Замораживание и термостабилизация грунтов в криолитозоне

К.А. Желудкова

Д.А. Клещин

В работе рассмотрено влияние внешних и внутренних устройств разрабатываемых модификаций новых термостабилизаторов на процессы теплопереноса в двухфазных системах с целью увеличения их эффективности. На основе полученных результатов исследовано влияние стратификации температуры в объеме и геометрии на характеристики теплопередачи. Установлено влияние применяемого хладагента (аммиака и углекислоты) и материала стенок внутреннего устройства на величину градиента и распределение температуры по длине термостабилизатора. Разработанная технология термостабилизации грунтов позволяет существенно увеличить интенсивность теплообменных процессов и значительно снизить температуры при глубинном замораживании грунтов до 100 м и более (минус 5,3 °C на глубине 50 м при температуре воздуха минус 17 °C для хладагента аммиака).

Проблема поддержания отрицательной температуры мерзлых пород для обеспечения надежности геотехнических систем в криолитозоне (шельфе), является актуальной для отраслей промышленности и жилищнокоммунального хозяйства. Одним из направлений решения проблемы являются использование работы гравитационных сил и криогенного ресурса на основе гладкостенных термостабилизаторов, разработки современных инженерных решений и технологии строительства на вечномерзлых грунтах.

Для современного строительства в северных условиях необходима унификация методов строительства и упрощение эксплуатации сооружений. Причем, при массовом строительстве предусматривают сохранение мерзлотногеологических условий и изменение этих условий. Такая задача разрешима, поскольку основные инженерные свойства грунтов определяются их температурой. НПО Фундаментстройаркос (ФСА) унифици- рует конструктивно-технологические решения северного строительства в значительной мере за счет усовершенствования способов и средств, обеспечивающих поддержание заданного температурного режима грунтов в основании сооружений, применяя термостабилизаторы (ТС) грунтов термосифонного типа нового поколения, в которых циркуляция аммиака и углекислоты осуществляется под действием силы тяжести и тепловой энергии грунта. При этом используется естественный холод низкие отрицательные температуры атмосферного воздуха в зимнее время с учетом скорости ветра, обдувающего оребрение конденсатора. Использование и применение разработанных средств и способов способствует сохранению и снижению естественной температуры вечномерзлых грунтов.

Каждый термосифон представляет собою циркуляционный контур, в котором движение хладагента обусловлено теплообменом в поле земного тяготения. Циркуляционный контур термосифона состоит из трех частей — испарителя, транзитного участка и конденсатора, в которых происходит теплообмен с внешней средой. Термостабилизаторы подразделяют на несколько типов. К первому, наиболее простому, относится термосифон испарительного типа, представляющий собой вертикальную трубу, в которой содержится насыщенный пар хладагента и жидкость (аммиак, углекислота). Верхний конец трубы со спиралевидно навитым под напряжением ленты оребрением из алюминия холоднее, поскольку охлаждается и обдувается зимой морозным воздухом. Нижний конец (испаритель) размещен в грунте с более высокой по сравнению с воздухом температурой. В результате возникает циркуляция хладагента: в верхней части трубы насыщенный пар конденсируется на внутренних стенках, пленка конденсата под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть термосифона (испаритель), а пар за счет падения давления в зоне конденсации перемещается вверх по контуру циркуляции.

ТС удовлетворяют требованиям перспективности (по геометрическим, энергетическим, экономическим показателям, герметичности, жесткости, материалоемкости, транспортабельности и защищенности от вредных механических, химических и других воздействий) и энергосбережения. Применение ТС разных модификаций в качестве базовых элементов позволяет передавать потоки на значительные расстояния при малых температурных напорах (низких термических сопротивлениях). Широта температурного диапазона теплоно- сителей, практическая неограничен- ность разнообразных конструктивных форм и размеров определяют гиб- кость проектирования и технологии. Перспективные показатели в определенной степени «компенсируются» сложностью расчета, проектирования, технологии подготовки, изготовления, испытаний непосредственно ТС и сложностью теплового и гидравлического взаимодействия их с другими элементами (конденсаторным блоком, контуром циркуляции).

Разрабатываемые конструкции ТС различных типоразмеров и конфигураций, обладают уникальной совокупностью эксплуатационных свойств. Различные конструкции ТС разрабатываются с повышенным ресурсом работы не менее 30 лет. В процессе их производства используются алюминий АД-31 и трубы, в основном малого диаметра (33,7 мм), позволяющие конструировать протяженные теплообменные поверхности с определенной по техническому заданию максимальной тепловой мощностью (до 10—15 кВт). К используемым материалам и теплоносителям в ТС выдвигаются особые жесткие требования.

Для термостабилизации грунтов и в зависимости от заполняющего хладагента ТС используются в диапазоне от минус 60 °C до 0 °C. ТС надежны при эксплуатации при обеспечении требований совместимости материалов стенок корпуса и теплоносителей они могут функционировать неограниченно долго без существенного ухудшения своих теплофизических характеристик. В них отсутствуют движущиеся и трущиеся части. Это обеспечивает бесшумность, высокую надежность и длительный ресурс при работе в условиях изменений внутренних и внешних тепловых, а также механических воздействий. ТС обладают достаточной механической прочностью, относительно малой массой, автономностью. Благодаря механизму термосифона ТС во многих случаях не требуют дополнительной энергии для перекачки теплоносителей. Они отличаются высокой эффективной теплопроводностью и изотермичностью, работают в условиях гравитации. ТС позволяют рассеивать или концентрировать (трансформировать) тепловые потоки большой плотности, разделять и разветвлять в пространстве источники и стоки теплоты.

Широкое распространение на вечной мерзлоте получили глубинные трубчатые сезонно-охлаждающие устройства (СОУ) с подземной частью до 100 м и более: для замораживания и температурной стабилизации грунтов плотин и устьев скважин (рисунки 1, 2).

Рис 1. Плотина на р. Ирелях (г. Мирный). Одиночные СОУ производства ФСА

Рис 2. Образцы СОУ на испытательном полигоне термостабилизаторов ФСА: а - СОУ-50; б - СОУ-100

На рисунке 3 показана схема стенда модернизированного промышленного образца термостабилизатора СОУ-50 (термосифона), установленного на испытательном полигоне термостабилизаторов для исследования глубинного замораживания и термостабилизации грунтов на глубине до 50 м с расположением датчиков температуры t1 — t13 по высоте испарителя с регистрирующим вторичным прибором (13).

Рис.3. Принципиальная схема термостабилизатора СОУ-50

Суть модернизации заключается в организации раздельных потоков жидкой и паровой фаз хладагента в замкнутом пространстве термосифона 1, из которого предварительно удаляли воздух до глубокого вакуума и заполняли через вентиль 2 жидким аммиаком либо углекислым газом до уровня ниже уровня грунта примерно на 4 м. Под воздействием тепла грунта 3 хладагент испаряется в межкольцевом пространстве 4, образованном коаксиально установленными разного диаметра стальной 5 и внутренней полиэтиленовой 6 трубами. Образующаяся парожидкостная смесь хладагента в гравитационном поле по причине более низкой ее плотности по сравнению с плотностью жидкого хладагента, стекающего из конденсатора 7 (8 шт.) по внутренней трубе 6, устремляется вверх в конденсатор, проходя через интенсификатор, который состоит из специально сконструированной, разделяющей пространства испарителя и конденсатора доски 8 с установленными на ней патрубками 9 со сквозными проходящими отверстиями 10. В интенсификаторе происходит разделение парожидкостной смеси, содержащей капли жидкого хладагента. Основная стадия сепарации смеси происходит на границе между жидкой и паровой фазами в межкольцевом пространстве испарителя, чему способствует граница перехода, в узком смысле скачкообразное изменение физических свойств, при непрерывном изменении давления и температуры по высоте испарителя. Отсепарированный конденсат направляется вниз в испаритель по внутренней трубе вместе с жидким хладагентом, вытекающим из конденсатора. Стекающий во внутреннюю трубу конденсат через отверстия 11 попадает в межкольцевое пространство, где вновь происходит его испарение за счет подвода тепла грунта. Цикл замыкается. При циркуляции хладагента по контуру: межкольцевое пространство (испаритель) — интенсификатор — конденсатор — внутренняя труба (испаритель) — межкольцевое пространство (испаритель), происходит теплообмен между хладагентом (аммиаком) в межкольцевом пространстве и теплоносителем (30%-ым раствором хлористого кальция) в гильзе 12 через стенку испарителя.

В процессе работы испаритель заполнен хладагентом, при этом образуется жидкостной гидростатический гидрозатвор во внутренней трубе, который компенсирует потери давления при циркуляции хладагента по контуру, исключает встречное движение паровой и жидкой среды рабочего вещества, что благоприятно для гидродинамики потоков. Благодаря данному принципу работы устройство обладает такими достоинствами как возможность конструктивного исполнения с большой длиной зоны теплоотдачи (несколько десятков метров), высокая теплопередающая способность (до 10 кВт), возможность разнообразного конструктивного сполнения, в том числе в виде изогнутых, гибких либо сборных элементов.

В литературных источниках материал по исследованию пародинамических термосифонов отсутствует, а имеющиеся данные только частично описывают их работу. В [1] приводятся примеры применения пародинамических термосифонов в замораживающей технике грунтов. В [2] представлены расчеты по эффективности работы пародинамического термосифона. Достаточно информации по классическим термосифонам [3], но не определены параметры их работы.

Для термосифонов с организованными циркуляциями теплоносителя в гильзе и хладагента в термосифоне характерной особенностью системы является наличие свободноконвективного контура. Но в случае наличия внешних и внутренних устройств в термостабилизаторе, обуславливающих раздельные каналы для восходящего и нисходящего потоков хладагента, наблюдаются иные эффекты, проявляющиеся в характерном изменении температурного поля по глубине погружения испарителя в грунт. При этом большое значение имеют зазоры между теплообменными стенками в области испарителя. Известно, что процессы переноса в испарительном циркуляционном контуре зависят от конструктивного оформления контура, условий подвода теплоты и осложнены возникновением контурной неустойчивости при увеличении тепловых потоков [3].

Экспериментальные исследования проведены при разных хладагентах (аммиак и углекислота), температурах воздуха и массах заправки хладагента. На основе полученных результатов исследовано влияние стратификации температуры в объеме и геометрии термосифона на характеристики протекающих процессов теплообмена. Результаты исследований приведены на рисунках 4, 5, 6 и в таблицах 1 и 2.

Рис.4. Зависимость t -h от температуры воздуха, природы хладагента и наличия внутреннего устройства термостабилизатора

Рис.5. Сравнение температуры испарителей при температуре воздуха минус 9°C

Рис.6. Сравнение температуры испарителей при температуре воздуха минус 6°C

Температура испарителя

Таблица 1

Градиенты температур испарителя в интервале от 15-45 м

Таблица 2

Сравнение температурного хода кривых в координатах t — h (температура теплоносителя — глубина погружения ТС в грунт) обнаруживает их различие при работе СОУ-50 с применением интенсификатора и без него. Применение интенсификатора обеспечивает снижение температуры теплоносителя (30 %-ного раствора хлористого кальция) в гильзе по мере погружения испарителя в грунт (рисунок 3). К примеру, на глубине около 50 м при температуре воздуха минус 17 °C температура теплоносителя составляет минус 5,3 °C. Этот эффект имеет ярко выраженный характер и наблюдается только в случае применения в качестве хладагента аммиака (кривые 5, 6) на глубине в интервале 15—45 м. На этом же участке наблюдаются отрицательные значения градиентов температуры минус 0,03 и 0,006 при степени заполнения термостабилизатора аммиаком, равным 0,54 и 0,57, соответственно (таблица 2, опыты 5 и 6). С увеличением степени заполнения возрастает градиент температуры по абсолютной величине.

Сравнение хода кривых 3, 4 и 1, 2, соответственно, при испытаниях СОУ-50 с интенсификатором и без него, заполненного углекислым газом (степень заполнения равна 0,43—0,45), показывает, что различий в ходе кривых не наблюдается.

Температурные градиенты для процессов (опытов) термостабилизации с применением в качестве хладагента углекислого газа составляют значения grad t = 0,089—0,038 (таблица 2), соответствующего повышению температуры по мере углубления в грунт до значения минус 1,4°C и 1,6°C при температуре воздуха минус 14°C для процессов 1 и 3, соответственно (таблица 1).

Различие в величинах градиентов температур для процессов термостабилизации грунтов, протекающих с участием аммиака и углекислого газа, обнаруживает эффект разных механизмов их протекания, обусловленных теплофизическими свойствами хладагентов, к основным из которых относится теплота парообразования, соответственно 1260 кДж/кг и 231 кДж/кг при 0°C. Естественно, что в последнем случае на единицу тепловой мощности термостабилизатора количество испаряющегося хладагента в 5,5 раза приходится больше. С учетом стесненных условий геометрии гидродинамического пространства во вновь созданной модификации СОУ по сравнению с предыдущей его модификацией различие теплофизических свойств проявилось в различных механизмах протекания теплообменных процессов.

На рисунках 5 и 6 сопоставлены температурные кривые в зависимости от глубины погружения испарителей в грунт для СОУ-50 и СОУ-100. На глубине 45 м преимущества работы СОУ-50 по сравнению с СОУ-100 очевидны, поскольку температура испарителя в первом случае равна минус 3,9°C, а во втором 2,4°C при температуре окружающего воздуха минус 9°C (рисунок 5). Тенденция сохраняется и при температуре окружающего воздуха минус 6°C с соответствующими значениями температур минус 1,3°C и 0,8°C (рисунок 6).

При проведении исследований особый интерес представлял процесс течения хладагента по локально организованным полостям, ограниченным стенками внутреннего устройства (полиэтиленовой трубы) и термостабилизатора, обусловленный гидростатической подъемной силой, которая возникает под действием разности плотностей по причине неоднородности температуры и гравитационного поля. Характерное отличие состоит в том, что заранее малоизвестно о результирующем течении, возникающем под действием гидростатической подъемной силы. Поля течения и температуры в гильзе и испарителе тесно связаны друг с другом, и их необходимо рассматривать совместно, а сами течения являются сравнительно слабыми. Это значит, что скорости достаточно малые, а инерционные и вязкие эффекты обычно величины одного и того же порядка [4].

Существует много разных видов течений, вызванных гидростатической подъемной силой, что обусловлено как отдельными эффектами, так и их комбинациями, а также разнообразием геометрических конфигураций. Почти все такие явления имеют общие черты, и они сильно отличаются от процессов переноса, обусловленных обычными видами приложения силы.

На основе проведенных исследований получено более понятное и точное представление о характере гидродинамики и теплообмена в термостабилизаторе при разных условиях проведения процесса. Исследованиями интенсифицированных парожидкостных процессов в термосифонах с применением внутренних и внешних устройств с разными характерами гидродинамики и теплообменами выявлены зоны режимных параметров — плотность теплового потока, изотермические участки — в которых существенное влияние на течение пленки конденсата и теплообмен имеет поперечный поток массы и унос жидкости с паром. Замерено поле температур в вертикальном направлении теплообменной поверхности испарителя для модифицированного и классического вариантов исполнения термостабилизаторов. Внедрение в эксплуатацию СОУ с применением хладагента аммиака позволит достигнуть более низких температур замораживания и термостабилизации грунтов на больших глубинах в криолитозоне.

В процессе освоения континентального шельфа северных морей в целях обеспечения глобальной энергетической безопасности развития российской нефтегазовой индустрии перспективы вовлечения в разработку современных локализованных термостабилизирующих систем ФСА с учетом природно-климатических условий и глубины акваторий целесообразны для замораживания и термостабилизации донных грунтов шельфа, служащих основаниями для многих объектов и сооружений нефтегазовой отрасли при освоении месторождений континентального шельфа Арктики. Применение термостабилизаторов ФСА можно рассматривать как один из способов закрепления на грунте инженерных сооружений (гидротехнических и искусственных) в условиях вечной мерзлоты на Арктическом шельфе и на прибрежных территориях, объединяемых технологическими процессами в общий морской нефтегазовый комплекс.

В этой связи целесообразно использовать результаты многолетних исследований ФСА, разработки и внедрения в эксплуатацию четырех основных видов сезонно-действующих охлаждающих устройств: горизонтальные и вертикальные естественно-действующие трубчатые системы (соответственно, ГЕТ и BET), индивидуальные термостабилизаторы и глубинные СОУ, которые нашли применение на всех нефтегазовых объектах страны, расположенных в северных широтах. Они внедрены на месторождениях более 350 нефтегазовых объектов ведущих компаний России ОАО «Газпром» (Уренгой, Надым, Ямбург, Югорск, полуостров Ямал), ОАО «НК «ЛУКОЙЛ» и ОАО «НК «Роснефть», ОАО «АК «Транснефть», на алмазодобывающем предприятии «АК «Алроса», золотодобывающем предприятии ОАО «Полиметалл», в городских администрациях таких северных городов как, например, Новый Уренгой, Салехард, Надым, Лабытнанги, Мирный. На протяжении двух десятков лет компания смонтировала 2 350 систем ГЕТ и BET, 208 690 индивидуальных термостабилизаторов и глубинных СОУ.

Выводы

Экономическая эффективность применения систем температурной стабилизации грунтов составляет от 20 % до 50 % стоимости нулевого цикла по сравнению с использованием проветриваемых подполий, что обусловлено совершенством технологии, объемами выпускаемой продукции, КПД и мощностью единичных систем термостабилизации, достижением необходимого низкотемпературного поля в грунте. За счет инновационных технических решений ФСА поддерживается в мерзлом состоянии в общей сложности 28 миллионов кубометров грунта на площади 2,8 миллиона квадратных метров, охватывая пространство от Нарьян-Мара до Чукотки с учетом изменении энергетического баланса грунтовой поверхности.

1. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск: Наука, 1985.

2. Статистическое моделирование работы системы ГЕТ, установленной в основании нефтяного резервуара /Г.М. Долгих и др.// Криосфера Земли. 2015. Т. XIХ. № 1. С.70—77.

3. Безродный М.К. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика /М.К. Безродный, И.Л. Пиоро, Т.О. Костюк. 2-е изд., доп. и перераб. Киев: Факт, 2005. 704с.: илл.

4. Рило И.П. Влияние внутренних устройств термостабилизатора на процессы теплопереноса в двухфазных системах /И. П.Рило, К. А.Желудкова, Д. А.Клещин// Арктика, Субарктика: мозаичность, контрастность, вариативность криосферы. Труды международной конференции /под ред. В.П. Мельникова и Д.С. Дроздова. Тюмень: Изд-во Эпоха, 2015. 472 с.

Опубликовано: Журнал "Трубопроводный транспорт [теория и практика]" № 4(50) 2015, 22с.