Система интенсификации работы сезонно действующих термостабилизаторов (СИРСТ)

Традиционное использование сезоннодействующих охлаждающих устройств (называемых также СОУ, термостабилизаторы, термосифоны, термоколонки и пр.) и систем для сохранения мерзлого состояния грунтов оснований зданий и сооружений в ряде случаев оказывается недостаточно эффективным. В особенности это актуально для объектов со значительным тепловыделением (таких как нефтяные резервуары, факельные установки, добывающие скважины и пр.), при наличии активных фильтрационных процессов в грунтах оснований (например, в основаниях насыпей плотин), а также с учетом влияния глобального потепления, вызывающего постепенное сокращение протяженности холодного периода, при котором возможно естественное функционирование СОУ. Сезоннодействующие термостабилизаторы не позволяют при необходимости осуществить экстренную проморозку грунта до проектных значений температур в сжатые сроки (1-2 месяца и менее).

С 2019 года специалистами ООО «МобиДик» проводится ряд проектных и научно-исследовательских работ, направленных на разработку систем экстренной термостабилизации, позволяющих компенсировать недостатки сезоннодействующих охлаждающих устройств.

На зданиях и сооружениях, построенных по I принципу (с сохранением мерзлого состояния грунтов оснований), в процессе проведения геотехнического мониторинга могут быть выявлены участки критического растепления с потенциальным или текущим нарушением проектного температурного режима грунтов оснований. Такие ситуации классифицируются как предаварийные, либо аварийные, соответственно. Подобный сценарий требует оперативного вмешательства и применения эффективного инженерного метода, позволяющего в максимально сжатые сроки стабилизировать температуры грунтов оснований. Актуальными для таких форс-мажорных ситуаций системами являются устройства, использующие хладоресурс диоксида углерода, либо жидкого азота, имеющих крайне низкую в отрицательном диапазоне температуру кипения.

Разработанная в ООО «МобиДик» система интенсификации работы сезоннодействующих термостабилизаторов (СИРСТ) предназначена для многократного усиления холодопроизводительности традиционных сезоннодействующих термостабилизаторов (в т. ч. и систем термостабилизации) и экстренного охлаждения грунтов оснований. Разработана СИРСТ преимущественно для устранения предаварийных и аварийных ситуаций, связанных с растеплением многолетнемерзлых грунтов (ММГ) оснований, и предотвращения сопутствующих деформаций возведенных на них зданий и сооружений.

СИРСТ представляет собой технологию охлаждения грунтов оснований до требуемых значений в течение короткого времени с применением сжиженных продуктов разделения воздуха. Сжиженный газ (интенсификатор) генерируется в установках АКДС (автомобильная кислородоазотодобывающая станция), либо поставляется в специальных емкостях. Интенсификатор по системе криогенопроводов подаётся к установленным на существующие на объекте СОУ (см. рис. 1). Здесь в установленных на транспортных участках СОУ теплообменниках, в результате взаимодействия с более тёплыми элементами СОУ, интенсификатор закипает, поглощая тепло от элементов системы термостабилизации и инициируя циркуляцию фреона в СОУ с многократно усиленной производительностью.

Рис. 1. Принципиальная схема работы СИРСТ

В настоящее время ООО «МобиДик» проведены полевые испытания СИРСТ, предваряющие установку и применение систем СИРСТ на ряде объектов (см. рис. 2). Испытания СИРСТ проведены на полигоне, состоящем из 29 сезоннодействующих термостабилизаторов длиной 12 м в грунте, заправленных хладагентом фреон R-410а. Для наблюдений за температурой грунта термостабилизаторы оснащены стационарными термометрическими косами. Также предусмотрена сеть термометрических скважин с шагом 0,5 м от оси СОУ. По данным нулевого замера изначальная средняя температура грунтов полигона на глубине 5-6 м составляла 7,5 оС.

Рис. 2. Производственно-испытательный полигон СИРСТ в г. Курган

По результатам проведенных испытаний СИРСТ при выходе системы на рабочий режим динамика понижения температуры грунта составила 0,6оС за каждые 3 часа в радиусе до 1,5 м от оси термостабилизатора. Значения передачи теплового потока от испарителя СОУ в грунт составили свыше 900 Вт/м2. Температура испарительной части СОУ понижается до значений ниже 44оС. Используемая система экстренной заморозки грунтов СИРСТ показывает эффективную работоспособность даже в условиях повышенной сложности в виде представленных на полигоне талых грунтов с достаточно высокой исходной температурой и с наличием водоносных слоев.

Помимо восстановления проектного температурного режима грунтов оснований в кратчайшие сроки СИРСТ может быть использована для сокращения сроков строительства. Например, на одном из реализуемых объектов необходимо до начала холодного периода выполнить охлаждение грунтов с преимущественно положительных температур (порядка 2,0-5,0оС) до проектных температур (минус 1,0-1,2оС). Целью этих мероприятий является ускоренное достижение проектных температур принудительным способом для возможности дальнейшего нагружения свай и установки оборудования. Без мероприятий по интенсификации СОУ нагружение свай и установку оборудования будет возможно выполнить в лучшем случае только после окончания одного или даже нескольких холодных сезонов, когда температуры грунтов достигнут проектных значений в результате естественной работы СОУ. Таким образом, применение СИРСТ на данном объекте позволит существенно сэкономить время строительства и досрочно запустить эксплуатацию сооружений.

К дополнительным сферам применения СИРСТ можно отнести экстренное создание льдогрунтовых завес при потребности предотвращения притока воды (при строительстве плотин или в горных выработках), ликвидацию прорывов и плывунов, льдогрунтовое ограждение котлованов на чрезмерно водонасыщенных грунтах и мн. др.

Преимущества системы СИРСТ:

• Отсутствие необходимости демонтажа и последующего восстановления уже установленных на объекте СОУ. СИРСТ монтируется на существующие термостабилизаторы от любых производителей
• Экстренная заморозка грунтов происходит за счет работы циркулирующего в СОУ хладагента и применяемого в системе СИРСТ интенсификатора. Не используется аммиак и подобные опасные хладагенты
• За счет простоты устройства системы и ее компонентов практически исключена вероятность возникновения неисправностей. После отключения СИРСТ (при достижении проектных температур) СОУ в составе системы способны функционировать автономно в периоды отрицательных температур
• Стоимость принудительного замораживания значительно более низкая, чем при использовании холодильного оборудования в системах термостабилизации машинного типа. Отсутствует потребность в постоянном энергоснабжении системы принудительной заморозки
• Возможность значительного удаления использующего электричество оборудования от объекта обеспечивает безопасность эксплуатации в условиях повышенных требований к пожаро- и взрывозащите