Применение инженерных систем на «Острове жизни»

Одним из способов освоения Арктики является «развитие арктической транспортной системы, способной эффективно функционировать в сложных природных условиях, а именно развитие Северного морского пути» . История покорения северных территорий России начинается с XVI века, когда поморы расширяли свои владения у берегов северных морей (рис. 1).

Северный морской путь

Единственной артерией, связывающей все арктические регионы России, является Северный морской путь (далее - СМП). Вместе с многочисленными реками СМП является национальной транспортной системой России в Арктике, которая пропускает большой поток грузов, предназначенных для северных регионов. Кроме этого СМП обслуживает порты, научно-исследовательские станции, малые населенные пункты, основные промышленные единицы России: нефтегазовые, горно-металлургические и горно-химические комплексы.

Географическое положение СМП создает сложности в его обслуживании: из-за суровых климатических условий он становится труднопроходимым, а слаборазвитая инфраструктура делает его опасным. Поэтому, «необходимы определенные объекты обслуживания СМП, архитектура которых будет зависеть не только от функционального назначения, но и от климатических условий» .

«Остров жизни» для Северного морского пути

Учитывая сложности использования Северного морского пути, на данный момент перспективным решением для его развития можно назвать создание единого архитектурного комплекса, состоящего из пяти основных модулей. Такой комплекс представляет собой стационарный искусственный остров – «Остров жизни», включающий в себя оборудование для добычи нефти и газа, жилой фонд, базу МЧС, научную станцию и причалы вместе со складскими и ремонтными пунктами (рис. 2).

Автор разрабатывает искусственный остров – «Остров жизни» в Карском море на нефтяном месторождение «Восточно-приновоземельское-1» глубиной около 140 м. Для обеспечения благоприятных и безопасных рабочих условий на данном комплексе были подобраны инженерные системы, учитывающие географические и климатические особенности местности. В число таких систем вошли: системы тепло- и холодоснабжения; системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, обеспечивающие требуемый микроклимат; системы водоснабжения и водоотведения; система интеллектуального обеспечения жизнедеятельности искусственного острова.

Системы тепло- и холодоснабжения

Система теплоснабжения объекта осуществляется за счет котельной, работающей от дизеля и от добываемой нефти с попутным газом. Котлы дожигают выхлоп, выделяющийся из турбин, и используют его для обогрева жилого блока. При такой системе теплоснабжения в атмосферу не попадает никаких загрязняющих веществ, а 98 % попутного газа используется на общественные нужды. Избытки попутного газа можно использовать на нужды ближайшего города по проложенной трубопроводной сети.

На объекте предусмотрено использование возобновляемой энергии, источниками которой являются волны и течения, а также ветер. Для этого устанавливаются:

1. Система «Parthenon» (энергия от подводных течений). Система состоит из большого количества вращающихся колонн, которые крепятся к нижнему несущему кессону (рис. 3а, б).

2. Волновая электростанция «Утка Солтера» (энергия от волн), состоящая из поплавков, которые крепятся к верхнему несущему кессону. В случае серьезной ледовой обстановки данная система поднимается по образующим верхнего кессона и устанавливается в специальные ниши (рис. 4а, б).

3. Система «Умный ветер» (энергия от ветра)¹. Новая инженерная система будет вырабатывать энергию с помощью силы ветра. Идея данной системы заключается в том, что сила ветра, действуя на подвижные плиты, находящиеся на защитной ограждающей конструкции, преобразует механическую энергию в кинетическую, которая позволяет вырабатывать тепло для обогрева как разрабатываемого комплекса, так и для самой защитой конструкции от обледенения (рис. 5).

Холодоснабжение основано на системе, которая забирает холодный воздух, фильтрует его и подает в помещения, а также охлаждает оборудование для бурения скважин. Система выгодна тем, что можно не тратить большое количество энергии на охлаждение воздуха, так как температура наружного воздуха отрицательная благодаря суровым климатическим условиям.

Для охлаждения жилых и административных помещений используется система чиллер-фанкойл. Система работает по принципу водяного отопления, только вместо котла используется чиллер (рис. 6).

Микроклимат определяется физическими факторами внутри помещений здания или комплекса зданий, которые влияют на состояние и на активность человека. Создание благоприятного микроклимата является одной из важнейших задач для архитекторов и инженеров, поскольку существует жесткая зависимость от состояния человека и его работоспособности. Поэтому для обеспечения комфортных условий во внутренних помещениях необходимо учитывать не только наружные, но и внутренние параметры воздуха.

Наиболее характерные помещения, отражающие назначение объекта – это технические этажи с буровым оборудованием, складская и ремонтная зоны, мастерские, лаборатории и офисные помещения с небольшим количеством рабочих, занимающихся умственным трудом, помещения для занятий спортом и помещения для отдыха, для которых необходимы нормируемые параметры влажности и температуры.

В комплексе предусматривается воздушная система отопления с отопительными приборами – фанкойлы, установленными в конструкциях потолка и в стенах. Используется система рекуперации (рис. 7) от буровой платформы для отопления всего технического этажа и поддержания оптимальной температуры (10–14 °С) и система рециркуляции (рис. 8) для помещений с постоянным пребыванием работников.

Поступающий в помещения воздух проходит через короба, по которым возможно распространение огня при пожаре, что особенно важно на разрабатываемом комплексе, основной функцией которого является добыча нефти. Исходя из этого, применяют специальные противопожарные клапаны класса А60 типа А3Е-МФ(А60)-М-4,0, которые устанавливаются в короба и используются для ручного и автоматического перекрытия коробов вентиляционной системы, систем отопления и кондиционирования (рис. 9).

Водоснабжение всего комплекса осуществляется за счет опреснительной системы, основанной на способе дистилляции, то есть, другими словами это процесс испарения, за которым следуют охлаждение и конденсация паров (сначала морская вода превращается в пар, который потом конденсируется, в результате чего образуется пресная вода). В этом случае кипение воды может происходить благодаря пару низкого или высокого давления (рис. 10).

Помимо обеспечения всего комплекса водой необходимо предусмотреть утилизацию отработанной воды, либо повторно ее использовать. Очистка воды может происходить в двух системах, основанных на разных принципах:

1. принципе «ТОПАС». Система состоит из приемной камеры, фильтра крупных фракций, главного насоса, поплавкового переключателя, аэротенк-реактора и вторичного отстойника.

2. на мембранном биореакторе MBR. Такой реактор применяется для отчистки сточных вод на кораблях. Новый мембранный реактор позволяет без угрозы сбрасывать сточную воду прямо в море или океан. Благодаря плоским листовым мембранам и ультрафиолетовой обработке возможно очищать сточные воды даже от вирусов (рис. 11).

Система интеллектуального обеспечения жизнедеятельности искусственного острова

Благодаря выбранным инженерным системам для разрабатываемого комплекса рабочий процесс на острове в суровых климатических условиях будет происходить в благоприятных и комфортных условиях. Чтобы поддерживать заданные параметры, возникает необходимость контролировать работу всех инженерных систем и оборудования. Поскольку комплекс занимает площадь около 30 га, то нужно установить систему интеллектуального обеспечения жизнедеятельности для разрабатываемого искусственного острова. Данная система обеспечивает автоматизированный контроль за работой всего комплекса:

система состоит из отдельных подсистем, которые контролируют внутренние и наружные параметры воздуха (температура, влажность, скорость ветра, солнечная активность и т. д.);

вся информация передается в единый головной компьютер, который самостоятельно принимает и решает задачи в зависимости от их изменений;

обработанная информация передается на пульт управления инженерного оборудования и инженерных систем.

Компьютер передает собранную информацию на электронный планшет для обеспечения дистанционного управления и контролирования всех инженерных систем и оборудования. Для всех инженерных систем и инженерного оборудования разрабатывается свой собственный интерфейс (рис. 12).

Система интеллектуального обеспечения жизнедеятельности комплекса состоит из следующих элементов:

- датчики пластового давления углеводородных месторождений;

- датчики состояния несущих конструкций, расположенных под водой и в зоне действия льда;

- датчики от всех инженерных систем на объекте;

- инженерные приборы и оборудования для обеспечения комфортного микроклимата и безопасной рабочей среды.

Датчики системы интеллектуального обеспечения жизнедеятельности искусственного острова контролируют:

3. Состояние нефтехранилища и отгрузку углеводородного сырья;

4. Состояние основных несущих конструкций, расположенных под водой и в зоне действия льда;

7. Управление системами ВИЭ в зависимости от климатических и экосистемных изменений, а также с учетом аварийных ситуаций;

Так как искусственный остров находится в экстремальных климатических условиях, то вся автоматика комплекса дублируется ручным управлением.

Заключение

Благодаря применению перечисленных инженерных систем объект представляет собой организм, создающий комфортную и безопасную рабочую среду для человека на разрабатываемом искусственном острове, не нарушая при этом экологию морского мира (рис. 13). Использование такого искусственного острова будет способствовать развитию не только самого Северного морского пути, но и северных и прибрежных зон России, а также откроет доступ к богатейшим углеводородным месторождениям.

1. Бенземан В. Ю., Комендантов В. Н., Шматков В. А. Арктическая морская транспортная система: краткая история и перспективы развития. – СПб., 2004.

2. Визе В. Ю. Северный морской путь. - Ленинград; М.: Изд-во Главсевморпути, 1940.

3. Гранберг А. Г., Пересыпкин В. И. Проблемы северного морского пути. Рос. акад. наук, совет по изучению производит. сил, ЗАО Центр. науч.-исслед. и опыт.-конструкт. ин-т мор. флота. – М.: Наука, 2006.

4. Дебелая К., Чебан А. Н. Альтернативные источники энергии для учебного комплекса среднего профессионального образования» // Здания высоких технологий. – 2017. № 4. – С. 46-51. [Электронный ресурс] http://zvt.abok.ru/upload/pdf_issues/30.pdf

5. Урусов Т. Ф. Архитектура арктических объектов с учетом развития Северного морского пути. – 2019. (текст взят из тезисов)

6. Урусов Т. Ф., Чебан А. Н. Применение ВИЭ на морских нефтедобывающих платформах // Здания высоких технологий. – 2019. № 2. – С. 46-53. [Электронный ресурс] http://zvt.abok.ru/upload/pdf_issues/36.pdf

7. Чебан А. Н. Системы интеллектуального управления зданиями православных храмов // Architecture and Modern Information Technologies. – 2019. – № 4 (49). – С. 281-292

8. Вентиляция для морских судов, плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. [Электронный ресурс]: URL: http://ooo-ferrum.ru/services/ventilyatsiya/ventilyatsiya-dlya-morskikh-platform/ (дата обращения: 15.11.2019)

9. КАРСКОЕ МОРЕ. [Электронный ресурс]: URL: https://bigenc.ru/geography/text/2049073 (дата обращения: 08.12.2019)

10. Новейшая система очистки сточных вод для судов. [Электронный ресурс]: URL: https://www.korabel.ru/news/comments/noveyshaya_sistema_ochistki_stochnih_vod_dlya_sudov.html (дата обращения: 06.12.2019)

11. Опреснительные установки на кораблях. [Электронный ресурс]: URL: https://yandex.ru/turbo?text=http%3A%2F%2Fwarfor.me%2Fopresnitelnyie-ustanovki-na-korablyah%2F (дата обращения: 06.12.2019)

12. Принцип работы ТОПАС. [Электронный ресурс]: URL: https://www.topas-moskva.ru/topas/ (дата обращения: 06.12.2019)

13. Требования к теплоснабжению, отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха. [Электронный ресурс]: URL: https://gazovik-pgo.ru/cat/articles2/podgotovka_nefti/teplosnabgenie/ (дата обращения: 01.12.2019)

14. Типы волновых электростанций: плюсы и минусы. [Электронный ресурс]: URL: https://altenergiya.ru/gidro/tipy-volnovyx-elektrostancij.html (дата обращения 24.12.2019)

15. Энергию волн будет собирать подводный «Парфенон». [Электронный ресурс]: URL: https://ecotechnica.com.ua/energy/voda/505-energiyu-voln-budet-sobirat-podvodnyj-parfenon.html (дата обращения 24.12.2019)

17. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. ●