ПОЖАРНЫЙ РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области пожаротушения и может быть использована при тушении пожаров в нефтегазовой отрасли, а именно - горящих фонтанирующих газонефтяных скважин.
Известно устройство, так называемый факельный зонт, предназначенный для локализации пламени, путем подвешивания его над источником возгорания (Барановский А., Булчаев Н. Локализация пламени и шарнирный способ герметизации устья скважины. -, Germany: LAP Lambert Academic Publishing, 2014. - 52 с; Булчаев Н.Д., Безверхая E.B. Способ герметизации устья горящей нефтяной скважины // Газовая промышленность. - 2011. - №4/658. - С.85-87.). Зонт формирует направленное движение горящих масс и сужает факел пламени за счет естественной тяги, обусловленной разностью давлений между низшей и высшей точками конструкции.
Недостатком этого устройства является следующее:
- необходимость использования дополнительной техники: грузоподъемного крана для подъема и удержания факельного зонта над очагом возгорания; устройства, предназначенного для дождевания факельного зонта и др.;
- высокий расход воды при дождевании установки во избежание ее перегрева;
- громоздкость конструкции и большая масса факельного зонта, обуславливающие необходимость использования грузоподъемного крана значительной грузоподъемности и высоты, что приводит к увеличению финансовых затрат на изготовление всего комплекса устройств (зонта, подъемного крана, устройства дождевания и др.).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является мобильный пожарный робот, предназначенный для пожаротушения, принятый в качестве прототипа, снабженный корпусом из огнестойких и жаропрочных материалов, емкостями для огнетушащих веществ, дистанционным управлением ходовой частью (с помощью радиосигналов или по кабелю), лафетным стволом и подачей огнетушащих веществ. Кроме того, робот оснащен системой охлаждения, обеспечивающей его защиту от перегрева вблизи источника возгорания. Робот может использоваться как отдельно, так и в комплексе с другими аналогичными устройствами для повышения эффективности и сокращения времени процесса пожаротушения (http://www.fire-robot.ru/#untitled3, прототип, дата просмотра 28.03.2016).
Недостатком прототипа является необоснованно высокий расход огнетушащих веществ, обусловленный невозможностью точного определения визуальным путем границ очага возгорания (т.е. устья горящей скважины), скрытого факелом пламени, и бесполезными затратами указанных веществ на ложное тушение областей, примыкающих к горящей нефтегазовой скважине, визуально кажущихся зоной возгорания (особенно при распыленных и комбинированных формах струй пламени горящих нефтегазовых скважин), но не являющихся таковыми.
Задачей полезной модели является обеспечение минимального расхода огнегасящих веществ при тушении распыленных и комбинированных струй пламени горящих нефтегазовых скважин за счет максимально близкого и безопасного доступа к устью скважины пожарного робототехнического комплекса и точного определения визуальным путем границ очага возгорания (т.е. устья горящей скважины).
Для решения поставленной задачи пожарный роботизированный комплекс, состоящий из двух мобильных роботов, каждый из которых содержит ходовую часть, корпус, выполненный из огнестойких и жаропрочных материалов, внутри которого имеются устройство дождевания робота, резервуар для воды, использующейся при дождевании, резервуар для огнетушащих веществ, лафетный ствол для подачи огнетушащих веществ в зону возгорания, а также индивидуальное дистанционное управление ходовой частью робота, его лафетным стволом и подачей через упомянутый ствол огнетушащих веществ к очагу возгорания, согласно техническому решению, роботы дополнительно снабжены постоянными электромагнитами с электропитанием обмоток по электрическому кабелю от электрогенератора постоянного тока, связанного с пунктом дистанционного управления, причем обмотки электромагнитов у обоих роботов установлены с возможностью согласованного включения и создания сонаправленных магнитных полей, образующих единое магнитное поле, при этом роботы в рабочем положении расположены параллельно друг другу на одинаковом расстоянии от факела пламени, а оси электромагнитов расположены на одной прямой.
Как известно, пламя обладает диамагнитными свойствами, т.е. пламя «выталкивается» из магнитного поля (Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1964. - 668 с). В основном диамагнитные свойства пламени, а также его светимость объясняются присутствием в нем во взвешенном состоянии раскаленных частиц углерода, еще не подвергшихся процессу окисления.
При горении нефтегазовой скважины под действием разности давлений в глубине скважины и на поверхности земли вектор силы, действующей на частицы пламени на границах факела, направлен под углом меньше 90° к горизонтальной поверхности, вследствие чего возникает распыленность струи пламени, затрудняющая определение визуальным путем границ устья горящей скважины.
Поскольку пламя обладает диамагнитными свойствами, то воздействие магнитного поля на пламя с внешней стороны факела в том или ином (одном) направлении на факел позволяет изменить форму последнего, заставив его отклониться в направлении, противоположном тому направлению, в котором действует магнитное поле, и увеличить угол названной выше силы, действующей на частицы пламени на границах факела, до значения 90° и даже более (при достаточно большом значении напряженности магнитного поля; Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1964. - 668 с), в результате чего становится возможным точное определение визуальным путем как минимум одной из границ горящей скважины.
При этом соотношение сил, действующих на частицы пламени, обладающие диамагнитными свойствами, описывается следующим соотношением:
скв
где F - сила, действующая на частицы пламени и обусловленная только разностью давлений в глубине скважины и на поверхности земли (т.е. сила, с которой происходит выброс горящей нефтегазовой смеси из скважины при отсутствии внешнего магнитного поля);
скв
возд
скв
р.с.
скв
возд
M
p - давление газонефтяной смеси в скважине; р - давление на поверхности земли; S - площадь устья скважины; φ - угол распыленности скважины, зависящий от разности (р - р), формы устья скважины и загроможденности ее буровым оборудованием; F - сила, порожденная внешним магнитным полем, создаваемым электромагнитами роботов пожарного робототехнического комплекса, и действующая на частицы пламени, обладающие диамагнитными свойствами.
M
Сила F определяется по формуле Гуи, которая имеет вид
g
где χ - магнитная восприимчивость пламени (т.е. тех частиц пламени, которые обладают диамагнитными свойствами); m - масса частиц пламени, обладающих диамагнитными свойствами; Н - напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитами роботов пожарного робототехнического комплекса; L - расстояние от исходной границы факела пламени (которая имела место до воздействия магнитного поля на пламя) до вертикальной плоскости, проходящей через точку на границе устья газонефтяной скважины, ближайшую к оси магнитного поля и параллельной последней.
Изложенная сущность поясняется графически на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.
На фиг. 1 и 2 показано устройство пожарных роботов, входящих в состав предлагаемого пожарного роботизированного комплекса (на примере одного робота; устройство второго робота идентично устройству первого), где 1 - блок приводов хода, подачи воды к устройству дождевания и подачи огнетушащего вещества к лафету, 2 - система управления перечисленными приводами, реализующая команды оператора робототехнического комплекса, посылаемые в виде радиосигналов, 3 - огнестойкий и жаропрочный корпус, 4 - платформа шасси, 5 - ходовая часть, 6 - резервуар с водой, 7 - устройство дождевания, 8 - трубопровод, предназначенный для подачи воды от емкости с водой 6 к устройству дождевания 1, 9 - резервуар с огнетушащим веществом, 10 - лафетный ствол, 11 - трубопровод, предназначенный для подачи огнетушащего вещества от емкости с огнетушащим веществом 9 к лафетному стволу 10, 12 - электромагнит, 13 - электрический кабель, защищенный оболочкой из огнестойкого и жаропрочного материала, по которому подается постоянный ток к обмотке электромагнита.
На фиг. 3 показано расположение роботов комплекса в исходном (нерабочем) положении, где 14 - пункт дистанционного управления, 15 - генератор постоянного напряжения.
На фиг. 4 показано взаимное расположение роботов комплекса при выдвижении на боевую позицию для тушения горящей нефтегазовой скважины и конфигурация основных силовых линий суммарного магнитного поля, создаваемого постоянными электромагнитами роботов, где 16 - устье горящей нефтегазовой скважины, 17 - внешняя граница факела горящей нефтегазовой скважины, 18 - силовые линии суммарного магнитного поля, создаваемого постоянными электромагнитами роботов.
На фиг. 5 показано действие роботов комплекса на боевой позиции, где 19 - внешняя граница факела горящей нефтегазовой скважины, деформированная под действием суммарного магнитного поля, создаваемого постоянными электромагнитами роботов, 20 - струи огнетушащего вещества, создаваемые лафетными стволами роботов.
Предлагаемая полезная модель используется следующим образом.
При отсутствии возгорания пожарные роботы занимают позицию, не затрудняющую производственные работы на скважине, но при этом обеспечивающую в случае необходимости боевое развертывание в кротчайшие сроки. При этом:
- сигналы управления роботами отсутствуют, в связи с чем блоки приводов 1 и системы управления приводами 2, расположенные внутри огнестойких и жаропрочных корпусов 3 роботов, размещенных на платформах шасси 4, выключены;
- приводы ходовых частей 5 обоих роботов выключены;
- вода из резервуаров 6 к устройствам дождевания 7 по трубопроводам 8 не подается;
- огнетушащее вещество из резервуаров 9 к лафетным стволам 10 по трубопроводам 11 не подается;
- напряжение к обмоткам электромагнитов 12 по электрическому кабелю 13 не подается;
- никакие сигналы с пункта дистанционного управления 14 не подаются;
- генератор постоянного напряжения 15 выключен.
При возгорании нефтегазовой скважины 16 и образовании факела 17, имеющего форму распыленной или комбинированной струи пламени, роботы комплекса начинают выдвигаться на боевую позицию, как можно ближе к горящей скважине. По радиосигналу, посланному с пункта дистанционного управления 14, включается генератор постоянного напряжения 15, и по электрическим кабелям 13 осуществляется электропитание обмоток электромагнитов 12 роботов постоянным током, вследствие чего электромагниты 12 создают сонаправленные магнитные поля, образующие в совокупности единое магнитное поле 18. При этом управление роботами с пункта дистанционного управления 14 осуществляется таким образом, что корпуса 3 роботов во время их движения располагаются параллельно друг другу, на равном расстоянии от факела пламени, а оси электромагнитов 12 постоянно находятся на одной линии. Огнетушащее вещество к лафетным стволам 10 на этом этапе работы пожарного роботизированного комплекса не подается.
При вхождении роботов комплекса в зону высоких температур, по сигналу, поданному с пункта дистанционного управления 14, вода из резервуаров 6 по трубопроводам 8 поступает к устройствам дождевания 7. Устройства дождевания 7 включаются, корпуса 3 роботов охлаждаются, вследствие чего роботы продолжают свою работу даже в зоне высоких температур, в непосредственной близости от факела пламени.
При дальнейшем приближении роботов к устью скважины 16, когда магнитное поле 18, создаваемое электромагнитами 12 роботов, вступает во взаимодействие с факелом пламени 17, форма струи пламени деформируется 19, факел смещается в направлении, противоположном тому, откуда действует магнитное поле 18, и граница устья горящей скважины 16 становится видна оператору роботизированного комплекса, находящемуся на пункте дистанционного управления 14. Оператор с пункта дистанционного управления 14 посылает сигналы, приводящие в действие приводы лафетных стволов 10, которые поворачиваются в направлении устья горящей скважины 16. Затем радиосигналами с пункта дистанционного управления 14 включается подача огнетушащего вещества из резервуаров 9 к лафетным стволам 10 по трубопроводам 11. В результате огнетушащее вещество струями 20 подается непосредственно в устье 16 горящей скважины в объеме, необходимом для тушения пожара.
После этого соответствующими сигналами с пункта дистанционного управления 14 подача огнетушащего вещества к лафетным стволам 10 прекращается, роботы возвращаются в исходное положение, приводы хода выключаются, подача воды из резервуаров 6 к устройствам дождевания 7 по трубопроводам 8 прекращается, генератор 15 постоянного напряжения выключается. Пожарный роботизированный комплекс вновь готов к работе в случае повторного возгорания скважины.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении автоматизации процесса тушения пожара, повышении безопасности труда пожарных, задействованных в тушении данного пожара (вследствие отсутствия необходимости их приближения к опасной зоне), а также в снижении расхода огнегасящих веществ и в сокращении времени, необходимого для тушения пожара.
При этом технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства обусловлена:
- снижением расхода огнетушащего вещества, затрачиваемого на тушение пожара, поскольку это вещество в данном случае подается непосредственно к источнику возгорания;
- снижением потерь нефти и газа при их сгорании благодаря сокращению времени тушения пожара;
- улучшением экологии вследствие снижения выбросов углекислого газа и других продуктов сгорания, обусловленного сокращением времени, требующегося для тушения пожара.