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.
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).
рисунок 2. Автоматическая сварка
Процесс заправки термостабилизаторов автоматизирован и производится с применением компьютерного контроля и управления (рисунок 3).
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.
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).
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).
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.