Инновационные технологии для обеспечения промышленной и экологической безопасности эксплуатации гидротехнических

Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
Инновационные технологии для обеспечения промышленной и
экологической безопасности эксплуатации гидротехнических
сооружений атомных электростанций
СА. Бахарев
Москва
Аннотация
Обсуждается проблема обеспечения промышленной и экологической безопасности
эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС) атомных электростанций (АЭС).
Показано, что в условиях большой изменчивости гидролого-акустических и погодноклиматических условий, многообразия специфических для каждой АЭС России
внутренних и внешних факторов обеспечение промышленной и экологической безопасности эксплуатации ГТС АЭС России представляет собой сложнейшую научнотехническую проблему.
Предлагается, с точки зрения критерия: «эффективность-стоимость-риск», комплексное –
за счет одновременного решения нескольких научно-технических задач, решение данной
проблемы при помощи гидроакустических средств специального назначения (ГАС СН),
разработанных автором на принципах линейной и нелинейной гидроакустики.
Приводятся конкретные результаты промышленного использования ГАС СН при
гидроакустическом вытеснении рыб, а также при очистке больших объемов воды от
механических и биологических примесей.
Ключевые
слова:
атомная
электростанция,
гидротехническое
сооружение,
промышленная и экологическая безопасность, защита водозаборов от рыб, очистка воды
от различных примесей, защита от биообрастания, акустика, нелинейная гидроакустика.
Известно [1-3], что проблема энергетической безопасности (ЭБ),
являющаяся одной из важнейших составляющих экономической безопасности любого государства, была реально осознана в промышленно развитых
странах еще в 70-х годах прошлого века, когда началось сокращение
экспорта нефти из стран Ближнего Востока.
В работе [1] сформулированы, в виде совокупности внешнеполитических, внешнеэкономических, внутрисистемных, природных, социальнополитических, техногенных, управленческо-правовых и экономических
факторов, угрозы ЭБ. При этом техногенные угрозы – предмет данной
работы, обусловлены состоянием производственных систем энергетического
сектора экономики и хозяйственной деятельностью людей в этом секторе,
проявляющиеся в крупномасштабных авариях; быстром увеличении доли
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
физически и морально изношенного оборудования; несвоевременном
(некачественном) проведении ремонта, модернизации и монтажа оборудования; недостаточной квалификации, трудовой и технологической дисциплины персонала, порождающих его ошибочные действия [1].
В работе [1] также показано, что за последние годы частота крупных
аварий существенно увеличилась. При этом аварийные ситуации распространяялись на территорию нескольких регионов и даже государств с числом
жителей до 50 миллионов человек.
После техногенных катастроф на атомных электростанциях (АЭС):
Чернобыль, 1986 г.; Фукусима, 2011 г., отдельные регионы и даже страны
рассматривают возможность перехода на другие (например, углеводородные)
энергетические ресурсы. Однако последствиями аварий на гидротехнических
сооружениях (ГТС) гидроэлектростанций (ГЭС) могут стать не только (и не
столько) разрушения плотин, но и затопление примыкающих к ним
сооружений и территорий.
При этом потери населения, оказавшегося в зоне действия волны
прорыва, могут достигать: ночью 90%, днем – 60%, а из общей численности
пострадавших количество погибших может составлять: ночью 75%, днем
40% [1]. Именно по этой причине, учитывая наличие в РФ около 100 ГТС
ГЭС с водохранилищами большого объёма, после аварии на СаяноШушенской ГЭС возникли серьезные сомнения в безопасности и надежности
ГТС ГЭС. Ведь изношенность основного оборудования многих российских
ГЭС достигает 70–80%. При этом у 17% этих объектов уровень безопасности
неудовлетворительный, у 58% – опасный [1].
В работах [1-3], на примере Франции, рассматриваются вероятностные
зависимости возникновения аварий и числа возможных жертв. Вероятность
от 1 до 3 аварий ГТС в год оценивается от 0,37 до 0,06, а годовой риск гибели
людей от 1,4·10-7 до 5,1·10-8. Произошедшие уже в XXI веке крупнейшие
аварии только на ГЭС показывают необходимость детального анализа
возможных последствий и разработки мероприятий по их предотвращению.
В условиях многообразия, сложности и ответственности стоящих перед
персоналом ГТС АЭС научно-технических задач по обеспечению промышленной и экологической безопасности их эксплуатации, когда (например,
борьба с биообрастанием, очистка воды от пуха или перегрев водоемовохладителей в летние месяца) даже не просматриваются векторы возможного
движения по пути решения этих проблем, классические подходы: «по оста© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
точному принципу», или «обязательное внедрение на других ГТС» - в
использовании достижений конверсионной акустики в гражданской морской
технике становятся не оправданными и даже вредным [4-8].
Дело в том, что в настоящее время большой научно-технический
потенциал России сосредоточен не только в государственных (в том числе
закрытых) и частных организациях внутри страны, но и за рубежом. Одновременно с этим, ученые и инженеры, занятые в закрытых секторах экономики государства, не могут, по различным (например, дефицит времени, не
признанные широким научным сообществом страны идеи и т.д.) причинам,
полностью раскрыть свой высокий научный и технический потенциал. В
свою очередь консерватизм в принятии решений не позволяет внедрять
инновационные технологии, эффективность которых продемонстрирована
только в других областях промышленности, или (тем более) за рубежом.
С другой стороны, площадки АЭС и ГЭС просто окутаны сетью
коммерческих структур с некомпетентными специалистами. Ярчайшим примером стала вскрывшаяся в процессе следствия ситуация на СаяноШушенской ГЭС. При этом коррупционные схемы между коммерческими
структурами и сотрудниками АЭС (ГЭС) создают непреодолимые препятствия для инновационных технологий, разработанных в «чужих» организациях, а сами коммерческие структуры, пользуясь либерализмом российского
законодательства, присваивают (не останавливаясь даже при наличии
патентов РФ) чужие научно-технические идеи.
В настоящее время можно выделить целый спектр научно-технических
задач, которые детально будут рассмотрены в виде последующих отдельных
публикаций, которые уже в самое ближайшее время можно решить для ГТС
АЭС с использованием достижений конверсионной акустики и нелинейной
гидроакустики, в частности [4-8]:
- акустическая и комбинированная (акустико-механическая, акустикопузырьковая, акустико-электрическая и т.д.) защита водозаборов от попадания рыб (преимущественно, молоди рыб), захватываемых потоками воды
подводящего канала;
- акустическое вытеснение рыб (преимущественно, половозрелых рыб) из
отводящих каналов с перегретой (выше 350С – при которой начинает разрушаться белок) водой, привлекаемых (благодаря природным инстинктам)
гидродинамическими потоками;
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
- акустическое обездвиживание, нелетальное и летальное поражение
биообрастателей в водозаборных окнах;
- акустическая интенсификация процессов теплоотдачи в отводящих каналах,
башенных градирнях и брызгальных бассейнах;
- силовое нанесение защитных покрытий на конструкции из стали, бетона и
композитных материалов в воздухе, зоне переменного смачивания и
непосредственно под водой;
- акустико-пузырьковая очистка воды от биологических примесей (от пуха
деревьев, кустарников и т.д.) в водоподводящих каналах в летний период;
- акустическая очистка воды от механических примесей в водоподводящих
каналах, в том числе, в период проведения дноуглубительных работ;
-акустическая очистка оборотной воды в шламоотстойниках во время
выполнения планово-регламентных работ на АЭС;
- акустическая очистка воды от взвешенных веществ в баках-отстойниках
перед ее закачкой в полигон глубинного захоронения;
- акустико-гидродинамическая очистка поверхности от радионуклеидов и др.
Говоря об экологическом аспекте проблемы, следует отметить, что
экологические показатели промышленной деятельности по РФ на сегодняшний день обуславливают кризисное состояние окружающей природной
среды (ОПС) и, как следствие, нестабильное социально-экономическое
развитие страны [7,9,10]. Очевидно, что переход РФ к устойчивому развитию
находится в прямой зависимости от решения важнейших экологических
проблем, разумного сочетания экологической и экономической составляющих государственной политики. Указанное приобретает транснациональное
значение, если учесть ключевую роль РФ в поддержании глобальных
функций биосферы ввиду обширности ее территорий, занятых различными
природными экосистемами, представляющими значительную часть биоразнообразия Земли [9,10].
По мнению отечественных и зарубежных специалистов, масштабы
природно-ресурсного, интеллектуального и экономического потенциала РФ
обуславливают ее важную и ответственную роль в решении глобальных
экологических проблем.
В этих условиях разработанная методология обеспечения промышленной и экологической безопасности эксплуатации ГТС базируется на следующих принципах [5,8]:
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
- широкое использование в гидроакустических средствах (ГАС) специального назначения (СН) достижений конверсионной акустики, в том числе,
нелинейной гидроакустики;
- комплексное использование различных физических механизмов при
решении конкретной научно-технической задачи, когда недостатков одного
элемента компенсируются достоинствами другого элемента ГАС СН;
- экологическая безопасность ГАС СН, за счет исключения использования
каких-либо химических веществ или реагентов;
- обеспечение высокой эффективности решения поставленной задачи за счет
рубежного построения ГАС СН;
- одновременное решение нескольких (не менее двух) научно-технических
задач с помощью одного ГАС СН и т.д.
Ниже, на примере акустико-пузырькового модуля, кратко анализируется пример комплексного решения трех научно-технических задач для
подводящего канала АЭС: защита водозабора от попадания рыб (преимущественно, молоди рыб), очистка воды от биообрастателей и очистка воды от
пуха (деревьев, кустарников и т.д.). При этом физическая защита водозабора
от подводных пловцов, по понятным причинам, в данной открытой
публикации рассматриваться не будет.
В общем случае необходимость оборудования водозаборов рыбозащитными сооружениями, регламентировано руководящими экологическими документами. Используемые ранее механические рыбозащитные
устройства (РЗУ): рыбозащитный барабан, гидродинамический оголовок,
конусная сетка с рыбоотводом и др., на большие (свыше 10 м3/с) расходы
воды крайне сложны в эксплуатации [5-8]. В связи с этим наиболее
перспективными считаются физиологические РЗУ: электрические,
пузырьковые, акустические и др.
Сущность разработанной в 1999 г. (в первую очередь, для рыболовства
и рыбоводства) технологии акустического управления поведением рыб
(технология «АИСТ») базируется на комплексном воздействии на рыб
энергетических (вызывающих дискомфортное состояние), информационных
(звуки хищника), высокоградиентных (вызывающих болевые ощущения) и
биорезонансных (оказывающих воздействие на клеточном уровне)
акустических сигналов [5-8].
На рис. 1 (фото), для примера, иллюстрируется внешний вид
элементов разработанного мною акустического РЗУ «АИСТ-1», установлен© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
ных (без привязки к местности) в водоподводящих каналах Калининской
АЭС параллельно с боновыми заграждениями.
а) вид № 1
б) вид № 2
в) вид № 3
Рис. 1 (фото) - Внешний вид элементов акустического
рыбозащитного устройства АИСТ
Однако как показала многолетняя практика [5] эффективность акустических РЗУ, в первую очередь, для молоди рыб, не превышает 60-70%, что
недостаточно, исходя из требования природоохранного законодательства. По
этой причине в работах [5-8] рекомендовано использование комбинированных (акустико-механическая, акустико-пузырьковая, акустико-электрическая и т.д.) РЗУ, обеспечивающих одновременное воздействие на
несколько каналов восприятия информации у рыб об окружающей
обстановке (слуховые, зрительные, тактильные и др. рецепторы). Применительно в подводящим каналам АЭС в [5,7,8] рекомендовано использовать
акустико-пузырьковые РЗУ, эффективность которых составляет 90-95%.
При возрастании масштабов гидротехнического строительства
увеличились масштабы биопомех, вызванных организмами-обрастателями и
прежде всего двустворчатым моллюском Dreissena polymoprha, как в бывшем
СССР и России, так и за рубежом. Это явление обусловлено тем, что условия,
формируемые при строительстве и пуске в действие электростанции (ГЭС,
АЭС) и соответствующей трансформации исходного водоема в водоемохладитель, полностью отвечают экологическим требованиям дрейссены.
При этом самыми «дорогими», в смысле защиты от вызванных ею биопомех,
оказываются АЭСЮ, а наиболее уязвимыми, с точки зрения биообрастания,
являются: защитные механические решетки, погруженные водоводы, шлюзы,
заслонки, инструменты и т.д.
На рис. 2 (заимствовано из Интернет) иллюстрируется внешний вид
Dreissena polymoprha (рис. 2а), а также последствия биообрастания защитных
решеток (рис.2б) и подводного трубопровода (рис. 2в).
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
а) моллюск (дрейссена) б) защитная решетка
в) трубопровод
Рис. 2 (фото) - Внешний вид Dreissena polymoprha и последствия
биообрастания защитной решетки и трубопровода
В настоящее время наиболее распространенными являются химические
методы борьбы с биообрастанием, которые сводятся к обработке забираемой
на охлаждение оборудования воды, вызывающей гибель моллюсков и их
личинок в технологической системе охлаждения. Однако в последние годы в
мире резко (вплоть до запрета) повысились требования к экологической
безопасности применяемых методов и средств борьбы с биообрастателями.
Сущность разработанной технологии борьбы с биообрастанием
подводных конструкций и оборудования:
- заблаговременная (на входе в подводящий канал) акустико-пузырьковая
очистка воды от биообрастателей;
- равномерное и прочное нанесение защитных покрытий в акустическом поле
на подводные (решетки и т.д.) и внутренние (трубы и т.д.) поверхности,
исключающее или затрудняющее прикрепление биообрастателей к ним;
- акустическое обездвиживание основной массы биообрастателей, а также их
нелетальное и летальное поражение в районе водозаборных окон и т.д.
Преимущества разработанной технологии [5,7,8]:
- высокая (90-95%) эффективность защиты от биообрастания;
- экологическая безопасность для остальных водных обитателей (рыб,
беспозвоночных и др.) и окружающей природной среды, в целом;
- медицинская безопасность для персонала защищаемого объекта и т.д.
Известно, что в процессе работы ГТС АЭС высокие требования
предъявляются к качеству используемой оборотной воды, которая может
содержать различные примеси, в том числе, пух растительного происхождения, речные водоросли и т.д. В настоящее время водозаборные окна
ГТС оборудованы только механическими средствами защиты: стальными
решетками с крупной и мелкой ячеей, которые предназначены, в первую
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
очередь, для защиты от плавающего мусора. Распределенный по всей толще
воды пух забивает решетки с мелкой ячеей, уменьшает их фильтрационные
свойства и существенно снижает расход воды, подаваемой потребителям.
Сущность разработанной технологии очистки воды от механических и
биологических примесей [5,7,8]:
- придание поверхностям пузырьков воздуха различного диаметра колебаний
монопольного типа (в интересах повышения их сорбционных свойств)
акустическими волнами различных диапазонов частот;
- дробление биологических примесей и их плотных скоплений (например,
пуха) крупными пузырьками воздуха и низкочастотными импульсными
акустическими сигналами;
- подъем примесей на поверхность и их удержание мелкими пузырьками
воздуха, а также непрерывными высокочастотными акустическими сигналами;
- сбор примесей в виде грязной пены в районе бонового заграждения с
последующим ее удалением в очистительный модуль и т.д.
Для примера на рис. 3 иллюстрируется принцип работы акустикопузырькового модуля, который (как уже было отмечено ранее) одновременно
решает три научно-технические задачи.
а) вид сбоку
б) вид сверху
Рис. 3 - Структурная схема подводящего канала с акустикопузырьковым модулем и боновым заграждением
Преимущества разработанной технологии акустико-пузырьковой
очистки воды от механических и биологических примесей являются:
- мобильность акустико-пузырьковых модулей, позволяющая относительно
быстро их установить на любом рубеже и в определенном порядке;
- максимальное соответствие критерию эффективность-стоимость;
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
- высокое качество очистки воды от примесей, распределенных по все ее
толще и т.д.
Таким образом, с точки зрения критерия: «эффективность-стоимостьриск», предлагается комплексное – за счет одновременного решения нескольких научно-технических задач, решение проблемы обеспечения
промышленной и экологической безопасности эксплуатации ГТС АЭС при
помощи ГАС СН, разработанных автором на принципах линейной и
нелинейной гидроакустики.
При этом ярким примером не правильных действий в отношений
разработчика технологий является сложившаяся ситуация на Калининской
АЭС, когда автор технологий акустической рыбозащиты [5-8] и акустикопузырьковой очистки воды от механических и биологических (включая, пух
деревьев и т.д.) примесей [5-8] – проф. Бахарев С.А., благодаря стараниям
коррумпированных сотрудников Калининской АЭС и коммерческих
структур, оказался в стороне, как от опытно-промышленной эксплуатации
акустического рыбозащитного устройства, так и от гидравлических
изысканий по акустико-пузырьковой очистки воды от механических и
биологических примесей.
Проводя аналогии с Саяно-Шушенской ГЭС, также хотелось бы
обратить внимание на высокую аварийность на Калининской АЭС, и, как
следствие этого, на неоднократную смену главных специалистов на ней в
последние годы.
В заключение хотелось бы призвать общественность, из числа
ветеранов атомной энергетики страны, внимательно проанализировать,
исходя из критерия «эффективность-стоимость», результаты инновационной
деятельности традиционных подрядчиков ГТС АЭС.
Литература:
1. Папков Б.В. Основа безопасности государства – электроэнергетика //
«Инженерный
вестник
Дона»,
2013,
№4.
URL:
ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2023.
2. Makarov Y.V., Reshetov V.I., Stroev V.A., Voropai N.I. Blackout prevention in
the United States, Europe, and Russia // Proceedings of the IEEE. Institute of
Electrical and Electronics Engineers, 2005. – V. 93(11). – P. 1942-1954.
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
3. Voropai N.I., Kolosok I.N., Kurbatsky V.G. Intelligent coordinated operation
and emergency control in electric power systems // IFAC proceedings volumes
(IFAC-papersonline). IFAC conference on control methodologies and technology
for energy efficiency, CMTEE, 2010. – P. 198-203.
4. Бахарев С.А., Рогожников А.В. Перспективы развития гидроакустических
средств гражданского назначения, в том числе с использованием методов
нелинейной акустики. // Труды Всероссийской конференции «Прикладные
технологии гидроакустики и гидро-физики». С-Петербург, 2012, с. 30-33.
5. Бахарев С.А. Безопасность объектов энергетического комплекса.
Германия, Изд-во: Lambert, 2012, 375 с
6. Бахарев С.А., Клячко Л.М., Новиков С.Е., Рогожников А.В. К вопросу
использования акустических рыбозащитных устройств на атомных
электростанциях. // Морская радиоэлектроника, № 2 (44), 2013, с. 51-57.
7. Бахарев С.А., Бахарев А.С. Освоение северных и арктических территорий.
Германия, Изд-во: Lambert, 2013, 300 с.
8. Бахарев С.А. Промышленная и экологическая безопасность объектов
энергетического комплекса, расположенных на северных и арктических
территориях. // Морская радиоэлектроника», № 4, 2013, с. 44-47.
9. Серпокрылов Н.С., Петренко С.Е., Борисова В.Ю. Повышение
эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях
эксплуатации очистных сооружений // «Инженерный вестник Дона», 2013,
№4 URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1602.
10. Серпокрылов Н.С., Кожин С.В., Тайвер Е.А. Очистка сточных вод
бассейнов для содержания ластоногих до норм оборотного водоснабжения //
«Инженерный вестник Дона», 2011, №1 URL: http://ivdon.ru/magazine/
archive/n1y2011/380.
References
1. Papkov B.V.
Inženernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL:
ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2023.
2. Makarov Y.V., Reshetov V.I., Stroev V.A., Voropai N.I. Blackout prevention in
the United States, Europe, and Russia // Proceedings of the IEEE. Institute of
Electrical and Electronics Engineers, 2005. – V. 93(11). – P. 1942-1954.
3. Voropai N.I., Kolosok I.N., Kurbatsky V.G. Intelligent coordinated operation
and emergency control in electric power systems // IFAC proceedings volumes
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014
Инженерный вестник Дона, №3 (2014)
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2549
(IFAC-papersonline). IFAC conference on control methodologies and technology
for energy efficiency, CMTEE, 2010. – P. 198-203.
4. Baharev S.A., Rogozhnikov A.V. Perspektivy razvitija gidroakusticheskih
sredstv grazhdanskogo naznachenija, v tom chisle s ispol'zovaniem metodov
nelinejnoj akustiki[Development prospects sonar civil purposes, including using
the methods of nonlinear acoustics]. // Trudy Vserossijskoj konferencii
«Prikladnye tehnologii gidroakustiki i gidro-fiziki». S-Peterburg, 2012, рр. 30-33.
5. Baharev S.A. Bezopasnost' ob#ektov jenergeticheskogo kompleksa [Security of
energy complex]. Germanija, Izd-vo: Lambert, 2012, 375 р
6. Baharev S.A., Kljachko L.M., Novikov S.E., Rogozhnikov A.V. Morskaja
radiojelektronika, № 2 (44), 2013, рр. 51-57.
7. Baharev S.A., Baharev A.S. Osvoenie severnyh i arkticheskih
territorij[Mastering the northern and Arctic areas]. Germanija, Izd-vo: Lambert,
2013, 300 р.
8. Baharev S.A. Morskaja radiojelektronika», № 4, 2013, рр. 44-47.
9. Serpokrylov N.S., Petrenko S.E., Borisova V.Ju. Inženernyj vestnik Dona (Rus),
2013, №4 URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1602.
10. Serpokrylov N.S., Kozhin S.V., Tajver E.A. Inženernyj vestnik Dona (Rus),
2011, №1 URL: http://ivdon.ru/magazine/ archive/n1y2011/380.
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2014