Wentylacja wybranych obiektów podziemnych

Transkrypt

1 Wentylacja wybranych obiektów podziemnych Wykład 4 Zagrożenia w tunelach komunikacyjnych Prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat Mgr inż. Sebastian Napieraj Mgr inż. Natalia Schmidt - Polończyk rok akademicki: 2015/2016, semestr zimowy

2 Zagrożenia w tunelach Wybuch pożaru Przekroczenie stężeń szkodliwych gazów Wyciek toksycznych substancji Zalanie wodą Wypadek pojazdu/ów Trzęsienie ziemi

3 ZANIECZYSZCZENIA W TUNELACH 3

4 Problem zanieczyszczeń w tunelach szkodliwe gazy emitowane przez poruszające się pojazdy samochodowe lub szynowe, nadmierne wydzielanie się ciepła i wilgoci, pyły, wieloma innymi substancjami szkodliwymi wydzielającymi się podczas pożaru, długie tunele oraz powstające zatory.

5 Zanieczyszczenia w tunelach drogowych Spaliny w tunelu są rezultatem pracy silników samochodowych, w których następuje zamiana energii chemicznej na mechaniczną. Za podstawowe substancje zanieczyszczające atmosferę, emitowane przez silniki spalinowe uważa się: tlenek węgla CO, węglowodory CxHy, przy czym dotychczas w spalinach zidentyfikowano ponad 1000 różnych związków węgla z wodorem, aldehydy R C H O, z których największe stężenie posiada formaldehyd - najlżejszy związek z grupy aldehydów nasyconych, sadza C, tlenki azotu NOX, przy czym tym ogólnym określeniem jest objęty tlenek azotu NO wywiązujący się w komorze spalania w wysokich temperaturach w wyniku reakcji tlenu z azotem, oraz dwutlenku azotu NO2 powstającego w wyniku utleniania tlenku azotu, 5 dwutlenek siarki SO2.

6 Przeciętny ilościowy skład gazów spalinowych silników z zapłonem samoczynnym 6

7 Skład procentowy spalin silnika wysokoprężnego 7

8 Zanieczyszczenia w tunelach drogowych Najbardziej niebezpiecznym składnikiem dla zdrowia i życia ludzkiego jest tlenek węgla (CO) produkt niecałkowitego spalania węgla. Tlenek węgla działa bardzo toksycznie na organizm ludzki, głównie z powodu wysokiej zdolności wiązania się z hemoglobiną zawartą w krwi ( ok. 250 razy większej od tlenu), co w konsekwencji powoduje blokadę transportu tlenu z płuc do tkanek i jest powodem niedotlenienia, a w konsekwencji śmierci. Ze względu na mniejszą gęstość od powietrza tlenek węgla w pomieszczeniach zamkniętych gromadzi się w górnych obszarach, jednak w spalinach CO występuje w mieszaninie z CO2 co powoduje, że sumaryczna gęstość spalin jest większa od powietrza i prowadzi do kumulacji spalin w dolnych obszarach pomieszczenia. Przy zapewnieniu warunków granicznej wartości zawartości CO, zawartość innych szkodliwych składników spalin spada poniżej dopuszczalnej normy. 8

9 Problem zanieczyszczeń w tunelach Emisja spalin wynikająca z ruchu pojazdów związana jest m.in. z: natężeniem i płynnością ruchu, typem silnika przejeżdżających przez tunele samochodów ich stanem technicznym, rodzajem paliwa, ukształtowaniem trasy..

10 Wymagania prawne Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. Według wytycznych omawianego aktu system wentylacji w tunelu powinien przeciwdziałać przekroczeniom stężeń zanieczyszczeń pyłowych i gazowych, które mogą zagrażać użytkownikom tunelu oraz zapewnić właściwą widoczność i temperaturę w przestrzeni tunelu. Wybór prawnego systemu wentylacji przewidzianej dla odprowadzania zanieczyszczonego powietrza uzależniony jest m.in. od długości tunelu. Dobór parametrów wentylacji powinien zostać określony na podstawie stężenia określonego ułamkiem molowym tlenku węgla i tlenku azotu w powietrzu tunelu oraz emisji dymów ograniczających widoczność.

11 Dopuszczalne stężenie określone ułamkiem molowym tlenku węgla w powietrzu

12 Dopuszczalne graniczne wartości współczynnika widoczności i komfortu jazdy

13 Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z wentylacją mechaniczną wzdłużną

14 Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z systemem wentylacji poprzecznej pełnej

15 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelach drogowych Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelu jest realizowana ze względu na zapewnienie dobrych warunków widoczności, odpowiedniej jakości powietrza podczas eksploatacji tunelu oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń usuwanych z powietrzem z tunelu do atmosfery. Problem oczyszczania powietrza wyemitowanego z tuneli jest od szeregu lat przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców. Problem zanieczyszczenia powietrza wydostającego się z portali drogowych po raz pierwszy dostrzeżono w Japonii. W okolicach wylotów tuneli koncentracja zanieczyszczeń powietrza przekraczała dopuszczalne wartości, a tym samym wpływała na warunki życia mieszkańców. Po raz pierwszy urządzenie filtrujące zainstalowane zostało w roku 1979 w tunelu Tsuruga o długości 2,1 km w ciągu drogi ekspresowej Hokuriku. W latach osiemdziesiątych instalacje oczyszczające powietrze zastosowano w 12 kolejnych tunelach japońskich.

16 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych - cząstek pyłu sadzy i dymów w tunelu przeprowadza się z wykorzystaniem filtrów elektrostatycznych (ESP). Proces oczyszczania powietrza można podzielić na trzy etapy: ładowanie cząstek zanieczyszczeń wykorzystując wysokie napięcie, naładowane cząstki zanieczyszczeń gromadzone są na elektrodach, cząstki usuwane są z powierzchni elektrod. Usuwanie nagromadzonych cząstek z powierzchni elektrod, tj. cząstki pyłu, paliw i sadzy, trudnych do usunięcia odbywa się zazwyczaj poprzez okresowe spryskiwanie wodą, tzw. mokre ESP lub przedmuch sprężonym powietrzem, tzw. suche ESP.

17 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych Elektrody budowane są w dwóch sekcjach. Pierwsza sekcja to tzw. sekcja ładowania, w której jak najszybciej realizowany jest proces ładowania cząstek stałych ładunkiem elektryczny. W drugiej sekcji występuje zjawisko zbierania, przyciągania cząstek przez elektrody siłami 17 Columba

18 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych Konstrukcja elektrod elektrofiltra stosowanego w tunelach komunikacyjnych 18

19 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych Urządzenia ESP stosowane w tunelach komunikacyjnych zostały przystosowane do pracy w specyficznych warunkach poprzez zaprojektowanie elektrod potrzebujących mało miejsca wykonanych z płyt ze stali nierdzewnej o grubości 0,4mm. Usuwanie nagromadzonych cząstek z powierzchni elektrod, tj. cząstki pyłu, paliw i sadzy, trudnych do usunięcia odbywa się poprzez: - okresowe spryskiwanie wodą, tzw. mokre ESP, - przedmuch sprężonym powietrzem, tzw. suche ESP. Skuteczność oczyszczania powietrza zależy głównie od prędkości powietrza, składu zanieczyszczeń, wielkości cząstek ich koncentracji. Obecnie stosowane urządzenia filtrujące charakteryzują się % wydajnością. 19

20 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych proces neutralizacji zanieczyszczeń gazowych odbywa się w specjalnych filtrach, technologie usuwania NOx wymagają oczyszczenia powietrza z cząstek stałych z powietrza przed procesem nautralizacji (stosowane zazwyczaj w zatłoczonych obszarach miast), jedna z metod usuwania dwutlenku azotu to absorpcja, czyli wchłanianie poprzez chemiczne przekształcanie go w KNO 2 i KNO3 przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym, inna metoda neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach komunikacyjnych wykorzystuje materiał przypominający plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem nasączonym Na2SO4 następuje neutralizacja NO2.

21 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych Metoda usuwania dwutlenku azotu - absorpcja, polega na wchłanianiu poprzez chemiczne przekształcanie w KNO2 i KNO3 przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym. Materiałem pochłaniającym jest porowata struktura z węglem aktywnym nasycona wodorotlenkiem potasu. Po okresie eksploatacji konieczna jest regeneracja materiału pochłaniającego dwutlenek azotu. Nagromadzona sól potasowa jest zmywana wodą. Wodorotlenek potasu, który nie brał udziały w reakcji neutralizacji NO2 jest neutralizowany za pomocą HCL. Natomiast w biologicznym procesie odazotowanie powstałe sole są neutralizowane do dwutlenku węgla i azotu. Materiał absorpcyjny zanim ponownie zostanie wykorzystany do neutralizacji dwutlenku azotu jest ponownie nasycany wodorotlenkiem potasu. Proces absorpcyjnej neutralizacji dwutlenku węgla odbywa się w temperaturze otoczenia przy ciśnieniu atmosferycznym. 21

22 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych Inną metodą neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach komunikacyjnych jest wykorzystanie materiału przypominającego plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem nasączonym Na2SO4 następuje neutralizacja NO2[29]. Wydajność obu systemów uzależniona jest od okresowej regeneracji substancji absorbującej i adsorbującej. Technologie usuwania dwutlenku azotu charakteryzują się wysoką efektywnością w granicach 90% przy niewielkim spadku ciśnienia. 22

23 Neutralizacja zanieczyszczeń powietrza w tunelach komunikacyjnych Możliwe jest także powiązanie oczyszczania powietrza z wyniesieniem wyrzutni na znaczną wysokość. Tego typu rozwiązanie znalazło zastosowanie między innymi w tunelu w Oslo, gdzie powietrze jest usuwane dwiema wyrzutniami o wysokościach 20 i 30 m oraz dodatkowo oczyszczane z pyłów. Problem oczyszczania powietrza wyemitowanego z tuneli jest od szeregu lat przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców. 23

24 Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie Tunel Hai Van Pass, Wietnam długość 6,3 km i wymiary 11,5x7,5m, odcinek autostrady łączącej prowincję Thua Thien z Danang w centrum Wietnamu, w tunelu głównym znajdują się dwa pasy ruchu, wzdłuż biegnie tunel konserwacyjno-ewakuacyjny połączony z tunelem głównym za pomocą jedenastu korytarzy, w tunelu zastosowano system wentylacji wzdłużnej z szybem zlokalizowanym w środkowej części tunelu, przy stropie tunelu umieszczono system 32 wentylatorów typu Jet-Fan wywołujących wzdłużny ruch powietrza w tunelu, w tunelu zainstalowano system oczyszczania powietrza z cząstek stałych składający się z trzech kawern o długości 153 m wyposażonych w dwa wentylatory o średnicy 2600 mm i wydajności 260 m3/s każda, wentylatory zasysają powietrze kierując je do oczyszczalnia przez filtr elektrostatyczny, na którym osadzają się cząstki stałe. Wydajności systemu wynosi 80%.

25

26 Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie Tunel Leardal w Norwegii długość m, łączy obszar Bergen z północną Norwegią, wyposażony w specjalny system oczyszczający powietrze z cząstek stałych sadzy i kurzu za pomocą dwóch elektrofiltrów, zlokalizowanych w specjalnych kawernach o długości 100 m oddalonych 9,5 km od Aurland, Elektrofiltry zabezpieczone są poprzez filtr wstępny, składający się z 450 metalowych komór filtracyjnych o wymiarach 600x600x50 mm wykonanych z 20 warstw, Powietrze oczyszczane jest z dwutlenku azotu w specjalnym filtrze. Dzięki zastosowaniu systemu oczyszczania możliwe jest zmniejszenie prędkości przepływu powietrza z 5 m/s na 4 m/s. Sprawności systemu oczyszczania wynosi 80-90%, wydajność oczyszczania 180m3/s przy zapotrzebowaniu na moc cieplną 360 kw,

27 system wentylacji kontrolowany jest w oparciu o pomiary jakości powietrza i w zależności od potrzeby następuje intensyfikacja wymiany powietrza lub jego filtracja w stacji uzdatniania powietrza, tunel przewietrzany jest za pomocą wentylacji wzdłużnej, posiada stację wentylatorową zasysającą zużyte powietrze, stacja wyposażona jest w dwa wentylatory o średnicy 2984 mm i łącznym wydatku 430 m3/s, w tunelu zamocowano 32 wentylatory strumieniowe o średnicy 1594 mm rozlokowane w pięciu grupach, zanieczyszczenia wywiewane są na szczyt góry Tynjadalen za pomocą tunelu technicznego o długości ok m.

28 Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie

29 Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie

30 Schemat filtra ECCO do oczyszczania cząstek stałych firmy AIGNER 30

31 Filtry w tunelu M-30 w Madrycie Filtry ECCO na jednym z odcinków tunelu M-30 w Madrycie 31

32 Filtry w tunelu M-30 w Madrycie Instalacja filtórw ECCO + ECCONOxCAT na odcinku By-Pass Tunel PV3 32

33 Filtry w tunelu M-30 w Madrycie Jonizator ze stali nierdzewnej do ładowania cząstek stałych 33

34 Tunel M-30 w Madrycie 34

35 POŻARY W TUNELACH 35

36 Przyczyny powstania pożaru w tunelu następstwo kolizji lub wypadku, przeniesienie się pożaru z innego źródła, zwarcie instalacji elektrycznej, nieodpowiednie obchodzenie się z materiałami łatwopalnymi, samozapłon przewożonego towaru, podpalenie, przegrzanie się systemu hamulcowego,

37 Skutki pożarów w tunelach komunikacyjnych rozprzestrzenianie się w tunelu zadymienia, brak widoczności, wysokie temperatury, przekroczenie dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń stałych i gazowych, uszkodzenie obudowy tunelu, wydzielanie się innych substancji szkodliwych wydzielających się podczas pożaru. 37

38 Pożary na świecie wybrane przykłady POŻAR W TUNELU Konsekwencje Pojazd w Czas którym Prawdopodobna trwania zauważono przyczyna pożaru pożaru pożar Rok Długość tunelu m 1994 Huguenot Południowa Autobus z 45 Zwarcie instalacji m Afryka pasażerami elektryczne i pożar 1999 Mont 24. Blanc marzec m Kraj FrancjaWłochy Samochód ciężarowy z płynną margaryną Wyciek oleju z silnika i pożar 2000 Wielka 18 Eurotunel Brytania listopada Francja Wyciek oleju z samochód silnika samochodu ciężarowy i pożar St Gotthard A2 24. Oct m Szwajcaria Zderzenie czołowe dwóch Samochód samochodów ciężarowy ciężarowych i pożar 1h - 7h 2 dni Konsekwencje w ludziach Zniszczone pojazdy Obudowa tunelu i instalacje 1 ofiara śmiertelna 28 poszkodowanych 1 autobus Poważne uszkodzenie tunelu 39 ofiar śmiertelnych 23 samochody ciężarowe Poważne 10 uszkodzenie samochodów Tunnel osobowych otwarty 1 motocykl 2 samochody straży pożarnej - 10 Zatrzymanie samochodów, ruchu przez 7 uszkodzenie godzin tunelu 11 ofiar śmiertelnych 13 Poważne samochodów uszkodzenie. ciężarowych Tunelu, 4 vany zamknięty za 6 samochodów dwa miesiące osobowych

39 Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc Tunel Mont Blanc został zbudowany w latach o długość m, jako tunel z jedną jezdnią dwupasmową i ruchem dwukierunkowym (w każdą stronę). Przez tunel prowadzi najkrótsza droga z Paryża do Rzymu. Z tego względu obsługuje on około 50 % transportu kołowego między Francją i Włochami. 39

40 Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc 24 marca 1999 roku w tunelu doszło do katastrofy. Belgijska ciężarówka Volvo znajdująca się w tunelu w odległości około 7 km od francuskiego portalu stanęła w płomieniach, blokując ruch na jednym pasie jezdni. Powodem wybuchu pożaru był żarzący się niedopałek papierosa w filtrze powietrznym samochodu. Dopiero po 9 minutach w tunelu zapaliły się czerwone światła alarmowe w związku z tym przez ten czas samochody jechały w kierunku pożaru. Pożar szybko rozprzestrzeniał się z pojazdu na pojazd. Tunel został bardzo silnie zadymiony. Gęsty dym uniemożliwiał orientację i prowadzenie obserwacji przez kamery. Temperatura osiągnęła nawet C. Dla uwięzionych w samochodach ludzi, a także tych, którzy usiłowali dostać się do przejść ewakuacyjnych nie było ratunku. Po zwiększeniu wydatku powietrza sytuacja uległa jeszcze pogorszeniu. Przez kolejne trzy dni z obu stron tunelu wydobywał się dym. W katastrofie zginęło 39 ludzi, spłonęło 7 samochodów ciężarowych i około 20 samochodów osobowych. Tunel został zamknięty na okres 3 lat. 40

41 Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc Przebieg pożaru Wielkość ruchu w tunelu wynosiła 150 sam/godzinę (50% ciężarowych); Prędkość jazdy pojazdów w tunelu ok. 60 km/h; Belgijska ciężarówka (chłodnia) była załadowana mąką i margaryną a także posiadała materiały palne w zbiorniku pojazdu 1000 l oleju napędowego; Kontrola samochodów i ładunku przeprowadzona przez francuską policję, nie wykazała nic szczególnego; 41

42 Pożar w tunelu drogowym Gotthard Tunel Alp Transit Gotthard jest jednym z głównych drogowych punktów tranzytowych między północą i południem Alp. Został otwarty w 1980 roku. Jego długość wynosi m. Każdego dnia tunelem przejeżdżało średnio pojazdów. 24 października 2001 r. wybuchł pożar 2 km od południowego wjazdu do tunelu. Przyczyną pożaru było zderzenie dwóch ciężarówek. Ogień rozszerzył się na długości kilkuset metrów. Zawaliła się część sklepienia tunelu. Tunel uległ zadymieniu, temperatura ogniska pożaru sięgała ponad C. Ratownicy gasząc pożar, zdołali obniżyć temperaturę do 200 0C. Po wystąpieniu pożaru natychmiast podjęto akcję ewakuacji ludzi z tunelu. Większość użytkowników zdołała sama opuścić tunel, zawracając samochody albo uciekając do biegnącego równolegle tunelu ewakuacyjnego. Wiele osób zostało rannych lub zmarło z powodu zatrucia gazami toksycznymi (11 osób). W skutek uszkodzeń powstałych w czasie pożaru tunel został zamknięty na kilka miesięcy. 42

43 Pożar w Eurotunelu Pożar w Eurotunelu wybuchł 18 listopada1996 r., kiedy pociąg wahadłowy wjechał do tunelu ze składem wagonów. W nich zapalił się samochód. 43

44 Pożar w Eurotunelu Rozwój pożaru 1. Ogień pożaru został przeniesiony w czasie jazdy do sąsiednich wagonów, 2. Temperatura pożaru osiągnęła 1000 ºC; 3. Pożar spowodował poważne uszkodzenia 46 m tunelu w miejscu, gdzie nastąpiło zatrzymanie pociągu, a zasięg różnych uszkodzeń objął dalsze 500 m. 44

45 Spalony wagon po pożarze w Eurotunelu 45

46 Pożar w tunelu Gleinalm 6 Sierpień 2001 Austria. Po zderzeniu czołowym samochodu ciężarowego z osobowym. W wyniku pożaru 5 osób uległo wypadkom śmiertelnym, a cztery wypadkom ciężkim. 46

47 Pożar w tunelu Frejus 4 czerwca 2005 we Francji W tunelu Frejus (13 km) ciężarówka przewożąca opony zapaliła się. Dwie osoby zginęły siedem zatruło się tlenkiem węgla. 47

48 Pożar w tunelu Wisłostrada r. - tunel, którym przebiega odcinek Wisłostrady został zablokowany po tym, jak w tunelu zapalił się samochód. Tunel został zamknięty, ponieważ doszło do dużego zadymienia. 48