АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИН ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ ЧС В ЗОНЕ ЗАТОПЛЕНИЯ

Согласно климатологическим исследованиям, частота наводнений в последние годы увеличивается. Последствия этих явлений затрагивают население, хозяйственные объекты, имущество граждан и природную среду. В Российской Федерации из-за подобных катастроф наблюдается серьёзный ущерб инфраструктуре городов, хозяйству и в целом спокойной жизни граждан. Как следствие, регионы, в которых случилась подобная катастрофа несут экономические потери [5]. 

Для устранения последствий используют наземные транспортно-технологические средства (НТТС) общего назначения, состоящие на оснащении аварийно-спасательных служб. От работоспособности данного специализированного транспорта зависит качество ликвидации бедствия. Однако парк стандартных машин общего назначения (на базе колесных грузовых автомобилей и тракторов) демонстрирует недостаточную эффективность в специфических условиях подтопленных территорий. Согласно данным отчётов МЧС, большинство НТТС имеют сложности с решением первичных задач, таких как: быстрое создание напорных рукавных линий, энергоснабжение изолированных участков, организация освещения и связи [9]. Существующая практика предполагает раздельную доставку генераторов и насосных установок на объект происшествия с их последующей сборкой, установкой на спец. транспорт и приведение в готовность. Исходя из вышесказанного фиксируем зависимость масштаба ущерба от времени начала работ. Согласно отчётам МЧС, между задержками ввода насосных групп на 45–90 минут увеличивают экономические потери на 35–40 % [10].

Для решения данной проблемы предлагается модернизация вышеуказанного оборудования, которая решала бы все три задачи одновременно с минимальными задержками. За основу машины принято серийное шасси КамАЗ-43118, на которое устанавливается МЭНМ.

В таблице 1 представлены существующие способы развёртывания.

Таблица 1. Хронометраж операций при различных схемах развертывания

Как видно из таблицы 1, у каждого способа есть свои недостатки. МЭНМ этих недостатков лишен: он позволяет запустить работы быстрее других вариантов и обходится дешевле.

Расчёты на мощность генератора и производительность насоса.

Исходные данные для расчета взяты из перечня типовых работ при ликвидации подтоплений [9]. В состав потребителей электроэнергии входят: три дренажных насоса ГНОМ 40/30 мощностью P₁ = 4 кВт каждый;осветительная мачта P₂ = 3 кВт;средства связи и электроинструмент суммарной мощностью P₃ = 1 кВт [2].

Суммарная мощность насосной группы:

Pн = n · P₁, где n – количество насосов.

Pн = 3 · 4 = 12 кВт.

Необходимо провести расчёт поправочного коэффициента по нагрузке, так как одновременная работа всех трёх насосов в продолжительном режиме требуется не во всех ситуациях. Для учёта этого вводится коэффициент: [kс] = 0,9 [3].

Расчётная мощность насосов с учётом коэффициента:

Pн.р = Pн · kс = 12 · 0,9 = 10,8 кВт. 

С учетом КПД генератора η = 0,85 требуемая мощность для питания насосов составит:

P₁ = =   = 12,71 кВт.

Суммарная мощность потребителей:

Pcум = P₂ + P₃ = 3 + 1 = 4 кВт.

С учетом возможных перегрузок и пусковых токов вводится коэффициент запаса kз = 0,15. Запас рассчитывается от суммарной мощности насосов (с учетом КПД) и прочих потребителей:

Pз = kз · (P₁ + Pпр) = 0,15 · (12,71 + 4) = 2,505 кВт.

Требуемая мощность дизель-генераторной установки:

PДГУ = P₁ + Pпр + Pз = 12,71 + 4 + 2,505 = 19,215 кВт.

К установке принимается ДГУ номинальной мощностью 22 кВт [6].

До модернизации использовались генераторы заниженной мощности либо раздельное включение потребителей во избежание перегрузки. Это увеличивало общую продолжительность работ. После модернизации обеспечена возможность одновременной работы всех трёх насосов, осветительной мачты и средств связи, что сокращает технологический цикл водоотлива

Расчёт требуемой производительности выполнен для типового объекта ликвидации подтопления — котлована, подвала либо иного заглублённого сооружения. Объём воды [V = 1000 м³.], подлежащей удалению, принят на основании методики оценки последствий локальных паводков [8].

Время осушения принято t = 10 ч (одна рабочая смена). Требуемая производительность насоса:

Q = V / t = 1000 / 10 = 100 м³/ч.

При подаче воды по напорным рукавам длиной 100–150 м возникают гидравлические потери. Для их учета вводится поправочный коэффициент kп = 1,2. При практических расчетах насосно-рукавных систем количество рукавов определяют с 20% запасом на неровности местности [7]. 

Фактическая производительность насоса с учетом потерь:

Qф = Q · kп = 100 · 1,2 = 120 м³/ч.

По итогам расчётов принят насос 125 м³/ч, напор 40 м [2]. От расчетных 100 м³/ч заложен запас 5 % — на эксплуатационный износ и внешние условия.

Для подтверждения эффективности предлагаемой модернизации выполнен расчет времени технологического цикла развертывания оборудования при традиционной схеме и при использовании мобильного энергогенерирующего насосного модуля (МЭНМ).

Согласно методическим рекомендациям МЧС России по организации работ в период паводков, при ликвидации подтоплений используется насосное оборудование, автономные источники электроэнергии и рукавные линии для подачи воды [9]. При традиционной схеме оборудование доставляется на место происшествия несколькими единицами техники, после чего производится разгрузка, монтаж, подключение и проверка работоспособности.

Полное время ввода оборудования в работу определяется суммой продолжительности отдельных технологических операций:

T = t1 + t2 + t3 + t4, где:

t1 – время разгрузки оборудования; t2 – время монтажа и подключения генератора; t3 – время установки насосного оборудования; t4 – время прокладки рукавных линий и проверки системы.

По данным методических материалов и практики ликвидации подтоплений [9, 10], средняя продолжительность операций составляет: t1 – разгрузка генератора и насосной станции: 10–20 мин; t2 – монтаж и подключение генераторной установки: 10–15 мин; t3 – установка насосного оборудования и подключение питания: 10–20 мин; t4 – прокладка рукавной линии длиной 100–150 м и проверка системы: 15–35 мин [7].

Суммарное время развертывания оборудования при традиционной схеме:

TТРАД = (10–20) + (10–15) + (10–20) + (15–35) = 45–90 мин.

Полученное значение соответствует данным практического хронометража при ликвидации подтоплений, когда насосные станции и генераторы доставляются раздельно и требуют монтажа на месте проведения работ [9].

При использовании мобильного энергогенерирующего насосного модуля МЭНМ генератор, насосная установка и коммутационная аппаратура объединены в одном модуле, установленном на шасси КамАЗ‑43118 [1]. В этом случае операции разгрузки и монтажа оборудования исключаются из технологического цикла.

Время развертывания определяется только операциями:

TМЭНМ = t5 + t6, где:

t5 – время установки всасывающих рукавов и подключения насоса; t6 – время прокладки напорных рукавов и запуска системы.

По данным эксплуатации насосных установок типа ГНОМ и методических рекомендаций по расчету рукавных линий [2][7], среднее время выполнения данных операций составляет:

t5 – установка насосного оборудования: 5–8 мин; t6 – прокладка рукавной линии и запуск насосной группы: 7–10 мин.

Общее время ввода системы в работу:

TМЭНМ = (5–8) + (7–10) = 12–18 мин.

Сокращение времени развертывания достигается за счет исключения операций разгрузки, сборки и подключения автономных энергетических установок.

Относительное уменьшение продолжительности технологического цикла определяется выражением:

ΔT = (TТРАД − TМЭНМ) / TТРАД × 100%.

Для средних значений:

TТРАД = 67,5 мин,

TМЭНМ = 15 мин.

ΔT ≈ 77 %.

Таким образом, применение МЭНМ позволяет сократить время ввода насосной группы в работу примерно на 75–80 %, что существенно повышает оперативность проведения аварийно-спасательных и других неотложных работ и снижает возможный ущерб от подтоплений [9, 10].

Таблица 2 – Сравнение технологических и экономических показателей до и после внедрения МЭНМ

В результате анализа расчетных и экспериментальных данных установлена целесообразность внесения конструктивных изменений в применяемые средства водооткачки путем интеграции насосного оборудования и автономного источника электроснабжения в единый мобильный комплекс.

Предлагается модернизация существующих средств за счет конструктивного объединения центробежной насосной установки, автономной дизель-генераторной установки, системы отбора мощности от базового шасси, напорных и всасывающих рукавных линий, а также распределительной системы электроснабжения с коммутационно-защитной аппаратурой и узлами подключения потребителей. Указанные элементы предлагается разместить в составе мобильного энергогенерирующего насосного модуля (МЭНМ) на базе шасси КамАЗ-43118.

Таким образом, установлена целесообразность модернизации компоновки насосно-энергетического оборудования путем объединения насосной установки, генераторного агрегата, системы рукавных коммуникаций и распределения электроэнергии в составе единого мобильного модуля, что обеспечивает повышение оперативности развертывания техники и эффективности применения аварийно-спасательных подразделений.