Экономическая оптимизация технических решений в системах общеобменной вентиляции
В предыдущей статье было упомянуто два типа крупных вентиляторов для проветривания тоннелей метрополитена, которые при большой разнице в производительности по воздуху (70 и 110 м3/с) имели одинаковую мощность 75кВт.
Рекуперация и теплоутилизация в системах общеобменной вентиляции
Мне даже попалась статья про попытки увеличить энергетическую эффективность стандартных тоннельных вентиляторов за счёт выкидывания из них лишних деталей. (см.ссылку. ниже)
Вентиляторные установки тоннельной вентиляции нового поколения
В этом случае возникает вопрос: А можно ли ещё сильнее оптимизировать данные вентиляторы, чтобы понизить их мощность с сохранением необходимой производительности?
Из имеющейся тенденции можно предположить, что если ещё сильнее увеличить вентилятор по диаметру, то при сохранении нужного расхода можно будет понизить мощность электродвигателя.
В принципе, так оно и есть, но дьявол как обычно в деталях.
Более крупный вентилятор просто не удастся запихнуть в существующие тоннели, а потому данный путь модернизации и оптимизации с укрупнением и так гигантского оборудования не возможно исполнить.
Остаётся только попытаться разобраться в сущности физических процессов при нагнетании воздуха вентилятором, чтобы понять действительные возможные пути для снижения энергопоторебления вентиляторами.
На что расходуется энергия в вентиляторах?
Прежде чем пытаться что‑то улучшить необходимо понять, как работает уже существующие мега вентиляторы типа ВОМ-20 (70м3/с) при мощности 75кВт и ВОМД-24(110м3/с) при мощности 135кВт.
Рис.1. Семейства кривых рабочих характеристик при разных углах установки лопастей вентиляторов ВОМ-16…24 с диаметром рабочего колеса Ф1600…2400мм.
Рис.2. Семейства кривых рабочих характеристик при разных углах установки лопастей вентиляторов ВОМ-24 с диаметром рабочего колеса Ф2400мм. Параболическая крива Pdv — это давление скоростного напора струи воздуха внутри вентилятора, которое надо суммировать со свободным давление для получения полного давления при расчёте суммарной нагрузки на электродвигатель. При рассматриваемой мощности двигателя 75кВт актуальной является кривая 25 градусов с максимальным расходом 80м3/с (288тыс.м3/ч) при свободном давлении 150Па.
Рис.3. Разрез вентилятора ВОМ-18 с диаметром рабочего колеса Ф1800мм.
Рис.4. Разрез вентилятора ВОМ-24 с диаметромрабочего колеса Ф2400мм.
Согласно рисунку для вентилятора ВОМ-18 кольцевой зазор для воздушного потока между ступицей рабочего колеса и цилиндрическим корпусом относительно мал.
Так диаметры ступицы ротора к обечайке относятся как 6:10.
То есть для диаметра обечайки Ф1800 мм диаметр ступицы составит 1800*6/10=1080мм.
Площадь зазора соответсвенно составит разницу площадей
Sз=(1,8^2*3,14)/4-(1,08^2*3,14)/4=1,63м2
Пропорция 6:10 сохраняется для характерных диаметров в вентиляторах и других типоразмеров.
Так для вентилятора ВОМ-24 с диаметром крыльчатки Ф2400мм (см рис.4) площадь зазоров составил
Sз=(2,4^2*3,14)/4-(1,44^2*3,14)/4=2,89м2
Так для вентилятора ВОМ-20 с диаметром крыльчатки Ф2000мм (см рис.4) площадь зазоров составил
Sз=(2,0^2*3,14)/4-(1,2^2*3,14)/4=2,01м2.
Площадь зазора нам нужна для того, чтобы узнать скорость потока воздуха при заданных расходах
V20=70/2,01=34,8м/с, что соответствует скоростному напору Рv=728Па и N=70*728=51кВт
V24=110/2,89=38,1м/с, что соответствует скоростному напору Рv=869Па и N=110*869=96кВт
Скоростной напор нам нужен для того, чтобы узнать реальную статическую характеристику вентилятора, при вычитании Pv из кривой давления на графике.
Из расчёта видно, что в старой конфигурации с большим диаметром ступицы получить расход 110м3/с при мощности 75кВт невозможно, так как мощность на разгон воздуха уже 96кВт без учёта потерь.
Путь модернизации существующих ВОМ-24
Для повышения энергоэффективности вентилятора с сохранением типоразмера необходимо при модернизации заузить ступичный обтекатель, увеличивая проходное сечение и снижая скорость воздушного потока при неизменном расходе. Только так удастся уменьшить мощность электродвигателя с сохранением расхода вентилятора.
Если понизить диаметр ступицы с 0,6D до 0,4D, то получим следующий результат
Sз=(2,4^2*3,14)/4-((0,4*2,4)^2*3,14)/4=3,8м2
V=110/3,8=28,9м/с, что соответствует скоростному напору Рv=503Па и N=110*503=54кВт
В итоге оптимизации по габариту ступицы мы получили вполне разумное значение мощности электродвигателя 54/0,75=74кВт, совпадающее с ранее заявленым значением от производителя.
Правда для вентиляторов ВОМ-24 после модернизации (см.рис.2) расход в 110м3/с не достижим при мощности 75кВт, а реальным по диаграмме Pdv является расход около 96м3/с (350тыс.м3/ч). Это соответсвует заужению ступицы до значения приблизительно 0,56*D.
Sз=(2,4^2*3,14)/4-((0,56*2,4)^2*3,14)/4=3,1м2
V=96/3,1=30,9м/с, что соответствует скоростному напору Рv=574Па и N=96*574=55кВт
В итоге подгона по габариту ступицы мы получили значение мощности электродвигателя 55/0,75=74кВт, совпадающее с ранее заявленным значением от производителя.
Именно такое заужение центральной части вентилятора видно на сравнительных фото (см.рис.5–7)
Рис.5. Старые тоннельные вентиляторы метрополитена типа ВОМД-24. Диаметр вентилятора более 2,4м. Расход каждого такого вентилятора около 400тыс.м3/час при мощности электродвигателя до 135кВт. На фото старая версия ещё с ременным приводом крыльчатки от электродвигателя. Явно видно, что у этого вентилятора кольцевой зазор узкий, а центральный обтекатель имеет радиус больше половины радиуса вентилятора.
Рис.6. Комплект для модернизации вентиляторов ВОМД-24 заменой всего внутреннего наполнения старой корпусной обечайки.
Рис.7. Более современный тоннельные вентиляторы метрополитена ВОМ-20 с прямым приводом от электродвигателя (без ременной передачи). Диаметр вентилятора более 2м. Расход каждого такого вентилятора около 70м3/с (250тыс.м3/ч) при мощности электродвигателя 75кВт. Явно видно, что у этого вентилятора кольцевой зазор больше половины радиуса вентилятора.
Рис.7-А. Характеристики модернизированного вентилятора ВОМ-20
Повышение энергоэффективности работы УТВ заменой одного большого вентиляторов на группу параллельно работающих вентиляторов меньших диаметров
Именно этим путём по расширению проходного сечения вентилятора возможно достигнуть ещё более значительной экономии электроэнергии.
Так как скоростной напор внутри вентилятора является бесполезным расходованием энергии на разгон воздуха, который мы никак не можем преобразовать в статическое давление внутри тоннеля метро, то именно его необходимо ещё больше снизить.
Реальное располагаемое статическое давление вентилятора в максимальном режиме составляет всего около 30Па согласно таблице характеристик вентилятора.
Что соответствует полезной мощности Р=30*70= 2100Вт или 2,1 кВт
При этом КПД вентилятора при мощности электродвигателя 75кВт составит всего
КПД=100%*2,1/75=2,8%
Получили смешной КПД всего в 3%, что довольно странно, так как в статьях говорят о минимальных КПД на уровне 25–30%.
Получается, что в как бы научных статьях неправильно используют график рабочей характеристики вентилятора, когда рассчитывают КПД в работающей системе вентиляции.
Если сопротивление воздухозаборного участка от улицы до венткамеры будет иметь сопротивление 80Па (заявляемое свободное располагаемое давление для ВОМ-20 по ТТХ .см.рис.7-А), то КПД вентилятора поднимется аж до 8%.
КПД в 25% потребует давления уже 250Па до вентилятора, что говорит о сильном заужении всасывающего канала с улицы.
Такие высокие КПД более характерны для вытяжных УТВ, где вытяжной канал располагается под эскалатором в наклонном тоннеле, в котором нормативно допускается скорость воздуха 11м/с. В этом случае при скоростном напоре 70-80Па сопротивление 250Па создаётся всего на 5-7 последовательных поворотах, не считая сопротивления самого воздушного канала.
Зная, что использовать для перемещения воздуха по системе можно только статический напор, то можем попытаться подобрать несколько вентиляторов меньшего размера для замены одного большого ВОМ-20.
Так при общем расходе 70м3/с (250тыс.м3/ч) и располагаемом статическом давлении 30Па возможно один вентилятор ВОМ-20 заменить на 32 осевых вентиляторов Ф560мм с расходом 8 тыс.м3/ч при статическом давлении 45Па (см.рис.6), или на 16 вентиляторов Ф630мм с расходом 16 тыс.м3/ч при статическом давлении 90Па(см.рис.7).
Предельным случаем будет замена одного ВОМ-20 на 5–6 шт. вентиляторов Ф1250мм (см.рис.8).
Пунктирная кривая на левых диаграммах соответствует динамическому напору в сечении конкретного вентилятора, а по кривым сверху можно высчитывать полный напор и мощность вентилятора.
На правых диаграммах показан только располагаемый статический напор без учёта динамической составляющей. Именно по значениям с правой диаграммы производят подбор вентиляторов для работы в воздуховодной сети.
Рис.8. Габаритные размеры осевых вентиляторов различных типоразмеров.
Рис.9. Характеристики вентилятора Ф560мм с двигателями 1500об/мин (4-х полюсные). В расчёте выбрана кривая № 2 (исполнение Б по таблице слева) мощность 0,37кВт при расходе 8тыс.м3/ч и располагаемом давлении 45Па. Динамический напор 50Па, что соответствует скорости потока воздуха 9 м/с.
Рис.10. Характеристики вентилятора Ф630мм с двигателями 1500об/мин (4-х полюсные). В расчёте выбрана кривая № 3 (исполнение В по таблице слева) мощность 1,5кВт при расходе 16тыс.м3/ч и располагаемом давлении 90Па. Динамический напор 125Па, что соответствует скорости потока воздуха 14,5м/с.
Рис.11. Характеристики вентилятора Ф1250мм с двигателями 1000об/мин (6-х полюсные). В расчёте выбрана кривая № 1 (исполнение А по таблице слева) мощность 5,5кВт при расходе 50тыс.м3/ч и располагаемом давлении 90Па. Динамический напор 75Па, что соответствует скорости потока воздуха 11м/с.
Мощность двигателя одного вентилятора Ф560мм с расходом 8тыс.м3/ч составит всего 0,37кВт (см.рис.9), а суммарная мощность от 32 вентиляторов составит:
N=32*0,37=11,84 кВт.
То есть без ухудшения располагаемой напорной характеристики вентиляции нам удалось снизить электропотребление вентиляторами в более чем 6 раз!
75/11,84= 6,33 раза.
Для вентилятора Ф630мм картина менее радужная. Так мощность двигателя одного вентилятора Ф630мм с расходом 16тыс.м3/ч составит всего 1,5кВт, а суммарная мощность от 16 вентиляторов составит
N=16*1,5=24 кВт.
То есть без ухудшения располагаемой напорной характеристики вентиляции нам удалось снизить электропотребление вентиляторами в более чем 3 раз.
75/24= 3,125 раза.
А каков будет экономический эффект от снижения электрической мощности вентиляторов в 3 раза?
Экономический эффект от замены одного большого вентилятора на много маленьких
Вариант №1 с вентиляторами Ф560мм
Самое интересное начинается, когда экономию электричества переводим в деньги!
Тоннельная вентиляция работает 20 часов в сутки, то есть всё время пока движутся поезда с 5-30 утра до 1-30 ночи.
Тогда за сутки на электроэнергию по цене 6,5 руб/кВт*ч будет потрачено
75*20*6,5=9750 руб/сут. при мощности 75кВт
12*20*6,5=1560 руб/сут. при мощности 12кВт
То есть замена одного большого вентилятора ВОМ-20 на 32 маленьких обеспечивает экономию на электроэнергии 9750-1560=8190 руб/сут.
Если учесть, что один вентилятор Ф560мм 0,37кВт стоит около 60 тыс.руб., и ещё плюс дополнительно на каждый вентилятор клапан с сервоприводом за 11тыс.руб (см рис.12–14), что в сумме составит 71тыс.руб за комплект без монтажа.
Воздушный лапан с сервоприводом (сервопривод с возвратной пружиной, закрывающей клапан при отключении питания) необходимо устанавливать на каждом вентиляторе для перекрытия возможных перетоков воздуха через него, когда данный вентилятор отключен. Отключение отдельных вентиляторов возможно по причине их поломки или при работе всей УТВ на частичной мощности (ночной режим или зима с сильными морозами), когда достаточно меньшего количества вентиляторов для обеспечения необходимой частичной вентиляционной нагрузки.
Рис.12. Сервопривод с возвратной пружиной для установки на отсечной клапан отдельного вентилятора.
Рис.13. Отсечной клапан для отдельного вентилятора Ф500, закрываемый сервоприводом при отключении вентилятора. Клапан приведён для сравнений цены (диаметр Ф560мм не популярен).
Рис.14. Отсечной клапан для отдельного вентилятора Ф630, закрываемый сервоприводом при отключении вентилятора.
В итоге общая стоимость замены больших ВОМ-20 на группу мелих осевиков с отсечными клапанами составляет
(60+11)*32=2272 тыс.руб.
А срок полной окупаемости по оборудованию в варианте с вентиляторами Ф560мм составит 2272/8=284 суток.
С учётом затрат на монтаж можно оценить срок окупаемости такой замены в 1 год.
При этом ресурс общепромышленного асинхронного электродвигателя вентилятора до первой замены подшипников составляет 20 тыс. часов.
Таким образом, при 20 часах работы в сутки в режиме вентиляции метрополитена ресурс вентилятора до замены подшипников соответствует 1 тыс. рабочих дней или почти 3 года непрерывной работы.
Экономика в варианте №2 с вентилятором Ф630мм
Для сравнения рассчитаем экономичность применения более мощных и более крупных вентиляторов Ф630мм с мощностью электродвигателя 1,5кВт (см.рис.10).
Тогда за сутки на электроэнергию по цене 6,5 руб/кВт*ч будет потрачено
75*20*6,5=9750 руб/сут. при мощности 75кВт
(16*1,5)*20*6,5=3120 руб/сут. при мощности 24кВт
То есть замен одного большого на 16 маленьких обеспечивает экономию на электроэнергии 9750-3120=6630 руб/сут.
Если учесть, что один вентилятор Ф630мм 1,5кВт стоит около 80тыс.руб.
Плюс дополнительно на каждый вентилятор клапан с сервоприводом за 12тыс.руб
То общая стоимость замены составляет (80+12)*16=1472 тыс.руб.
Срок полной окупаемости при замене вентиляторов по оборудованию в варианте Ф560мм составит 1472/6,6=223 суток.
Срок окупаемости оказался для более крупных вентиляторов Ф630 мм(1,5кВт) даже меньше, чем у более экономичных по электричеству вентиляторов Ф560мм (0,37кВт).
С учётом затрат на монтаж можно оценить срок окупаемости такой замены так же в 1 год, при этом до плановой замены подшипников остаются те же 3 года.
Экономика в варианте №3 с вентилятором Ф1250мм
Предельным по компоновке случаем будет с применением самый крупных вентиляторов Ф1250мм (из выпускаемых серийно) и самых мощных ( 5,5кВт ) из рассматриваемых на замену (см.рис.11).
Тогда за сутки на электроэнергию по цене 6,5 руб/кВт*ч будет потрачено
75*20*6,5=9750 руб/сут. при мощности 75кВт
(5*5,5)*20*6,5=3575 руб/сут. при мощности 27,5кВт
То есть замен одного большого на 16 маленьких обеспечивает экономию на электроэнергии 9750–3575=6175 руб/сут.
Если учесть, что один вентилятор Ф1250мм 5,5кВт стоит около 200тыс.руб.
Плюс дополнительно на каждый вентилятор клапан с сервоприводом за 20тыс.руб
То общая стоимость замены составляет (200+20)*5=1100 тыс.руб.
Срок полной окупаемости при замене вентиляторов по оборудованию в варианте Ф1250мм составит 1100/6,2=178 суток.
Срок окупаемости оказался для более крупных вентиляторов Ф1250 мм(5,5кВт) ещё меньше, чем у более экономичных по электричеству вентиляторов Ф630 мм(1,5кВт).
С учётом затрат на монтаж можно оценить срок окупаемости такой замены так же в 1 год, при этом до плановой замены подшипников остаются те же 3 года.
При таком фантастически коротком сроке окупаемости мелкоразмерных вентиляторов метрополитен может без дополнительного финансирования начать плановую замену старых крупных вентиляторов в составе УТВ на группы мелких осевых вентиляторов размером Ф560 или Ф630мм. При этом такая замен окупит себя так же всего лишь за 1 год только за счёт экономии на электроэнергии!
Оставшиеся 2 года работы новые мелкие вентиляторы в разных вариантах размерности будут приносить чистую прибыль метрополитену относительно варианта применения крупных ВОМ-20...24, и это только по стоимости электроэнергии.
Сравнение по стоимости мелких вентиляторов и больших ВОМ-20..24.
Экономия электроэнергии всего за 1 год окупает замену больших ВОМ-20 на 16 мелких Ф630мм или 5 более крупных Ф1250мм, а если ещё учесть экономию на цене основного оборудования, то эффект экономии будет ещё ярче.
Так стоимость одного вентилятора ВОМ-20 с массой 5000кг может составить более 5 млн. руб. (точная цена для крупного оборудования не известна, так как цена договорная при заказе). Оценочно стоимость вентилятора определяется по общей массе, считая что средняя цена за 1 кг общепромышленного вентилятора одинакова, и на примере известных цен на наиболее крупные вентиляторы Ф1250 ( 200тыс.руб/170кг) составляет около 1,1 тыс. руб/кг.
При замене больших вентиляторов на мелкие так же в 3–5 раз снижаются затраты на само оборудование, тем самым резко добавляя экономичности системам УТВ за счёт кратного снижения отчислений на амортизацию основного оборудования.
Интересно так же и то, что для замены больших вентиляторов на малые не требуется производства сложных монтажных работ.
Так при замене больших ВОМ-20 в мелкозаглубленных венткамерах даже требуется вскрывать грунт и снимать плиты перекрытия над венткамерой, что сильно удорожает и усложняет организацию такой замены оборудования.
А вот при замене ВОМ-20 на группу мелких вентиляторов старый большой вентилятор можно просто порезать на мелкие легко транспортабельные куски прямо в тоннеле, чтобы вынести их наружу через сравнительно узкие воздуховодные каналы (круглые Ф4м или прямоугольные 3×4м).
При этом новые мелкие вентиляторы весят всего по 30–40кг каждый (Ф630–700мм, длина 450–475мм) или 170кг ( габарит Ф1350мм, длина 700мм), то есть все эти серийные вентиляторы вмещаются в габариты дверных проёмов при ручной транспортировке на обычной тележке.
Учёт поршневого действия поезда в узком тоннеле
При проходе по узкому тоннелю поезд толкает перед собой тоннельный воздух как поршень в цилиндре. Именно по этому движение воздуха от поезда называют «поршневым эффектом».
Воздух перед поездом движется медленнее самого поезда, так как существует просачивание воздуха между поездом и стенками тоннеля (см.рис.15)
Рис.15. Разрез стандартного однопутного тоннеля метрополитена с габаритами поезда в нём.
Можно считать, что мимо поезда просачивается 1/2 объёма, а вторая половина объёма движется перед поездом со скоростью 50% от скорости поезда.
Таким образом, можно рассчитать давление в тоннелях от движения одного поезда. Оценочно можно считать, что скорость поезда 20м/с (72км/ч), тогда скорость воздуха в тоннеле составит около 10м/с.
Для тоннеля диаметром 4,95м оценочное удельное сопротивление составит 0,15Па/м.п. при скорости воздуха 10м/с (см.рис.16)
Примем за расчётный участок прямой туннель от станции до станции 1500м, где общее сопротивление сети составит:
1500*0,15=225Па.
Такое избыточное давление вполне способны развивать вентиляторы ВОМ-24 согласно их напорных характеристик (см.рис.2). При этом расход вентилятора снижается приблизительно на 10% от максимального.
Значит запирающего давления от «поршневого эффекта» для существующих вентиляторов ВОМ-24 не возникает, то есть поток через вентилятор полностью не останавливается.
В случае замены на мелкие низконапорные вентиляторы запирающее давление от «поршневого эффекта» при значениях около 225Па также не возникает, но снижает расход вентиляторов в 2–3 раза от максимального.
Если считать, что приточные вентиляторы стоят в середине тоннеля, то при движении поезда с разгоном от станции давление в тоннеле постепенно нарастает до запирающего, в результате чего приток плавно снижается (или даже останавливается совсем для Ф560мм).
После прохода поезда мимо приточной УТВ давление в тоннеле резко меняет знак с подпор на разрежение, что резко увеличивает расход через приточные вентиляторы выше номинального (двигатель начинает работать в ведомом режиме с потребления энергии холостого хода).
В итоге суммарный баланс расхода воздуха через низконапорные вентиляторы за цикл прохода поезда не меняется. При этом наибольшая часть холодного притока подаётся в поток тёплого воздуха позади поезда, что является весьма полезным с точки зрения снятия теплоизбытков.
Получается, что эффект запирания вентиляционного притока положительно сказывается на режим работы тоннельной вентиляции, ассимилирующей теплоизбытки от движущихся поездов.
Рис.16. Диаграмма удельных сопротивлений воздуховодов из оцинкованной стали по стандартным типоразмерам воздуховодов на разных скоростях потока воздуха в них.
Если в тоннеле нет движущегося поезда, то приточный вентилятор задувает воздух в тоннель по обе стороны от себя, что создаёт поток со скоростью всего около 1,5–2 м/с. При этом сопротивление сети падает квадратично к скорости потока. То есть сопротивление тоннелей падает от расчётных 225Па (на скорости 10м/с при тоннельном дутье за счёт «поршневого эффекта»), до 5 Па на скорости 2м/с и половинной длине тоннеля.
Получается, что для подбора приточного и вытяжного вентилятора имеет значение только сопротивление подводящих узких тоннелей от поверхности до венткамеры, где нормированная скорость составляет 7–11м/с, а также там имеется много поворотов и местных сопротивлений (воздухозаборные решётки). Тогда как в тоннелях для поездов потери ничтожны, но требуется учитывать кратковременное циклическое воздействие запирающего давления от «поршневого эффекта» при движении поезда от станции к приточной венткамере в середине тоннеля.
Расстановка мелких вентиляторов взамен ВОМ-24 в существующих венткамерах
Чтобы завершить данное инновационное предложение по замене одних вентиляторов на другие, необходимо осуществить расстановку новых мелких вентиляторов в существующих венткамерах под большие вентиляторы ВОМ-24.
Для размещения УТВ используют стандартные венткамеры двух основных габаритов:
Для мелкозаглублённых станций венткамеры сечением 6,7×4,5м и длиной 12–15м.
Для станций глубокого заложения венткамеры сечением Ф6м и длиной 12–15м,
Интересно, что тоннель Ф6м для венткамеры УТВ имеет на 1 метр диаметр больше, чем у основных тоннелей для поездов (Ф4,95м).
Правда, при этом тюбинги для венткамер используют те же, что и для основных тоннелей, добавляя в стыки клиновые прокладки для увеличения диаметра с Ф4,95 до Ф6 м.
Предполагается, что заменять один большой ВОМ-24 будем на группу мелких осевиков без радикальных изменений в структуре венткамер. Следовательно замену будем производить строго в местах размещения существующих вентиляторов в существующих венткамерах. (см.рис.17)
В цилиндрической венткамере с диаметром Ф6м вместо одного ВОМ-24 можно установить 20 вентиляторов Ф630 (см.рис.17-А) с общей производительностью:
16*20=320тыс.м3/ч (89м3/с)
Или можно установить 25 вентиляторов Ф560мм (см.рис.17-В) с общей производительностью
8*25=200тыс.м3/ч (56м3/с)
Для самого крупного вентилятора Ф1250мм с расходом 50тыс.м3/ч достаточно 5 шт. в круглой венткамере (см.рис.17-А), при этом обеспечивается расход
5*50=250тыс.м3/ч (70м3/с)
Понятно, что для круглых венткамер подходит только вариант замены на вентиляторы Ф630мм и Ф1250мм, так как нужное количество более мелких вентиляторов Ф560мм разместить уже не удаётся.
Рис.17. Размещение вентиляторов Ф1250,Ф630 и Ф560 в стандартных венткамерах круглой Ф6м и прямоугольной 6,75х4,5м формы сечения для УТВ метрополитена в замен существующих вентиляторов Ф2400 мм: А-вентиляторы Ф1250-5шт в круглой венткамере , Б- вентиляторы Ф630-20шт в круглой венткамере, В- вентиляторы Ф560-25шт в круглой венткамере, Г-вентиляторы Ф1250-6шт в прямоугольной венткамере, Д- вентиляторы Ф630-24шт в прямоугольной венткамере, Е-вентиляторы Ф560-35шт в прямоугольной венткамере.
Исходя из графического построения получается, что в прямоугольных венткамерах применимы все три типоразмера осевых вентиляторов (Ф560, Ф630 и Ф1250 мм), при этом появляется запас по производительности из‑за возможности установить лишние вентиляторы. В прямоугольной камере уже вместо одного болеем мощного ВОМ-24 можно установить 24 вентиляторов Ф630 (см.рис.9-Д) с общей производительностью:
16*24=384тыс.м3/ч (107м3/с)
То есть 24шт. вентиляторов Ф630мм(1,5кВт) в прямоугольной венткамере уже способны заменить самый мощный старый ВОМД-24 (135кВт)с расходом 110м3/с
А для замены слабого ВОМ-20 можно установить 35 вентиляторов Ф560мм (см.рис.17-Е) с общей производительностью
8*35=280тыс.м3/ч (78м3/с)
Что соответствует полноценной замене модернизированных ВОМ-20 с расходом 70м3/с.
Для самого крупного вентилятора Ф1250 мм с расходом 50тыс.м3/ч доступна замена только к ВОМ-20, а для замены более мощного модернизированного ВОМ-24 (96м3/с) крупные Ф1250-5,5 кВт уже не применимы. Либо нужно использовать более мощную версию Ф1250 мм с двигателем 7,5 кВт с расходом 64тыс.м3/ч (кривая 2 на рис.11)
Ф1250-5,5 кВт обеспечивается расход 6*50=300тыс.м3/ч (83м3/с)
Ф1250-7,5 кВт обеспечивается расход 6*64=384тыс.м3/ч (107м3/с)
Следовательно в прямоугольной венткамере могут применятся все три рассмотренных варианта замены по усмотрению заказчика и исходя из реальной нагрузки на вентиляцию в данном тоннеле.
Регулирование многовентиляторных УТВ
При работе одного мощного вентилятора ВОМ-24 с двигателем 75кВт необходимо устанавливать систему плавного пуска и частотного регулирования для плавного изменения расхода воздуха.
Так в зимнее время с отрицательными уличными температурами расход воздуха может снижаться в 2 раза при Т=-6С и в 4 раза при Т=-26С.
Это связано с изменением дТ нагрева воздуха при ассимиляции теплоизбытков.
При расчётной температуре на станции +16С и минус -26С на улице дТ=16-(-26)=40С.
При расчётной температуре на станции +16С и минус -6С на улице дТ=16-(-6)=20С.
Тогда как летом расчёт идёт при +16С на станции и +26С вытяжного воздух дТ=26-16=10С
При более высоких температурах летом расход вентиляции через УТВ не изменяется, а теплосъём ведётся за счёт поглощение тепла стенками тоннелей, остывших за зиму.
В результате зимой при отрицательных температурах УТВ работают при 25-50% расхода от номинала.
Для такой регулировки для мощных ВОМ-24 используют дорогие частотные регуляторы.
В то же время для групповых УТВ из мелких осевиков достаточно просто отключить 50-75% вентиляторов.
Регулировка производительности УТВ отключением мелких осевиков гораздо дешевле в реализации, чем частотное регулирование больших ВОМ-24.
Так один небольшой контроллер способен по сигналу из диспетчерской выдавать управляющий сигнал на силовой размыкатель отдельного вентилятора (что значительно дешевле силового частотного регулятора). При этом в памяти контроллера фиксируется наработка часов по каждому вентилятору для осуществления процедур смазки подшипников и их замены по износу, привязанных к наработке двигателя в часах.
Заключение
1. Применение в метрополитене времён СССР гигантских мощных вентиляторов было на тот момент экономически оправдано, так как организовать производство единичных крупных изделий было значительно проще, чем обеспечить серийный выпуск в 30 раз большего числа мелких вентиляторов.
2. Во времена СССР ещё не жалели электроэнергию для не очень большой сети метрополитена.
3. В настоящее время московский метрополитен настолько сильно разросся, что даже вышел за границы МКАД и дотянулся до отдалённых аэропортов, начав конкурировать с более дешёвыми электричками РЖД.
4. Инфраструктура метрополитена значительно дороже наземной железной дороги, а потому конкурировать метрополитену с РЖД экономически очень трудно.
5. В условиях жёсткой конкуренции московского метрополитена с пригородными электричками РЖД требуется всемерно оптимизировать и резко снижать затраты на поддержание инфраструктуры тоннелей. Именно эту задачу по оптимизации эксплуатационных затрат в наиболее выгодном виде решает замена крупных вентиляторов ВОМ-20..24 на группы мелких осевых вентиляторов.
