194
Новые технологии для развития «труднодоступных» районов России
Торшин В. В., Пащенко Ф. Ф., Круковский Л. Е.
В перспективе России предстоит осваивать новые запасы минеральных ископаемых, добыча которых сопряжена с повышенными трудностями, поскольку они расположены в местах с суровым климатом и малонаселенных. Для снижения затрат на освоение этих территорий необходимо внедрение новых технологий. Одним из направлений, способных существенным образом решить задачу по снижению трудоемкости работ при строительстве, бурении и доставке грузов могут служить электроразрядные технологии. Особенность эти технологий состоит в том, что при разряде в жидкости за время, исчисляемое наносекундами, реализуется выделение огромной энергии. В статье рассмотрены возможные новые технические решения с применением электрических разрядов в жидкости, охватывающие все технологические звенья при разработке и транспортировки полезных ископаемых, а также предложены средства для повышения комфорта обслуживающего персонала. запас ископаемое добыча затрата
Промышленное развитие России во многом определяется, находящимися на ее территории, природными ресурсами, которые ставят ее в привилегированное положение по отношению к другим странам. Однако, многие из этих ресурсов, расположенных в относительно доступных местах, постепенно истощаются. Наблюдается спад добычи нефти, не бесконечны запасы газа и других полезных ископаемых. По прогнозам специалистов запасы некоторых видов металлов (олово, медь, хром и др.) будут исчерпаны через 30 - 50 лет. Для того, чтобы сохранить лидерство в добыче полезных ископаемых неизбежно придется обратиться к уже обнаруженным залежам, находящимся в менее доступных районах на севере и северо-востоке страны. В перспективе предстоит освоение нефтяных и газовых месторождений на шельфах морей Ледовитого океана. Чтобы получить промышленную отдачу от использования полезных ископаемых, находящихся в этих «неудобных» районах, необходимы крупные затраты не только на возведение перерабатывающих и добывающих предприятий, но и строительство подъездных дорог, железнодорожных станций, крупных речных и морских портов, линий электропередач, обустройство жилья для обслуживающего персонала и т. д.
Возводить такие производственные и хозяйственные комплексы в условиях вечной мерзлоты далеко не простая задача. Одновременно, для бурения и добычи нефти и газа на шельфах северных морей требуется строить новые суда ледокольного типа, способные преодолевать тяжелые льды Арктики.
Для решения всех этих проблем по освоению новых месторождений не обойтись без инновационных технологий, которые позволят обеспечивать ускоренное строительство необходимых сооружений, снизить затраты на добычу минерального сырья и подвозку различных грузов.
Одним из направлений, способных существенным образом решить задачу по снижению трудоемкости работ при строительстве, бурении и проводке судов через тяжелые льды могут служить электроразрядные технологии. Особенность эти технологий состоит в том, что при разряде в жидкости за время, исчисляемое наносекундами, реализуется выделение огромной энергии. Явления, происходящие при пробое жидкой среды электрическими импульсами, были установлены уже более 200 лет назад, Однако, возникающие, при этом, мощные гидродинамические эффекты, не нашли в то время практического применения. Электрогидравлический разряд (ЭГР) происходит при пробое промежутка между двумя электродами (разрядниками), погруженными в жидкость (воду) и представляет собой не что иное, как электрический цепной взрыв. Образующееся при этом высокое давление через жидкость передается в окружающую среду. Главным преимуществом такого взрыва является непосредственное преобразование электрической энергии, в механическую энергию движущихся масс жидкости без промежуточного механизма преобразования. При этом, ударные воздействия на различные среды дают возможность снизить энергетические затраты благодаря мощному кратковременному импульсу.
В пятидесятых годах прошлого века Л. А. Юткин предложил использовать взрывные гидродинамические импульсы, электрического разряда в технологических процессах, получившее развитие в работах других ученых [1, 2, 3].
В настоящее время относительная простота энергетического оборудования и достаточно проработанная схема управления электрическим разрядом уже нашла свое применение в тех областях техники. Примерами такого промышленного использования электрогидравлического эффекта во многих производствах являются: разрушение твердых скальных пород в горном деле; освобождения отливок от наплывов в кузнечнопрессовом оборудовании; уплотнение грунтов в строительстве. ЭГР применяется при выплавке металлов в металлургии и других областях техники.
Широкое применение глубинного уплотнения грунта при строительстве фундаментов, для изготовления бетонных свай и грунтовых анкеров, ограждений котлованов, опор мостов, речных причалов и многих других сооружений освоено специалистами фирмы РИТА (Разрядно Импульсные Технологии и Аппараты). Они используют ЭГР при обработке висячих сваи-РИТ диаметром 250 мм при испытательной нагрузке 120130 тонн. Обычно такие сваи давали осадку, доходящую до 8-10 мм. Однако, после обработки корня грунтовых анкеров длиной 5 м по разрядно импульсной технологии, могли выдерживать усилие натяжения 200 тонн, без существенных деформаций. В этом случае при изготовлении бетонных свай происходит электрический пробой разрядного промежутка между электродами непосредственно в бетонной смеси. Возникающее в ней в момент разряда давление, воздействует на грунт, уплотняя его в локальных зонах, формирует разрядно импульсные (камуфлетные) уширения ствола сваи. С помощью ЭГР обрабатывается не только основание, но и сам ствол сваи.
Другим примером применения ЭГР является очистка внутреннего пространства труб центрального отопления, на стенках которых образуются наслоения минеральных солей, приводящая к необходимости частой замены тепловых коммуникаций. Макеевское НИИ совместно с НПП «Электрогидравлика» применили электрогидравлический удар для очистки различных внутренней поверхности труб. Ими разработаны, и успешно эксплуатируются в промышленных условиях многофункциональные электрогидравлические установки серии «Импульс». Установка представляет собой мобильный энергетический комплекс, расположенный на шасси автомобиля КРАЗ 257 или КАМАЗ 5320, включающий в себя генератор импульсных токов с зарядным устройством, системы управления и безопасности, а также комплекс рабочих электродов соответствующего назначения (см. Таблицу). С помощью этой установки обеспечивается полная высокопроизводительная очистка внутренних поверхностей трубопроводов (емкостей) различного назначения и оборудования от илоподобных, до особо прочных отложений. На фотографиях, в качестве примера, показана часть трубы диаметром 200мм с солевыми отложениями до, и после обработки электрическим разрядом в жидкости с помощью установки «Импульс».
Эта же установка обеспечивает быстрое разрушение строительных конструкций (до 3 мі/ч по бетону М700) при сносе старых бетонных или каменных построек и уплотнении грунта при возведении на их месте новых сооружений. При этом достигается высокая степень безопасности и экологическая чистота, в отличие от сноса конструкций с применением ВВ, которые иногда проводить просто недопустимо.
Пока Россия занимает одно из лидирующих положений в области разрядно-импульсных технологий, а это дает определенные преимущества. И возможности, которые представляет собой разряд в воде, еще далеко не исчерпаны. В Институте проблем управления автоматики и телемеханики им. В. А. Трапезникова РАН (ИПУ РАН) были продолжены работы по внедрения ЭГР. На опытной установке в лаборатории Института была доказана принципиальная возможность разрушения ледяного покрова с помощью ЭГР. Для того, чтобы раздробить ледяной покров толщиной 120 мм (см. фотографию) потребовалось несколько наносекунд, Работа, затраченная на разрушения составила всего 200 Дж, что по энергозатратам равносильно поднятию массы весом в 20 г на высоту 1 м. Расчеты показывают, что для разрушения ледяного покрова толщиной 1 м потребуется установка мощностью в 20 кВт.
По результатам этих исследований были разработаны устройства для разрушения ледяного покрова на пути движения судов, а также для разрушения ледяных заторов, возникающих на реках во время весенних паводков [4, 5]. Эти устройства позволят обеспечивать навигацию по северным рекам и Северному морскому пути круглый год и позволят снизить тоннаж судов ледокольного типа, способных преодолевать тяжелые льды. К этому следует добавить, что подобные устройства позволят также освобождать портовые причалы от ледяных наслоений, что снизит ограничения для подхода речных судов с грузами, необходимыми для жизни в условиях севера. При этом резко снижаются затраты на ремонт и восстановление причалов и портовых сооружений после зимнего периода. Подобные системы могут быть использованы при разработке нефтегазовых месторождений.
Среди других работ [6], направленных на повышение комфортности обитания в суровых климатических условиях можно отметить использование ЭГР в автономной импульсной установке для получения тепла [7]. Эта установка обеспечивает прямое преобразование электрической энергии в генерацию пара с КПД равным 80%. Причем пар образуется сразу же после включения системы. Такие установки можно использовать для обогрева помещений различного назначения.
На любых стройках и на производствах для обеспечения работы различных механизмов не обойтись без сжатого воздуха. В ИПУ РАН разработано устройство для получения сжатого воздуха также основанное на эффекте ЭГР [8]. Такая схема получения воздуха высокого давления имеет преимущество перед традиционными способами, поскольку в ней происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию сжатого воздуха, т.е. она не содержит приводной двигатель воздушного компрессора.
Хорошо известна проблема пуска дизелей в зимний период времени. В условиях суровых морозов эта проблема становится особенно актуальной. В Институте проблем управления разработано устройство для обеспечения пуска дизелей с помощью электрогидравлического удара [9]. В нем сжатие паров дизельного топлива обеспечивается импульсным движением вспомогательного подвижного поршня, расположенного ниже пусковой камеры с электродами, заполненной незамерзающей жидкостью. В этом устройстве запуск дизеля производится практически с первой попытки, отпадает потребность в пусковом двигателе и сокращается объем и вес аккумулятора.
Предложена также установка для очистки воды от болезнетворных микроорганизмов за счет механического воздействия и возникающего при электрическом разряде ультрафиолетового излучения. Опытами также была доказана возможность, обессоливание воды под воздействием электрического разряда.
Как правило, бурение скважин в условиях Севера связано с повышенными механическими нагрузками и частыми заклиниваниями буров, за счет подземного смещения и движения грунтов. Кроме этого, при низких температурах добываемая нефть имеет более высокую консистенцию. Из-за этого, через некоторый период времени объемы добычи нефти снижаются, так как каналы притока нефти и сами трубы, по которым поступает нефть, забиваются различными наслоениями. Такие скважины приходится бросать, консервируя их на неопределенное время. Применение электрического разряда на глубине скважины может способствовать не только очистке существующих каналов нефтеносных жил, но и образованию новых каналов, по которым может начать поступать дополнительные порции нефти. Применение такой технологии поможет восстановить законсервированные скважины и повысить их дебет.
В Институте проблем управления разработаны устройства для освобождения буров и труб от заклинивания при бурении [10], [11] . При этом конец трубы или сама труба, находящиеся на глубине скважины подвергается действию электрогидравлических ударов. В результате ударного воздействия конец трубы, в котором располагается непосредственно бур или сама труба, испытывает механическое перемещение в грунте. Это позволит высвободить бур или трубу, зажатую породой. Одной из известных проблем удаленных территорий является обеспечения жителей свежими зеленью, овощами и фруктами. Из-за сложностей в доставке этой жизненно важной продукции, ее цена становится выше потребительских возможностей. Чтобы обеспечить население растительной продукцией необходимо строить тепличные хозяйства.
В лаборатории Института проблем управления разработана установка для промышленного выращивания растений в теплицах, в которых также используется электроразрядная технология [12]. В этой установке воду для полива растений предварительно обрабатывают ЭГР, что приводит к ускорению прорастания и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях ИПУ РАН, полностью оправдали ожидания. На фотографиях представлены некоторые результаты опытов по росту растений, которые поливались обычной водопроводной водой и водой подверженной электрическому разряду. В качестве опытных растений использовались такие культуры, как укроп, петрушка, редис, огурец, астра и другие растения. Как видно из фотографий количество и размеры растений значительно больше при поливах разрядной водой, чем обычной водопроводной. Например, для укропа коэффициент увеличения урожайности составляет 8-10 раз, для редиса 5 раз. Причем всхожесть растений в несколько раз больше при использовании разрядной воды, чем обычной. Этот эффект объясняется следующим образом. Как известно, растение поглощает вещества в ионной форме. Процесс поглощения проходит в два этапа. Сначала поступление ионов в свободное пространство корня и затем транзит через мембрану - плазмолемму. Свободное пространство корня занимает примерно 10% его объема и образовано межмолекулярным пространством в толще его клеточных стенок. Особую роль в плазмолемме растительных клеток играет проточная помпа, создающая электрохимические и химические (pH) градиенты. При воздействии на воду ЭГР структура воды, на определенный период времени, разбивается на более мелкие нанофракции. В результате вода легче проникает в межмолекулярное пространство корня и через плазмолемму в ткани растений. Структурированная вода лучше насыщается питательным раствором, а проточной помпе легче прокачивать раствор в ткани растения. При этом преобразованная вода должна поступать для полива не позже, чем через 30 после того, как на нее воздействовали разрядными импульсами. В противном случае она теряет свои специфические свойства.