Специалисты рекомендуют использовать потенциал российской экономики в обеспечении морской добычи углеводородов для ледовых условий Арктического шельфа в области автономной атомной энергетики с учетом требований охраны окружающей среды.
Однако при попытке обоснования широкого использования автономной малой атомной энергетики возникают две неразрешенные проблемы: отсутствие малогабаритных, легко транспортируемых атомных реакторов малой мощности (мощностью до 5 МВт), а также большой вес и габариты таких реакторов; высокие требования к профессиональным навыкам персонала, который подготовлен и допущен к эксплуатации атомных реакторов. Сама классификация атомной энергетики и анализ разработанных и введенных в эксплуатацию атомных реакторов малой мощности свидетельствует о том, что экономическая целесообразность и экологическая безопасность производства и эксплуатации атомных реакторов как источников энергии мощностью менее 10 МВт спорна (согласно классификации МАГАТЭ, к малым относятся реакторы электрическая мощность которых не превышает 300 МВт)
Следующая проблема – выбор способа передачи энергии от источника к потребителю. Как правило, проектируются и реализуются два способа: первый - передача энергии через электрические сети; второй - передача энергии через водопроводные тепловые сети. Недостаток первого способа заключается в том, что при передаче от источника до потребителя энергии может теряться до 30% энергии, и это не считая потерь связанных с трансформацией энергии из электрической в тепловую. Основной недостаток второго способа связан с тем, что в тепловых сетях, как правило, используется вода с температурой не более 150ºС и поэтому диаметр трубопроводов в тепловых сетях находится в пределах от 300 до 1400 мм. Прокладка и тепловая изоляция трубопроводов тепловых сетей такого диаметра в условиях Арктики сложна и требует больших материальных затрат.
Преодолеть недостатки традиционных технических решений при обеспечении безопасности объектов добычи, транспортировки и переработки природных ресурсов в условиях Арктики можно, если использовать уникальные свойства воды при давлении и температуре близких к критическим параметрам (22,1 МПа и 374°С). В таблице 1 приведены свойства воды, которые иллюстрируют эту возможность при повышении давления и температуры. А в таблице 2 данные, которые свидетельствуют о том, что передача воды с температурой от 170 до 250°С и давлением не более 10,0 МПа уже реализована для тушения пожаров и ликвидации ЧС при использовании предлагаемой технологии.
Энергия, которую вода может передавать на расстояние, существенно зависит от ее температуры и давления. Например, при увеличении температуры воды с 100 до 250°С удельная энтальпия воды увеличивается с 426,6 до 1085,8 кДж/кг (таблица 1), а удельная мощность, передаваемая через 1 мм2 поперечного сечения трубопровода или гибкого шланга увеличивается с 3,476 до 8,848 кВт/мм2 (таблица 3). Если учесть, что при этом динамическая вязкость воды уменьшается с 2,82×10-4 до 1,06×10-4 кг/(м∙с), т.е. уменьшается в 2,66 раз, то становится очевидной энергоэффективность передачи воды с температурой более 250°С и давлением выше давления насыщенных паров при данной температуре. Расчеты показывают, что для передачи 2 МВт тепловой энергии водой с температурой 250°С и давлением не более 10,0 МПа на расстояния до 2000 метров и высоту до 300 метров потребуются трубопроводы или гибкие шланги с внутренним диаметром не более 25-32 мм.
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Технология получения, передачи и использования воды с температурой 250°С и давлением не более 10,0 МПа уже отработана и успешно используется в подразделениях МЧС России и пожарных частях Республики Казахстан. Разработка этой технологии началась более 25 лет, начиная с 1990 года [1], это научное направление явилось новой парадигмой использования и развития аварийно-спасательных технологий, разработанных Академией ГПС МЧС России и ООО «Аква-ПиРо-Альянс» в интересах МЧС России. В 2007 году в Академии ГПС МЧС России совместно с ООО «Аква-ПиРо-Альянс» была начата разработка многоцелевого пожарно-спасательного автомобиля с установкой пожаротушения температурно-активированной водой. Ученые Академии совместно со специалистами ООО «Аква-ПиРо-Альянс» разработали и изготовили пожарно-спасательный автомобиль с установкой пожаротушения температурно-активированной водой АПМ 3-2/40-1,38/100-100 (43118) мод.ПиРо3-МПЗ, который с 2008 года успешно эксплуатируется в подразделениях МЧС России.
Различные метастабильные фазовые состояния ВС при использовании АПМ достигаются после создания условий для взрывного вскипания ВС и последующей нуклеации и коагуляции паро-капельной смеси, полученной в результате взрывного вскипания. Для среды, полученной после взрывного вскипания ВС введен термин температурно-активированная вода.
Температурно-активированная вода (ТАВ) - паро-капельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода (за время 10-9 – 10-4 с) недогретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания. Состав ТАВ – недогретый пар и капли воды размером 0,01-10,0 мкм. Диаметр большинства капель воды составляет 0,1-5,0 мкм, поэтому струи ТАВ витают в воздухе и долго не осаждаются (20-40 минут), огибают без осаждения препятствия, не оседают на вертикальных и горизонтальных плоскостях, даже при подаче на горизонтальные поверхности стремятся вверх. Струи ТАВ могут быть использованы для тушения практически всех видов горючих веществ, которые не вступают в химическую реакцию с водой с выделением большого количества тепла или горючих газов.
В соответствии с Приказом от 14 мая 2009 года № 298 автомобиль пожарный многоцелевой АПМ 3-2/40-1,38/100-100(43118) мод. ПиРо3–МПЗ (рис.1) поставлен на снабжение пожарных подразделений МЧС России. Успешное применение АПМ при тушении пожаров и ликвидации ЧС позволили представить инновационную разработку Академии В.В. Путину (рис.2) на совещании в Академии ГЗ МЧС РФ в ноябре 2010 года.
РИС. 1. АПМ 3-2/40-1,38/100-100(43118) мод. ПиРо3 – МПЗ на Саяно-Шушенской ГЭС
РИС. 2. Демонстрация технологии ТАВ В.В. Путину
В феврале 2010 года АПМ была успешно использована при ликвидации обледенения Саяно-Шушенской ГЭС. К моменту прибытия АПМ общий объем снежно-ледяной массы на пере разделительного устоя составлял не менее 330 тонн. АПМ за минимально возможные сроки (четыре дня) 07 февраля был доставлен на Саяно-Шушенскую ГЭС (СШГЭС) и сразу же с утра 08 февраля приступил к работе.
Технология разрушения снежно-ледяной массы температурно-активированной водой принципиально отличается от ранее применявшихся технологий борьбы с обледенением. Сущность технологии заключается в следующем.
В АПМ вода из водопроводной сети нагревается до температуры 160-200ºС под давлением до 4,0 МПа (40 атм.). На выходе из АПМ – недогретая вода, которая при расходе воды до 2 л/с переносит к месту разрушения обледенения до 1,5 МВт тепловой энергии. По специальным шлангам или металлической трубе недогретая вода подается к специальным стволам-распылителям (рис. 3), выходя из которых происходит взрывное вскипание недогретой воды и формируется струя температурно-активированной воды (ТАВ).
Задача промышленных альпинистов сводится к отделению снежно-ледяной массы струями ТАВ (рис. 4) от бетонного массива и подачи ТАВ для того, чтобы снежно-ледяной массив не примерз к бетону снова. Это удается за счет того, что ТАВ не замерзает при температурах до минус 40ºС продолжительное время (один час и более). В это же время ствол-пика длиной 5-6 метров прошивает снежно-ледяной массив и струя ТАВ создает внутри обледенения полость, внутри которой идет интенсивное образование облака ТАВ. При этом сам снежно-ледяной массив изолирует облако ТАВ от внешней среды и вся подаваемая энергия 1,5 МВт разрушает обледенение.
РИС. 3. Подача недогретой воды от АПМ к специальным стволам-распылителям
РИС. 4. Подача струй ТАВ в снежно-ледяную массу
В результате наступает момент, когда давление, температура и фликкер-шум после взрывного вскипания воды приводят к разрушениям внутри обледенения, которые разрывают снежно-ледяной массив (рис.5). Принципиально важным оказался эффект разрушения снежно-ледовых масс на мелкие фрагменты, что обеспечило сохранность конструкций при падении льда (рис. 6). Для реализации технологии была организована круглосуточная работа АПМ. В результате работы разрушение снежно-ледяного массива была осуществлена за 2,5 суток. Использование технологии по удалению ледовых образований ТАВ, позволило избежать повторного обледенения, так как скорость разрушения снежно-ледовых масс превысила скорость их нарастания, которая составляла 50-70 см в сутки.
РИС. 5. Результат разрушения снежно-ледовой массы
РИС. 6. Фрагменты снежно-ледовой массы после падения
Дальнейшая разработка технологии разрушения снежно-ледовых масс велась сотрудниками Академии ГПС МЧС России совместно с подразделениями Агентства государственной противопожарной службы и гражданской защиты Архангельской области (АГПС и ГЗ Архангельской области). В результате этой работы была отработана технология разрушения затопленного водой льда. Технология успешно используется для разрушения ледовых полей на реках Архангельской области перед паводком (рис. 7, 8).
РИС. 7. Разрушение затопленного водой льда
РИС. 8. Разрушение льда возле опоры моста
Поэтому можно с уверенностью утверждать, что учеными Академии ГПС МЧС России совместно со специалистами АГПС и ГЗ Архангельской области разработана и практически протестирована экологически безопасная технология разрушения снежно-ледовых масс, которая с успехом может быть использована в Арктических условиях на объектах добычи, транспортировки и переработки природных ресурсов.
Дальнейшее совершенствование технологии при создании многоцелевых мобильных модулей позволит не только эффективно разрушать ледовые образования, но и эффективно обеспечивать очистку от углеводородных загрязнений без использования ПАВ (рис. 9, 10), обеспечивать пожаровзрывобезопасность и энергообеспечение объектов добычи, транспортирования и переработки углеводородов.
Многочисленные исследования и проведенные практические испытания в декабре 2011 и январе-феврале 2012 года на пилонах М6 и М7 моста, строящегося на остров Русский г. Владивосток доказали, что при работе установки получения температурно-активированной воды от трехплунжерного насоса с давлением не менее 10,0 МПа возможна подача недогретой воды по гибким трубопроводам для получения струй ТАВ на высоте до 300 метров [2-4].
РИС. 9. Фрагмент железнодорожной цистерны до очистки струями ТАВ
РИС. 10. Фрагмент железнодорожной цистерны после очистки струями ТАВ
Теплоэнергетическая установка получения ТАВ позволяет пожарным подразделениям реализовать принципиально новые возможности при тушении пожаров и ликвидации аварий [2-9] : обеспечение как поверхностного, так и объёмного пожаротушения при подаче ТАВ от передвижной пожарно-спасательной техники; тушение широкого перечня горючих материалов за счёт применения ТАВ, без использования 4–5 видов огнетушащих веществ; уменьшение расхода огнетушащего вещества по сравнению с традиционными методами пожаротушения; эффективное осаждение дыма и быстрое уменьшение температуры на месте пожара; снижение взрывоопасной концентрации паров нефтепродуктов внутри замкнутого объёма (резервуара, цистерны, технологической установки) и на открытом пространстве (локальное тушение по объему); очистку поверхностей от нефтепродуктов путем растворения ТАВ без добавления ПАВ; тушение пожаров высотных объектов с помощью передвижной пожарной техники; тушение пожаров в тоннелях с помощью передвижной пожарно-спасательной техники без заезда внутрь тоннеля; получение ТАВ на расстоянии от АПМ до 2000 метров; возможность обеспечения электроэнергией и теплом промышленных площадок, зданий и сооружений по временной схеме; обеспечение работоспособности пожарной техники в зимних условиях при низких температурах.
Исследования поведения ТАВ в воздухе и её конденсата показывают, что это огнетушащее средство, по сравнению с водопроводной водой и водой из водоёмов, обладает двумя свойствами: отсутствие раздражающего действия на глаза и кожу и коррозионной активности. ТАВ безопаснее воды, поступающей в водоприёмник из водопровода или поверхностных водоёмов. В то же время необходимо учитывать, что паро-капельная смесь, имеющая значение рН = 6,5, может способствовать растворимости некоторых продуктов горения. В ней могут растворяться кислые газы (СО2, НCl, NO2), углеводороды, содержащие гидрофильные группы (СООН–, СНО–, ОН–, и др.), проявляющие себя в воде как слабые электролиты. По некоторым данным, эти соединения способны оказывать косвенное влияние на растворимость других продуктов горения, которые являются неэлектролитами (диоксины, БаП и др.). Это явление основано на том, что продукты горения, являющиеся электролитами (органические спирты, кислоты, амины и неорганические кислоты), образуют при растворении сольваты и связывают молекулы воды. Таким образом, по экологическим критериям использование ТАВ для ликвидации пожаров и аварий в Арктических условиях с легко ранимой природной средой целесообразно [10].
Фактически в России разработана технология получения принципиально нового огнетушащего вещества и способа пожаротушения, а также способов ликвидации ЧС. Основное достоинство технологии – ее многофункциональность.
Однако уникальные возможности АПМ - максимальные значения температуры и давления, которые в АПМ достигаются перед соплом-распылителем для получения эффекта взрывного вскипания - оказались ограничены нормами, действовавшими на момент разработки АПМ, и материалами, которые были доступны при ее создании. Предлагаемая стратегия по дальнейшему развитию технологии позволит расширить возможности использования АПМ по обеспечению пожаровзрывобезопасности объектов добычи, транспортировки и переработки природных ресурсов в Арктике. Так как в предлагаемых к созданию многоцелевых мобильных модулях массовая доля пара, полученного из единицы массы воды, в пять раз больше чем от воды, поданной от АПМ, то ее эффективность технологии при пожаротушении объемным способом за счет флегматизации пламени паровой фазой воды будет в пять раз лучше, чем у АПМ.
Исследования показали, что энергетическая эффективность предлагаемой технологии по сравнению с технологией АПМ будет выше как минимум в 2,24 раза. Дальнейшее улучшение энергетической эффективности предлагается достичь за счет увеличения давления и температуры воды до параметров близких к критическим (22,1 МПа и 374°С). Для этого вода с температурой до 100°С поступает в насос, создающий избыточное давление не менее 22,1 МПа. Далее вода поступает в водотрубный прямоточный котел, в котором за счет высокой температуры топочных газов в межтрубном пространстве нагревается до температуры ниже температуры на кривой насыщения при созданном насосом давлении. На выходе из теплообменника получается недогретая до вскипания вода (в литературе часто используют термин – перегретая вода).
Имеющиеся наработки в энергетике позволяют разработать технологию получения и транспортирования (передачи на расстояние по трубопроводной системе) воды с давлением и температурой близкой к критической точке (с давлением 22,1 МПа и температурой 374°С) в "малогабаритных", передвижных или контейнерных энергетических установках с тепловой мощностью до 5,0 МВт.
Такие технологии позволят обеспечить: использование специальных быстро доставляемых и подключаемых к потребителю, маневренных по мощности энергоустановок; более эффективную передачу водной средой энергии от энергоустановки к потребителю; существенное уменьшение материалоемкости трубопроводной системы от источника к потребителю; реализацию свойств метастабильной паро-капельной смеси, полученной после взрывного вскипания ВС.
Конструкционные материалы и комплектующие изделия, подходящие для создания технических средств реализующих эти технологии, вполне доступны и уже отработаны для энергетических комплексов с водой критических и сверхкритических параметров, а также автомобилей пожарных многоцелевых (АПМ), разработанных Академией ГПС МЧС России для использования в подразделениях МЧС России.
Комплект блок-модулей состоит из четырех однотипных по габаритам и весу блок-модулей с электросиловой и теплоэнергетической установкой и выполняется в виде, который позволит транспортировать его автомобильным, железнодорожным, водным и авиационным транспортом. Для доставки в труднодоступные районы предусмотрена транспортировка каждого блок-модуля комплекта на внешней подвеске вертолета МИ-8.
Первый блок-модуль представляет собой электроэнергетический модуль с приводом от двигателя внутреннего сгорания, второй - теплоэнергетический модуль с установкой получения горячей и температурно-активированной воды. Третий блок-модуль представляет собой заправочный модуль, в котором может быть доставлен запас топлива, а в некоторых случаях и запас воды для начального периода работы. Четвертый блок-модуль представляет собой модуль оборудования, в котором размещается запас рукавов, рукавная арматура, устройства подачи, погружные насосы, а также теплоэнергетическая приставка, обеспечивающая присоединение к системе отопления и водоснабжения зданий и подачу тепловой энергии и воды.
Такая гибкая структура формирования комплекса наряду с доставкой спасателей и оборудования будет позволять:
- обеспечивать тепло-, электро- и водоснабжение удаленных объектов и населенных пунктов в условиях низких температур окружающей среды и ограниченного времени для подключения к коммуникациям, а также жизнедеятельность спасателей и спасаемых, работоспособность привлеченной техники в условиях чрезвычайных ситуаций;
- устранять обледенение пространственных конструкций, кораблей, морских платформ и портовых сооружений;
-экологически безопасно предупреждать ледовые заторы на реках, разрушать снежно-ледовые массы, в том числе в местах недоступных другими известными способами;
-осуществлять локальное оттаивание грунта в условиях вечной мерзлоты;
-очищать поверхности и конструкции от загрязнений, в том числе углеводородных, ликвидировать засоры (заторы) в коммуникациях;
-локализовать путем связывания и осаждения выбросы боевых отравляющих и аварийно химически опасных веществ, ликвидировать их розлив при авариях на объектах с расходами реагентов и составов в десятки раз меньшими, чем применяемыми технологиями в условиях низких температур;
-обеспечивать тушение пожаров как поверхностным, так и объемным способом с минимальным риском нанесения вреда здоровью и жизни личного состава, подачей огнетушащего вещества с расходами в десятки раз меньшими, чем традиционными технологиями;
-проводить санитарную обработку личного состава подразделений, дезактивацию, дегазацию и дезинфекцию техники и объектов в условиях низких температур с расходами составов в десятки раз меньшими, чем традиционными технологиями;
-проводить массовое обеззараживание пострадавших от различных видов поражения в полевых условиях;
- осуществлять очистку поверхностей и конструкций от загрязнений компонентами ракетных топлив и горюче-смазочными материалами.
Реализация стратегии позволит решить ряд проблем в сфере обеспечения безопасной эксплуатации объектов добычи, транспортировки и переработки природных ресурсов, а также жизнедеятельности в арктической зоне Российской Федерации и судоходства северного морского пути, связанных с энергоэффективностью и энергосбережением. Основные проблемы, решение которых предлагаются при реализации стратегии:
1. Россия является одной из самых энергоемких экономик мира. В основном это связано с суровыми природно-климатическими условиями России и размещением населения и промышленных предприятий на обширной территории страны. Особенно эта проблема актуальна для регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока, где происходит освоение больших территорий и крупных месторождений природных ресурсов в суровых природно-климатических условиях. Именно здесь получат развитие системы децентрализованного энерго- и теплоснабжения, для быстрого внедрения которых потребуется использование не требующих затрат на капитальное строительство "малогабаритных", передвижных или контейнерных энергетических установок с тепловой мощностью до 5,0 МВт.
2. В крупных городах и в строящихся поселках арктической зоны со сложившейся системой теплоснабжения, строительство и введение в строй новых зданий, требует введение в строй новых мощностей на ТЭЦ. Требуется прокладка в условиях вечной мерзлоты новых тепловых сетей и строительство тепловых узлов, а также монтаж на технических этажах многоэтажных зданий насосов, повышающих давление для подачи горячей воды на верхние этажи. Решение проблемы – использование "малогабаритных" крышных или контейнерных энергетических установок для получения воды с параметрами близкими к критическим. При использовании таких установок не только отпадает необходимость в строительстве капитальных котельных, централизованной системы теплоснабжения и прокладки трубопроводов в условиях вечной мерзлоты, а также минимизируется отрицательное воздействие от прокладки коммуникаций на растительный покров тундры.
3. При использовании в многоэтажных зданиях энергетических установок для получения воды с параметрами, которые близки к критическим значениям, появляется возможность монтажа системы теплоснабжения с водяными калориферами, уменьшающими материалоемкость системы отопления, а также улучшающими показатели энергосбережения за счет совмещения системы отопления с системами вентиляции и кондиционирования воздуха. Энергоэффективность и энергосбережение совмещенной системы отопления, вентиляции и кондиционирования обеспечивается высокими коэффициентами полезного действия водяных калориферов и высокой их маневренностью по мощности.
4. Отпадает необходимость в монтаже сложной, разветвленной системы пожаротушения. Система пожаротушения совмещается с системой водяного теплоснабжения за счет высокой эффективности пожаротушения метастабильной паро-капельной смеси, полученной после взрывного вскипания воды из системы теплоснабжения. Эффективность пожаротушения метастабильной паро-капельной смеси позволяет обеспечить как поверхностное тушение с расходами воды в десять раз меньшими, чем традиционное пожаротушение компактными струями воды и тонко распыленной водой (ТРВ), так и объемное тушение с расходами в 50-100 раз меньшими, чем ТРВ. Отпадает необходимость в организации хранения запаса воды для пожаротушения, так как объем воды в системе отопления в десятки раз превышает требуемый для пожаротушения запас.
5. Решается проблема теплоснабжения строящихся объектов до введения в строй основных, стационарных объектов тепло и энергоснабжения. Обеспечивается оперативное развертывание временных пунктов жизнеобеспечения на автомобильных трассах в период критически низких температур и снежных ураганов, сопровождающихся снежными заносами автомобильных и железнодорожных агистралей.
6. Решается проблема оперативного обеспечения теплоснабжения аварийных объектов и городков временного размещения людей в районе ЧС. Организуется энергоэффективная, быстро вводимая в строй система жизнеобеспечения в зоне ЧС.
Литература
-
Тетерин, И. М. Температурно-активированная вода – новая парадигма развития техники пожаротушения [Текст] / И. М. Тетерин //Средства спасения: журнал-каталог. – 2005. – С. 44.
-
Храмцов С. П. «Технические средства подачи температурно-активированной воды теплоэнергетической установкой для тушения пожаров на объектах энергетики» [Текст] : дис. … канд. техн. наук 05.26.03 / Храмцов Сергей Петрович, Академия ГПС МЧС России. – М., 2011. – 239 с.
-
Роенко В.В., Кармес А.П., Пряничников А.В. Тушение пожаров в высотных объектах температурно-активированной водой // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Материалы III Всероссийской научно-практической Интернет-конференции, с международным участием. (Воронеж, 20 апреля 2012 г.). – Воронеж: ВИ ГПС МЧС России, 2012. – С. 22–25.
-
Кармес А. П. Технические проблемы обеспечения тушения и предотвращения пожаров на нефтегазопроводах // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация.. – 2014. – № 1. – С. 24–31
-
Основные направления развития пожарной техники в системе Государственной противопожарной службы: Учеб. Пособие / М.В. Алешков, М. Д. Безбородько, В. В. Роенко и др.; Под ред. Канд. Техн. Наук, доц. М. В. Алешкова. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. – 267 с.
-
Безбородько, М. Д. Пожарная и аварийно-спасательная техника [Текст]: учебник: в 2 ч. П46 Ч. 2 / М. Д. Безбородько, С. Г. Цариченко, В. В. Роенко и др.; под ред. М. Д. Безбородько. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. – 306 с.
-
Роенко В.В., Храмцов С.П., Сегаль М.Д., Краснов С.М. Объемный способ пожаротушения кабельных сооружений температурно-активированной водой. Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2017. № 1. С. 40-50.
-
Роенко В.В., Ищенко А.Д., Краснов С.М., Храмцов С.П., Соковнин А.И. Тушение пламени в протяженных замкнутых сооружениях энергообъектов. Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 3. С. 44-49.
-
Соковнин А.И. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа осаждения дыма на объектах энергетики. Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 4. С. 29-37.
-
Исаева Л. К., Кармес А. П., Пряничников А. В., Храмцов С. П. Экологические аспекты использования температурно-активированной воды при тушении пожаров и ликвидации чрезвычайных ситуаций // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация.. – 2014. – № 2. – С. 43–47.
