 0%, 0%;

2. Требования, предъявляемые к качеству переходных процессов в системе управления производительностью вентилятора воздушно-тепловой завесы (САУ ВТЗ): t_п 10 с, 30%, 5% .

Управляющими воздействиями на систему являются сигналы задания требуемых параметров работы вентилятора воздушно-тепловой завесы и управляемых шиберов.

Для обеспечения комфортных условий для пассажиров и работников метрополитена, а также нормальных условий эксплуатации (сохранение отделочных материалов, исключение возможного замораживания систем водоотлива, водопровода и канализации) температура воздуха на станции в зимний период года должна быть не менее + 10±2єС. При этом температура наружного воздуха лежит в диапазоне от -40єС до +10єС по данным СНиП 2.01.01-82 (стр.16). Разрабатываемая система автоматического регулирования предусматривает наличие системы сбора информации о состоянии атмосферы метрополитена с последующей ее обработкой и выработки задающим устройством сигналов регулирования.

1.5 Постановка задачи дипломного проектирования

Цель дипломного проекта - синтез алгоритмов управления температурным режимом на платформе станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена.

Основными задачами являются:

1) изучение участка вентиляционной сети метрополитена как объекта управления;

2) исследование математической модели тепловых процессов и процессов воздухообмена в тоннеле метрополитена;

3) разработка алгоритмов управления массовым расходом воздуха, поступающим в тоннель из воздушно-тепловой завесы;

4) разработка алгоритмов управления шиберным устройством для регулирования расхода воздуха, поступающего в тоннель с метромоста;

5) численное моделирование переходных процессов в системе управления.

1.6 Выводы

В данной главе были рассмотрены особенности системы вентиляции Новосибирского метрополитена, в частности, на станции «Речной вокзал»; определены требования к микроклимату и воздухообмену в тоннеле.

Для исследований была выбрана станция «Речной Вокзал». Обозначена цель регулирования и определены требования к системе управления тепловым режимом на платформе станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена.

Также в этой главе были поставлены основные задачи дипломного проекта.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

2.1 Функциональная схема системы вентиляции на станции

Процесс воздухообмена в тоннеле метрополитена (рис.1.1) описывается уравнением теплового баланса [7]:

(1.1)

где t_см- температура смешанного воздуха, t_ТН - температура теплоносителя (вода), t_НВ - температура наружного воздуха, G_ВТЗ - массовый расход воздуха ВТЗ, G_НВ - массовый расход наружного воздуха.

На основании уравнения теплового баланса определяется требуемая температура воздуха на платформе станции

(1.2)

Температура теплоносителя t_тн и температура наружного воздуха t_нв полагаются постоянными величинами и температура воздуха на платформе станции зависит от массовых расходов воздуха из ВТЗ и управляемых шиберов. Массовый расход наружного воздуха определяется по формуле [7]:

(1.3)

где Q_НВ - расход наружного воздуха, с_НВ - плотность наружного воздуха. Величина с_НВ вычисляется по формуле, полученной в результате эмпирических исследований [14]:

(1.4)

Массовый расход воздуха определяется по следующей формуле [7]:

(1.5)

где Q_ВТЗ - расход воздуха воздушно - тепловой завесы, с_ТН - плотность теплоносителя (воды), калориферной установки. Плотность теплоносителя с_ТН = 1000 .

Плотность воздуха величина постоянная и температура на платформе станции в результате зависит от расхода наружного воздуха, поступающего в тоннель через управляемые шиберы и от расхода воздуха воздушно-тепловой завесы.

Исходя из рис. 1.1 математическая модель системы разделяется на две подсистемы: система управления расходом воздуха ВТЗ и система управления расходом воздуха управляемых шиберов. Температура на выходе системы снимается датчиком температуры. Подсистемы связывает логическое устройство управления, предназначенное для формирования и выдачи управляющих воздействий U_зQ и U_зб на подсистемы автоматического управления ВТЗ и управляемых шиберов с учетом сигнала обратной связи с датчика температуры. Разработка логического устройства управления выходит за рамки данного дипломного проекта, поэтому не рассматривается. Возмущающим воздействием для данной системы является t_тн и t_нв . Температура наружного воздуха имеет следующий диапазон изменения: -40°С +10°С (согласно СНиП 2.01.01-82, стр.16), это медленно меняющаяся величина. Температура теплоносителя (воды) лежит в диапазоне +70°+95°С и связана с изменением теплового режима котельной.

На рис.2.1 представлена функциональная схема системы вентиляции:

Рис. 2.1 Функциональная схема системы вентиляции.

2.2 Описание элементов САУ ВТЗ, взаимодействие элементов в системе

На рис. 1.1 представлена общая схема участка вентиляционной сети станции «Речной вокзал», в частности расположение и состав воздушно-тепловой завесы.

Система автоматического управления воздушно-тепловой завесой включает в себя следующие элементы: регулятор (Р₁), преобразователь частоты (ПЧ), короткозамкнутый асинхронный двигатель, центробежный вентилятор, воздушно-тепловая завеса, калориферная установка, датчик расхода воздуха.

Регулятор расхода воздуха по сигналу задания требуемого расхода воздуха U_3Q и сигналу обратной связи с датчика расхода воздуха U_Q1 подает команду на преобразователь частоты. Преобразователь частоты изменяет частоту вращения вала вентилятора, тем самым регулирует расход воздуха Q(t), подаваемого в ВТЗ. В калориферной установке воздух нагревается до температуры 50°С и поступает в воздушно-тепловую завесу. На рис.2.2 представлена функциональная схема САУ ВТЗ.

Рис. 2.2 Функциональная схема САУ ВТЗ.

2.2.1 Воздушно-тепловая завеса

Воздушные завесы известны в литературе как технологическая конструкция или ограничивающая, или полностью ликвидирующая перетекание воздуха из одного пространства в другое через открытый проем, который технологически не может быть закрыт.

В частности, в зимнее время воздушными завесами можно значительно уменьшить и даже ликвидировать проникновение холодного наружного воздуха через открытый проем в помещение.

По схеме действия воздушная завеса является как бы воздушным шибером, заслоняющим плоской струей открытый проем и тем самым полностью или частично ограждающим пересечение его внешними потоками воздуха.

В отдельных случаях при очень близком расположении (70 м) станции или служебных помещений тупиков от портала для завесы используется наружный воздух, который дополнительно подогревается. Источниками такого подогрева, в зависимости от условий, могут быть городские и районные тепловые сети, местные котельные и электроэнергия.

Конструкция воздушной завесы представляет собой коробы или каналы с узкой воздуховыпускной щелью, размещаемой сбоку тоннеля (рис. 2.3).



Рис. 2.3 Схема расположения воздухоподающих коробов и щелей воздушных завес у порталов.

Воздуховыпускная щель представляет собой узкий насадок, направленный навстречу потоку наружного воздуха под углом 45--30° к плоскости сечения тоннеля, с внутренними перегородками на расстоянии между собой, равном ширине щели.

Для воздушных завес обычно применяются центробежные вентиляторы.

Воздушно-тепловые завесы на станции «Речной вокзал» устроены у порталов (рис.1.1). В результате близкого расположения станции (70 м) от портала для завесы используется наружный воздух, который подогревается калориферной установкой. На основании [14] передаточную функцию воздушно-тепловой завесы в первом приближении можно представить в виде апериодического звена.

Q_ЦВ Q_ВТЗ

Рис.2.4 Структурная схема ВТЗ

Коэффициент передачи K_ВТЗ рассчитывается по формуле:

 (2.1)

Постоянная времени Т_ВТЗ равна 2 сек.

2.2.2 Центробежный вентилятор

Обычный центробежный вентилятор представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с рабочими лопастями, при вращении которого воздух, поступающий через входное отверстие, попадает в каналы между лопастями и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие. Кожух также служит для преобразования динамического напора в статический. Для усиления напора за кожухом ставят диффузор. На рис. 2.5 представлен общий вид центробежного вентилятора.

Рис. 2.5 Общий вид центробежного вентилятора.

Обычное центробежное колесо состоит из лопастей, заднего диска, ступицы и переднего диска. Литую или точеную ступицу, предназначенную для насаживания колеса на вал, приклепывают, приворачивают или приваривают к заднему диску. К диску приклепывают лопасти. Передние кромки лопастей обычно крепят к переднему кольцу.

Вентиляторы специального назначения, например, пылевые, выполняют с консольным расположением лопастей без переднего кольца, а в некоторых случаях и без заднего диска (открытое колесо). Колеса чаще всего склепывают из листового металла (могут быть и литыми). Легкие колеса изготовляют штамповкой. Широкие колеса для прочности иногда снабжают тягами, соединяющими передние кольца со ступицами.

Спиральные кожуха выполняют из листовой стали и устанавливают на самостоятельных опорах, у вентиляторов малой мощности их крепят к станинам.

При вращении колеса воздуху передается часть подводимой к двигателю энергии. Развиваемое колесом давление зависит от плотности воздуха, геометрической формы лопастей и окружной скорости на концах лопастей.

Выходные кромки лопастей центробежных вентиляторов могут быть загнутыми вперед, радиальными и загнутыми назад. До недавнего времени делали в основном кромки лопастей загнутыми вперед, так как это позволяло уменьшить габаритные размеры вентиляторов. В настоящее время часто встречаются рабочие колеса с лопастями, загнутыми назад, потому что это позволяет поднять к.п.д. вентилятора.

При осмотре вентиляторов следует иметь в виду, что выходные (по ходу воздуха) кромки лопастей для обеспечения безударного входа всегда должны быть отогнуты в направлении, обратном направлению вращения колеса.

Для уменьшения потери на удар (так же, как и у насосов) при входе потока в спиральный кожух в некоторых конструкциях применяют входные направляющие аппараты. Диффузор, устанавливаемый за вентилятором, для повышения статического напора должен иметь скос по ходу закручивания потока воздуха в вентиляторе (т. е. быть направленным в сторону кожуха вентилятора).

Одни и те же вентиляторы при изменении частоты вращения могут иметь различную подачу и развивать различные давления, зависящие не только от свойств вентилятора и частоты вращения, но и от присоединенных к ним воздуховодов. При перемещении воздуха через воздуховод часть напора теряется на трение и в местных сопротивлениях, т. е. в самом вентиляторе, на входе и выходе из воздуховода, при переходе воздуха через уширения и сужения, фильтры, калориферы и т. д. Такие потери на нагнетающей части не ограничены, а на всасывании они не должны превышать атмосферного давления.

Зная потери и необходимую подачу воздуха, можно по каталогу подобрать вентилятор.

Станины вентиляторов отливают из чугуна или сваривают из стали. На станине в подшипниках (чаще всего шариковых) устанавливают также и валы. Колеса на валах укрепляют шпонками и стопорными болтами

Если вентиляторы используются с ременной передачей, то на валы между подшипниками консольно насаживают шкивы. Колеса на валы чаще всего насаживают консольно. Наиболее надежны и компактны малые вентиляторы, где колеса насажены непосредственно на валы электродвигателей.

Если наблюдать со стороны, противоположной всасыванию, то вентиляторы, в которых колеса вращаются по часовой стрелке, будут называться правыми, а против часовой стрелки -- левыми. Правильным будет вращение колес по ходу разворота спиральных кожухов. При обратном вращении колес подача вентилятора резко падает, но реверсирования не происходит.

Положение кожуха принято обозначать литерами: кожух с расположением выходного отверстия вверх -- литерой В, вниз -- Н, вправо -- П, влево -- Л. Возможны промежуточные положения (под углом 45°): ВЛ, ВП, НЛ и НП. Кроме того, указывают направление вращения колеса.

Центробежные вентиляторы принято разделять на вентиляторы низкого давления [P<0,001 МПа (100 кгс/м²)], среднего давления [Р>0,004 МПа (400 кгс/м²)] и высокого давления [Р>>0,004 МПа (400 кгс/м²)].

Вентиляторы, приспособленные для перемещения дымовых газов, называют дымососами, а для перемещения воздуха, засоренного механическими примесями, -- пылевыми.

Вентиляторы должны иметь плавный бесшумный ход, рабочие колеса -- правильное вращение. Лопасти рабочих колес не должны иметь вмятин, прогибов или разрывов, рабочие колеса -- биения или смещения по валу при вращении. Рабочие колеса вентиляторов следует отбалансировать, при правильной балансировке рабочее колесо останавливается в разных положениях и не возвращается в исходное. Рабочие колеса должны легко поворачиваться от руки и не задевать кожухов. Гайки болтов, крепящих вентиляторы, надежно затягивают. Для надежного крепления болтов применяют контргайки.

Зазор между кромкой всасывающего конуса центробежного вентилятора и кромкой переднего диска колеса в радиальном направлении для вентиляторов Ц4-70 и Ц4-76 не должен превышать 1% диаметра колеса, радиальный зазор между задним диском колеса и стенкой улитки -- 4% диаметра колеса. Для вентилятора Ц14-46 радиальный зазор между кромкой всасывающего конуса и колесом не должен превышать 0,5%, между задним диском колеса и улиткой -- 10% диаметра колеса. Те же зазоры для вентилятора Ц8-18 составляют соответственно 1 и 3%, а для Ц17-40 -- 1 и 5%. Для осевых вентиляторов 06-300 зазор между обечайкой и кромками лопастей должен быть не более 3% диаметра колеса.

При эксплуатации необходимо проводить осмотр подшипников вентилятора и заменять в них смазку не менее двух раз в год (см. главу 2).

Оси вентиляторов и электродвигателей, соединенных муфтами, должны находиться на одной прямой. Валы вентиляторов и электродвигателей, соединенных с помощью ременной передачи, должны быть строго параллельны. Средние линии полотен шкивов вентилятора и электродвигателей должны совпадать.

Всасывающие отверстия вентиляторов, не присоединенные к воздуховодам, должны иметь защитные металлические решетки с ячейками размером 25--30 мм.

При наличии шума в вентиляторе в процессе его работы в результате износа подшипников, ослабления растяжек рабочего колеса, попадания посторонних предметов, а также при возникновении вибрации вентилятора необходимо выключить электродвигатель, установить причину шума или вибрации вентилятора и принять меры к их устранению.

Систематически следует очищать рабочие колеса и внутренние поверхности кожухов вентиляторов от пылевых и иных отложений. Для облегчения очистки в кожухах должны быть сделаны люки с герметическими крышками. Сроки очистки вентиляторов устанавливаются инструкциями.

При перемещении вентиляционными установками воздуха, содержащего вредные вещества, оказывающие воздействие на металл, необходимо систематически следить за состоянием защитного покрытия рабочих колес и внутренних поверхностей кожухов. Сроки восстановления покрытия устанавливаются инструкцией.

Характеристики вентиляторов выражают связь между основными параметрами его работы. Полная характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения вала (n = const) выражается зависимостями между подачей Q и давлением Р, мощностью N и к. п. д. Зависимости P(Q), N(Q) и T(Q) обычно строят на одном графике. По ним подбирают вентилятор. Характеристику строят на основе испытаний. На рис. 2.6 представлена аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора ВЦ-4-76-16 [7].



Рис. 2.6 Аэродинамическая характеристика вентилятора ВЦ-4-76-16.

Производительность вентилятора составляет 70000 м³/ч или 19,4 м³/с. Частота вращения вала вентилятора - 720 об/мин. или 75,36 рад/сек., мощность приводного асинхронного двигателя вентилятора составляет 37 кВт.

Вентилятор нагнетает наружный атмосферный воздух в тепловую завесу. В результате теплообмена воздуха с горячей водой, пропускаемой через трубки теплообменника ВТЗ, происходит нагрев проходящего воздуха.

Рассмотрим схему регулирования режима работы вентилятора ВЦ4-76 №16. На рис. 2.7 приведена функциональная схема вентиляторного агрегата при регулировании частотой вращения.

Рис. 2.7 Функциональная схема вентиляторного агрегата, регулируемого изменением частоты вращения асинхронного двигателя ().

Мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя составляет 37 кВт.

Передаточную функцию вентилятора можно представить в виде коэффициента усиления, который определяется исходя из аэродинамической характеристики вентилятора (рис. 2.6). Коэффициент усиления вентилятора в рабочей точке равен 1,819 м³ /с.

Рис. 2.8 Математическая модель центробежного вентилятора.

2.2.3 Преобразователь частоты (ПЧ)

Регулировать расход воздуха центробежного вентилятора можно с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Преобразователь частоты осуществляет регулирование частоты тока статора электродвигателя вентилятора в зависимости от сигнала задания. Скорость вращения ротора определяется частотой тока статора. В соответствии с теорией электрических машин [5] частота вращения ротора асинхронного электродвигателя изменяется не мгновенно при изменении частоты тока статора. При изменении частоты тока статора возникает переходной процесс, при котором электродвигатель переходит в новое равновесное состояние, характеризующееся новой частотой вращения ротора. Время переходного процесса зависит от суммарного момента инерции вращающихся масс вентилятора и ряда других причин. Поэтому в первом приближении передаточную функцию ПЧ можно записать в виде апериодического звена,

Передаточная функция запишется в следующем виде:

 (2.2)

где - коэффициент преобразователя частоты, К_j - коэффициент передачи, который характеризует степень изменения скорости вентилятора при изменении частоты тока статора двигателя, Т_j - постоянная времени, характеризующая инерционность разгона вентилятора.

определяется по соотношению:

- максимальная частота тока статора, U_{зf max} - максимальное напряжение, подаваемое с устройства управления.

Рассчитаем К_j по формуле:

(2.3)

где щ_Вmax - максимальная частота вращения вентилятора, которая равна:

.

Тогда К_j будет равняться:

.

Постоянная времени Т_j определяется по выражению исходя из фактического времени разгона двигателем вентилятора, которое составляет T_разгон =10 сек. Поэтому:

, T_J=3 сек.

Передаточная функция преобразователя частоты представляется в виде:

(2.4)

На рис. 2.9 представлена математическая модель преобразователя частоты и асинхронного двигателя.

Uз_f f щ_В

Рис. 2.9 Математическая модель преобразователя частоты и асинхронного двигателя.

2.2.4 Калориферная установка

Калориферы предназначены для нагрева чистого не запыленного воздуха в системах кондиционирования воздуха, вентиляции, воздушного отопления и в сушильных установках. Классифицировать применяющиеся в настоящее время калориферы можно по нескольким признакам. На рис. 2.10 приведена краткая классификация калориферов.



Рис. 2.10 Классификация калориферов.

По виду теплоносителя различают калориферы: водяные, паровые, электрические. По виду поверхности паровые и водяные различают: гладкотрубчатые, ребристые. По характеру движения теплоносителя делят на: одноходовые, многоходовые. По количеству рядов труб в настоящее калориферы делятся на две модели

- среднюю (С) с тремя рядами труб

- большую (Б) с четырьмя рядами труб.

Теплоноситель (вода или пар) поступает через входной штуцер, проходит по трубкам и удаляется через выходной штуцер. Нагреваемый воздух обтекает внешние поверхности труб. По ходу движения воздуха трубки в калориферах могут располагаться в коридорном или шахматном порядке. В последнем случае обеспечиваются лучшие условия теплопередачи однако вместе с этим возрастает и сопротивление воздуха.

В одноходовых калориферах доступ теплоносителя из распределительных коробок открыт во все трубки и теплоноситель проходит по ним между распределительной и сборной коробками один раз.

Коробки многоходовых калориферов имеют поперечные перегородки, которые создают последовательное движение теплоносителя по трубкам. В таких калориферах скорость движения теплоносителя в трубках при одинаковом расходе по сравнению с одноходовыми больше, в связи с чем интенсивность теплопередачи возрастает. В то же время живое сечение трубок меньше, следовательно, больше сопротивление движимого теплоносителя.

В ребристых калориферах наружная поверхность труб имеет оребрение, благодаря чему площадь теплопередающей поверхности увеличивается. Количество трубок ребристых калориферов меньше, чем у гладкотрубчатых, но технические показатели выше. Последнее обстоятельство послужило причиной того, что в настоящее время применяются, как правило, ребристые калориферы, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. Оребрение поверхностных трубок выполняется различными способами.

В пластинчатых калориферах ребра образованы стальными пластинами, насаженными на трубки. Трубки калориферов могут иметь круглое или овальное сечение, пластины могут охватывать одну или несколько трубок и по своей форме быть прямоугольными или круглыми.

В спирально-навивных калориферах ребра образуются навивкой стальной ленты. При этом за счет большого усилия при навивке обеспечивается плотный контакт между трубкой и лентой, что улучшает условия теплоотдачи. Однако при такой конструкции ребер сопротивление движению воздуха больше, чем у пластинчатых калориферов.

В спирально-накатных калориферах ребра образуются накаткой алюминиевой трубы. При этом за счет большого давления на алюминиевую трубу при накатке обеспечивается очень плотный контакт между алюминиевой и стальной трубкой что значительно улучшает условия теплоотдачи.

В электрокалориферах нагревательным элементом служат трубки (иногда с оребрением для увеличения поверхности теплоотдачи), внутри которых находится омическое сопротивление. Конструкция электрокалориферов предусматривает возможность регулирования теплоотдачи за счет включения части мощности по сравнению с номинальной.

Калориферная установка, используемая на станции «Речной Вокзал» Новосибирского метрополитена представляет собой систему из 4-х калориферов марки КВБ12-П. Предназначена для подогрева наружного воздуха, подаваемого в воздушно-тепловую завесу. Для г. Новосибирска диапазон температур наружного воздуха в зимний период составляет от -40єС до +10єС [согласно СНиП 2.01.01-82, стр.16].

Температура теплоносителя равна +70є+95єС, теплоносителем является вода, подаваемая в калорифер из бойлерной. Наружный воздух нагревается, проходя через калорифер, нагнетаемый центробежным вентилятором. На выходе калорифера температура воздуха проходящего через него составляет примерно 50єС. Далее этот нагретый воздух проходит через щели воздушно-тепловой завесы, попадая в тоннель метромоста, смешивается с воздухом метромоста.

2.2.5 Датчик расхода воздуха

Для рассматриваемого диапазона расходов воздуха в тоннеле метрополитена используется интеллектуальный датчик разности давлений серии Метран-100 (модель 1411) [13]. Конструкция датчика представлена на рис. 2.11.



Рис. 2.11 Конструкция датчика серии Метран-100 (модель 1411).

Между фланцем 1 и корпусом 2 крепится мембрана 3. К мембране приваривается жесткий центр 4. Жесткий центр с помощью тяги 5 соединен с рычагом тензопреобразователя 8. При измерении разности давлений (ДД) положительное давление подается в камеру 6, а отрицательное в камеру 7. Измеряемое давление, поданное в камеру 6 или 7, воздействует на мембрану и перемещает ее. Перемещение мембраны через жесткий центр 4 и тягу 5 передается на рычаг тензопреобразователя. Перемещение рычага вызывает деформацию мембраны тензопреобразователя, с которой жестко соединен рычаг. На мембране тензопреобразователя расположены тензорезисторы. Деформация мембраны тензопреобразователя вызывает изменение сопротивления тензорезисторов. Электронное устройство датчика преобразует изменение электрических сопротивлений в стандартный аналоговый сигнал.

Применение микропроцессорной электроники в конструкции таких электронных преобразователей позволяет: реализовать широкий набор функций настройки и калибровки датчика, повысить точность настройки и снизить суммарную погрешность измерений, обеспечить непрерывную самодиагностику.

Рис.2.12 Внешний вид датчика серии Метран-100 (модель 1411)

Передаточную функцию такого элемента можно представить в виде коэффициента усиления К_ДТВ, который рассчитывается из следующих соображений. Максимальное значение расхода воздуха достигает 19,4 , чему должен соответствовать максимальный выходной сигнал 10В, т.е.

.

Структурная схема датчика приведена на рис. 2.13.

Q_ВТЗ U_Q1

Рис.2.13 Структурная схема датчика расхода воздуха

2.2.6 Математическая модель САУ ВТЗ

При регулировании производительности вентилятора объектом управления (ОУ) является воздушно-тепловая завеса, регулируемой величиной - расход воздуха, регулирующим воздействием - частота вращения электродвигателя. По рассмотренным выше математическим моделям звеньев, входящих в систему управления воздушно-тепловой завесой, составлена структурная схема (рис.2.14).

Рис. 2.14 Структурная схема САУ ВТЗ

Запишем передаточные функции для всех звеньев:

Коэффициенты имеют следующие значения:

; ; ;

; ; ;

Передаточная функция (без учета возмущений) имеет вид:

(2.5)

2.3 Описание элементов САУ УШ, взаимодействие элементов в системе

Система автоматического управления шиберами содержит следующие элементы: регулятор (Р₂), исполнительный механизм (ИМ) с бесконтактным реверсивным пускателем (ПБР), управляемые шиберы (УШ), аэродинамический объект, датчик расхода воздуха.

Регулятор (Р₂) по сигналу задания требуемого угла наклона шиберов Uз_б и сигналу обратной связи с датчика U_Q2 подает команду на ПБР на включение ИМ вперед или назад. ПБР формирует сигнал управления U_У исполнительным механизмом. ИМ изменяет угол б поворота шиберов.

При этом в тоннеле изменяется расход воздуха Q_НВ, который контролируется датчиком расхода воздуха. На рис.2.15 представлена функциональная схема САУ УШ.

Рис. 2.15 Функциональная схема САУ УШ

Рассмотрим элементы данной системы более подробно.

2.3.1 Исполнительный механизм управляемых шиберов

Исполнительным механизмом (ИМ) в системе автоматического регулирования называется устройство, перемещающее регулирующий орган в соответствии с сигналами, поступающими от усилителя. Исполнительные механизмы создают поступательное или вращательное движение, предназначенное для перемещения регулирующего органа. К ним предъявляются следующие конструктивные и эксплуатационные требования:

простота конструкции, минимальные размеры и масса, высокая надежность и устойчивость к воздействию внешней среды; безопасность в эксплуатации и устойчивость в работе; наличие защиты для предохранения регулирующего органа от перегрузок и поломок и возможности ручного управления при отказе схемы управления или нарушении энергоснабжения, а также дистанционного контроля положения регулирующего органа.

Исполнительные механизмы, применяемые в устройствах ЭМС, разделяют в зависимости от вида потребляемой энергии на электрические, пневматические, гидравлические, грузовые и пружинные.

Электрические исполнительные механизмы обладают практически неограниченным радиусом действия и управления, могут применяться при отрицательной температуре окружающей среды, не требуют герметизации.

В данной схеме используется механизм исполнительный электрический однооборотный постоянной скорости (МЭО).

Управление механизмом - бесконтактное с помощью пускателя бесконтактного реверсивного ПБР-3А, который обеспечивает пуск, реверс и защиту трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

ПБР имеет следующие характеристики:

· напряжение источника питания цепей управления, В 24

· потребляемая мощность, Вт <5

Вид вырабатываемых сигналов: +24 В; О В; -24 В, в зависимости от которых электропривод вращается в одну или другую сторону (вперед или реверс), либо останов (на вал электродвигателя автоматически накладывается тормоз).

Математическим описанием такого принципа управления в ТАУ является описание реле без зоны нечувствительности (Рис 2.16).

U_упр

с

S

-с

Рис 2.16 Реле без зоны нечувствительности

с - сигнал управления (размах реле)

Управление этих звеньев представляется как :

U_упр = с*sign(S)

для идеального реле, где S - поверхность переключения

Структурно реле представлено на рис.2.17.

Рис. 2.17 Структурная схема реле

Принцип работы МЭО заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующих и управляющих устройств (ПБР-3А), во вращательное движение выходного вала. В данной работе используется механизм МЭО-4000/160-0,63-97К, имеющий следующие характеристики:

· номинальный крутящий момент на выходном валу, Н*м 4000

· номинальное время полного хода выходного вала, с 160

· номинальный полный ход выходного вала, об 0,63

· потребляемая мощность в номинальном режиме, Вт < 700

· масса механизма, кг < 270

Механизмы изготавливаются для работы в повторно - кратковременном реверсивном режиме с числом включений до 320 в час и продолжительностью включений до 25 % при нагрузке на выходном валу в пределах от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей. При этом механизмы допускают работу в течение одного часа в повторно - кратковременном реверсивном режиме с числом включений до 630 в час и продолжительностью включений до 25 % со следующим повторением не раньше, чем через три часа.

Математическую модель МЭО на основании экспериментальных исследований специалистов Института Горного Дела [15] можно представить в виде интегратора с коэффициентом передачи K_m . Входом для него является U_у - сигнал с реле, а выходом - - угол поворота вала.

U_у

Рис. 2.18. Структурная схема МЭО

Управляющей величиной является время подачи напряжения 24В на механизм, поэтому передаточную функцию ИМ можно записать в виде:

(2.6)

Откуда К_m определяется по соотношению:

(2.7)

где - скорость изменения положения вала, которая вычисляется как:

[].

Подставив полученную величину в (2.7), получим [].

2.3.2 Управляемые шиберы

Регулирование расхода воздуха в тоннеле метрополитена производится с помощью тоннельных вентиляторов и регулирующих устройств - специальных шиберов, которые расположены непосредственно в тоннеле. От угла поворота шиберов, установленных в тоннеле, зависит его аэродинамическое сопротивление, а, следовательно, и сопротивление участка тоннеля, в котором расположен данный регулятор. Меняя угол открытия шиберов, можно регулировать объем воздуха, поступающего из данного тоннеля на платформу.