Подземное специальное фортификационное сооружение

Изобретение относится к области специальных фортификационных сооружений и энергетических систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например специальных фортификационных сооружений.

Известно устройство специальных фортификационных сооружений (СФС), которые строятся глубоко под землей для размещения в них командных пунктов, узлов связи, стационарных стартовых позиций ракет, укрытий для особо важной военной техники и боеприпасов, медицинских учреждений и др. Специальные фортификационные сооружения могут быть многоэтажными и включают в себя: основные помещении, входные галереи с прочными входными оголовками, оборудованными защитными дверями или воротами, вентиляционные и технологические отверстия с защитными устройствами. Основной частью конструкции СФС является обделка подземной выработки. Она изготавливается из монолитного железобетона, что дает возможность варьировать в широких пределах ее толщиной (а значит, и прочностью) и обеспечивает устойчивость сооружения от обрушения при воздействии средств поражения (Левыкин В.И. Фортификация: прошлое и современность. – М.: Воениздат, 1987. - Стр. 101).

Известно, что в состав внутреннего оборудования специальных фортификационных сооружений входят технологические системы (средства связи, электронных устройств) и технические системы: фильтровентиляции, отопления, освещения, кондиционирования воздуха, автономного энергоснабжения, холодоснабжения, водоснабжения, канализации и т.д. (Левыкин В.И. Фортификация: прошлое и современность. - М.: Воениздат, 1987. - Стр. 102).

Известно, что специальные фортификационные сооружения в мирное и военное время функционируют в различных режимах: в повседневном режиме и режиме полной изоляции, соответственно. В режиме полной изоляции специальные фортификационные сооружения функционируют в условиях использования только внутренних запасов, без подачи воздуха из атмосферы в сооружение и без электроснабжения от внешней сети, что предполагает необходимость заблаговременного запаса компонентов топлива (горючего и окислителя) для системы автономного энергоснабжения (Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - стр. 8).

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо для различных типов энергетических установок, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162°C (113K) (Нефтегазовая вертикаль. / Анал. журнал №9 - 10 (24-25), М., 1998, стр. 123). Однако в большинстве случаев, холодильный потенциал сжиженного природного газа не используется при его газификации.

Известно устройство энергетической установки для выработки электрической энергии для объектов, функционирующих без связи с атмосферой (например, подводных лодок), включающей в себя двигатель, емкости с криогенным горючим - сжиженным природным газом и криогенным окислителем - жидкий кислородом (криогенные жидкости), которые являются компонентами топлива для двигателя (Патент РФ №2187680, опубл. 20.08.2002). Однако данное техническое решение нельзя применить для подземных специальных фортификационных сооружений, поскольку последние требуют размещение хранилищ сжиженного природного газа под землей, что не предусмотрено конструкцией данного технического решения.

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по обратному циклу Стерлинга. Эффективность криогенных машин Стерлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186).

Известно устройство установки для долговременного хранения сжиженного природного газа (криогенной жидкости), содержащее емкость для хранения сжиженного природного газа, криогенную машину Стерлинга со встроенном конденсатором, через который проходил линия отвода выпара сжиженного природного газа из газовой полости криогенной емкости и его слива в криогенную емкость после переконденсации в конденсаторе криогенной машины Стерлинга. Таким образом обеспечивается долговременное бездренажное (без потерь) хранение сжиженного природного газа (Патент РФ №2162580, опубл. 27.01.2001).

Известно устройство подземного специального фортификационного сооружения, в котором связь с дневной поверхностью осуществляется по вертикальной шахте, примыкающей к стене сооружения. Таким входы называются шахтными входами машины (Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 95-96).

Известно, что при функционировании специального фортификационного сооружения в режиме полной изоляции, при работе автономной (дизель-электрической) станции, электродвигателей, компрессоров, горении электрических ламп, при работе технологического оборудования, электронно-вычислительных машин и т.п. в фортификационных сооружениях выделяется большое количество тепла. Удаление тепловыделений от людей и оборудования осуществляется обработкой воздуха в системе кондиционирования воздуха (центральном кондиционере) за счет использования холода, вырабатываемого холодильной машиной. На работу холодильной машины используется значительная часть энергии, вырабатываемой автономной (дизель-электрической) станцией (Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 77-79).

Известно устройство подземного специального фортификационного сооружения, выполненного из железобетона и имеющего связь с дневной поверхностью шахтного входа, содержащего автономною электростанцию, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанной с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, резервуаром горючим и линией подачи горючего в автономную электростанцию, резервуар с воздухом и линию подачи воздуха в качестве окислителя в автономную электростанцию (Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 83-84). Однако в данном техническом решении в качестве горючего для автономной электростанции в режиме полной изоляции применяется дизельное топливо, которое не может использоваться для охлаждения воздуха специального фортификационного сооружения в режиме полной изоляции и уменьшения потребляемой мощности холодильной машиной.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении электрической мощности потребляемой холодильной машиной при функционировании в режиме полной изоляции за счет использования холодильного потенциала сжиженного природного газа для охлаждения воздуха внутри специального фортификационного сооружения, а также повышение взрыво- и пожаробезопасности при хранении сжиженного природного газа в специальном фортификационном сооружении.

Для достижения данного технического результата подземное специальное фортификационное сооружение, состоящее из шахтного входа для связи с дневной поверхностью и соединенного с ним основного железобетонного помещения, содержащего автономною электростанцию, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанную с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, резервуар с горючим и магистралью подачи горючего в автономную электростанцию, резервуар с воздухом и магистралью подачи воздуха в качестве окислителя в автономную электростанцию, снабжено железобетонным резервуаром для хранения сжиженного природного газа, используемого в качестве горючего в режиме полной изоляции, газопоршневой энергетической установкой в качестве автономной электростанции, теплообменником-испарителем, связанным с системой кондиционирования воздуха замкнутым контуром с теплоносителем и циркуляционным насосом, криогенной машиной Стирлинга, связанной с газовой полостью резервуара со сжиженным природным газом магистралью откачивания паров и магистралью слива сжиженного природного газа, при этом резервуар со сжиженным природным газом выполнен с безвакуумной теплоизоляцией, расположен вне основного помещения и связан с ним технологической потерной для прокладки магистралей с природным газом, резервуар снабжен магистралью заправки сжиженного природного газа, проходящей в полости шахтного входа, и магистралью с криогенным насосом для подачи сжиженного природного газа в газопоршневую энергетическую установку, проходящей через теплообменник-испаритель.

Введение в состав специального фортификационного сооружения железобетонного резервуара для хранения сжиженного природного газа, расположенного вне основного помещения и связанного с ним технологической потерной для прокладки магистралей с природным газом, газопоршневой энергетической установкой в качестве автономной электростанции, теплообменника-испарителя, связанного с системой кондиционирования воздуха замкнутым контуром с теплоносителем и циркуляционным насосом, криогенной машиной Стирлинга, связанной с газовой полостью резервуара со сжиженным природным газом магистралью откачивания паров и магистралью слива сжиженного природного газа, магистрали с криогенным насосом для подачи сжиженного природного газа в газопоршневую энергетическую установку, проходящей через теплообменник-испаритель, а также использование сжиженного природного газа в качестве горючего для газопоршневой энергетической установкой в режиме полной изоляции, позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании холодильного потенциала криогенного горючего (сжиженного природного газа) для охлаждения воздуха внутри специального фортификационного сооружения в системе кондиционирования воздуха, что обеспечивает снижение мощности, потребляемой холодильной машиной при функционировании специального сооружения в режиме полной изоляции, а также повышение взрыво- и пожаробезопасности при хранении сжиженного природного газа в специальном фортификационном сооружении за счет размещения указанного резервуара вне основного помещения специального фортификационного сооружения.

На фиг. 1 изображено подземное специальное фортификационное сооружение.

Подземное специальное фортификационное сооружение имеет в своем составе шахтный вход 1, для связи с дневной поверхностью, соединенное с ним основное железобетонное помещение 2 и железобетонный резервуар для хранения сжиженного природного газа 3, располагающийся вне сооружения 2. Резервуар для хранения сжиженного природного газа 3 и основное сооружение 2 соединены технологической потерной 4. Внутри основное помещения 2 расположены газопоршневая энергетическая установка 5, холодильная машина 6, система кондиционирования воздуха 7, связанная с холодильной машиной 6 контуром теплоносителя 8 с насосом 9, и резервуар (баллоны) с воздухом 10 с магистралью подачи воздуха 11 в качестве окислителя в энергетическую установку 5.

В основном помещении 2 также расположены теплообменник-испаритель 12, связанный с системой кондиционирования воздуха 7 замкнутым контуром с теплоносителем 13 и циркуляционным насосом 14, криогенная машина Стирлинга 15, связанной с газовой полостью 16 резервуара со сжиженным природным газом 3 магистралью откачивания паров 17 и магистралью слива сжиженного природного газа 18, при этом резервуар со сжиженным природным газом 3 выполнен с безвакуумной теплоизоляцией, например, со слоем пенополиуретана 19.

Резервуар сжиженного природного газа снабжен магистралью заправки сжиженного природного газа 20, проходящей в полости шахтного входа 1, и магистралью 21 с криогенным насосом 22 для подачи сжиженного природного газа в газопоршневую энергетическую установку 5, проходящей через теплообменник-испаритель 12.

Криогенная машина Стирлинга 15 имеет электропривод 23. Магистрали 17, 18, 20 и 21, связывающие резервуар для хранения сжиженного природного газа 3 и основное помещение 2, проходят внутри железнобетонной технологической патерны 4, соединяющей резервуар 3 и основное помещение 2.

Подземное специальное фортификационное сооружение работает следующим образом.

Внутри резервуара 3 заблаговременно запасается необходимое количество сжиженного природного газа. Для этого в режиме повседневной деятельности по магистрали заправки сжиженного природного газа 20, проходящей в полости шахтного входа 1 из транспортных емкостей (на рис. не показаны), сжиженный природный газ в необходимом количестве заливается в резервуар 3. В резервуаре (баллоны) с воздухом 10 заблаговременно запасается воздух (например, сжатый воздух под давлением 200 атмосфер).

Для уменьшения теплопритоков от окружающего грунта, расположенного вокруг резервуара 3, резервуар со сжиженным природным газом 3 выполнен с безвакуумной теплоизоляцией, например, со слоем пенополиуретана 19.

В повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения для исключения потерь сжиженного природного газа за счет теплопритоков к резервуару 3 периодически включаются криогенная машина Стирлинга 15 за счет подвода электроэнергии к электроприводу 23 от внешней электросети (на фиг. не показана). Пары сжиженного природного газа засасываются из газовой полости 16 резервуара 3 по магистрали откачивания паров 17 в криогенную машину Стирлинга 15, где охлаждаются и сжижаются, после чего сливаются самотеком по магистрали слива сжиженного природного газа 18. Криогенная машина Стирлинга 15 имеет электродвигатель 23 и работает только в режиме повседневной эксплуатации подземного специального фортификационного сооружения.

В режиме повседневной эксплуатации специального фортификационного сооружения все системы жизнеобеспечения и технологическое оборудование работают за счет электроснабжения от внешней централизованной сети.

В режиме повседневной эксплуатации термостатирование основного помещения 2 специального фортификационного сооружения обеспечивается работой холодильной машины 6 и связанной с ней через контур теплоносителя 8 с насосом 9 системой кондиционирования воздуха 7.

При применении вероятным противником высокоточного оружия, внешнее электроснабжение и подача атмосферного воздуха через полость шахтного входа 1 в основное помещение 2 подземного специального фортификационного сооружения 1 может быть прекращено из-за внешних разрушений. В этом случае подземное специальное фортификационное сооружение начинает работать в режиме полной изоляции (без связи с атмосферным воздухом) за счет запасов материальных сред (прежде всего топлива), заблаговременно запасенных внутри основного помещения 2 специального фортификационного сооружения и резервуара со сжиженным природным газом 3.

В режиме полной изоляции энергоснабжение технологического оборудования, размещенного внутри основного помещения 2, обеспечивается работой газопоршневой энергетической установки 5. Для нормального функционирования газопоршневой энергетической установки 5 по магистрали подачи сжиженного природного газа 21 насосом 22 обеспечивается подача сжиженного природного газа в теплообменник-испаритель 12, где он газифицируется и в газообразном состоянии подается в качестве горючего в газопоршневую энергетическую установку 5. Для обеспечения работы газопоршневой энергетической установки 5 из резервуара (баллонов) с воздухом 10 по магистрали воздуха 11 воздух подается в качестве окислителя в энергетическую установку 5.

Магистрали 17, 18, 20 и 21, связывающие резервуар для хранения сжиженного природного газа 3, и основное помещение 2 проходят внутри железнобетонной технологической патерны 4, соединяющей резервуар 3 и основное помещение 2.

В режиме полной изоляции термостатирование основного помещения 2 специального фортификационного сооружения обеспечивается, частично, работой холодильной машины 6 и связанной с ней через контур теплоносителя 8 с насосом 9 системой кондиционирования воздуха 7 и, частично, за счет холодильного потенциала сжиженного природного газа, который передается в теплообменнике-испарителе 12 системе кондиционирования воздуха 7 через контур теплоносителя 13 с насосом 14.

При этом теплый теплоноситель из контура 13 с помощью насоса 14 проходит через теплообменник-испаритель 12 и отдает свое тепло (через теплообменную поверхность) сжиженному природному газу, проходящему по магистрали 21, в результате этого теплоноситель охлаждается и холодным поступает в систему кондиционирования воздуха 7.

При определенных условиях (объемах помещения и т.д.), используя холодильный потенциал сжиженного природного газа можно полностью отказаться от работы холодильной машины 6.

Источники информации

1. Левыкин В.И. Фортификация: прошлое и современность. - М.: Воениздат, 1987. - Стр. 101.

2. Левыкин В.И. Фортификация: прошлое и современность. – М.: Воениздат, 1987. - Стр. 102.

3. Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 8.

4. Нефтегазовая вертикаль. / Анал. журнал №9 - 10 (24-25), М., 1998, стр. 123.

5. Патент РФ №2187680, опубл. 20.08.2002.

6. Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250.

7. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186.

8. Патент РФ №2162580, опубл. 27.01.2001.

9. Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 95-96.

10. Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 77-79.

11. Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ)-СПб. Высшая школа, 2012. - Стр. 83-84. - прототип.