автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка способа улучшения условий зимней эксплуатации причалов

На правах рукописи

ФЕДОТОВА | /л)

Олеся Андреевна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ЗИМНЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИЧАЛОВ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

1 7 МАЙ 2012

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

005043585

005043585

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных

коммуникаций» на кафедре «Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики»

Научный руководитель:

Колосов Михаил Александрович, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

Официальные оппоненты:

Козлов Дмитрий Вячеславович, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», (ФГБОУ ВПО "МГУП"), ректор университета

Шаталина Ирэн Николаевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Открытое акционерное общество «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева», лаборатория «Ледотермика и термика водоемов», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

Открытое Акционерное Общество «ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ» по проектированию, изысканиям и научным исследованиям в области морского транспорта (ОАО «ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ»)

Защита состоится РуШиХ/ 2012 г. в 10 часов

на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Автореферат разослан Уу> Шг^ЛиЖ' 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

* Т.В. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При эксплуатации причальных гидротехнических сооружений в зимний период возникают многочисленные затруднения из-за отрицательных температур воздуха и наличия на акватории льда. Это приводит к увеличению нагрузок на причал и повышает риск аварийных ситуаций.

В диссертационной работе предлагается способ улучшения условий зимней эксплуатации причалов за счет использования тепла придонных вод. Он заключается в оснащении причала насосной системой с перфорированным трубопроводом, проложенным вдоль причальной линии несколько ниже уровня воды. Такая система позволит забирать придонные воды, обладающие запасами тепла в зимнее время, и распределять их вдоль причала для создания майны и отгона льда.

Объектом исследования являются причальные гидротехнические сооружения в замерзающих портах и насосная система, позволяющая распределять тепло глубинных вод.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы - теоретическое и инженерно-физическое обоснование возможности применения предложенного способа для улучшения условий зимней эксплуатации причальных сооружений. При проведении исследований были поставлены следующие основные задачи:

проанализировать особенности эксплуатации причалов в зимних условиях и существующие способы предотвращения ледообразования и разрушения льда;

провести натурные наблюдения за температурой воды и ледовыми явлениями на акватории порта у причальных гидротехнических сооружений для установления закономерностей влияния метеорологических и других внешних факторов на тепловой режим акватории, а также определить запасы тепла в придонных слоях воды;

разработать схему оборудования причала насосной системой, позволяющей распределять тепло глубинных вод, и выполнить необходимые теоретические исследования;

провести лабораторное моделирование отгона льда от причала при работе насосной системы;

разработать проект обустройства причала насосной системой для отгона льда.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались аналитические, натурные и экспериментальные методы исследований. Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлено формирование температурной стратификации по глубине воды у причалов, расположенных в закрытой акватории;

2. Предложен способ улучшения условий зимней эксплуатации причалов за счет распределения тепла придонных вод;

3. Обоснована возможность отгона плавающего льда от причала при использовании предложенного способа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Итоги обзора и анализа существующих способов разрушения льда и предотвращения ледообразования, обоснование целесообразности применения способов с использованием тепла глубинных вод на акваториях портов;

2. Результаты натурных наблюдений за формированием температурной стратификации у причалов порта, подтверждающие наличие необходимых запасов тепла в придонных слоях воды и их сохранение в течение зимнего периода;

3. Результаты теоретических исследований работы насосной системы с перфорированным трубопроводом, распределяющим придонные воды вдоль причала;

4. Возможность использования предложенного способа для отгона от причала плавающего льда;

5. Результаты проектирования насосной системы, позволяющие реализовать предложенные технологические решения для улучшения условий зимней эксплуатации причалов Морского пассажирского терминала (МПТ) «Морской фасад».

Достоверность научных положений подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными в гидротехнической лаборатории им. В. Е. Тимонова.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа технических средств для создания майны у причала, участии в натурных наблюдениях на акватории порта и в лабораторном моделировании, проведении теоретических исследований и разработке окончательного инженерно-технического варианта схемы обустройства причала для использования предложенного способа.

Практическое значение работы заключается в возможности применения предложенного способа у причальных гидротехнических сооружений в замерзающих портах (при условии формирования достаточных запасов тепла на глубине) с целью более эффективной и безопасной их эксплуатации в период зимней навигации.

В область применения результатов исследований входят задачи по поддержанию незамерзающей майны вблизи гидротехнических сооружений, в первую очередь у причалов портов, при наличии необходимых запасов тепла в придонных водах.

Реализация работы. Результаты исследования представляют собой разработку одного из возможных вариантов комплекса технических меро-

приятий и проектных решений, направленных на улучшение условий эксплуатации причалов МПТ «Морской фасад» в зимнее время.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (Санкт-Петербург, 2006 г.), 7-м семинаре молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им. М. В. Ломоносова (г. Курск, 2008 г.), 6-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), 4-ой научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург,

2008 г.), межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность» (Санкт-Петербург,

2009 г.), 8-м семинаре молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им. М. В. Ломоносова (г. Уфа,

2010 г.), международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития» (Санкт-Петербург, 2010 г.).

Публикации. По основным результатам исследований опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАКом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и 6 приложений. Работа содержит 150 страниц основного текста (включая список литературы) с 47 рисунками и 12 таблицами. Приложения размещены на 37 страницах.

Основное содержание работы

Во введении раскрыта общая характеристика диссертации: обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна, указано практическое значение работы.

В первой главе «Обзор и анализ существующих способов разрушения льда и предотвращения ледообразования у причалов» рассмотрены особенности эксплуатации причальных гидротехнических сооружений в зимний период и выявлены следующие негативные явления: образование на причале ледяного припая и ледяных «козырьков»; значительные динамические нагрузки от ледокола, передающиеся через лед на причал при разрушении ледяного припая; размыв основания и создание местных отмелей у причала из-за работы гребных винтов судна (ледокола, буксира); удары отдельных льдин о причал, создающие на него дополнительную

нагрузку; образование «ледяной подушки» между бортом швартующегося судна и причальной стенкой; примерзание борта пришвартованного судна к причалу. Эти затруднения угрожают причальному сооружению и могут привести к аварийной ситуации. При сравнении механических и тепловых способов разрушения льда и предотвращения ледообразования было выявлено преимущество последних, особенно для применения их на акваториях портов. Результаты анализа тепловых способов позволяют судить о достаточной эффективности использования тепла глубинных вод, если в данных условиях образуются необходимые запасы этого тепла. Рассмотренный комплекс затруднений, возникающих во время зимней эксплуатации причалов, указывает целесообразность применения способов, не только препятствующих образованию ледяного припая, но и обеспечивающих отгон льда от причала.

Общий обзор мероприятий по улучшению условий зимней эксплуатации гидротехнических сооружений с использованием тепла глубинных вод позволяет сделать заключение, что наиболее распространено использование пневмоустановок и потокообразователей. Положительные примеры их работы можно наблюдать в Финляндии, Швеции, США, Канаде, Гренландии. В России подача сжатого воздуха на глубину позволяет поддерживать открытую майну перед затворами некоторых ГЭС, а также на судоходных шлюзах Волго-Балтийского канала и гидроузлах рек Волги и Камы.

Над вопросами, связанными с исследованием и разработкой мероприятий по предотвращению ледообразования вблизи гидротехнических сооружений с использованием тепла глубинных вод, работали сотрудники «Ленинградского института инженеров водного транспорта» (ныне «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций») и других заинтересованных организаций («ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ» и прочие), а также ряд зарубежных исследователей. Свой вклад в развитие указанной темы внесли Баланин В. В., Бородкин Б. С., Мелконян Г. Н., Коновалов И. М., Пе-хович А. И., Жидких М. И., Шаталина И. Н., Тейтельман В. Ф., Гиляров Н. П., Павлов Б. К., Гольдин Э. Р., Копайгородский М. Е.

Во второй главе «Проведение натурных наблюдений на акватории Морского пассажирского терминала «Морской фасад»» представлены результаты натурных наблюдений за температурами воды и состоянием ледового покрова на акватории у причалов МПТ «Морской фасад» (ноябрь 2008 г. - апрель 2009 г.), которые проводились в целях выявления и оценки запасов тепла в придонных слоях воды.

МПТ «Морской Фасад» расположен в акватории Финского залива, в восточной части Невской губы, прилегающей к территории Васильевского острова южнее реки Смоленка. Он имеет 7 причалов для приема морских круизных судов и пассажирских паромов. Мониторинг температуры воды

проводился на выбранных участках акватории и непосредственно у причалов. Измерения температур на вертикалях проводились на семи уровнях: у поверхности, 0,2/г, 0,4/г, 0,6/г, 0,8/г, 0,9/г (где И - глубина воды) и у дна. Измерения выполнялись на каждой вертикали тремя термодатчиками в каждой точке для получения большего ряда данных и повышения надежности измерений.

Изменение температуры воды у дна во времени на различных вертикалях и некоторые температурные разрезы на вертикали №14 (расположена в 2 м от причала №2) показаны на рис. 1.

а)

2.5'

V 2.0 £ г-

/ \ N 1

\ / |-< г-

\ )

> "1 ! ■ 1 V / ^ — ^____/

ч \ ч \ \\\

г---'

вертикаль вертикаль №б вертикаль №11 вертикаль №13 вертикаль Х»13а вертикаль №14 вертикаль №14а вертикаль №15 вертикаль № 15а

0.0

10 01.09 17.01.09 24.01.09 31.01.09 07.02 09 14.02.09 21.02.09 28.02.09 07.03.09 14.03.09 21.03.09 28.03.09

Дата

б)

Н..м 21.02.09

0

•0,02 -

$ 2 -0,02

л

1 4 -0,02

=

с 6

о, 0,01

^

СО

8

iO.ll

10 N»1/19

Н,м 14.03.09 0 ,

I, °С -I о | 2 3 1,°с

н-.м 21.03.09

о

-0.1В -0.01

-0.0]

0.00

ОС -10 12 3 ОС ОС -10 12 3 ОС

Рис. 1. Изменение температуры воды у дна на вертикалях (а) и температурные разрезы на вертикали №14 (б)

Наблюдения за изменением толщины льда показали, что наиболее суровые ледовые условия имеют место возле причалов в зоне шириной до 2,5 - 4 м. В указанной зоне происходит наслоение льда, вызванное колебаниями уровня воды. Толщины льда на акватории в течение периода наблюдений нарастала от 0,2 м в январе до 0,5 м в конце марта.

Было выявлено, что теплоотдача происходит как от грунта на дне водоема, так и со стороны грунта, находящегося за шпунтом причальных стенок, что говорит о больших запасах тепла в глубинных водах непосредственно вблизи причалов. Результаты натурных наблюдений позволили установить факт наличия стабильных, возобновляемых запасов тепла в придонных слоях воды, что указывает на возможность использования тепла глубинных вод для борьбы с ледовыми затруднениями у причалов МПТ «Морской фасад» в течение всего зимнего периода. Однако необходимо учитывать, что в условиях интенсивного судоходства и волнения будет происходить перемешивание водных масс, приводящее к некоторому снижению температур придонной воды.

В третьей главе «Теоретическое исследование работы насосной системы, распределяющей придонные воды вдоль причала» описывается схема оснащения причала насосной системой с перфорированным трубопроводом, позволяющая забирать придонные воды для их распределения с целью создания майны и отгона льда (рис. 2). Приведены теоретические зависимости, необходимые для установления основных параметров работы и эффективности предложенного противоледового оборудования.

Для предварительного определения производительности насосной системы может быть рекомендована зависимость:

РС'ср

где Q - необходимый расход «теплой» воды; Р - площадь майны; 5 - теплоотдача; р - плотность воды; С - удельная теплоемкость воды; /ср — средняя температура воды на вертикали.

Процесс всасывания придонных вод насосом может быть описан с помощью системы уравнений Навье-Стокса, дополненной моделью турбулентности и уравнениями теплообмена. Численное решение данной системы осуществляется с помощью метода конечных объемов.

Перфорированный трубопровод насосной системы должен рассчитываться на равномерную раздачу тепла по длине. При этом площади выпускных отверстий необходимо определять с одновременным учетом снижения напора и температуры воды по длине трубопровода:

Q0t0Cp-Kn(t0-e)

А +1

1 р г ^(ЧП

Сриц 0 + (Г0 - 0)е ^ L>

V pg

(2)

где со„ - площадь выпускных отверстий; Q0 - расход воды в начальном сечении; to — температура воды в начальном сечении; К - коэффициент общей теплопередачи; 0 - температура воды, окружающей трубопровод; L — длина трубопровода; п - количество выпускных отверстий; - коэффициент расхода выпускных отверстий; PJ2g - пьезометрическое давление; х - расстояние от сечения первого отверстия; А = (nKL) / (Q0Cp) ■

Поток воды на выходе из отверстия перфорированного трубопровода имеет струйный характер. Поле скоростей этого потока может быть описано формулами теории свободных турбулентных струй. Такие затопленные струи являются осесимметричными, и будут создавать поверхностное течение при выходе в атмосферу либо при соприкосновении с ледяным покровом. Для определения снижения температуры воды по длине струи может быть предложена формула:

t = t(

л0 X

S <р,

гр'о

4Cpq0

X Хг\

(3)

где х0 - полюсное расстояние; ?0 - температура воды на выходе из отверстия; х - продольная координата; Б - теплоотдача; фф - параметр расширения струи; г0 - радиус отверстия; д0 — расход воды из отверстия.

При образовании майны у причала должно установиться тепловое равновесие между теплоотдачей со свободной поверхности и количеством тепла, подводимым потоком, создаваемым при выпуске воды из отверстия. Для определения размеров майны в различных метеорологических условиях (при свободной ото льда поверхности воды) рекомендуется совместное решение двух уравнений, одно из которых позволяет вычислить падение температур по длине струи (3), а другое - изменение средней температуры поверхностного потока у кромки майны.

Насосная система должна работать у причала с некоторыми перерывами, причем периодичность ее включения (активный период т) и выключения (период паузы х„) будет зависеть от множества внешних факторов. Подачу придонной воды рекомендуется начинать не с момента образования ледяного покрова, а дождавшись, когда его толщина достигнет некоторой величины, во избежание нерационального переохлаждения водоема. При дальнейшей эксплуатации насосную систему будет необходимо включать лишь для уменьшения толщины ледяного покрова, если его величина приближается к некоторой предельной. Может быть рекомендована комбинированная схема работы, когда в наиболее тяжелых, в температурном отношении, условиях допускается образование ледяного покрова, однако в течение большей части зимнего периода может поддерживаться открытая водная поверхность. Отношение т„/т позволяет оценить целесообразность траты энергии для образования майны. Так, например, неэффективно применять очень короткие паузы и короткие периоды работы.

При рассмотрении вопроса о воздействии поверхностного потока на лед принято во внимание, что тепло, подводимое потоком к нижней поверхности ледяного покрова, расходуется на нагрев некоторого слоя льда, его растапливание и на теплоотдачу через ледяной (либо снежно-ледяной) покров. Если пренебречь первой составляющей в виду ее сравнительной малости и считать температуру поверхности льда равной 0, то решение уравнение теплового баланса, отнесенное к единице площади ледяного покрова можно записать в виде:

аА„ 1а2 Ю

о-А. Г1+а К).

где а! — коэффициент теплоотдачи от поверхностного потока к нижней поверхности льда; г - средняя температура потока; /л - температура поверхности льда; т - время; рл, стл - плотность льда и скрытая теплота ледообразования; 0 - температура воздуха; а2 - коэффициент теплоотдачи ото

льда в воздух; /г0, /г, - начальная толщина, толщина растопленного слоя и коэффициент теплопроводности льда.

Формулу (4) рекомендуется использовать для определения времени работы насосной системы в режиме растапливания льда.

Период паузы в работе насосной системы будет определяться временем образования ледяного покрова некоторой допустимой величины.

Эффективность работы насосной системы у причала будет зависеть от установленного режима ее работы, а также статических и динамических запасов тепла в глубинных водах. Из этого следует, что количество тепла, накопленное в придонных слоях воды, должно быть не меньше количества тепла, требуемого для поддержания незамерзающей майны (либо снижения толщины льда).

Выбор параметров проектируемой насосной системы и ее расчет является многофакторной задачей, сопряженной с анализом метеорологического, гидрологического и ледотермического режима рассматриваемой акватории. В процессе работы насосной системы, вследствие перераспределения тепла эти режимы будут претерпевать некоторые изменения. Для получения окончательного решения должны иметься данные по существующей обстановке и установлен характер ее изменения после введения насосной системы в действие.

В четвертой главе «Лабораторное моделирование отгона льда от причала при работе насосной системы» описано проведение гидравлических лабораторных исследований в гидротехнической лаборатории им. проф. В. Е. Тимонова с целью определения эффективности использования насосной системы для отгона льда от причала.

Задачи исследований: анализ характера движения ледового поля в зависимости от различных параметров (производительность насоса, заглубление трубопровода, диаметр отверстий, направления струй относительно горизонта); определение оптимальных величин производительности насоса (исходя из скорости отгона льда и потребляемой мощности), заглубления трубопровода и направления струй по отношению к горизонту (исходя из скорости отгона льда).

В рамках лабораторного исследования моделировался фрагмент перфорированного трубопровода. Элементы экспериментальной установки были подобраны, исходя из общих принципов моделирования гидравлических явлений. С учетом критерия подобия по Фруду и, исходя из ограничений опытового бассейна, был выбран максимально возможный линейный масштаб, с коэффициентом а; =10 и получены масштабные коэффициенты для скорости, времени и расхода воды. Опытовый бассейн был перегорожен стенкой с закрепленным на ней коллектором — перфорированным трубопроводом = 43 мм и / =3 м). 15 выпускных отверстий с с!0 =7 (10) мм размещались с шагом 0,2 м. На расстоянии 6 м была установлена ограничительная решетка, препятствующая удалению «льда» из исследуемой

области. Ледяное поле моделировалось парафиновыми пластинами, расколотыми на куски случайной формы. Эксперимент выполнялся при разной степени заполнения опытового бассейна «льдом».

Полученные экспериментальные зависимости между некоторыми параметрами установки показаны на рис. 3.

Выявлено, что при глубине погружения оси трубопровода на отметке -0,85 м оптимальным направлением струй является угол наклона по отношению к горизонту, равный 30° (соответствует минимальному времени отгона).

Установлено, что отгон плотного поля льда происходит одновременно по всей площади, причем скорости движения льдин, удаленных от коллектора, превышают скорости льдин передней кромки. Это можно объяснить «уходом» струй под лед, возникновением подпора, уклона поверхности и движением одновременно всех льдин. При этом льдины, не взаимодействующие с соседними, развивают большие скорости, и происходит разряжение ледяного поля, начиная с задней кромки. Отгон разряженного поля льда происходит с одновременным его уплотнением на передней кромке. Решающее значение здесь имеет характер обтекания льдины потоком, то есть прямое взаимодействие струй с передними льдинами, которые передают динамическое воздействие на соседние. В результате наблюдается более быстрый рост майны на начальной стадии, а затем, по мере уплотнения поля, ширина майны уменьшается.

Изменение производительности установки существенно влияет на скорость образования майны. Повышение производительности в 2,0 раза приводит к возрастанию скорости образования стабильной майны в 1,25 -1,5 раза. Увеличение площади сечений отверстий при сохранении расхода воды существенного эффекта не имело, но привело к возникновению циркуляционного течения в результате увеличения угла отклонения струи в плане в сторону движения воды в трубе. Увеличение заглубления коллектора по сравнению с предварительно принятым значением (0,85 м в натуре) несколько снижает эффективность отгона льда, что объясняется уменьшением зоны влияния струй. Уменьшение заглубления также приводит к снижению эффективности, поэтому предварительное положение оси трубопровода на отметке -0,85 м принято оптимальным.

Оценка зоны влияния струй на основании данных о поверхностных скоростях течения позволяет судить о том, что независимо от ледовых условий на акватории у причала максимально возможная ширина майны, образуемая в результате работы установки по отгону льда, лежит в пределах 20,0 - 25,0 м.

В пятой главе «Технологические решения по внедрению предложенного способа улучшения условий зимней эксплуатации причалов» представлены результаты расчетов и проектных решений для причалов № 2 и № 3 МПТ «Морской фасад».

0,050

1 0,020

и 0,010

-серия 1 -серия 2 -серия 3 -серия 4 -серия 5 -серия 6 ■серия 7

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Производительность насосной установки, м* час

а

§ 0,025 с о о

| 0,020

V

£

К

X

« 0,015

-серия 1 -серия 2 -серия 3 -серия 4 -серия 5 -серия 6 -серия?

Глубина погружения трубопровода, м

Рис. 3. Результаты лабораторных исследований (в пересчете на натуру): а - график зависимости скорости отгона льда от производительности насосной установки при постоянных значениях й?0 = 70 мм и заглублении трубопровода под уровень воды 0,85 м; б - график зависимости скорости отгона льда от глубины погружения трубопровода при постоянных значениях с/0 = 70 мм и 5400 м3/с

В качестве проектного принят вариант расположения противоледо-вого оборудования, при котором насосные станции устанавливаются в начале причала (со стороны рампы), и в его дальнем конце, а коллекторы длиной по 150 м каждый размещаются вдоль причала по направлению к его центру.

Установлено, что шаг отверстий перфорированного трубопровода должен подбираться таким образом, чтобы обеспечить образование майны достаточной ширины. При больших расстояниях между отверстиями для этого необходимы нерационально большие расходы воды, а при частом расположении отверстий при сохранении расхода снижаются скорости на выходе, что приводит к уменьшению размеров майны. Изменение диаметров выпускных отверстий по длине перфорированного трубопровода в большей степени зависит от снижения напора. Изменение температуры оказывается незначительным, в связи с большими скоростями течения и сравнительно малым коэффициентом теплопроводности материала трубопровода (при использовании пластиковых труб). При определении времени, затрачиваемого на снижение толщины ледяного покрова у причала, было установлено, что погодные условия (в частности, температура воздуха) играют незначительную роль в продолжительности растапливания льда. Гораздо большее влияние оказывает распределение скоростей и температур воды в струе, выходящей из отверстия трубопровода.

Статические запасы тепла на акватории МПТ «Морской фасад» составляют около Q = 1,76-109 кДж, а интенсивность теплового потока от грунта дна S = 1,27 Вт/м2. С учетом этого, для оснащения причалов №2 и №3 насосной системой рекомендуются следующие ее параметры (на одну секцию насос-коллектор длиной 150 м): расход воды 2 м3/с при температуре подаваемой воды 0,5 - 1,0°С; внутренний диаметр коллектора 0,75 м; количество отверстий 600; шаг отверстий 0,25 м; диаметры отверстий 0,032 - 0,040 м. В этом случае при температуре воздуха - 5 -ь-10°С и скорости ветра 3 м/с у причала может быть образована майна до 2 м. Величина т/с будет зависеть от конкретных эксплуатационных задач (поддержание незамерзающей майны, уменьшение толщины льда у причала, отгон льда) и количества тепла в придонных водах, накапливаемого в течение расчетного времени.

Заключение

Предотвращение негативных явлений, возникающих при эксплуатации причальных гидротехнических сооружений в зимний период, является актуальной задачей для замерзающих портов, как в России, так и за рубежом.

Приведенные в диссертации итоги обзора существующих способов разрушения льда и предотвращения ледообразования позволили обосно-

вать целесообразность применения способов с использованием тепла глубинных вод. Результаты натурных наблюдений за формированием температурной стратификации у причалов МПТ «Морской фасад» подтвердили наличие необходимых запасов тепла в придонных слоях воды на акватории в течение зимнего периода, что говорит о возможности их использования для борьбы с ледовыми затруднениями.

Предложенная в диссертационной работе схема размещения насосной системы у причала отличается тем, что забор глубинных вод осуществляется сосредоточенно у дна, а их распределение происходит через отверстия в перфорированном трубопроводе, расположенном вдоль линии причала несколько ниже уровня воды. Данный способ может использоваться в замерзающих портах при достаточных глубинах у причалов, в укрытых естественным или искусственным образом акваториях, где могут образовываться зоны спокойной воды с минимальными скоростями течений, что способствует накапливанию тепла в придонных водах. Кроме этого, насосная система может быть использована для отгона льда от причала, что обосновано проведенными лабораторными исследованиями.

Для определения технических характеристик предложенного проти-воледового оборудования рекомендуется использовать представленные теоретические зависимости, учитывающие многочисленные факторы, влияющие на режим работы насосной системы и позволяющие оценить эффективность предложенного способа в конкретных условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Федотова О. А. Насосная система для создания майны у причала при помощи тепла глубинных вод // Журнал университета водных коммуникаций №8. - СПб.: СПГУВК, 2011 /издание, рекомендованное ВАК.

2. Федотова О. А. Подъем глубинных вод насосной установкой для предотвращения обмерзания причалов // Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2005. - с. 39-44.

3. Федотова О. А. Использование тепла глубинных вод для обогрева причалов с помощью насосных установок // Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2006. - с. 75-79.

4. Федотова О. А. Температурный режим устьевых портов и способы предотвращения ледовых затруднений у причалов, применительно к комплексу «Морской фасад» г. Санкт-Петербурга // Водные пути и русловые процессы: межвузовский сборник. - СПб.: СПГУВК, 2007. с. 137-146.

5. Федотова О. А. Обогрев причалов теплом глубинных вод// Общие, экологические и инженерные аспекты изучения гидрологических, русловых и эрозионных процессов. - М.: Географический факультет МГУ, 2008. - с. 292-299.

6. Ушакевич А. Н., Федотова О. А. Особенности гидравлического и теплотехнического расчета перфорированного трубопровода насосной системы для создания майны у причала // Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность». Книга 1 / Отв. редактор О. А. Казьмина. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - с. 126-131.

7. Колосов М. А., Ушакевич А. Н., Федотова О. А. Насосная система для создания майны у причала в период зимней навигации // Гидротехника №3 (16). - СПб., 2009. - с. 30-33.

8. Ивановский Ю. К., Рябов Г. Г., Федотова О. А. Лабораторные исследования установки по отгону льда от причала // Гидротехника №4 (17). - СПб., 2009. - с. 23-25.

9. Колосов М. А., Смирнов В. Н., Ушакевич А. Н., Федотова О. А. Температурный режим в портовом бассейне Финского залива // Двадцать четвертое межвузовское координационное пленарное заседание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Барнаул, 5-9 октября 2009 г): доклады и сообщения. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2009. - с. 118-120.

10. Федотова О. А. Насосная система для создания майны у причала // Общие, экологические и инженерные аспекты изучения гидрологических, русловых и эрозионных процессов. - М.: Географический факультет МГУ, 2010.

11. Федотова О. А. Насосная система для образования майны у причала// Материалы международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития». - СПб.: СПГУВК, 2010

12. Заявка на получение патента № 2008149998 от 17.12.2008 г. «Способ отгона льда от причальных сооружений» с положительным решением от 10.02.2012 г.

Типография ООО «Наша Марка». 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 11.

61 12-5/2727

Министерство транспорта РФ

Федеральное агентство речного и морского транспорта Бюджетное образовательное учреждение высшего

Санкт-Петербургский государственный университет

Федотова Олеся Андреевна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ЗИМНЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИЧАЛОВ

05.23.07 Гидротехническое строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

профессионального образования

водных коммуникаций (ФБОУ ВПО СПГУВК)

На правах рукописи

Научный руководитель д. т. н., профессор Колосов М. А.

Санкт-Петербург 2012

Содержание

Введение 4 ГЛАВА 1. Обзор и анализ существующих способов разрушения льда

и предотвращения ледообразования у причалов 9

1.1 Особенности эксплуатации причалов в зимний период 9 1. 2 Способы разрушения льда и предотвращения ледообразования 15 1. 3 Обзор патентов в исследуемой области 23

1. 4 Использование тепла глубинных вод для предотвращения ледообразования у гидротехнических сооружений 24 ГЛАВА 2. Проведение натурных наблюдений на акватории Морского пассажирского терминала «Морской фасад» 29 2 Л Общие сведения о МПТ «Морской фасад» 29

2.2 Температурная стратификация водоёмов и акваторий 38

2. 3 Исследование температурного режима 42 2.4 Исследование динамики роста льда 54 ГЛАВА 3. Теоретическое исследование работы насосной системы, распределяющей придонные воды вдоль причала 60

3.1 Схема оборудования причала насосной системой с

перфорированным трубопроводом 60

3.2 Предварительное определение требуемой производительности насосной системы 62

3.3 Численное моделирование процесса всасывания придонной воды 64

3.4 Теоретические зависимости для расчёта перфорированного трубопровода на равномерную раздачу тепла по длине 66

3. 5 Кинематика потока и тепловой режим в зоне перфорированного трубопровода 75

3.6 Режим работы насосной системы 85

3.7 Оценка эффективности работы насосной системы у причала 88

ГЛАВА 4. Лабораторное моделирование отгона льда от причала при

работе насосной системы 91 4 Л Цели и задачи исследований. Исходные данные для

моделирования 91

4.2 Описание экспериментальной установки 94

4.3 Результаты лабораторных исследований 105 ГЛАВА 5. Технологические решения по внедрению предложенного способа улучшения условий зимней эксплуатации причалов 116 Заключение 139 Список литературы 140 Приложения 151

Введение

Актуальность работы. При эксплуатации причальных

гидротехнических сооружений в зимний период возникают многочисленные затруднения из-за отрицательных температур воздуха и наличия на акватории льда. Это приводит к увеличению нагрузок на причал и повышает риск аварийных ситуаций.

Существующие способы создания незамерзающей майны у причалов (например, механические - ледоколы, ледорезы, ледоломы и другие) не всегда удовлетворяют соответствующим требованиям, часто малоэффективны и являются дорогостоящими. В результате анализа тепловых способов было выявлено, что для образования майны у причалов наиболее эффективным будет использование тепла глубинных вод, в том случае, если имеются его необходимые запасы (и они постоянно возобновляются в результате теплообмена с дном).

В диссертационной работе предлагается способ улучшения условий зимней эксплуатации причалов за счёт использования тепла придонных вод. Он заключается в оснащении причала насосной системой с перфорированным трубопроводом, проложенным вдоль причальной линии несколько ниже уровня воды. Такая система позволит забирать придонные воды, обладающие запасами тепла в зимнее время, и распределять их вдоль причала для создания майны и отгона льда.

Объектом исследования являются причальные гидротехнические сооружения в замерзающих портах и насосная система, позволяющая распределять тепло глубинных вод.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы - теоретическое и инженерно-физическое обоснование возможности применения предложенного способа для улучшения условий зимней эксплуатации причальных сооружений. При проведении исследований были поставлены следующие основные задачи:

- проанализировать особенности эксплуатации причалов в зимних условиях и существующие способы предотвращения ледообразования и разрушения льда;

- провести натурные наблюдения за температурой воды и ледовыми явлениями на акватории порта у причальных гидротехнических сооружений для установления закономерностей влияния метеорологических и других внешних факторов на тепловой режим акватории, а также определить запасы тепла в придонных слоях воды;

- разработать схему оборудования причала насосной системой, позволяющей распределять тепло глубинных вод, и выполнить необходимые теоретические исследования;

- провести лабораторное моделирование отгона льда от причала при работе насосной системы;

- разработать проект обустройства причала насосной системой для отгона льда.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались аналитические, натурные и экспериментальные методы исследований.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлено формирование температурной стратификации по глубине воды у причалов, расположенных в закрытой акватории;

2. Предложен способ улучшения условий зимней эксплуатации причалов за счёт распределения тепла придонных вод;

3. Обоснована возможность отгона плавающего льда от причала при использовании предложенного способа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Итоги обзора и анализа существующих способов разрушения льда и предотвращения ледообразования, обоснование целесообразности применения способов с использованием тепла глубинных вод на акваториях портов;

2. Результаты натурных наблюдений за формированием температурной стратификации у причалов порта, подтверждающие наличие необходимых запасов тепла в придонных слоях воды и их сохранение в течение зимнего периода;

3. Результаты теоретических исследований работы насосной системы с перфорированным трубопроводом, распределяющим придонные воды вдоль причала;

4. Возможность использования предложенного способа для отгона от причала плавающего льда;

5. Результаты проектирования насосной системы, позволяющие реализовать предложенные технологические решения для улучшения условий зимней эксплуатации причалов Морского пассажирского терминала (МПТ) «Морской фасад».

Достоверность научных положений подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными в гидротехнической лаборатории им. В. Е. Тимонова.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа технических средств для создания майны у причала, участии в натурных наблюдениях на акватории порта и в лабораторном моделировании, проведении теоретических исследований и разработке окончательного инженерно-технического варианта схемы обустройства причала для использования предложенного способа.

Практическое значение работы заключается в возможности применения предложенного способа у причальных гидротехнических сооружений в замерзающих портах (при условии формирования достаточных запасов тепла на глубине) с целью более эффективной и безопасной их эксплуатации в период зимней навигации.

В область применения результатов исследований входят задачи по поддержанию незамерзающей майны вблизи гидротехнических сооружений,

в первую очередь у причалов портов, при наличии необходимых запасов тепла в придонных водах.

Реализация работы. Результаты исследования представляют собой разработку одного из возможных вариантов комплекса технических мероприятий и проектных решений, направленных на улучшение условий эксплуатации причалов МПТ «Морской фасад» в зимнее время.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

1. Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК, г. Санкт-Петербург, 2005 г.

2. Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК, г. Санкт-Петербург, 2006 г.

3. 7-м семинаре молодых учёных вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Курск, 2008 г.

4. 6-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2008 г.

5. 4-ой научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии», г. Санкт-Петербург, 2008 г.

6. Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность», г. Санкт-Петербург, 2009 г.

7. 8 -м семинаре молодых учёных вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Уфа, 2010 г.

8. Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития», г. Санкт-Петербург, 2010 г.

Публикации. По основным результатам исследований опубликовано 11 статей, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и 6 приложений. Работа содержит 150 страниц основного текста (включая список литературы) с 47 рисунками и 12 таблицами. Приложения размещены на 37 страницах.

ГЛАВА 1. Обзор и анализ существующих способов разрушения льда и предотвращения ледообразования у причалов

1.1 Особенности эксплуатации причалов в зимний период

Значительная часть территории России расположена в зоне с длительным периодом отрицательных температур воздуха, что приводит к усложнению условий зимней эксплуатации портовых причальных гидротехнических сооружений.

При эксплуатации причалов в зимний период возникают следующие негативные явления:

образование на причале ледяного припая и ледяных «козырьков»;

• образование «ледяной подушки» между бортом швартующегося судна и причальной стенкой, создающей условия для примерзания борта к стенке;

• значительные динамические нагрузки от ледокола, передающиеся через лёд на причал при разрушении ледяного припая;

• размыв основания и создание местных отмелей у причала из-за работы гребных винтов судна (ледокола, буксира);

• удары отдельных льдин о причал, создающие на него дополнительную нагрузку.

Иногда эти явления возникают одновременно, что ещё более повышает вероятность аварийных происшествий.

Швартовные операции в зимний период - это сложный процесс. Данной технологической операции мешает как плавающий на акватории лёд, так и ледовый припай на линии причала, образующий ледяные козырьки. Технология швартовки в ледовых условиях включает следующие операции: разрушение ледового припая вдоль линии причала и удаление плавающего льда из зоны швартовки судна [7, 102, 103].

Наибольшей толщины достигает лёд в районе причальных сооружений, где образуются многочисленные его подсовы и уплотнения при подходе к швартовке судов. Спрессованные куски льда, шуги и отдельные льдины, образующие «ледяную подушку», смерзаются между собой и примерзают к металлическому шпунту причальной стенки. Характерное состояние льда на операционной акватории порта перед швартовкой судна показано на рис. 1.1.

Для разрушения ледового припая используются ледоколы. Подготовка ледоколами акватории для постановки судна к причалу и околка льда вблизи гидротехнических сооружений является важной проблемой. Значительные динамические нагрузки от ледокола передаются через лёд на элементы ГТС (шпунт, сваи и т. д.) и на сооружение в целом, что необходимо учитывать [61, 79, 80, 82, 83].

Большим минусом является работа гребных винтов судна в непосредственной близости от причальной стенки. Это приводит к размыву её основания и созданию местных отмелей, что пагубно сказывается на долговечности дорогостоящих портовых ГТС и приводит к изменению значений проектных глубин у причалов. Разрушающее воздействие на подводную часть сооружения оказывает околка буксирами припая, удары льдин, удаляемых струями гребных винтов, и навальные сверхрасчётные нагрузки через «ледяную подушку» на причальную стенку как при околке, так и при поджатии к стенке швартующегося судна.

В суровые зимы, несмотря на все предпринимаемые усилия, процесс швартовки судна к причалу может растягиваться на многие часы. Швартовка во льдах всегда требует значительных затрат времени, что приводит к экономическим потерям. Эти потери складываются из затрат на аренду буксиров-кантовщиков и затрат судового времени, а также простоя причалов.

При оценке фактических затрат на швартовку по Ленинградскому морскому порту установлено [16], что швартовные операции зимой требуют в 1,5...2 раза больше затрат времени, чем летом. Данные проиллюстрированы в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Оценка фактических затрат времени на швартовку (в период с 1983 по 1985 гг.)

Период времени наблюдений 01.01.83 19.04.83 23.11.83 29.04.84 28.11.8 4 12.05.85

Количество швартовок 562 883 947

Время, затраченное на швартовку зимой (общее/на одну швартовку в среднем), час 1077/1,92 1795/2,03 2431/2,57

Время, необходимое для швартовки летом (общее/на одну швартовку в среднем), час 702/1,25 1030/1,17 1294/1,37

Дополнительные затраты времени на швартовку зимой, час/сутки 375/15,6 765/31,9 1137/47,6

Одной из важнейших задач является проектирование портовых ГТС с учётом особенностей ледового режима. Причалы в северных замерзающих портах должны проектироваться и строиться с учётом достаточно сложных условий их эксплуатации [4, 17, 21, 25, 28, 30, 31, 36, 64, 66, 67, 92, 107, 109]. В частности, необходимо использовать соответствующие специальные марки сталей, древесину твёрдых пород, бетон и железобетон с повышенным содержание цемента и прочее. Самый большой опыт строительства и эксплуатации портовых ГТС в сложных ледовых условиях накоплен в Канаде, США (Аляска) и Гренландии.

Зачастую влияние компоновки ГТС и их конструкции на ледовые условия оказывается негативным. Практически во всех российских замерзающих портах причалы в основном построены в виде металлических шпунтовых стенок (рис. 1.2 а), которые играют роль «мостиков холода», и поэтому вблизи них ледовые условия тяжелее, чем на открытой акватории. Другие конструкции причалов, например, гравитационного типа (рис. 1.2 б, в) также подвержены образованию на них льда и не имеют пространства для его «ухода» из зоны швартовки судна, из-за чего причал подвергается динамической нагрузке.

В зарубежных замерзающих портах основные конструкции - прежде всего сквозные - свайные или мостовые, имеющие под ростверком карман для набивки льда при швартовке судна, что является важным преимуществом (рис. 1.2 г).

Таким образом, для исключения указанных выше негативных явлений большое значение имеет как конструкция причала, так и его оборудование.

Наиболее безопасным и эффективным средством для решения перечисленных проблем является предотвращение образования ледового припая на причалах.

Очень важно выбрать такой метод предотвращения обмерзания причалов, который бы не только препятствовал образованию ледового припая, но и обеспечивал отгон плавающего льда.

б)

Рис. 1.2 Конструкции причальных гидротехнических сооружений а) больверк б) массивовая кладка в) оболочки г) эстакада

1.2 Способы разрушения льда и предотвращения ледообразования

Существующие в настоящее время способы воздействия на лёд для ликвидации затруднений, вызываемых образованием ледяного покрова, по физическому принципу делятся на механические и тепловые. Каждый из этих способов, в зависимости от области применения и конкретных инженерных задач осуществляется с помощью средств разрушения льда или предотвращения ледообразования [10, 35, 48, 59, 68]. На рис. 1.3 представлена схема, поясняющая типы средств, их основные признаки и взаимосвязь между ними [35].

В соответствии со схемой можно выделить:

1. Механические способы.

Для продления навигации, предотвращения давления льда на суда и сооружения с давних пор применяется механический способ разрушения ледяного покрова ледоколами. Однако в стеснённых условиях ограниченных акваторий портов применение ледоколов затруднено, а в ряде случаев -нерационально и неэффективно. К отрицательным результатам работы ледоколов в этих условиях относится:

- ограниченная маневренность;

- передача через лёд силы упора ледокола на суда и элементы ГТС;

- образование местных размывов дна и создание наносов;

- заполнение канала обломками льда, препятствующими движению

судов.

В отличие от ледоколов, разрушающих ледяной покров за счёт воздействия массы судна, вползающего на лёд, в ледорезах используются различные навесные режущие устройства (ножи, резцы, пилы, фрезы). Но движущиеся режущие элементы быстро выходят из строя, требуют приложени