Сравнительный анализ технических показателей различных систем термостабилизации грунтов оснований (Шубина А.Ю., ООО НПО «Фундаментстройаркос»)

В данной работе дается сравнительный анализ технических показателей двух систем термостабилизации грунтов оснований в условиях Крайнего Севера. 1-ая система разработана в ОАО «Фундаментпроект», г. Москва, 2-ая – в ООО НПО «Фундаментстройаркос», г. Тюмень.

1-ая система, состоящая из комплекса отдельных слабонаклонных термостабилизаторов типа СПМГ-38/76 применена для термостабилизации грунтового основания под крупногабаритными многотоннажными нефтяными резервуарами емкостью 50000 м3 на Варандейском нефтеотгрузочном терминале [2], 2-ая система, состоящая из горизонтальных и вертикальных естественно действующих трубчатых устройств (тип ГЕТ и тип ВЕТ) [1], применяется довольно широко на многих объектах, в том числе на Южно-Хыльчуюском месторождении под 4 – мя резервуарами емкостью 20000 м³. К настоящему времени накоплен значительный опыт по возведению и эксплуатации сравниваемых систем термостабилизации и получены обширные данные по теплотехническим и экономическим показателям.

Кратко охарактеризуем сравниваемые системы.

1-ая система в расчете на один резервуар РВС-50 000 м³ состоит из комплекта слабонаклонных термостабилизаторов СПМГ-38/76 парожидкостного типа с использованием фреона - 22 в качестве хладагента. Испарительные части стабилизаторов в виде нержавеющих труб d=78 мм под углом в 1^о к горизонту располагаются под днищем резервуаров в подсыпке под теплоизолирующим экраном из экструдированного пенополистирола типа URSA толщиной 440 мм (рисунок 1).

Конденсаторные части СПМГ-38/76 расположены вертикально с двух сторон резервуара по дугам окружностей, отстоящих на 3 м от стенки резервуара, в общей сложности на каждый резервуар установлено по 132 термостабилизатора типа СПМГ. Испарительные трубы от противоположных термостабилизаторов СПМГ направлены навстречу друг другу строго параллельно, расстояние между испарителями 1 м и они образуют систему направленных навстречу друг другу плоских гребней, образуя стоковую плоскость для отвода тепла от вмещающего их грунта. В период зимних холодов термостабилизаторы работают на принципе термосифонов, обеспечивая отвод тепла от вмещающего грунта через конденсаторную часть в окружающую атмосферу. В летнее время при смене знака теплового напора термостабилизаторы прекращают работать, поэтому каждый из СПМГ оборудован индивидуальной электрической холодильной машиной мощностью 0,7 кВт во взрывобезопасном исполнении типа ВН 630(2)-МВ, с помощью которых в автоматическом режиме осуществляется охлаждение грунта основания под резервуаром в летний теплый период времени.

Рисунок 1 - Схема расположения CПМГ и термометрической сети на резервуаре емкостью 50 000 м³

2-ая система, в отличие от вышеприведенной системы термостабилизации состоит из единого конденсаторного блока, соединенного входным и выходным концами с единым испарителем в форме плоского стального трубчатого змеевика (в случае ГЕТ) или с соединительной трубой с отходящими от нее вниз вертикальными охлаждающими трубками ТОВ (в случае ВЕТ) , расположенными в отсыпке под теплоизоляционным слоем из экструдированного пенополистирола. На рисунке 2 схематично представлены схемы выполнения систем ГЕТ и ВЕТ. Механизмы работы систем ГЕТ и ВЕТ идентичны. В испарителях происходит кипение хладагента по всей длине трубы (в случае ГЕТ) и во всех вертикальных охлаждающих трубках ТОВ (в случае ВЕТ). За счет гидростатического и температурного напоров происходит однонаправленное движение парожидкостной смеси от конденсаторного блока по подающей трубе и в него же - по отводящей трубе.

С помощью той или иной системы термостабилизации под сооружением создается мерзлая грунтовая плита, которая работает как конструктивный несущий элемент основания. Для того, чтобы обеспечить несущую способность этой льдогрунтовой плиты, последняя должна иметь круглогодично отрицательную рабочую температуру не выше расчетной для данного типа подстилающего грунта, с учетом его литологии, засоленности, и соответствующей механической прочности.

Рисунок 2 - Схема расположения системы охлаждения «ГЕТ» и «ВЕТ» РВС-20 000м³ Южно-Хыльчуюское месторождение

При проектировании и строительстве той или иной системы термостабилизации грунтов оснований исходят прежде всего из возможности круглогодично обеспечить в них необходимую рабочую температуру эксплуатации из соображений минимальных затрат: строительного и эксплуатационного периодов. Вполне понятно, что предпочтение в этом случае должно отдаваться естественно-действующим системам охлаждения, т.е. системам позволяющим аккумулировать в грунте за холодный зимний период достаточное количество холода, чтобы в летний период рабочие температуры грунтов основания не превысили расчетных значений.

Это можно обеспечить за счет более эффективного охлаждения грунтовых горизонтов (до более низких температур) и за счет увеличения глубины промораживания грунтового массива в зимнее время, т.е. увеличения объема замороженного грунта. В том случае, когда не удается за счет зимнего естественного промораживания добиться необходимого результата - в летнее время применяют дополнительное искусственное охлаждение с помощью электрических холодильных машин. Именно по такому пути пошли специалисты ОАО «Фундаментпроект», применив 1-ую систему. С помощью же 2-ой системы термостабилизации за счет совместного использования устройств типа ГЕТ и ВЕТ, разработанных впервые в ООО НПО «Фундаментстройаркос», удается за счет только естественного зимнего охлаждения обеспечить поддержание грунтов оснований в твердомерзлом состоянии без применения дополнительного искусственного охлаждения электрическими холодильными машинами летом.

Чтобы сопоставить описанные нами системы термостабилизации - рассмотрим результаты геокриологического мониторинга грунтов оснований в течение длительного периода времени.

Геокриологический мониторинг за состоянием грунтов оснований с применением систем термостабилизации ведется с самого начала возведения сооружений и продолжается на весь срок его эксплуатации. Наиболее полный и систематический температурный мониторинг проводится на Варандейском нефтеотгрузочном терминале на резервуарах емкостью 50000 м³, под которыми смонтирована 1-ая система термостабилизации. Термометрический мониторинг начат с 15 мая 2007 года и продолжается по настоящее время. Согласно разработанного технологического регламента температуры грунтов оснований измерялись как по глубине (до 10м от отметки дна резервуара), так и по площади основания. Схема размещения сети термометрических элементов для мониторинга температурного состояния грунтов оснований под резервуарами показана на рисунке 1 и состоит из:

- четырех периферийных скважин с термометрическими косами,

- четырех азимутальных скважин под днищем (на половине радиуса резервуара) с термометрическими косами,

- одной центральной скважины под днищем с термокосой,

- термометрического поперечника по всему диаметру резервуара на глубине 1,7 м под днищем (между теплоизоляционным экраном и плоскостью расположения труб испарителей СПМГ).

На рисунке 3 приведены результаты многолетнего мониторинга за температурным состоянием резервуара №13, на термометрическом поперечнике, принятого в эксплуатацию в июне 2007 года. На рисунках 3 и 4 по ряду скважин приведены результаты распределения температур по глубине грунтового основания и в поперечнике в период лета 2007 и 2010 годов. Видно, что с момента начала систематического мониторинга температуры в отдельных элементах сети мониторинга на определенных глубинных горизонтах в летний период времени снизились и находятся в пределах проектных.

Однако, анализ данных мониторинга показал, что на глубинных горизонтах ниже 6,5 м температуры грунтового основания не достигают проектных значений, т.е. можно констатировать, что к настоящему времени под резервуарами сформирована несущая твердомерзлая грунтовая плита толщиной в 5,5 м под слоем теплоизоляции.

Рисунок 3 - Температура на поперечнике ТМП-3

Рисунок 4 - Распределение температур по глубине грунтового основания

В весенне-летний период эксплуатации, когда термостабилизаторы типа СПМГ выключаются из работы, за счет теплопритоков с нижних горизонтов, сверху от теплого резервуара и бокового теплопритока происходит монотонное повышение температур во всех элементах термометрической сети, что вызывает автоматическое включение в работу холодильных машин на ряде термостабилизаторов СПМГ и в дальнейшем требуемый температурный режим обеспечивается исключительно благодаря работе электрических холодильных машин. Как правило, время работы холодильных машин начиналось с начала-середины июня и продолжалось по конец октября. В среднем за летний сезон наработка холодильных машин составляет не менее 72 суток непрерывной работы на один резервуар.

Геокриологический мониторинг позволил четко отслеживать температурный режим грунтов оснований в течение всего периода года, общую наработку холодильных машин (в машино-часах и кВт·час.) и даты запуска в работу термостабилизаторов СПМГ зимой и их отключение весной.

Мониторинг температурного состояния грунтов оснований с применением 2-ой системы термостабилизации проводился под упомянутыми выше резервуарами емкостью 20000 м³ на Южно-Хыльчуюском месторождении.

Размещение элементов систем ГЕТ и ВЕТ под названными объектами приведены на рисунке 2. В системе термостабилизации грунта основания резервуара емкостью 20000 м³ задействовано 12 конденсаторных блоков в системе ГЕТ и 3 конденсаторных блока в системе ВЕТ, при этом общая длина всех трубчатых испарителей в систем ГЕТ составляет 5900 п.м и в системе ВЕТ задействовано по периметру резервуара 72 десяти метровых вертикальных охлаждающих трубок (ТОВ), равномерно распределенных по периметру резервуара для создания льдогрунтовой завесы под ним.

Из приведенных данных следует, что смонтированная система термостабилизации с высокой степенью надежности обеспечила круглогодичное мерзлое состояние грунтового основания здания под теплоизоляционным слоем за счет только зимнего импульса холода и естественного охлаждения на всю глубину заложения вертикальных охлаждающих трубок ТОВ (более10 м). Анализ распределения средних температур грунтового основания (рисунки 5 и 6) за весь период наблюдений по всем скважинам на всю глубину замера температур показал монотонное снижение температуры грунтового основания за весь период эксплуатации здания. Особенно показательны температуры грунтового массива под зданием в летний период наблюдений. Если после 1-го года эксплуатации эта температура в конце лета составляла -0.22^оС, то в 2009 году она уже составила -1,9^оС, а в 2010 году – 5,55^оС.

На рисунках 5 и 6 приведены результаты термометрических наблюдений за состоянием грунта основания под резервуаром емкостью 20000 м³ по данным исследований температур в четырех наружных термоскважинах, отстоящих от стенки резервуара на расстоянии 1 м (рисунок 2).

С помощью термокос в этих скважинах измерялась температура грунта в зоне действия мерзлотной завесы (на расстоянии l=0,8 м от ТОВ). Данные, приведенные на рисунке 5, показывают распределение температур по глубине грунта в летние месяцы 2007 и 2010 годов. При этом очевиден существенный сдвиг температур грунтового основания за 3 года работы систем ГЕТ и ВЕТ более чем на 3 градуса даже на его периферии.

На рисунке 6 приведены данные по распределению средних температур массива грунта по периметру основания за весь период наблюдений. Видно, что эта температура из года в год понижается как в летние так и в зимние периоды года. Непосредственно под резервуаром термометрические исследования не производились. Однако, полученные данные по замеру периферийных температур позволяют утверждать, что данный способ термостабилизации грунтов оснований с помощью систем ГЕТ и ВЕТ позволяет только за счет использования естественного охлаждения в зимний период года создать надежное твердомерзлое основание под всем резервуаром.

Рисунок 5 - Распределение температур по глубине периферийных скважин на резервуаре 20 000 м³. Южная Хыльчуя. 1 – август 2007 г., 2 – июль 2010 г.

Рисунок 6 - Распределение средней температуры периметра грунтового основания на резервуаре 20 000 м³, месторождение Южная Хыльчуя

Литература

1. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Поденко Л.С., Феклистов В.Н. Надежность, эффективность, и управляемость систем температурной стабилизации вечномерзлых грунтов оснований зданий и сооружений./ Там же, с.34-39.

2. Андреев М.А., Миронов И.А., Терентьев А.В. Устройство оснований и фундаментов нефтяных резервуаров в сложных условиях Заполярья./ Промышленное и гражданское строительство, № 9, 2006, с. 35-36