SES在地铁典型区间环控系统设计中的应用

时间：2024-05-04

张本利/铁道第三勘察设计院集团有限公司

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【摘要】选取两个地铁工程作为分析案列，通过对该地铁工程典型区间环控设计中的土建配合方案和设备布置位置方案的比选优化，简要分析了SES模拟在地铁典型区间环控系统设计中的应用。结果表明借助于SES模拟结果可以验证所选定的地铁典型区间通风系统构成方案及区间设备设置位置的合理性，优化环控系统设计方案，保证地铁通风系统的安全有效运行，保障地铁系统的正常运营。

【关键词】SES；地铁；典型区间；环控系统

引言

地铁具有运量大、速度快、无污染以及方便、舒适、准时的优点，已成为缓解城市交通压力、降低环境污染的首选交通工具[1]。目前在我国地铁建设的快速发展过程中，地铁环境控制问题也越来越引起人们的重视。地铁环控系统的目的就是要把车站和区间隧道的环境维持在舒适范围内，同时保证列车的正常运行。地铁中的活塞风、列车产热、颗粒物等污染、噪声主要来自区间隧道，而且由于区间隧道的特殊性和封闭性，当列车在区间在发生事故时，必须借助于有效的通风排烟措施来保证人员安全疏散。因此区间环控系统显得尤为必要。目前地铁区间的活塞风特性、机械通风方案、火灾时烟气控制等方面都成为地铁环控系统设计中的主要研究内容。

地铁的结构和环境复杂性及特殊性决定了地铁通风空调系统的设计及计算需要采用计算机辅助模拟计算来进行[2]。地铁区间通风系统设计中会有多种可选方案,计算机模拟的功能之一就是对各种方案的比选优化。目前国际常用地铁环控系统设计和模拟软件为SES软件,它可以验证设计者所选定的地铁区间通风系统构成方案及系统运行模式的合理性,以便完成地铁通风空调系统的设计。

本文通过两个工程案列，简要探讨了SES软件在地铁典型区间环控系统设计中的应用。

1.SES在地铁典型区间环控系统设计中的应用分析

SES地铁环境模拟计算软件全称Subway Environment Simulation，是由美国交通部开发的，模拟原理是连续方程及伯努利方程（Bernoulli’s Equation)[3]。SES是用于设计、分析地铁通风系统的工具，包括对常规通风及发生事故时通风的气流和温度的分析。在国外隧道通风设计中，SES模拟计算软件得到了广泛的应用，并针对多个地铁系统对SES模拟计算软件进行过调试。SES模拟计算软件的有效性已经在模型测试和实际应用中得到验证[4]。

1.1SES在地铁典型区间环控系统土建配合中的应用

1.1.1工程概况

该地铁线全长59.9km，全部为地下线。在全线中部某一区间长度为1084m，车站端部存在停车线，该区间线路示意图如图1所示。

该区间内的停车线和下行线为单洞双线区间，在地铁区间设计时，土建存在两种方案，分别是在下行线（左线）和停车线之间设置隔墙和不设置隔墙。当下行线和停车线之间设置隔墙时，下行线的区间断面面积均为22.6m2；当下行线和停车线之间不设置隔墙时，下行线的区间断面面积为55.4m2。上行线区间断面面积为22.6m2。

图1　区间线路图示意

根据相关规定[5]，当列车阻塞在区间隧道时，通风空调系统向阻塞区间提供一定的送、排风量，保证阻塞处的有效通风功能，以保证列车的空调冷凝器等设备能正常运行。当列车在区间隧道发生火灾事故时，通风空调系统保证防灾排烟及通风功能，向乘客、工作人员和消防人员提供必要的新风量，形成不小于2m/s的迎面风速，诱导乘客安全撤离，并具有有效的排烟功能，避免烟气的蔓延。

下行线和停车线之间不设置隔墙时，该段区间断面面积较大，在通风量一定的情况下，可能难以达到火灾工况下2m/s的临界排烟风速要求，而不设置隔墙可以减小土建工程量。因此需对在该区间发生阻塞和火灾时，下行线区间内的温度和断面风速情况进行模拟分析，比较两种土建方案的优劣，进而综合考虑确定是否需要设置隔墙。

1.1.2方案SES模拟

该区间的通风方案为车站站端各设置2 条机械风井，每条风井内各设置1 台可逆转的隧道风机(TVF) ，其中一台TVF风机兼做车站UO排热风机，单台风机最大风量为60 m3/s，在该区间的左右线各设置两组射流风机，每组两台，射流风机最大风量42120m3/h，推力437N，全线同一时间只考虑一个事故点，隧道风机和射流风机布置如图2所示。

图2　风机布置示意图

风机运行模式为：当列车在下行区间发生阻塞时，B车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联送风，A车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联排风，关闭A、B两站UO(排热)风机，射流风机由B站向A站方向送风；列车头部区域着火时，B车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联送风，A车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联排风，关闭A、B两站UO(排热) 风机，射流风机由B站向A站方向送风；列车尾部区域着火时，B车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联排风，A车站大里程和小里程端机械风井内的2 台TVF 风机并联送风，关闭相邻两站UO(排热) 风机，射流风机由A站向B站方向送风。图3和图4分别是下行线线和停车线之间不设置隔墙和设置隔墙时的通风示意图。

图3　左线和停车线之间不设置隔墙

图4　左线和停车线之间设置隔墙

根据风机运行模式，分别对列车在下行区间发生阻塞，车头区域着火，车尾区域着火三种工况时，区间的温度和风速进行情况模拟，模拟结果如表1所示。

表1　SES模拟结果

1.1.3模拟结果分析

在现有通风方案情况下，对下行线和停车线之间设置隔墙和不设置隔墙的两种土建方案进行了分析比较。根据SES模拟结果，在设置隔墙时，阻塞工况下区间的温度略微高于不设置隔墙情况的区间温度，而在火灾工况下区间风速大于不设置隔墙的区间情况下的区间风速；下行线和停车线之间设置隔墙和不设置隔墙，当列车在该区间发生事故时，均可以满足阻塞工况下的温度要求和火灾工况通风排烟临界风速要求。因此两种方案都是可取的，但是从线路和土建条件，以及安全、技术、经济上综合比较投资，下行线线和停车线之间不设置隔墙的方案是最优方案，可以减少土建工程量，节省建设投资。

1.2SES在地铁典型区间环控系统设备布置位置中的应用

1.2.1工程概况

该工程为某地铁的延伸线工程，共一站一区间，为地下站，A站为该地铁线路的起始站，区间长度1198m，该区间线路示意图如图5所示。

图5　区间线路示意图

在该区间中部各有一条停车线分别与上下行线相连。该区间环控系统通风方案为，在上下行线分别设置两组射流风机，每组两台，上下行线的一组射流风机设置在断面A处（图5），另外一组射流风机设置在上下行线的断面B或者断面C处（图5），B处断面面积为25m2，C处断面面积为44.97m2。根据现场的施工条件，由于B处有其他设备和管线，高度和空间有限，造成射流风机安装受到限制，而C处则断面面积较大。射流风机分别安装在B和C断面处，当列车在该区间发生阻塞和火灾时，是否可以满足规定温度和风速要求，需要进行分析研究，从而再结合现场条件，综合考虑确定射流风机的最优安装位置。因为该区间内停车线存在区段的断面面积最大，此处发生火灾时，人员疏散要求的2.0m/s临界风速也最难到达，为最不利点，因此假设列车在该段区间内发生事故。

1.2.2方案模拟

该区间的通风方案为车站大里程和小里程站端各设置2 条机械风井，每条风井内各设置1 台可逆转的隧道风机(TVF)，单台风机的最大风量为60 m3/s，在该区间的上下行线各设置的两组射流风机，单台射流风机最大风量42120m3/h，推力437N，全线同一时间只考虑一个事故点。图6和图7分别是射流风机设置在断面B和断面C处时的区间通风示意图。

风机运行模式为：当列车在停车线区段发生阻塞时，后方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联送风，前方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联排风，关闭相邻两站UO(排热) 风机，列车行驶线路上的两组射流风机由后方车站向前方车站方向送风；列车头部区域着火，后方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联送风，前方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联排风，关闭相邻两站UO(排热) 风机，列车行驶线路上的两组射流风机由后方车站向前方车站方向送风；列车尾部区域着火，后方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联排风，前方车站大里程和小里程端机械风井内的2台TVF 风机并联送风，关闭相邻两站UO(排热) 风机，列车行驶线路上的两组射流风机由前方车站向后方车站方向送风。

图6　射流风机布置在断面B处

图7　射流风机布置在断面C处

表2　SES模拟结果

1.2.3结果分析

利用SES软件分别对射流风机设置在上下行线区间断面B和断面C时，区间的温度和风速情况进行模拟分析,根据表2的模拟结果可知两种方案，当列车在该区间发生阻塞和火灾时，均可以满足阻塞工况下的温度要求和火灾工况通风排烟临界风速要求。当射流风机设置在断面B处时,在列车发生阻塞时,区间断面风速高于射流风机设置在断面C处的风速,区间温度则低于后一种方案,当列车在该区间发生火灾时,通风排烟风速也高于射流风机设置在断面C处时的风速。即从保证事故工况情况下区间温度和通风排烟临界风速角度考虑，将射流风机设置在断面B处是最佳方案。但是从射流风机的现场安装施工条件以及以后的检修维护方面综合考虑，将射流风机设置在C处是最优方案。