Технические аспекты производства термостабилизаторов для строительства объектов в криолитозоне

И.П. Рило (Lpolirorip@gmail.com)

В.А. Кривых

В.Г. Бородин

В статье рассматриваются проблемные вопросы организации производства термостабилизаторов грунтов  применяемых для повышения устойчивости опор промышленных объектов, строящихся в криолитозоне. Применение неорганического хладагента аммиака, обладающего высокой энергетической эффективностью и с соответствующей степенью его очистки, открывает новый путь повышения единичной мощности термостабилизаторов и удешевляет строительство объектов промышленного и гражданского назначения. Вместе с тем применение аммиака требует соответствующей культуры производства термостабилизаторов - соблюдение требований безопасности при работе с вредными и пожароопасными веществами, наличие и состояние защитных, сигнальных и противопожарных средств и устройств, контрольно-измерительных приборов. В этих целях разработана автоматическая система контроля содержания аммиака в производственных помещениях, позволяющая поддерживать безопасную для жизни и здоровья производственную среду.

 

Ключевые слова: неконденсирующиеся газы, сезонно-охлаждающие устройства, термостабилизация, технология заправки, система регистрации паров аммиака.


 

Научно - производственным объединением «Фундаментстройаркос» (ФСА) разрабатываются технологии активной термостабилизации и замораживания грунтов в криолитозоне, для обеспечения надежности и устойчивости зданий и сооружений с применением аммиака в качестве хладагента. ФСА разрабатывает и производит несколько разновидностей термостабилизирующих устройств, которые  поддерживают грунт в мерзлом состоянии за счет использования естественного холода.

Производственные мощности компании обладают высоким научно-техническим уровнем с применением современной технологии изготовления термостабилизаторов в объемах обеспечивающих в полной мере потребности заказчиков в самые сжатые сроки: 100 горизонтальных и вертикальных естественно-действующих трубчатых систем (ГЕТ, ВЕТ), 10 000 термостабилизаторов различной длины и конструкции в месяц. Указанная мощность предприятия по термостабилизаторам обеспечивается полуавтоматической линией, указанной на рисунке 1.

Полуавтоматическая линия производства

рисунок 1. Полуавтоматическая линия производства

В составе линии по производству термостабилизаторов, установлена автоматическая сварка вращающейся дугой в магнитном поле со 100%-ым компьютерным контролем сварных соединений (рисунок 2).

Автоматическая сварка

рисунок 2. Автоматическая сварка

Процесс заправки термостабилизаторов автоматизирован и производится с применением компьютерного контроля и управления  (рисунок 3). 

Линия заправки термостабилизаторов

рисунок 3. Линия заправки термостабилизаторов

Введена в эксплуатацию полуавтоматическая линия для напыления цинкового покрытия на подземные элементы систем с усиленной антикоррозийной защитой (рисунок 4). Цинковое покрытие уменьшает  температурные потери по сравнению с другими покрытиями и обеспечивает надёжность и долговечность систем температурной стабилизации в условиях криолитозоны на протяжении срока эксплуатации  зданий и сооружений.

Процесс напыления цинкового покрытия

рисунок 4. Процесс напыления цинкового покрытия

Введены в действие установки: плазменной резки трубных заготовок, лазерной резки листов толщиной до 20 мм. и гибки листовых материалов, позволяющие значительно сократить сроки и повысить качество производимой продукции (рисунок 5).

 

Виды установок для работы с металлом

рисунок 5. Виды установок для работы с металлом: а) плазменная резка трубных заготовок; б) лазерная резка листов; в) гибка листовых материалов

В настоящее время термостабилизирующие системы НПО ФСА поддерживают в мерзлом состоянии в общей сложности более 28 млн. кубометров грунта на площади 2,8 млн. квадратных метров, охватывая пространство от Нарьян-Мара до Чукотки.

Специалистами ФСА разработаны четыре основных вида сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ):

·                    ГЕТ;

·                    ВЕТ;

·                    индивидуальные СОУ - термостабилизаторы (ТК);

·                    глубинные СОУ.

Конструкция  термостабилизатора (термосифона)  представляет  собой  герметичную  неразъемную  сварную  конструкцию,  заправленную  хладагентом, с подземной испарительной частью и надземной конденсаторной частью.

Конденсация пара аммиака в присутствии неконденсирующихся газов влияет в целом на мощность термостабилизатора. Теоретическую модель тепломассообмена в процессе конденсации в присутствии неконденсирующихся газов разработали  Россон и Майерс [4]. Для вертикальной трубы Ли и Ким [2,3]  предложили применить эмпирическую корреляцию, чтобы оценить снижение коэффициента теплопередачи при конденсации пара хладагента в присутствии неконденсирующихся газов. Дальнейшее повышение мощности термостабилизаторов грунтов потребовало усовершенствования технологии заправки термостабилизаторов аммиаком и его очистку от неконденсирующихся газов. Технологию очистки аммиака разработали Долгих и Рило [1].

Внедрение в производство разработанной технологии повлекло за собой модернизацию производства аммиачных термостабилизаторов, дополнительно смонтированы две установки - по очистке аммиака от неконденсирующихся газов и извлечения аммиака из хвостовых газов. Увеличение количества технологических операций с аммиаком обусловило необходимость усовершенствования контроля за его содержанием в производственных помещениях с принятием соответствующих мер безопасности и разработку для этих целей регистратора содержания аммиака в воздухе.


С целью обеспечения безопасной для жизни и здоровья производственной среды на предприятии, а также для предотвращения загрязнения окружающей среды аммиаком, разработана автоматическая система управления и контроля содержания аммиака (АСК) в воздушном пространстве помещений заправки термостабилизаторов (рисунок 6). 

Внешний вид шкафа регистратора аммиака

рисунок 6. Внешний вид шкафа регистратора аммиака

В входе разработки системы приняты технические решения, согласно которым в основу системы включены следующие компоненты:  контроллер «ICP CON I-8431» и  полупроводниковые датчики горючих газов «СИГМА-03.ДП». В таблице 1 приведены технические характеристики контроллера и датчика.

Технические характеристики контроллера «I-8431» и датчика «СИГМА-03.ДП»

таблица 1. Технические характеристики контроллера «I-8431» и датчика «СИГМА-03.ДП»

Внутреннее устройство смонтированного регистратора в шкафу расположено на внутренней стене операторной (рисунок 7).

Внутреннее устройство шкафа регистратора аммиака

рисунок 7. Внутреннее устройство шкафа регистратора аммиака

В соответствие с требованиями федерального закона №116-ФЗ от 21.07.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», а также постановления Гостехнадзора РФ от 09.06.2003г. № 79, выделяют три уровня предельно-допустимой концентрации аммиака (ПДК): 20 мг/м3, 60 мг/м3 и 500 мг/м3.

Принципиальная схема взаимодействия компонентов регистратора показана на рисунке 8.

Принципиальная схема взаимодействия компонентов регистратора аммиака

рисунок 8. Принципиальная схема взаимодействия компонентов регистратора аммиака

При превышении заданной величины ПДК концентрации аммиака АСК обеспечивает автоматическое выполнение следующих действий:

·      включение в помещении заправки ТК предупредительной световой и звуковой сигнализации и общеобменной вентиляции в помещениях заправки блоков (схема 1) при превышении концентрации аммиака в воздухе 20 мг/м3 рабочей зоны (ПДК(рз));

·    включение в помещении заправки ТК световой и звуковой сигнализации "Превышение уровня ПДК" и аварийной вентиляции при превышении концентрации аммиака 60 мг/м3 в воздухе рабочей зоны помещения (3 ПДКр(рз)); возврат всех систем в исходное состояние при снижении текущего значения концентрации ниже уровня 60 мг/м3 (3 ПДКр(рз)) и 20 мг/м3 (ПДК(рз)) без отключения общеобменной вентиляции;

·      включение в помещении заправки ТК предупредительной световой и звуковой сигнализации при превышении концентрации аммиака 20 мг/м3 в воздухе рабочей зоны в местах установки датчиков, расположенных вблизи технологических блоков на открытой площадке (ПДК(рз));

·    включение в помещении заправки ТК световой и звуковой сигнализации "Превышение уровня ПДК" и системы оповещения при превышении концентрации 60 мг/м3 аммиака в воздухе рабочей зоны в местах  установки датчиков (3 ПДК(рз)); возврат всех систем в исходное состояние при снижении текущего значения концентрации ниже уровня 20 мг/м3 (ПДК(рз));

·     включение в помещении заправки ТК предупредительной световой и звуковой сигнализации "Авария" при превышении концентрации аммиака 20 мг/м3 в воздухе рабочей зоны помещений распредустройств (ПДК(рз)) с одновременным включением аварийной вентиляции этих помещений; автоматическое отключение подачи жидкого аммиака в помещения распредустройств при превышении концентрации аммиака 60 мг/м3 в воздухе рабочей зоны (3 ПДК(рз));

·      отключение подачи аммиака в контролируемые помещения при превышении в них концентрации аммиака 60 мг/м3 (3 ПДК(рз)). При этом в помещениях производственных цехов с технологическим оборудованием, содержащим аммиак, включается вытяжная вентиляция;

·   включение в помещении заправки ТК предупредительной световой и звуковой сигнализации "Авария", технических средств системы локализации аварии, системы оповещения, отключение аммиачного оборудования при превышении концентрации аммиака 500 мг/м3 в местах установки датчиков в помещениях машинного, аппаратного и конденсаторных отделений (25 ПДК(рз));

·    включение в помещении заправки ТК световой и звуковой сигнализации "Авария", технических средств системы локализации аварии, системы оповещения, отключение аммиачного оборудования при превышении концентрации аммиака 500 мг/м3 в местах установки датчиков в близи технологических блоков и оборудования, расположенного на открытой площадке (25 ПДК(рз));

Схема 1. Схема расположения датчиков 1,2,3,4,5

Система обеспечивает оперативное предупреждение о конкретном месте утечки аммиака и включение необходимых технических средств локализации последствий аварии.

Датчики регистратора аммиака расположены в наиболее вероятных местах утечек аммиака установки заправки термостабилизаторов.

Для уменьшения загрязнения аммиаком, оборудована специальная приточно – вытяжная вентиляция с необходимой кратностью обмена воздуха в помещениях. При этом поток воздуха движется сверху вниз без турбулентностей, то есть ламинарно. В  помещении создается избыточное давление по отношению к смежным с ним помещениям в целях предотвращения неорганизованных притоков воздуха извне, что обеспечивает создание дисбаланса воздуха, то есть разности между количеством приточного и вытяжного воздуха. 

Для нормальной работы персонала помимо комфортных температурных условий система вентиляции и кондиционирования обеспечивает подачу в помещение свежего воздуха в количестве, соответствующем санитарным нормам содержания аммиака в воздухе. Для создания локальных чистых зон используется однонаправленный (ламинарный) поток воздуха. Ламинарный поток создается за счет применения специальных ламинарных воздухораспределителей. В результате при заправке термостабилизаторов, в производственном помещении, концентрация аммиака не превышает норму 20 мг/м3.

При возникновении нештатной ситуации, звуковой и световой сигнализацией оповещается обслуживающий персонал установки заправки термостабилизаторов о превышении предельно-допустимой концентрации аммиака. При этом включается аварийная вентиляция.

Программная часть АСК позволяет гибко настраивать обмен данными между контроллером и компьютером. Ежедневно,  программа непрерывно записывает в журнал (Excel) событий и визуализирует на мониторе компьютера текущее состояние каждого датчика и превышение ПДК в разных местах производственных помещений установки заправки аммиака, что позволяет оперативно получать данные службе охраны труда.

В случае превышения уровня ПДК 20 мг/м3 программа сигнализирует состояние среды в месте расположения датчика жёлтым цветом. При превышении ПДК 60 мг/м3 – срабатывает сигнализация оранжевым цветом, при аварии с ПДК превышающим 500 мг/м3 – происходит сигнализация красным цветом (рисунок 9). В случае неисправности датчика цвет изменяется на фиолетовый с одновременной надписью «Ошибка датчика», что фиксируется в журнале. 

Внешний вид программы визуализации текущего состояния датчиков

рисунок 9. Внешний вид программы визуализации текущего состояния датчиков

Модуль визуализации фиксирует изменения уровней ПДК в виде кривых на графиках, наглядно отображает работу каждого датчика в течении рабочего дня и  смену его состояний, в виде изменяющихся точек на графике.

Программная часть АСК разработана в среде программирования RAD Studio XE 2 (C++ Builder). В программе задействованы динамические библиотеки производителя ICP CON для обеспечения процесса обмена с контроллером i-8431.

Программа сбора, обработки, индикации и управления контроллером выполняет три основных процедуры (рисунок 10):

· AI_Polling – опрашивает аналоговые датчики, контролирует их исправность;

· Show_Sensor – осуществляет индикацию на панели шкафа регистратора;

· Comm_Procedure – обмен данными с персональным компьютером. 

Блок-схема программы сбора, обработки и индикации

рисунок 10. Блок-схема программы сбора, обработки и индикации.

Программа визуализации делает запрос контроллеру и обрабатывает полученную информацию с помощью следующих процедур (рисунок 11):

· SendCommandToCom – запрос контроллеру по уровню ПДК всех датчиков;

· Sleep(100) – ожидание ответа контроллера (100 мс);

· GetDataFromComToStatGrid – получение ответа контроллера и обработка уровней ПДК с последующей визуализацией.

Блок-схема программы визуализации

рисунок 11. Блок-схема программы визуализации.

Разработанная АСК внедрена в производство и в процессе эксплуатации показала надёжную работу, способствуя предотвращению утечек газообразного аммиака,  поддержанию чистоты воздуха в производственных помещениях.

Функциональная структура (рисунок 12) АСК обладает возможностью дальнейшего расширения, улучшения и модификации, что важно в случае изменения в производственно-технологическом процессе.

Функциональная блок-схема регистратора аммиака

рисунок 12. Функциональная блок-схема регистратора аммиака

Выводы

Принятые технические решения позволили разработать эффективную технологию процесса заправки аммиачных термостабилизаторов и организовать их производство с необходимым аппаратурным оформлением. В итоге  внесенные изменения в технологический режим заправки термостабилизаторов, повысили качество и эффективность создаваемых термостабилизаторов наряду с обеспечением мер безопасности в производственных помещениях.


Литература

1.      Долгих Г.М., Рило И.П. Патент РФ №2548633. Класс МПК Е02D3/115 // БИ. 2015. №11.

2.      Kim, M. H. & Corradini, M. L. (1990). Modeling of condensation heat transfer in a reactor containment, Nuclear Engineering and Design, Vol. 118, pp. 193-212, ISSN 0029-5493.

3.      Lee, K.-Y. & Kim, M. H. (2008a). Experimental and empirical study of steam condensation heat transfer with a noncondensable gas in a small-diameter vertical tube, Nuclear Engineering and Design, Vol. 238, pp. 207-216, ISSN 0029-5493.

4.      Rosson, H. F. & Mayers, J. A. (1965). Point values of condensing film coefficients inside a horizontal tube, Chemical Engineering Progress Symposium Series, Vol. 61, pp. 190-199, ISSN 0069-2948.