О регенерации воздуха в подводном нефтегазовом сооружении
А.А. КИРИЧЕНКО,
аспирант
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
Ч.С. ГУСЕЙНОВ,
д.т.н., профессор кафедры автоматизации проектирования сооружений
guseinov2@yandex.ru
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
В статье представлены основные способы и средства по регенерации воздуха в замкнутом пространстве подводного нефтегазового сооружения с учетом численности экипажа, а также энергопотребление установок регенерации воздуха.
ABOUT THE AIR REGENERATION AT THE SUBSEA OIL AND GAS CONSTRUCTION
A. KIRICHENKO, CH. GUSEYNOV, Gubkin Russian State University of Oil and Gas
The article is represent the main methods and means for the regeneration of air in the confined
space of subsea production construction, including the number of crew, as well as the energy consumption
(for regeneration of air)
Key words: subsea production construction, regeneration of air, energy consumption (for regeneration of air)
В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 г основные объемы прироста запасов, увеличение и стабилизацию добычи углеводородного сырья планируется осуществлять за счет привлечения ресурсов российского континентального шельфа, который обладает уникальными запасами нефти и газа мирового значения. Ни одна страна в мире, осуществляющая в настоящее время морскую добычу нефти и газа, не сталкивалась с такими тяжелыми природно-климатическими условиями, какие существуют на российском Арктическом шельфе. В связи с этим нам предстоит решить непростой вопрос: с одной стороны, организация добычи нефти и газа происходит в столь сложных условиях, с другой - стоимость добытых углеводородов должна быть конкурентноспособной на рынке и привлекательна для потенциальных инвесторов.
Исходя из вышесказанного, следует отметить, что для успешного освоения морских нефтегазовых месторождений в сложных природно-климатических условиях Арктики требуется создание принципиально новых наукоемких технических средств и технологий. Одним из таких новейших технических средств является подводная эксплуатационная платформа для добычи нефти и газа [1]. Изобретение может быть использовано в условиях длительно замерзающих глубоководных акваторий с рентабельными промышленными запасами углеводородов, на которых неприемлемо использование традиционных способов их освоения путем строительства тяжелых стационарных и ледостойких сооружений (как, например, канадская гравитационная платформа железобетонного исполнения Хиберния, установленная в прошлом веке на глубине 80 м) или подводных добычных комплексов (норвежское месторождение «Сноувит»).
Недостатком использования подобных сооружений является необходимость их защиты от ледовых воздействий, а также столкновения с айсбергами, что существенно увеличивает металлоемкости и материалоемкости платформ. С возрастанием глубины нефтегазовые месторождения вряд ли могут быть освоены традиционным образом, в особенности когда к тому же возрастает их удаленность от берега.
Данное исследование направлено на изучение одной из систем жизнеобеспече-ния1, которая будет использована на подводной эксплуатационной платформе (ПЭП) для добычи нефти и газа, а именно на создание критериев оценки систем регенерации воздуха.
Главным и определяющим критерием является возможность создания воздушной смеси, аналогичной стандартной на поверхности Земли. Здесь надо отметить как допущение и необходимое условие, что давление внутри ПЭП должно поддерживаться нормобарическим, т.е. равным 760 мм рт. ст Условия для создания и поддержания данного давления внутри сооружения будут обеспечиваться прочным корпусом ПЭП, иначе воздушная смесь должна быть другого состава и, следовательно, работоспособность обслуживающего персонала будет ограничена. Как показал многолетний опыт эксплуатации подводных лодок, такая система вполне осуществима и надежно функционирует в подводных лодках.
Тем не менее, необходимо установить параметры газовой среды, безопасные для трудовой деятельности человека и позволяющие свободно выполнять необходимые операции в специализированном нефтегазовом подводном сооружении (ПС) с учетом специфики его работы и наличия различных по степени взрывоопасности зон, которые должны быть в ПС. Естественно, что с учетом взрывоопасности некоторых
1 Систем жизнеобеспечения на подводном судне несколько - это и система питьевой воды, мытьевой воды, фановая система, система вентиляции и кондиционирования воздуха и т.п.
Ни одна страна в мире, осуществляющая в настоящее время морскую добычу нефти и газа, не сталкивалась с такими тяжелыми природно-климатическими условиями, какие существуют на российском Арктическом шельфе.
технологических участков (например, устьевой, технологический, компрессорный комплексы) следует установить в них повышенное содержание азота. А находящийся там обслуживающий персонал должен быть обеспечен легкими масками и дыхательными устройствами (вероятно, заспинными). Для этого требуется проследить, при каких концентрациях кислорода, углекислого газа и различных примесей можно обеспечить безопасность отдельных изолированных комплексов и заметить первые изменения в организме рабочего персонала, находящегося в замкнутом пространстве помещений подводного сооружения.
Здоровый человек в спокойном состоянии при температуре окружающей среды в 20 оС и относительной влажности воздуха 65% за сутки прокачивает через свои легкие 7200 л воздуха. На потребности основного обмена (работа внутренних органов: мозга, сердца, печени, почек и т.д.) безвозвратно уходит 720 л кислорода, а остальные 6480 л воздуха нужны для удаления из легких воды, углекислого газа и летучих продуктов обмена веществ. В закрытом помещении объемом 6 м3 при отсутствии вентиляции человек может продержаться без риска для жизни не более 12 час. Любое физическое напряжение, например, прием пищи или повышение температуры, обойдутся дополнительным потреблением кислорода и могут сократить время выживания до 3 - 4 час. Концентрация углекислого газа возрастет с 0,3 до 2,5% за указанный выше срок. Накопление углекислоты и токсинов - именно это является основной причиной, ограничивающей пребывание человека в опасном для здоровья помещении, а не недостаток в нем кислорода. Уже при концентрации СО2 в 3% увеличивается частота дыхания; при 5% этой двуокиси может наступить смерть: в крови развивается декомпенсированный газовый ацидоз2 - несовместимое с жизнью закисление крови. А вот при вдыхании даже 8% кислорода (вместо обычного содержания в 20%) в отсутствие углекислого газа в дыхательной смеси частота и глубина дыхания существенно не изменяются. Но стоит к этой смеси добавить 6% СО2, как сразу же наступает одышка и человек теряет сознание.
Для удаления углекислого газа используют натровую известь - смесь едкого натра №ОН и гашеной извести Са(ОН)2, которая активно поглощает воду и СО2. Для связывания углекислоты, выделяемой одним человеком в течение суток в помещении объемом 6 м3, нужно 5 кг натровой извести. К сожалению, она не регенерируется, поэтому при длительном пребывании в закрытом объекте нужно иметь большие запасы извести, что неприемлемо для наших целей [2].
Возможность дыхания в замкнутом объеме ограничивают не только накопление углекислого газа и расход кислорода. Человек выделяет в окружающий воздух десятки летучих продуктов обмена веществ, которые об-
разуются в ходе реакций обмена, причем не только человека, но и живущих в его организме микробов. Ацетон образуется преимущественно в реакциях окисления жиров; аммиак и сероводород - в реакциях аминокислот; угарный газ образуется при распаде гемоглобина; предельные углеводороды - в ходе особого, перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот. В замкнутом помещении объемом 6 м3 за 12 час. концентрация ацетона увеличится в 10 раз, аммиака - в 5 раз, альдегидов - в 30 раз, окиси углерода - в 5 раз. Суточные колебания количества большинства выдыхаемых соединений в точности соответствуют суточным изменениям обмена веществ. Днем, в период бодрствования, максимальным концентрациям углекислого газа соответствует наибольшее выделение летучих метаболитов, ночью эти показатели минимальны.
Постоянное поступление к тканям кислорода, содержащегося в окружающем воздухе, и удаление продуктов окисления необходимо для поддержания жизнедеятельности организма. Кислород поступает в организм путем дыхания. Вентилирование легких атмосферным воздухом и газовой дыхательной смесью, имеющейся в системах жизнеобеспечения (СЖО), осуществляется в результате вдохов и выдохов - дыхательных движений грудной клетки. Объем одного вдоха или выдоха (глубина дыхания) а также частота дыхания п, или число циклов «вдох-выдох» в единицу времени - основные параметры, характеризующие этот процесс. Наиболее важным параметром является легочная вентиляция ^ которая выражается произведением величин Vд и п и представляет собой объем воздуха, вентилирующийся в легких в единицу времени.
В состоянии покоя взрослый человек делает 15 - 18 циклов «вдох-выдох» в минуту, глубина дыхания при этом составляет величину около 0,5 л, а легочная вентиляция - 7...9 дм3/мин. Значения всех трех параметров увеличиваются при физической нагрузке, сопровождающейся повышением потребности организма в кислороде. Для очень тяжелой физической нагрузки частота дыхания составляет до 40...45 мин.-1, глубина дыхания до 3,5...4 л и легочная вентиляция до 100.110 дм3/мин [2].
Потребление кислорода и выделение диоксида углерода изменяются в зависимости от интенсивности выполняемой физической работы. Необходимый для организма уровень газообмена достигается изменением легочной вентиляции. Уровень парциального давления диоксида углерода в альвеолярном воздухе (5,3 кПа) стабилен. Он является биологической константой и через дыхательный центр регулирует интенсивность легочной вентиляции. Незначительное повышение парциального давления диоксида углерода приводит к увеличению легочной вентиляции, а понижение - к ее уменьшению. Сравнение газового состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха показывает, что отбор кислорода из вентилирующего
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.