РТМ 34-254-75. Руководящие технические материалы. Правила проектирования вентиляции кабельных тоннелей

(утв. Минэнерго СССР 12.05.1975)

12 мая 1975 года

РУКОВОДЯЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Решением Главниипроекта Минэнерго СССР от 13 мая 1975 г. № 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. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

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.

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. РАСЧЕТ ВЕНТИЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ТОННЕЛЕЙ

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:

Qтв = 860N, ккал/ч на 1 м трассы. (1)

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

Q_{\text{огр}} = F \frac{t_{\text{в}} - t_{\text{гр}}}{R} = F \frac{40 - t_{\text{гр}}}{R} , \frac{\text{ккал}}{\text{ч}} . (2)

2.4 Теплоизбытки в тоннеле определяются по формуле:

Qизб = Qтв — Qогр; ккал/ч на 1 м. (3)

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:

g = \frac{Q_{\text{изб}}}{0,24(t_{\text{в}} - t_{13})} = \frac{Q_{\text{изб}}}{0,24(40 - t_{13})} ,\text{кг}/\text{ч}; (4)

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

g = \frac{Q_{\text{тв}}}{0,24(t_{\text{в}}^{\text{сг}} - t_{\text{н}}^{\text{сг}})} ,\text{кг}/\text{ч}. (5)

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.

Таблица 1

Теплопотери ограждениями тоннеля в грунт и расчетное количество вентиляционного воздуха для поглощения

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

подсчитанные для различных климатических районов

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.

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:

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

Поправку (\Delta t) 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.

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 = 950 \div 1520\text{часов} 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.

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

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

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.

Теплопроводность грунта \lambda = 1\text{ккал}/\text{м } \cdot \text{ч} \cdot \text{град} ;

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.

Приложение 4

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА НА ГЛУБИНЕ 1,5 м ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ +5 °C

Приложение 5

ПРИМЕР N 1

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.

Рис. 1

Поперечный разрез кабельного тоннеля

Усредненные физические параметры

Рис. 2

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.

РАСЧЕТ

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

\gamma = 1,293 \frac{273}{T} [\frac{\text{Б}}{760} - 0,378 \frac{\text{Рп}}{760}] = 1,293 \frac{273}{273 + 29} [\frac{700}{760} - 0,378 \frac{12}{760}] = 1,07\text{кг}/\text{м}^{3}.

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:

Отсек 1 0,900 x 200 = 180 кг/ч на 1 м трассы

     "    2 0,800 x 200 = 160 кг/ч      "
     "    3 0,600 x 200 = 120 кг/ч      "
     "    4 0,45  x 200 = 90  кг/ч      "

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%.

Таблица 8

Необходимое количество воздуха для ассимиляции тепловыделений в тоннеле

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

а) Производительность вентилятора

\alpha_{\text{кат}.} = \alpha_{\text{ст}} \frac{273 + t}{293} \cdot \frac{760}{\text{Б}} = \frac{273 + 29}{293} \cdot \frac{760}{700} \alpha_{\text{ст}} = 1,12\alpha_{\text{ст}},\text{м}^{3}/\text{ч}.

Таблица 9

Характеристика вентоборудования

Производительность вентилятора приточной камеры П-1 должна быть:

\alpha_{\text{кат}.} = 1,12 \cdot 18000 = 20100\text{м}^{3}/\text{ч} .

Камеры П-2 \alpha_{\text{кат}.} = 1,12 \cdot 18700 = 21000\text{м}^{3}/\text{ч} .

Камеры П-3 \alpha_{\text{кат}.} = 1,12 \cdot 7500 = 8400\text{м}^{3}/\text{ч} .

Камеры П-4 \alpha_{\text{кат}.} = 1,12 \cdot 7900 = 8900\text{м}^{3}/\text{ч} .

Расчетные величины производительности вписываем в графу 8 табл. 8.

б) Требуемый напор вентилятора:

\text{Н}_{\text{тр}} = \text{Н}_{\text{ст}} \frac{\text{Т } \cdot 760 \cdot \gamma_{\text{е}}}{293 \cdot \text{Б} \cdot \gamma_{\text{г}}} = \text{Н}_{\text{ст}} \frac{(273 + 29) \cdot 760 \cdot 1,293}{293 \cdot 700 \cdot 1,293} = 1,12\text{Н}_{\text{ст}} .

Для П-1 \text{Н}_{\text{тр}} = 1,12 \cdot 12 = 13,5\text{кгс}/\text{м}^{2} .

Для П-2 \text{Н}_{\text{тр}} = 1,12 \cdot 14 = 15,7\text{кгс}/\text{м}^{2} .

Для П-3 \text{Н}_{\text{тр}} = 1,12 \cdot 8 = 9\text{кгс}/\text{м}^{2} .

Для П-4 \text{Н}_{\text{тр}} = 1,12 \cdot 10 = 11,2\text{кгс}/\text{м}^{2}.

Величину напора вписываем в графу 9 табл. 8.

Здесь: \alpha_{\text{кат}.} — каталожная производительность вентилятора, м3/ч;

\alpha_{\text{ст}} — требуемое количество воздуха при стандартных параметрах воздуха, м3/ч;

Нтр — требуемый напор вентилятора по каталогу, кгс/м2;

Нст — 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.

Приложение 6

ПРИМЕР № 2

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КАБЕЛЬНОГО ТОННЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТАБЛИЧНЫХ ДАННЫХ

Исходные данные

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.

Расчет

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

Q_{\text{гр}} = 131 - \frac{131 - 109}{5 - 0} 2,3 = 121\text{Втна}1\text{м},

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

Приложение № 7

ПРИМЕР № 3

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КАБЕЛЬНОГО ТОННЕЛЯ, ПРОЛОЖЕННОГО В РАЙОНЕ Г. ЦЕЛИНОГРАДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

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.

РАСЧЕТ

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

13 + \frac{16,2 - 13}{1,6 - 0,8} (1,6 - 1,3) = 14,2^{\circ}\text{С}

в) Днище 10,5 - \frac{10,5 - 8,5}{3,2 - 2,4} (2,6 - 2,4) = 10^{\circ}\text{С}

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)

\beta = 1 + 0,76 \frac{\text{П}}{\text{Р}} \sqrt{\frac{\lambda Z}{\gamma c}} = 1 + 0,76 \frac{\text{П}}{7,8} \sqrt{\frac{1,8760}{2000 \cdot 0,3}} = 2,06.

Сопротивление теплопередаче массива по формуле (8)

R = \frac{1}{\alpha_{\text{в}}} + \frac{1,13}{\beta} \sqrt{\frac{Z}{\lambda\gamma c}} = \frac{1}{5} + \frac{1,13}{2,06} \sqrt{\frac{8760}{1 \cdot 2000 \cdot 0,3}} = 2,29\text{м}^{2} \cdot \text{ч} \cdot \text{град}/\text{ккал}.

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 \frac{F}{R} (t_{\text{в}} - t_{\text{гр}}) = \frac{1,8}{2,29} (40 - 16,2) = 19\text{ккал}/\text{ч}

Стены — \frac{4,2}{2,29} (40 - 14,2) = 47\text{ккал}/\text{ч}

Днище — \frac{1,8}{2,29} (40 - 10) = 24\text{ккал}/\text{ч}.

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.

Таблица 6

Величина запаздывания температурных фаз по глубине

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.

Таблица 7

Температура грунта на различных глубинах

ЛИТЕРАТУРА

И. А. Алексеев

Главный инженер института В. Н. Охотин