Анализ проблем выбора системы по температурной стабилизации грунтов в условиях вечной мерзлоты



В статье рассматриваются проблемы, связанные со строительством нефтегазовой инфраструктуры в условиях вечной мерзлоты. Рассмотрены основные типы мероприятий по температурной стабилизации грунтов и произведен их сравнительный анализ, описана предложенная комбинированная система, предоставлено технико-экономическое обоснование применения разработанной системы и ее преимущества.

Ключевые слова: температурная стабилизация, система, грунт.

Ямал — кладезь полезных ископаемых таких как нефть, газ и газоконденсат. В связи с этим идет глобальное строительство нефтегазовой инфраструктуры в данном регионе. Но при этом необходимо обеспечить безаварийную работу разрабатываемых систем [1].

На Ямальском полуострове преимущественно строительство ведется на вечной мерзлоте, что осложняет процесс строительства и дальнейшей эксплуатации объектов.

Расположение объектов проектирования на вечномерзлых грунтах предполагает необходимость их сохранения в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации объекта [2]. Сохранить мерзлое состояние можно инженерно-техническими мероприятиями различной стоимости и технической сложности реализации [3].

Существует несколько основных типов мероприятий по температурной стабилизации грунтов [4, 5]:

— устройство вентилируемого подполья;

— индивидуальные термостабилизаторы;

— устройство теплоизоляционных экранов;

— площадная система ГЕТ (горизонтальная естественно действующая трубчатая);

Устройство вентилируемого подполья относится к основному и наиболее распространенному способу регулирования теплового влияния здания на температурный режим основания, при этом открытые подполья сообщаются с наружной средой. Зимой подполья заносит снег, летом в них проникает теплый воздух, который согревает основание. Это способствует возникновению неблагоприятного температурного режима во внутренних помещениях 1-ого этажа. Поэтому необходимо разрабатывать подполья, в которых регулируется проветривание, т.е. продухи. Зимой продухи открыты, а в летнее время их закрывают. Иногда роль вентилируемого подполья выполняют неотапливаемые помещения 1-ого этажа.

Вертикальные одиночные (индивидуальные) термостабилизаторы (ВЕТ) представляют собой герметичную неразъемную конструкцию из трубы, заправленную хладагентом (аммиаком, углекислотой или др. хладагентом), и состоящую из надземной части — конденсатора и подземной части — испарителя (рисунок 1). Работа по отводу тепла из основания обеспечивается естественной циркуляцией хладагента в герметичной конструкции. В конденсаторе, где смесь гравитационно разделяется на жидкость и пар под воздействием холода жидкостная фаза по стенкам стекает к охлаждающей трубе — испарителю, расположенному в грунте. В испарителе хладагент вскипает и переходит в газообразную фазу, поднимается в конденсатор, так протекает термодинамический цикл активный в зимний период. Таким образом, работа термостабилизатора не зависит от наличия внешних источников энергии.

Устройство теплоизоляционных экранов представляет собой «пирог» теплоизоляции, отсекающий прохождение тепла в глубь насыпи/грунта при этом самостоятельно данный метод малоэффективен при высокой тепловой нагрузке, передаваемой от оборудования к свайным основаниям. Его применяют совместно как дополнительную меру с системами ГЕТ, а также вентилируемого подполья.

Рис. 1. ВЕТ в подполье каркасного здания

В состав системы ГЕТ входят два основных элемента:

— горизонтальные охлаждающие трубы, которые располагается в грунте основания. Они предназначены для циркуляции хладагента и последующего замораживания грунта;

— конденсаторный блок, который располагается на поверхности грунта. В конденсаторном блоке за счет естественной конвекции и силы тяжести происходит конденсация паров хладагента и дальнейшая перекачки его по системе.

В основе принципа действия заложено то, что в охлаждающих трубах осуществляется перенос тепла грунта к хладагенту. При этом хладагент переходит из жидкой в парообразную фазу и перемещается в сторону конденсаторного блока, где конденсируется в жидкую фазу, отдавая тепло через оребрение в атмосферу. Охлажденный и сконденсированный хладагент вновь стекает в испарительную систему и повторяет цикл движения.

Основная проблема при выборе той или иной системы — это технико-экономические показатели систем термостабилизации, доступность технологии и материалов, а также выдерживание темпов строительства.

При проектировании системы одиночных ВЕТ происходит увеличении веса конструкций, и, как следствие, увеличение профиля колонн и количества свай. Кроме того, потребуется балочная клетка с горизонтальным перекрытием, что ведёт к удорожанию стоимости объектов. Кроме того, при проектировании установок в несколько ярусов для экономии пятна застройки к примеру НТК (низкотемпературная конденсация), УСК (установка стабилизация конденсата) система ВЕТ не позволяет/затрудняет доступ к арматурным узлам ввиду их насыщенности, что противоречит нормативной документации по обслуживанию установок.

Проветриваемое подполье работает с большей эффективностью в комплексе с одиночными термостабилизаторами в условиях обеспечении его проветриваемости. В случае устройства подполья (с устройством одиночных ВЕТ) необходимо в период эксплуатации обеспечить его продуваемость, что затруднительно при больших габаритах и наличии пандуса для въезда техники (для РММ, складов), а также обязательно исключить снегозаносы подполья.

Наиболее эффективными для замораживания грунта в условиях вечной мерзлоты показали себя системы ГЕТ. Они обладают следующим преимуществом по сравнению с выше рассмотренными системами: возможность осуществлять температурную стабилизацию грунтов в самых недоступных местах или тех местах, где размещение надземных элементов нежелательно или невозможно, так как все охлаждающие элементы расположены ниже поверхности грунта, а конденсаторный блок может быть вынесен на удаление от сооружения до 70 м.

При этом стоимость системы наиболее дорогая по отношению к другим системам.

При строительстве установки комплексной подготовки газа и конденсата на Новопортовском НГКМ проектными решениями была заложена система ВЕТ. Экспертиза рабочей документации при строительстве объекта показала: были перекрыты подходы к технологическому оборудованию ввиду насыщенности кустов свайных оснований, завышена металлоемкость металлоконтрукций трех ярусной установки этажерочного типа, организовано технологическое подполье с насыщенными кустами свайных оснований. При пересчете системы термостабилизации на систему ГЕТ возникла необходимость разрабатывать дополнительно котлован под всю установку НТК, а также укладывать пирог ГЕТ, что тормозило сроки строительства и вело к удорожанию проекта основания фундамента. Поэтому было принято решение — разработать систему термостабилизации позволяющую:

— уменьшить металлоемкость этажерки;

— уйти от проветриваемого подполья, в данном случае оно не эффективно;

— не выполнять разработку котлована с последующим устройством пирога ГЕТ и обратной засыпкой, ввиду смещения сроков строительства на 2–3 месяца;

— остаться в бюджете заложенной системы.

Для определения наиболее оптимальной технологии применим структурный синтез систем термостабилизации, который сводится к решению оптимизационной задачи вида [6]:

(1)

где Q — экстремизируемый функционал, зависящий от условия L функционирования системы и проектируемых факторов U , которые должны удовлетворять ограничениям S в виде:

(2)

Данные ограничения связаны с удовлетворением различных требований, предъявляемых к синтезируемой системе.

Предлагаемое решение — скомбинировать системы ВЕТ и ГЕТ (без устройства техподполья) и вывести за границы сооружения горизонтальными трубками на конденсаторные блоки (рисунок 2). Новизна данной комбинированной системы заключается в том, что данное решение ранее не применялось.

Рис. 2. Комбинированная система ВЕТ и ГЕТ в подполье каркасного здания

Расчет данной системы показал, что система ведет себя стабильно и эффективно выполняет функцию термостабилизации грунта (рисунок 3).

Рис. 3. Температура грунта на конец двадцатого лета, разрез 2–2

Экономический анализ показал эффективность применения данной системе по отношению к аналогам (таблица 1).

Таблица 1

Сравнительный анализ различных систем

Наименование показателя	Ед. изм.	ВЕТ	ВЕТ+ГЕТ	Разница (экономия)	Комментарий
Высота основания	м	2	0	2	Строительство объектов с технологией ВЕТ приведет к увеличению веса конструкции, и как следствие, к увеличению профиля колонн. Кроме того, под трубопроводы и оборудование потребуется дополнительная балочная клетка с горизонтальным перекрытием. Совокупный рост объема работ равен стоимости строительства дополнительного яруса у объекта (+1/3 стоимости объекта).
Кол-во ярусов у объекта	Шт.	4	3	1
Кол-во объектов на которых применяется ВЕТ+ГЕТ	Шт.	5	5	0	2 установки для низкотемпературной конденсации. 2 установки стабилизации конденсата. 1 установка низкотемпературной сепарации ПГ.
САРЕХ на 1 объект (в среднем)	Руб.	229 949 579	224 962 184	74 987 395	Необходимость применения технологии термостабилизации грунтов подтверждена ООО НПО «ФУНДАМЕНТСТОЙАРКОС». Предложенный подрядчиком вариант (ВЕТ) приводил к росту стоимости строительства объекта. Применение ВЕТ+ГЕТ не допускает этого.
САРЕХ на 5 объектов	Руб.	1 499 747 893	1 124 810 920	374 936 973
ОРЕХ	Руб	Не оценивался	Не оценивался	Не оценивался	Операционные расходы примерно одинаковые.

Проведенный сравнительный анализ двух вариантов устройства оснований и фундаментов показало, что вариант 2 — здание на охлаждаемом основании с полами по грунту имеет более сильные стороны в сравнении с вариантом 1, который заключается в следующем:

— получаем менее материалоемкие фундаменты здания с полами по грунту, что ведет к существенному сокращению сроков производства работ на устройство фундаментов здания, упрощению технологии производства общестроительных работ, уменьшению их объема;

— увеличивается эксплуатационная надежность здания, если применять охлаждаемые основания;

— экономически более выгодно (экономический эффект составляет около 30 %) применять комплекс, состоящий из охлаждаемых оснований, свайных фундаментов под каркас здания и полов по грунту;

— применяя здание с полами по грунту ведет к значительному упрощению организации въезда в здание, увеличению удобства эксплуатации, уменьшению площади застройки.

Литература:

1. Крюков В. В., Тугов В. В. Управление процессом редуцирования газа в магистральных газопроводах // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. — 2019. — № 3 (63). — С. 35–46.
2. Крамаренко В. В. Грунтоведение: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 431 с.
3. Максименко В. А. Евдокимов В. С., Гладенко А. А., Новиков А. А., Галдин В. Д. Система заморозки грунта на основе парокомпрессионного и естественноциркуляционного циклов // ОНВ. — 2012. — № 2 (110). — С. 163–165.
4. Евдокимов В. С., Максименко В. А., Васильев В. К. Исследование работы сезонно-действующего термостабилизатора грунта // Проблемы региональной энергетики. — 2014. — № 3 (26). — С. 74–80.
5. Жмулин В. В., Туголуков Р. А. Системы термостабилизации на объектах проектирования ПАО «ВНИПИгазодобыча». — СПб.: НТС ПАО «Газпром», 2016. — 15 с.
6. Тугов В. В., Пищухин А. М., Тугов А. В. Постановка задачи структурного синтеза реконфигурируемой производственной системы // В сборнике: Современные информационные технологии в науке, образовании и практике. Материалы X Всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург: Издательско-полиграфический комплекс «Университет», 2012. –С. 386–389.