Модель автоматизации защиты торфяников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модель автоматизации защиты торфяников

Олейников Сергей Николаевич

Белозеров Владимир Валерьевич

Быков Дмитрий Александрович

Олейников Сергей Николаевич

кандидат технических наук

Заместитель начальника факультета, Академия государственной противопожарной службы МЧС России

129366, Россия, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

Белозеров Владимир Валерьевич

кандидат технических наук

Технический директор, ООО "Компания ТРИТАРТ"

346735, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пер. Астрономический, 22/9

Быков Дмитрий Александрович

магистрант, кафедра Автоматизации производственных процессов, Донской государственный технический университет

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пл. Гагарина, 1

Аннотация

Объектом исследования явились существующие методы и средства диагностики состояния торфяных залежей и тушения торфяных пожаров. В статье проведен системный анализ проблем, связанных с образованием и применением торфа, включая его повышенную пожарную опасность. Показано, что тушение торфяных пожаров водой лишает возможности эксплуатировать торфяные месторождения. Предложена модель автоматизированного комплекса обнаружения, предотвращения и тушения пожаров существующими газовыми торфяными стволами, которые дорабатываются в термоэлектрозонды, и позволяют подавить процесс саморазогрева торфа с помощью атмосферного азота, получаемого методом сепарации воздуха. Методология исследования базируется на новом отечественном способе "азотирования" торфа, который защищен патентом РФ на изобретение. Новизна исследования заключается в том, что при разработке модели автоматизации, помимо тепловой локации и подавления очага саморазогрева торфа газоторфяными стволами термозондами, предлагаемого в указанном патенте РФ, синтезирована схема вертикального электрозондирования торфяника (известного с прошлого века), путем соответствующей доработки газоторфяных стволов в термоэлектрозонды.

Ключевые слова: торф, самовозгорание торфяников, термозондирование, тепловая локация, очаг самовозгорания, сепарация воздуха, азотирование торфа, электрометрия, вертикальное электрозондирование, электропрофилирование

торфяной залежь тушение пожар

Oleinikov Sergei Nikolaevich

PhD in Technical Science

Deputy of the Head of the Faculty, Academy of State Fire Prevention service, Ministry of Emergency situations of Russia

129366, Russia, g. Moscow, ul. Borisa Galushkina, 4

vbfiremen@bk.ru

Belozerov Vladimir Valer'evich

PhD in Technical Science

Technical Director, LLC "Company TRITART"

346735, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, per. Astronomicheskii, 22/9

isagraf@mail.ru

Bykov Dmitrii Aleksandrovich

Master's degree, Department of Automation of Production Processes, Don State Technical University

344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, pl. Gagarina, 1

Din478@yandex.ru

Abstract.

The object of the research is the existing methods and diagnostics means of the condition of peat deposits and suppression of peat fires. The author carried out a system analysis of the problems connected with formation and use of peat with due consideration of its increased fire danger. The article shows that suppression of peat fires with water makes it impossible to exploit the peat fields. The author offers a model of the automated complex of detection, prevention and suppression of fire with the existing gas peat trunks which are constructively improved and turned to thermoelectroprobes that allow to suppress the process of self-heating of peat by means of atmospheric nitrogen received using the air separation method. The methodology of the research is based on a new domestic method of peat "nitrating" protected by the patent of the Russian Federation for inventions. The novelty of the research lies in synthesizing a diagram of vertical electric sounding of the peat bog (known since the last century) by means of appropriate finishing of gas-peat trunks to thermoelectroprobes in the course of development of the automation model, in addition to the thermal location and suppression of the center of self-heating of peat using gas-peat trunks (the thermoprobes offered in the specified patent of the Russian Federation).

Keywords: peat nitrating, air separation, self-ignition center, thermal location, thermo intubation, self-ignition of peat bogs, peat, electrometry, vertical electrosounding, electric profiling

После двухлетнего обсуждения, Правительство РФ внесло в Госдуму поправки к ФЗ «Об электроэнергетике» о поддержке электростанций на торфе. Дело в том, что торф является возобновляемым источником. Мировой ресурс этого ископаемого, который покрывает около 3% суши нашей планеты, по оценкам экспертов составляет от 250 до 500 млрд. тонн. При этом ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. кубометров торфа, что на два порядка (!) больше, чем используется [1,2].

Лидером по запасам торфа является Канада, где сосредоточено 170 млрд. тонн, второе место у России - 150 млрд. тонн. Далее следуют - Швеция, Финляндия, Германия, Белоруссия и т.д. При этом, прирост запасов торфа оценивается в среднем в 150 тысяч тонн на каждые 1 млрд. тонн запасов, поэтому в ряде стран торф относится к биотопливу и активно задействован в энергосистемах [3]:

- в Финляндии 1/6 часть тепловой энергии получают за счет торфа,

- в Ирландии 1/10 часть генерации электроэнергии приходится на торф,

- в Белоруссии доля торфа в энергобалансе достигает 5%.

В России большое количество залежей торфа находится в Центральных регионах: в Рязанской, Московской и Владимирской областях, и ежегодно запасы торфа возрастают на 250 млн. тонн. В Томской области торфяники занимают 1/3 площади, а в Вологодской - десятую часть областных земель, что свидетельствует о большом будущем этого природного ресурса в решении многих проблем и местной энергетики, и повышения плодородия почв и экологических задач [4].

Добыче и переработке торфа предшествуют сооружение осушительной сети и осушение залежи. При этом с поверхности торфяника удаляется древесная и моховая растительность и слой залежи на глубине 25-40 см освобождается от древесных включений, а освобожденная поверхность разделяется каналами на определённые участки, что понижает уровень грунтовых вод и уменьшает влажность торфяника [5].

Рис.1 - Существующие профили торфяников

Однако именно на этом этапе и возрастает опасность самовозгорания торфа , из-за продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к прогреванию массы торфяника до 70 градусов Цельсия. При этом возникают процессы деструкции, вызывающие дальнейшее повышение температуры, которые превращают торф в полукокс, склонный к самовозгоранию при наличии кислорода. Такой самонагрев идет со скоростью от 1 до 5 градусов Цельсия в сутки. Аналогичные процессы происходят и после добычи торфа, т.е. в процессе его хранения [3,4].

Таким образом, при осушении торфяников, добыче и хранении торфа возникает необходимость в предотвращении и тушении самовозгораний торфа, что, как показывает статистика пожаров, является проблемой, не решенной до настоящего времени.

Несмотря на то, что бесполезность тушения торфа водой доказана В. Сретенским в конце прошлого века [4], многочисленные патенты [№ 2087167, № 2194553, № 2277956 и т.д.] в области тушения торфяных пожаров «продолжают предлагать водяные методы» и создавать специальные средства для этого [5], не обращая внимания на то, что вода делает невозможным эксплуатацию залежей торфа, т.е. его добычи и использования.

Известны разные методы тушения пожаров на торфяниках, в т.ч. безводными способами, один из которых, например, заключается в создании барьера по контуру наиболее пожароопасных участков до возникновения очагов возгорания и во время пожаров. Барьер состоит из смеси измельченных карбонат содержащей (с содержанием карбоната магния и/или карбоната кальция в сумме не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1 с добавкой глинистых минералов 7% и кремнефтористого натрия 3%, до 100% к основной смеси. В качестве компонентов такой смеси могут быть использованы магнезит, доломит, известняк, трепел, опока, диатомит. При распространении огня к траншее минеральный материал разлагается с выделением углекислого газа, который снижает содержание кислорода в воздухе. Оксиды магния и кальция начинают взаимодействовать с указанными добавками с образованием устойчивого к высоким температурам пористого барьера, который препятствующий распространению огня. Недостатком способа являются, во-первых, уничтожение торфа пожаром, во-вторых, высокие единовременные и эксплуатационные затраты на его осуществление, а в-третьих, отсутствие возможности осуществлять локацию и предотвращать самовозгорание торфа.

Существует способ газовой локации подземных пожаров, который заключается в запуске индикаторный газа в выработанное пространство под контуром пожара, и в определении появления на поверхности запускаемого газа и изменения концентрации пожарных газов [3]. Кроме больших единовременных и эксплуатационных затрат недостатком данного способа является невозможность его использования на торфяниках, которые ещё не эксплуатируются.

Существуют газовые способы тушения лесов и торфяников: «бомбами» с жидким азотом, «брикетами» с гранулами диоксида углерода и др., но они имеют «поверхностную эффективность», а самовозгорание торфа и развитие пожара происходит в глубине торфяника, куда они попасть не могут.

В России разработан метод азотирования торфа, который заключается в том, что с помощью мембранного или термомагнитного сепараторов [6-8], из воздуха выделяется кислород, который возвращается в атмосферу, а азот и остальные инертные компоненты вводятся газо-торфяными стволами-термозондами (ГТСТЗ) в зону саморазогрева торфа (рис.1). Эта зона определяется, как минимум тремя ГТСТЗ, с помощью тепловой локации «очага саморазогрева», что позволяет предотвратить самовозгорание и обеспечить безопасную добычу и хранение торфа [6,7].

1- мотокомпрессор (1- двигатель, 2-компрессор); 3 - сепаратор воздуха; 4 - ресивер; 5 - радио блок управления (контроллер с радиомодемами и приемопередатчиком ГЛОНАСС); 6 - торфяник; 7 - радио контроллер ГТСТЗ с термодатчиками (7.1 и 7.2); 8 - газовый рукав; 9 - радиоканал с ГТСТЗ; 10 - радио контроллер ГТСТЗ с термодатчиками (10.1 и 10.2); 11 - газовый рукав; 12 - радиоканал с ГТСТЗ.

Рис. 2 - Структурная схема установки обнаружения, предотвращения и тушения торфяника

Однако, предложенный автоматизированный комплекс(рис.2), реализующий указанный способ, базирующийся на мотопомпе «Гейзер-1200» или «Гейзер-1600», во-первых, требует буксировки на торфяник, а во-вторых, схема автоматизации на радиомодулях и без описания алгоритмов тепловой локации, вызывает сомнение в точности и надежности функционирования [8,9].

Рис. 3 - Азотная станция ТГА-5/10 Краснодарского компрессорного завода

Рис. 4 - Схема расположения оборудования в контейнере

Оставляя за рамками настоящей статьи критику предложенной схемы (рис.2), была разработана модель автоматизированной установки, реализующей метод азотирования на базе серийной мобильной азотной станции ТГА 5/10 (рис.3,4): производительность - 5 Нмі/мин; давление - 10 атм.; чистота азота - 98-99%; мощность - 300 л.с.; габаритные размеры - 6,0Ч2,5Ч3,6 м.; масса - 11500 кг [10].

В отличие от предложенной ранее схемы (рис.2), учитывая необходимость подключения ГТСТЗ к газовым шлангам (использование стандартных пожарных рукавов), целесообразно для связи с контроллером и датчиками ГТСТЗ применить контрольные кабели с соответствующими разъемами. В этом случае, во-первых, блок-схема автоматизации (рис.5) может быть экономно реализована на одном контроллере с необходимыми модулями (табл. 1) и с минимальными погрешностями, а во-вторых, и это главное - появляется возможность применить методы электроразведки [11].

Рис.5 - Структурная схема автоматизации на контроллере Tray 05

Методы электроразведки чрезвычайно разнообразны (табл. 2,3), однако в данном случае целесообразно использовать метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), т.к. появляется возможность не только повысить достоверность обнаружения условий саморазогрева торфа и его очага, но и осуществлять электрическое профилирование торфяника, что позволит по удельному электрическому сопротивлению прогнозировать и пористось, и влагонасыщенность, и глинистось, и некоторые другие свойства [12].

Таблица 1 - Спецификация контроллера Tray 05

Таблица 2 - Физическая классификация методов электроразведки пород

Идея метода ВЭЗ проста. Электроразведочная часть установки состоит, как правило, из двух питающих и двух приемных электродов (рис. 6). В качестве электродов обычно применяют металлические штыри, которые забиваются в землю. Питающие электроды принято обозначать буквами А и В, приемные - M и N [12].

Таблица 3 - Целевая классификация методов электроразведки пород

Примечание: «+», «++», «+++» - малая, средняя, большая применимости

Рис. 6 - Схема измерений в методе ВЭЗ

К питающим электродам с помощью проводов подсоединяют источник тока - батарею или специальный генератор. В земле возникает электрическое поле и начинает протекать электрический ток. Силу тока в питающей линии (IAB) измеряют с помощью амперметра, включенного в цепь АВ. На приемных электродах M и N возникает разность электрических потенциалов (DUMN), которая измеряется с помощью вольтметра. По результатам измерений можно судить об электрических свойствах горных пород на глубинах проникновения тока в землю. Глубина «погружения тока» зависит, в основном, от расстояния между питающими электродами А и В. По результатам выполненных измерений вычисляют кажущееся удельное электрическое сопротивление (КС), обозначаемое rк, и измеряемое в Ом·м [11,12]:

где K - геометрический коэффициент (зависит от взаимного расположения и расстояний между электродами A, B, M и N), ?UMN - разность потенциалов на приемных электродах M и N, IAB - сила тока, протекающего в питающей линии.

Для реализации предлагаемого способа термо-электрозондирования, газоторфяные стволы легко модернизируются, путем установки термопар в два «приемных» ГТС вместо двух «ТСМ-50 верхней части», а в двух «питающих» ГТС демонтируются «ТСМ-50 верхней части» и питающие провода присоединяются к верхней части ствола, который становится «питающим электродом».

Тепловая локация очага саморазогрева или пожара осуществляется по данным многократного опроса ТСМ-50, установленных в «нижних частях» всех 4-х ГТС, методом 4-х точечной пассивной локации (разностно-дальномерным методом с базово-корреляционной обработкой), которая значительно достовернее метода триангуляции, т.к. позволяет получить точность определения углов пеленга в несколько угловых минут - результат, недостижимый для триангуляционных систем [13].

Общий алгоритм работы автоматизированного комплекса на базе мобильной ТГА - 5/10 отличается только в части электрозондирования, т.к. каждый из четырех газоторфянных стволов-термо-электрозондов (ГТС-ТЭЗ) устанавливается на торфянике по одной линии в точном соответствии со схемой электрозондирования (рис.6).

Применение способа и мобильного автоматизированного комплекса на базе ТГА-5/10 для обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров, позволяет принципиально по-новому решить проблемы пожарной и экологической безопасности торфяников, а также ресурсосбережения возобновляемого энергоносителя - торфа [14].

Библиография

1. Тюремнов С. Н. Торфяные месторождения-М.: «Недра», 1976.-182с.

2. Bowman A. F. Soils and the Greenhouse Effect, 1990.

3. Воробьев Ю. Л. Лесные пожары на территории России: Состояние и проблемы / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов; Под общ. ред. Ю. Л. Воробьева; МЧС России. -- М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2004. -- 312 с.

4. Самовозгорание торфа / Горная энциклопедия-http://www.mining-enc.ru/s/samovozgoranie-torfa

5. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола-http://www.systempro.ru/tovar/system/ .

6. Белозеров В.В., Нестеров А.А., Плахотников Ю.Г., Прус Ю. В. Метод и автоматизированный комплекс обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров //Технологии техносферной безопасности. - 2010.-№ 5 (33). - 15 с. -http://ipb.mos.ru/ttb/.

7. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Кальченко И.Е., Мальцев Г.И., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В., Олейников С.Н. Способ предотвращения или обнаружения и тушения торфяных пожаров и установка для реализации способа - патент на изобретение RUS 2530397 22.02.2013.

8. Белозеров В.В., Олейников С.Н., Белозеров В.В. Метод азотирования торфа и средства его противопожарной защиты //Успехи современного естествознания. - 2015. - № 10 . - С. 7-10.

9. Голосной А.А. Автоматизированный комплекс «азотирования» торфа // Материалы VIII Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30226.pdf

10. Ворошилов И.В. Передвижная станция компрессорная азотная // патент на промышленный образец RUS 102768 05.08.2014.

11. Хасанов Д.И. Введение в электроразведку: пособие для слушателей курсов повышения квалификации по специальности «Геофизика». - Казань: КГУ, 2009.-75 с.

12. Марченко М.Н. Вертикальное электрическое зондирование /под ред. проф. Модина И.Н. - М.: МГУ, 2013.-30с.

13. Поздняков Е.К. Методы определения координат в многопозиционных пассивных комплексах с использованием избыточной информации: дисс .на соис. уч. ст. канд. тех. наук 05.12.17 - Донецк: ИПММ НАН Украины, 2015. - 184с.

14. Белозеров В.В. Синергетика безопасной жизнедеятельности - Ростов н/Д: ЮФУ, 2015.-420с

Размещено на Allbest.ru