«ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС НАУКОЕМКИЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ МАТЕРИАЛЫ РАБОТ ПОБЕДИТЕЛЕЙ И ЛАУРЕАТОВ КОНКУРСА Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета 2012 Всероссийский конкурс Наукоемкие ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС

«НАУКОЕМКИЕ ИННОВАЦИОННЫЕ

ПРОЕКТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ»

МАТЕРИАЛЫ РАБОТ

ПОБЕДИТЕЛЕЙ И ЛАУРЕАТОВ

КОНКУРСА

Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета 2012 Всероссийский конкурс «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых»: материалы работ победителей и лауреатов конкурса. – СПб.: Издво Политехн. ун-та, 2012. – 336 с.

В сборнике публикуются материалы работ участников Всероссийского конкурса «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых» года, ставших победителями и лауреатами конкурса. Работы отражают современный уровень прикладных научных исследований молодых ученых по различным направлениям науки и техники.

Представляет интерес для специалистов в различных областях знаний, учащихся, работников системы высшего образования и Российской академии наук, а также руководителей организаций, занимающихся вопросами внедрения актуальных научных разработок.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Конкурс проведен в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 06.741.11.0019).

© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,   В.Э. Гасумянц, Т.А. Итс, Д.Д. Каров Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЕТЕНЦИЙ

В СФЕРЕ УПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИЯМИ

Правительством Российской Федерации в последние годы принят ряд масштабных мер по развитию конкурсно-грантовой системы для поддержки исследовательской и инновационной деятельности молодежи, созданию условий для объединения усилий государства, бизнеса и научного сообщества, включения молодежи в инновационную деятельность. Одним из основных факторов мотивации научной деятельности молодых ученых является материальное стимулирование через гранты, стипендии, конкурсы. Особенно велика роль конкурсов инновационных проектов, в основе которых лежат достижения интеллектуального труда. Их стратегическая цель – стимулирование инновационного процесса в системе высшей и средней школы, в научных организациях, привлечение к инновационной деятельности творческой молодёжи. Среди принятых документов: указ «О премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых учёных», указы Президента РФ по материальной поддержке ученых России, молодых российских ученых – кандидатов наук и их научных руководителей, талантливой молодежи, постановления Правительства Российской Федерации по поддержке молодых российских ученых – кандидатов наук и их научных руководителей, молодых российских ученых – докторов наук, ведущих научных школ Стратегия государственной молодёжной политики утверждена распоряжением Правительства РФ от 18 декабря 2006 г. № 1760-р. Стратегия разработана на период до 2016 года и определяет совокупность приоритетных направлений, ориентированных на молодежь в возрасте от 14 до 35 лет, включающих задачи, связанные с участием молодежи в реализации приоритетных национальных проектов.

В сентябре 2005 года стартовал приоритетный национальный проект «Образование», который призван ускорить модернизацию российского образования.

Одним из важнейших направлений этого проекта, которое должно сформировать основу для реализации инновационного потенциала российской молодёжи, является поддержка на конкурсной основе и поощрение талантливых молодых людей.

Направление приоритетного национального проекта «Образование» по государственной поддержке талантливой молодёжи предусматривает ежегодное определение 5350 юных талантов во всех регионах России. В соответствие с Указом Президента РФ «О мерах государственной поддержки талантливой молодёжи», Постановлением Правительства Российской Федерации от 27 мая 2006 г. N 311 «О премиях для поддержки талантливой молодёжи» 1250 ребят – победителей российских и призёры международных олимпиад – получают премии по 60 тыс. руб., и   молодых дарований – победителей региональных и призёры российских олимпиад – получают премии по 30 тыс. руб.

Перечень олимпиад и иных конкурсных мероприятий, по итогам которых присуждаются премии для поддержки талантливой молодёжи, объявляется на основе взаимодействия Минобрнауки России с международными и общероссийскими общественными объединениями, федеральными органами исполнительной власти.

Также в рамках приоритетного национального проекта «Образование» действует Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг.

Система мероприятий Программы построена на сочетании целевого финансового обеспечения в рамках конкретных мероприятий, направленных на сохранение и развитие кадрового потенциала государственного научно-технического сектора, и адресного финансового обеспечения исследований и разработок, осуществляемых молодыми учеными, аспирантами и студентами как самостоятельно, так и под руководством ведущих ученых России.

Также в Российской Федерации уже несколько лет действует Всероссийская программа Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям и Федерального агентства по образованию «Участник молодежного научноинновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.). Программа УМНИК имеет целью стимулирование студентов, аспирантов и молодых ученых, имеющих собственные идеи, отличающиеся существенной новизной и возможностью коммерциализации своих разработок в разумные сроки. Кроме программы «УМНИК» существует также программа «Старт». Цель программы – создание и развитие малых инновационных предприятий, финансирование инновационных проектов, находящихся на начальной стадии развития.

Кроме того, проводятся различные региональные конкурсы грантов и проектов.

Так, в Санкт-Петербурге существует целый ряд конкурсов грантов Правительства Санкт-Петербурга на соискание финансовой поддержки научной и инновационной деятельности молодежи:

- конкурс грантов для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (в категориях «дипломный проект» и «кандидатский проект»);

- конкурсный отбор для предоставления субсидий в виде грантов молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга;

- конкурс грантов для молодых научно-педагогических работников высших учебных заведений Санкт-Петербурга и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (по трем категориям: аспиранты и сотрудники, не имеющие ученую степень; докторанты и сотрудники, имеющие ученую степень;

доктора наук). Конкурс проводится по четырем направлениям: технические науки;

естественные и математические науки; медицинские науки; гуманитарные и социально-экономические науки;

- конкурс бизнес-идей, научно-технических разработок и научноисследовательских проектов среди студентов, аспирантов и молодых менеджеров (в возрасте от 18 до 30 лет) под девизом «Молодые. Дерзкие. Перспективные», проводящийся по трем номинациям («Бизнес-идеи», «Научно-технические разработки», «Научно-исследовательские проекты»).

Кроме конкурсов, действуют программы и мероприятия поддержки инновационной деятельности. В начале 2009 года стартовала программа Федерального агентства по делам молодежи «Зворыкинский проект», основная цель которой – дать возможность тысячам молодых людей реализовать свой научный потенциал в России, стать успешными и богатыми через коммерциализацию своих инновационных проектов. Задачи программы: создать национальную систему комплексного поощрения инновационной деятельности в стране, повысить ее привлекательность в молодежной среде; определить победителей – лауреатов национальной Зворыкинской премии в области инноваций, которые должны стать образцами успеха для молодежи; повысить статус людей, создающих инновации, в молодежной среде и в обществе в целом;

выявить перспективные инновационные проекты и содействовать их продвижению и коммерциализации; увеличить количество зарегистрированных патентов, инновационных разработок, start up и новых инновационных бизнес-проектов;

повысить количество конкурентоспособных инновационных товаров отечественного производства.

В рамках программы «Зворыкинский проект» Федеральное агентство по делам молодежи проводит конкурс молодежных инновационных проектов. Цели Конкурса – содействовать повышению активности молодых ученых, изобретателей и предпринимателей в области инновационной деятельности, повышению привлекательности инновационной деятельности для молодежи, формированию благоприятного общественного мнения об инновационном потенциале России, продемонстрировать уровень российских достижений в инновационной сфере.

Участники конкурса – граждане Российской Федерации в возрасте до 30 лет и молодые ученые в возрасте до 35 лет, представляющие инновационные проекты. Конкурс проводится среди следующих типов проектов: 1) инновационная идея – проекты, находящиеся на самых ранних стадиях развития и представляющие результаты проведенных авторами «поисковых» научно-исследовательских работ; 2) инновационный проект – проекты, которые имеют высокую степень завершенности НИОКР, опытные образцы и проработанную стратегию коммерциализации разработки;

3) инновационный продукт – реализованные проекты, результатом которых стал выход на рынок нового товара (технологии, услуги), имеющего спрос у потребителей.

Кроме перечисленных выше существуют и другие конкурсы инновационных проектов, которые проходят в РФ в последние годы как на региональном, так и на федеральном уровнях:

- конкурс Русских инноваций – http://www.inno.ru/about/history/;

- конкурс на лучший инновационный проект СПб – http://www.spbinno.ru/;

- конкурс на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга;

- программы поддержки студентов, аспирантов и молодых ученых Фонда некоммерческих программ «Династия» (http://www.dynastyfdn.com/);

- гранты РФФИ;

- различные целевые программы по поддержке молодых ученых.

Вышеизложенное позволяет заключить, что в последнее время молодым научноактивным исследователям предоставляется ряд новых возможностей для продвижения и инновационного внедрения своих проектов и разработок. Для максимально эффективной поддержки научно-инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых сотрудников система научно-исследовательской работу студентов (НИРС) вуза должна быть существенно модернизирована. Такая модернизация, например, осуществляется в СПбГПУ. Организация цепочки: НИР – результат – презентация результатов – публикация – участие во внутренних конкурсах СПбГПУ: «Студент года», «Аспирант года», «Инновационные научные работы и научно-технические проекты» предоставляет участникам широкие стартовые возможности для выхода на региональный и всероссийский уровни продвижения проектов.

Важнейшим компонентом для совершенствования качества подготовки творческих, компетентных специалистов, выявления одаренной молодежи является организация и проведение молодежных массовых и состязательных мероприятий.

Принято считать, что к числу массовых мероприятий системы НИРС относятся научные семинары и конференции различной тематики и вида (научные, теоретические, проблемные, практические, научно-практические, методические), дискуссии, диспуты, обсуждения, круглые столы. В массовых мероприятиях могут принимать участие студенты всех курсов. К числу состязательных мероприятий относят студенческие олимпиады (предметные, по специальностям, в последнее время еще и по направлениям), конкурсы (выпускных квалификационных работ по специальностям и направлениям, на лучшую НИР, на получение грантов для проведение исследований), смотры-конкурсы по НИРС, выставки НИРС. В состязательных мероприятиях, кроме предметных олимпиад, принимают участие преимущественно студенты старших курсов.

Сейчас на государственном уровне перед системой высшего образования в качестве приоритетной ставится задача выработать способы и механизмы формирования инновационного менталитета молодежи, привлечения студентов, молодых специалистов к работе в научно-технической инновационной сфере. В этом плане принят ряд мер, способствующих стимулированию инновационной активности студентов, аспирантов и молодых ученых. Приобретает определяющее значение системное выявление и поддержка наиболее одаренных студентов и аспирантов в вузах.

Кроме этого, переход на новый уровень – от исследований к наукоемкому бизнесу – требует от потенциальных участников быстрого приращения интеллектуального капитала, необходимого для достижения успеха. Это должны быть специфические знания и опыт не только в части коммерческой деятельности, но и в части создания и управления инфраструктурой, людскими и материальными ресурсами, т.е. заточенность на проектное управление.

Эти моменты и явились причиной того, что в последние годы обозначились новые тенденции в принципах проведения указанных мероприятий и формирования их тематических направлении.

Среди указанных тенденций можно отметить следующие.

1. Финансирование на конкурсной основе в рамках федеральной целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – годы целого ряда мероприятий по Направлению 2 «Обеспечение привлечения молодежи в сферу науки, образования и высоких технологий, а также закрепления ее в этой сфере за счет развитой инфраструктуры». Среди этих мероприятий:

- 2.1. Организация и проведение всероссийских и международных молодежных научных конференций и школ. Цель – эффективное освоение молодыми исследователями и преподавателями лучших научных и методических отечественных и мировых достижений.

- 2.2. Организация и проведение всероссийских и международных молодежных олимпиад и конкурсов. Цель – выявление талантов и способностей студентов, аспирантов и молодых исследователей к научной деятельности. В рамках этого мероприятия ежегодно проводится отбор следующих событий:

- проведение международных и всероссийских олимпиад (всероссийской олимпиады среди студентов по нескольким междисциплинарным направлениям инновационного характера; проведение всероссийской олимпиады среди студентов по дисциплине или междисциплинарному - проведение всероссийских конкурсов научных работ студентов (конкурсов по нескольким междисциплинарным направлениям; конкурсов научных работ бакалавров; – научных работ магистров);

- проведение конкурсов аспирантов и молодых исследователей (конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых), решающих задачи по направлениям высокотехнологичных и социально значимых секторов экономики. Проведение форума по одному или нескольким междисциплинарным направлениям с проведением по каждому и всероссийских студенческих олимпиад, и конкурсов научных работ студентов, и научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых.

2. Усиление акцентов на инновационную направленность молодежных конгрессных мероприятий и введение аккредитации части из них для получения возможности авторам лучших работ (проектов) претендовать на финансовую поддержку своих исследований (разработок). Пример – Программа «УМНИК». Организация и проведение значительного числа таких мероприятий Всероссийского и регионального уровня по тематическим областям научных исследований и разработок технологического характера, входящих в Перечень критических технологий федерального уровня, поддерживается в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2012 годы».

При конкурсном отборе представленных на конференциях и форумах научнотехнических работ (проектов), кроме обычных требований актуальности и новизны, личного вклада авторов, учитывается конкурентоспособность ожидаемых результатов проекта; инновационная привлекательность проекта для малого предпринимательства;

направления и перспективы коммерциализации разработки; обоснованность выбора технологий реализации проекта; состояние разработки; исследования, необходимые для ее завершения. Предпочтение отдается проектам, полностью или частично внедренным в производство на российских заводах, предприятиях, в научно-исследовательских и коммерческих организациях, апробированным и одобренным на внутривузовских, межвузовских, региональных конкурсах, выставках, презентациях, научных конференциях, семинарах, школах и пр.

Задачи указанных мероприятий определяются как:

- выявление из числа участников конкурса наиболее активных и одаренных студентов, которые в ближайшем будущем составят научно-педагогическую и научно-техническую элиту системы образования;

- привлечение студентов, аспирантов и молодых ученых к изучению и решению важнейших современных естественно-научных и технико-технологических - привлечение молодежи к реальному участию в процессах развития и модернизации наукоемких технологий в различных отраслях российского народного хозяйства;

- освоение студенческой молодежью методологии инновационных исследований и приобретение навыков опытно-конструкторских работ;

- формирование у студентов научного подхода к технико-экономическому обоснованию постановки инновационных научных работ и экономической оценке эффективности практического использования их результатов;

- концентрация научных способностей и творческих усилий молодежи на приоритетных направлениях инновационных естественно-научных и научнотехнических исследований;

- привлечение студентов, аспирантов и молодых ученых региона для участия в выполнении крупных инновационных проектов, которые имеют комплексный межотраслевой характер и реализуют полный инновационный цикл выпуска наукоемкой продукции;

- осуществление мониторинга научных направлений и тематики исследований студентов и аспирантов;

- создание банков данных об инновационных естественно-научных, научнотехнических и опытно-конструкторских разработках студенческой молодежи.

К числу важнейших факторов, способствующих формированию и развитию инновационной способности российского общества, воспроизводству творческих личностей в области науки и техники относится инновационное высшее образование.

Инновационная педагогика ориентирована на формирование инновационной способности личности – способности к продуктивной творческой деятельности. Надо отметить, что в отечественной системе высшего профессионального образования образовательные технологии, ныне называемые инновационными, имеют давнюю и богатую историю. К таким технологиям относятся так называемая технология «обучения через исследование» и, более широко – технологии «проблемноориентированного», «проектного» и т.п. обучения.

Многолетний опыт деятельности ведущих вузов страны показал, что вовлечение студентов в поэтапно усложняющуюся поисковую деятельность: сначала учебнонаучную, а затем и реально значимую научно-исследовательскую или инженерную работу является наиболее эффективным путем для формирования творческого специалиста.

Высшей и наиболее эффективной формой проблемного инновационного образования является НИРС, включенная в учебный процесс, предполагающая вовлечение студентов уже со второго-третьего курсов в поэтапно усложняющуюся исследовательскую работу в лабораториях вуза, академических и других НИИ и предприятий под руководством ведущих специалистов. В процессе НИРС, когда студент непосредственно участвует в исследованиях, и решается реальная научная или производственная задача, ответ на которую не знает ни студент, ни его руководитель, усиливается мотивация к творческой деятельности и особое значение приобретают мотивы самореализации, социальные мотивы, мотивы соревнования и др. При решении всех вопросов, связанных с привлечением молодежи к занятиям научноисследовательской деятельностью, расширением кадрового потенциала образовательных и научных организаций, следует исходить из понимания того, что базой и основой формирования контингента научного и инженерного корпуса России является цепочка: научно-исследовательская работа студентов (НИРС) – обучение в аспирантуре – становление молодых ученых и специалистов.

Система НИРС является неотъемлемой частью учебного процесса и слагается из этапов вхождения в проблему, получения научного результата, его оформления, создания научных документов и введения информации в научный оборот. Без этих этапов научный результат не существует. Кроме этого, система НИРС – одно из важнейших средств повышения уровня профессиональной подготовки специалистов с высшим профессиональным образованием через освоение студентами в процессе обучения по учебным планам и сверх них основ профессионально-творческой деятельности, методов, приемов и навыков выполнения научно-исследовательских, проектных и конструкторских работ.

Таким образом, система НИРС позволяет наиболее полно реализовать индивидуальный подход в обучении студентов, дифференцированность при подготовке специалистов. Обучение в вузе с систематическим методически обеспеченным целенаправленным участием студентов в научной и научно-технической деятельности – эффективные способ и средство формирования и развития у студентов творческой мотивации, ответственности, активной созидательной жизненной позиции.

Отметим важность перечисленных выше творческих конкурсов, в которых участвуют студенты в рамках НИРС, для формирования компетентного специалистаинноватора. На подобных массовых и соревновательных мероприятиях студенты представляют результаты своих исследований в форме устных или/и письменных сообщений или в виде заявок, анонсирующих предполагаемые результаты (в конкурсе грантов). Также на основе полученных результатов студенты под руководством преподавателя готовят научные документы (части отчетов, научные статьи, тезисы), тексты устных выступлений, выступают на конференциях, участвуют в конкурсах научных работ и т.д.

Масштабные меры, принимаемые в последние годы государственными структурами РФ по поддержке исследовательской и инновационной деятельности студентов и молодых ученых, уже дают реальный положительный эффект. Однако только мер, предпринимаемых на государственном уровне, для решения этой проблемы недостаточно. Необходимо проведение работы на уровне непосредственного вовлечения молодежи (прежде всего, студенческой) в проведение научных исследований, формирование у нее на практике интереса к получению научных знаний, творческому развитию. Один из путей проведения такой работы – организация масштабных молодежных научных мероприятий различного типа (конференции, школы, конкурсы). В результате, проведение подобных мероприятий вносит большой позитивный вклад в подготовку высококвалифицированных специалистов по приоритетным направлениям техники и технологий и в сфере инновационной деятельности. Проведенный на базе Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Всероссийский конкурс «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых», работы победителей и лауреатов которого представлены в данном сборнике – одно из необходимых звеньев на пути формирования кадрового потенциала России в сфере науки и техники.

РАБОТЫ ПОБЕДИТЕЛЕЙ КОНКУРСА

В НОМИНАЦИИ «ЛУЧШИЙ ПРОЕКТ СТУДЕНТА»

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Научный руководитель – Л.И. Молодежникова, ст. преподаватель каф. ТПТ, ТПУ.

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ОБЕССОЛИВАНИЯ

СТОКОВ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ТЭЦ

Ключевые слова: аппарат погружного горения, тепловой баланс, материальный баланс, водоподготовительная установка, погружная горелка, скруббер Вентури, циклон-каплеуловитель, сушильная установка, сульфат натрия, установка мгновенного испарения.

Объектом исследования являются схемы термического обезвреживания сточных вод водоподготовительной установки ТЭЦ, включающие аппарат погружного горения (АПГ), установку мгновенного испарения (УМИ), систему газоочистки и сушильную установку.

Цель работы: разработка и оптимизация схемы обессоливания сточных вод, образованных при обмывке и регенерации катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ с возможностью получения высококонцентрированного сульфата натрия.

Основные задачи работы:

• сравнительный анализ существующих методов обессоливания сточных вод;

• разработка нескольких вариантов схем обессоливания;

• оптимизация разработанных схем;

• проектирование основных компонентов оптимизированной схемы для ТЭЦ, использующей натрий-катионитные фильтры;

• технико-экономический анализ.

Методы проведенных исследований: литературный обзор, анализ сточных вод ТЭЦ и выбор наиболее опасной, сравнительный анализ методов обессоливания, математическое моделирование, разработка и оптимизация.

Основные результаты НИР – разработка и оптимизация системы термического обезвреживания, конструирование и расчет основного оборудования, входящего в систему обезвреживания, подбор вспомогательного оборудования, техникоэкономический анализ, разработка автоматической системы регулирования, моделирование процессов, происходящих в аппарате погружного горения, создание компьютерных моделей теплообменного оборудования.

В настоящее время, говоря о промышленности и, в особенности, об энергетическом секторе, все чаще встает вопрос о выработке мер по энерго- и ресурсосбережению.

Политика энерго- и ресурсосбережения ставит перед собой такие цели как:

• эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов;

• максимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР), которые в дальнейшем могут быть использованы для получения энергии или другой экономической выгоды;

• эффективное использование территории промышленных объектов без неконтролируемого разрастания полигонов для отходов производства.

• рациональное использование водных ресурсов.

Также внимание должно уделяться и экологическому аспекту данной проблемы.

В целях защиты окружающей среды (ЗОС) работа промышленности должна быть организована так, чтобы образующиеся отходы превращались в новые продукты.

Охрана природы требует, чтобы производство совершенствовалось, а отходы утилизировались; все процессы создавались на основе малоотходной и безотходной технологии. Применение малоотходной и безотходной технологии позволит не только решить проблему ЗОС, но одновременно обеспечит высокую экономическую эффективность производства [1].

Безотходная технология является наиболее активной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия предприятий. Под понятием «безотходная технология» следует понимать комплекс мероприятий в технологических процессах, который на данном этапе развития общества должен включать: совершенствование технологических процессов и разработку нового оборудования с меньшим уровнем выбросов и сбросов вредных веществ и отходов в окружающую среду;

обеззараживание отходов; замену не утилизируемых отходов на утилизируемые т.д.

Пассивные методы защиты окружающей среды включают комплекс мероприятий по ограничению выбросов/сбросов с последующей утилизацией или захоронением отходов. К их числу относится очистка сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, захоронение токсичных и радиоактивных отходов и т.д.

Водоемы и водотоки представляют собой сложные экологические системы существования биоценоза – сообщества живых организмов. Эти системы создавались в течение длительного времени эволюции. Водоемы являются не только сборниками воды, в которых вода усредняется по качеству, но и в них непрерывно протекают процессы изменения состава примесей – приближение к равновесию, которое может быть нарушено в результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод [2].

Наиболее неблагоприятными видами являются сточные воды, образованные при регенерации и обмывке катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки, непосредственный сброс которых в водоемы невозможен из-за резкопеременных значений рН, выходящих за пределы 6,5-8,5, оптимальных для воды в водоемах, а также высокого содержания в них грубодисперсных примесей и солей.

Очистка таких вод должна сводиться к удалению основной части солей, грубодисперсных примесей и коррекции их рН в соответствии с условиями, предъявляемыми санитарными нормами, регулирующими сбросы сточных вод в водоемы.

Удаление грубодисперсных примесей и регулирование рН не представляют труда, но снижение концентрации истинно-растворенных примесей должно сводиться к повторному проведению тех же самых процессов, которые использовались на водоподготовительных установках. Это, в конечном счете, приведет к резкому возрастанию количества сбрасываемых солей со значительным увеличением суммарных затрат на очистку воды [2].

Выходом из этого положения может быть применение выпарных аппаратов для концентрирования и глубокого упаривания сточных вод.

Рассматривая проблемы энерго-ресурсосбережения и экологии в едином ракурсе, выходом из этого положения может быть разработка и оптимизация новых схем обессоливания, которые позволят не только очистить стоки, но и получить вторичный материальный ресурс. При этом должны быть максимально использованы вторичные энергоресурсы, водные ресурсы и территория ТЭЦ.

Цель работы: разработка и оптимизация схемы обессоливания сточных вод, образованных при обмывке и регенерации катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ с возможностью получения высококонцентрированного сульфата натрия.

Основные задачи работы:

• сравнительный анализ существующих методов обессоливания сточных вод;

• разработка нескольких вариантов схем обессоливания;

• оптимизация разработанных схем;

• проектирование основных компонентов оптимизированной схемы для ТЭЦ, использующей натрий-катионитные фильтры;

• технико-экономический анализ.

Результаты данной работы позволят создать безотходную установку обессоливания сточных вод, которые сейчас без обработки сбрасывается в прудынакопители шлама, повысить экологические и технико-экономические показатели станции, а также даст возможность получить концентрированный сульфат натрия, который может найти широкое потребление в различных отраслях промышленности.

1. Сравнительный анализ методов обессоливания Получение обессоленных вод может осуществляться на основе любых известных методов деминерализации: физико-химических (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.), холодильных (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладагентами, кристаллогидратный) и дистилляционных.

В настоящее время обессоленную воду на большинстве крупных предприятий получают с применением метода ионного обмена в специальных ионообменных фильтрах из поверхностных вод, затрачивая при этом большие количества дорогостоящих ионообменных смол и реагентов.

Если исходная вода имеет повышенное содержание ионов сильных кислот (> мг-экв/кг), испарительные установки по своим технико-экономическим показателям выгоднее, чем установки химического обессоливания [3]. Данную зависимость можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 1. Сравнение затрат на химическое (1) и термическое (2) обессоливание Удаление грубодисперсных примесей и регулирование рН не представляют труда, но снижение концентрации истинно-растворенных примесей должно сводиться к повторному проведению тех же самых процессов, которые использовались на водоподготовительных установках. Это, в конечном счете, приведет к резкому возрастанию количества сбрасываемых солей со значительным увеличением суммарных затрат на очистку воды.

Выходом из этого положения может быть применение выпарных аппаратов для концентрирования и глубокого упаривания сточных вод.

Процесс выпаривания применяется для достижения различных целей – опреснение воды, разделение смесей, концентрирование растворов и т.д. Отсюда наличие большого числа различных типов и модификаций выпарных установок.

Классификация современных испарительных установок может быть проведена по следующим основным признакам:

1. принципу действия;

2. гидродинамике режима;

3. способу использования теплоты вторичного пара;

4. роду теплоносителей, обогревающих поверхности;

5. конструктивному исполнению;

6. по способу организации движения раствора.

Наиболее подходящие для выпаривания сточных вод испарительные установки условно можно разделить на установки, в которых раствор контактирует с поверхностью нагрева и установки, в которых раствор не контактирует с поверхностью нагрева. В установках первого типа образуются отложения солей с соответствующим снижением плотности теплового потока и производительности установок. При этом неизбежны периодические остановки на чистку поверхности нагрева, снижающие технико-экономические показатели и усложняющие эксплуатацию установок. Степень концентрирования раствора в них существенно ограничена из-за резкого увеличения отложений с ростом концентрации раствора.

Одним из путей уменьшения отложений солей на поверхностях нагрева установок концентрирования минерализованных вод является использование аппаратов погружного горения (АПГ), при этом стоит отметить эффективность использования установок мгновенного испарения (УМИ) при малых концентрациях за счет возможности использования низкотемпературных вторичных энергоресурсов (ВЭР).

2. Графоаналитический метод определения областей использования аппаратов для термической обработки растворов В целях рационального использования теплоэнергетических ресурсов при термической обработке жидкостей чрезвычайно важно знать области применения теплоиспользующих установок, в которых процесс выпаривания растворов становится эффективным и экономичным.

При удалении паровой фазы концентрация раствора будет непрерывно увеличиваться. Изменение содержания воды в растворе у по отношению к массовой концентрации раствора х можно представить в виде зависимости:

В процессе выпаривания раствора содержание воды уменьшается и в конечном результате достигается соотношение:

где Gж, Gт – масса растворителя и растворенного вещества, кг.

Масса воды в остатке упаренного раствора:

где Gпр – масса продукта (концентрата), кг.

Подставляя это значение Gж в (1), получаем:

Для любого раствора при концентрации х, %, содержание растворенного вещества определяется по формуле:

Далее получаем:

Из этого уравнения мы видим, что каждой концентрации х соответствует определенное значение у при условии, что выпаривание ведется без уноса раствора с паровой фазой. Поэтому, задаваясь концентрацией растворенного вещества в конечном растворе, можно графически получить кривую (рисунок 2), характеризующую зависимость у=f(x).

Рис. 2. График определения областей использования выпарных установок Из графика на рисунке 2 видно, что выбор того или иного выпарного аппарата зависит от той концентрации раствора, которую мы хотим получить и от конечного содержания воды в растворе, соответственно, эффективно и экономично получить высококонцентрированный насыщенный продукт можно только в аппарате погружного горения с последующей сушкой, также стоит отметить эффективность применения установок мгновенного испарения для концентрирования раствора до 10-15%, учитывая, что работать они могут на низкотемпературных вторичных энергоресурсах.

В этих аппаратах создаются хорошие условия теплообмена между нагретыми газами и жидкостью, так как при барботаже нагретые газы распыляются в виде пузырьков и образуют большую межфазную поверхность. Интенсивное перемешивание раствора ускоряет процесс нагрева.

Включение АПГ в состав оборудования технологической схемы ТЭЦ позволит кардинально решить такие задачи как:

• полностью прекратить сброс загрязненных сточных вод водоподготовительной установки в природные водоемы и пруды-накопители шлама;

• сократить потребление свежей воды из природных источников;

• создать благоприятные санитарно-гигиенические условия на электростанции;

• регулировать расход воды в системах оборотного водоснабжения за счет стабильности параметров;

• снизить капитальные затраты на установку очистных сооружений;

• получить экономический эффект при утилизации сточных вод [5].

3. Оптимизация схем термического обезвреживания с использованием В ходе работы были разработаны и проанализированы четыре схемы для упаривания сточных вод, образующихся после регенерации и обмывки катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ. Среднее солесодержание исходных стоков составляло 27,4 кг/мЗ, в том числе 8,5 кг/мЗ хлористого натрия и 18, кг/мЗ сульфата натрия. Количество анионов сильных кислот превышает 35гэкв/кг.

Принятый состав стоков характерен для большинства ТЭЦ, использующих натрийкатионитные фильтры.

Топливо — природный газ Уренгой-Сургут-Челябинск.

Производительность схемы по исходному продукту L=15000 кг/ч. В аппарат поступает раствор следующего состава: 0,85% NаCl, 1,85% Na2SO4, 0,025% другие соли, 97.3% Н2О с температурой 30С. После многоступенчатого выпаривания и сушки должен образоваться 97% сульфат натрия.

Рассмотренные схемы представлены на рисунках 3 – 6.

Недостатком первой схемы является ее замкнутость, т.е. происходит постоянное неравномерное изменение содержания солей без вывода очищенной воды. Также отсутствует сушильная установка. Соответственно отсутствует возможность получения очищенной воды и конечного высококонцентрированного сульфата натрия, а значит стоимость реализации 45%-ого раствора сульфата натрия будет ниже.

К минусам второй схемы можно отнести не использование теплоты уходящей парогазовой смеси, использование которой позволило бы нагревать воду для ГВС, а значит – снизить потребление природного газа. В схеме уже присутствует сушильная установка для получения готового порошкообразного сульфата натрия.

В третьей схеме был устранен недостаток предыдущей, и теплота уходящей парогазовой смеси используется для нагрева воды в системе ГВС. При этом недостатком всех трех схем является большой расход природного газа в АПГ.

Отличительной особенностью четвертой схемы является использование на первой степени упаривания аппарата мгновенного вскипания. Как видно из графика (рисунок 2) экономично упаривать в опреснительной установке возможно до концентрации 5%, соответственно расход природного газа на АПГ снижается в 2.7 раза.

Выбор системы газоочистки производился с целью достижения наиболее интенсивного тепло- и массообмена для утилизации теплоты парогазовой смеси, эффективного пылеулавливания, а также малой металлоемкости, в результате чего были рассмотрены различные виды скрубберов и конденсаторов и выбран скоростной газопромыватель, состоящий из скруббера Вентури и циклона-каплеуловителя.

Для повышения качества получаемого сульфата натрия предложено использовать барабанную сушилку, источником теплоты для которой будут служить уходящие газы АПГ, это позволит получить экономический эффект при реализации Na2SO4.

Параметры рассмотренных схем приведены на рис. 7, рис. 8.

Далее приведем сравнение рассмотренных схем с помощью критериев оптимальности.

Рис. 7. Удельный коэффициент геометрической компактности Наиболее важными экономическими критериями оптимальности являются годовая прибыль и срок окупаемости. Результаты экономического расчета рассматриваемых схем приведены в таблице 1.

Реализация сульфата натрия Регенерация теплоты (ГВС) Охрана и рациональное ресурсов Капитальные затраты, млн. руб.

Годовая прибыль, млн.

руб.

Из таблицы и диаграмм (рис. 7, 8) видно, что наиболее экономически выгодной является четвертая схема, которая выигрывает за счет меньшего расхода природного газ. Первая и вторая схема невыгодны, так как у них отсутствует возможность полезного использования теплоты уходящей парогазовой смеси. Третий вариант является промежуточным и менее материалоемким, чем четвертый, но все же, проигрывает по годовой прибыли и окупаемости.

В результате, как наиболее оптимальная, была выбрана 4-ая схема.

В выбранной схеме подлежащие выпариванию стоки из сборника 5 насосом подают в аппарат мгновенного вскипания 6, который работает за счет ранее не используемых вторичных энергоресурсов, далее раствор с повышенной концентрацией поступает в АПГ 1 с газовой погружной горелкой 2. В скруббер Вентури 3 на промывку и охлаждение уходящей из аппарата парогазовой смеси подается сконденсированная вода из аппарата мгновенного вскипания, которая циркулирует с помощью насоса.

Отделение стоков от парогазовой смеси происходит в циклоне 4. Нагретая до 70 0 вода вместе с конденсатом из циклона 4 подается в систему ГВС. Частично охлажденные дымовые газы идут в сушильную установку 9, после чего выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Упаренный раствор подается из АПГ в отстойник 6, снабженный механической мешалкой. Осветленный маточный раствор из верхней части отстойника переливается в сборник 5 и снова поступает на выпаривание, а образовавшийся на дне выпаренный сульфат натрия периодически выводится через нижний патрубок в сушильную установку 9, использующую в качестве теплоносителя уходящие газы АПГ.

4. Автоматизация теплообменника установки мгновенного испарения Полная схема упаривания сточных вод водоподготовительной установки ТЭЦ представлена на рисунке 6.

Установка мгновенного испарения (УМИ) (6) служит в качестве первой ступени концентрирования раствора, после чего он поступает в аппарат погружного горения (1).

Теплообменник (7) предназначен для нагрева за счет уходящих газов исходных стоков перед УМИ для их дальнейшего испарения.

Тепловая нагрузка теплообменника должна обеспечивать заданную температуру воды на выходе из подогревателя. Поэтому необходимо постоянное регулирование расхода дымовых газов, поступающих от вторичных источников, а также необходим постоянный контроль за температурой и расходом воды до и после подогревателя.

Оптимизировать эти процессы возможно путем создания системы автоматического контроля и регулирования температуры теплоносителя на входе в установку мгновенного испарения (УМИ).

Функциональная схема контроля и регулирования температуры теплоносителя на входе в установку мгновенного испарения приведены на рисунке 9. На выбранной схеме видно, что уходящие газы вторичных источников проходят через регулирующий вентиль, затем измеряется их температура, после чего уходящие газы поступают в ТА.

Вода из УМИ проходит через измеритель расхода и измерители температуры, которые установлены до и после ТА. Сигналы от измерительных устройств и задатчика температуры прямой сетевой воды поступают на регулирующее устройство, которое, в зависимости от температуры воды и уходящих газов, при помощи исполнительного механизма регулирует подачу уходящих газов, поддерживая заданную температуру воды.

Предложенное решение позволит использовать в качестве теплоносителя для УМИ различные вторичные энергетические ресурсы с переменной температурой, так как тепловой баланс контролируется автоматически.

Рис. 9. Функциональная схема автоматического контроля и регулирования температуры теплоносителя на входе в В ходе работы был проведен анализ видов сточных вод, источниками которых являются теплоэлектростанции. Выявлено, что одними из наиболее нежелательных видов сточных вод являются сбросы водоподготовительных установок. Для очистки данных стоков были рассмотрены различные способы обессоливания.

В итоге было разработано несколько схем и в результате оптимизации и технико-экономического анализа выбрана схема с использованием установки мгновенного испарения и аппарата погружного горения, которая позволит не только обессоливать воду, образованную при регенерации и обмывке катионитных и анионитных фильтров водоподготовительной установки ТЭЦ, но и получать высококонцентрированный сульфат натрия Na2SO4.

Включение АПГ в состав оборудования технологической схемы ТЭЦ позволит кардинально решить следующие задачи:

• Полностью прекратить сброс загрязненных сточных вод водоподготовительной установки в природные водоемы и пруды-накопители шлама;

• Сократить потребление свежей воды из природных источников;

• Создать благоприятные санитарно-гигиенические условия на производстве;

• Регулировать расход воды в системах оборотного водоснабжения за счет стабильности параметров;

• Снизить капитальные затраты на сооружение очистных сооружений;

• Получить экономический эффект при утилизации сточных вод.

В ходе проектирования компонентов схемы был произведен расчет установки мгновенного испарения (тепловой расчет, расчет конденсаторов и переточных устройств), аппарата погружного горения (расчет материального и теплового балансов, математическое моделирование и определение габаритных размеров парогазового пространства), определены основные параметры и габаритные размеры сушильной установки, а также разработана система автоматического регулирования температуры теплоносителя на входе в УМИ.

Выбор системы газоочистки производился с целью достижения наиболее интенсивного тепло- и массообмена для утилизации теплоты парогазовой смеси, эффективного пылеулавливания, а также малой металлоемкости, в результате чего был выбран скоростной газопромыватель, состоящий из скруббера Вентури и циклонакаплеуловителя.

Для повышения качества получаемого сульфата натрия предложено использовать барабанную сушилку, источником теплоты для которой будут служить уходящие газы АПГ, это позволит получить экономический эффект при реализации Na2SO4. Срок окупаемости наиболее экономичной схемы упаривания составит месяцев.

Полученный в результате выпаривания сульфат натрия может найти широкое потребление в различных отраслях промышленности, в частности, он один из основных компонентов шихты в производстве стекла.

За счет утилизации 25% теплоты уходящей парогазовой смеси в системе газоочистки при нагреве водопроводной воды от 5 до 70 0С удастся компенсировать 15 м3/ч технической горячей воды в системе водоснабжения.

Разработанная система термического обезвреживания сточных вод может быть применена не только на ТЭЦ, но и на многих других промышленных предприятиях.

Внедрение подобной технологии будет эффективно для переработки стоков электрообессоливающих установок нефтеперерабатывающих заводов, и даст возможность получения хлорида натрия, сточных вод кожевенного производства с получением хрома и других промышленных предприятий. Все предложенные решения позволят эффективно использовать вторичные энергоресурсы и территорию ТЭЦ без бесконечного роста прудов-накопителей шлама, рационально использовать водные ресурсы, а значит, повысятся экологические и технико-экономические показатели станции.

1. Защита биосферы от промышленных выбросов: учебное пособие / А. И. Родионов, Ю.

П. Кузнецов, Г. С. Соловьев. — М.: КолосС: Химия, 2005. — 387 с.

2. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций:

учебное пособие / Л. А. Рихтер, Э. П. Волков, В. Н. Покровский. — М.: Энергоиздат, 1981. — 295 с.

3. Вихрев В. Ф. Водоподготовка: учебное пособие / В. Ф. Вихрев, М. С. Шкроб. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1973. — 416 с.

4. Аппараты погружного горения: учебное пособие для вузов / А. Н. Алабовский, П. Г.

Удыма. М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 255 с.

5. Афанасьев К. Ю. Вариант термического обезвреживания сточных вод водоподготовительной установки АЭС // Известия вузов. Физика. 2012. №2/2. С. 150 – 152.

Приложение 1. Чертеж установки мгновенного испарения Приложение 2. Чертеж аппарата погружного горения Приложение 3. Чертеж барабанной сушилки Приложение 4. Чертеж системы очистки парогазовой смеси А.К. Воробьева (студент, магистрант 1 года обучения) ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель – С.В. Мятеж, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «НГТУ»,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАССАЖИРСКОГО ТРУБОПРОВОДНОГО

ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Ключевые слова: электротехнический комплекс, транспорт, общественный, рельсовый, трубопроводная эстакада, прочность конструкции, тяговый расчет, энергопотребление

ВВЕДЕНИЕ

Согласно данным, опубликованным Межправительственной группой экспертов по изменению климата, сектор Транспорта занимает значительную долю в суммарных выбросах антропогенных парниковых газов [1]. Одной из эффективных практик смягчения воздействий на изменение климата по данному сектору признан переход с автомобильного транспорта на системы общественного. Возможности изменения технических решений действующих систем ГМПТ практически близки к нулю, тогда как новое проектирование предоставляет для этого все возможности.

Решение проблемы переполненности проезжей части улиц крупных городов и мегаполисов личным транспортом является одной из актуальных задач. На данном этапе требуется создание транспортной инфраструктуры, обеспечивающей экономичность строительства и эксплуатации, высокие скорости и экологическую чистоту.

Рост и концентрация населения в крупных городах приводит, с одной стороны, к необходимости уплотнять застройку, отнимая тем самым пространство у транспорта, а с другой – к интенсификации транспортной сети. Основным направлением решения этой проблемы на протяжении последних ста сорока лет было метростроение. Однако это весьма дорогостоящий резерв обеспечения городов транспортной сетью.

Полная изоляция надземной эстакадной путевой структуры от основного транспортного потока, может стать эффективной мерой в решении проблемы. Примеры подобных систем в мировой и отечественной практике известны: поезда на магнитной подушке, канатные дороги, обоснование инвестиционной эффективности которых разработаны для достаточно широкого числа проектов конкретных транспортных сообщений. Для подобных комплексов достаточен отвод земли шириной в обычную пешеходную тропу. Затраты металла, цемента и других важных ресурсов на их создание при этом гораздо ниже, чем на строительство объектов железнодорожного или автомобильного транспорта.

Рассматривая в рамках данной концепции развития транспортной сети выбор ТС, можно заметить, что такими значимыми преимуществами, как независимость от подобного рода загруженности города, высокая скорость движения, экологичность и бесшумность, обладает электрический рельсовый транспорт. Тенденция к замене более быстроходным, а значит и более производительным, уже существующего электрического транспорта сохранится в будущем.

Таким образом, задачей проектирования является создание концепции транспортной системы, сооружаемой над поверхностью земли с учетом диктуемых ростом скорости повышенных требований к прочностным и эксплуатационным характеристикам путевой структуры с применением современных конструкционных материалов. Результатами расчетной части проекта являются выбор двигателей ЭПС на основании требуемой мощности и тяговый расчет с определением скоростей движения и удельного расхода энергии. Полученные параметры необходимы для анализа целесообразности возведения и дальнейшего совершенствования разрабатываемого транспортного комплекса.

1. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ

1.1. Анализ имеющихся решений в сфере городского транспорта Важную роль в развитии городов играет совершенствование общественного транспорта с целью создания конкуренции частным автомобилям [2].

В настоящее время при проектировании городов все чаще используют систему Transit Oriented Development (TOD) — строительство, ориентированное на общественный транспорт. ТОD сокращает негативное воздействие на экологию в городах и останавливает от использования автомобилей, негативно влияющих на состояние воздуха. Это вопрос не только индивидуального удобства. От мобильности жителей зависит экономика мегаполиса.

В мировой и отечественной практике подавляющая часть пассажирских и грузовых перевозок осуществляется тепловой и электрической тягой. Электрическая тяга является более современным видом и должна, в конечном счете, полностью заменить тепловую. Отсутствие запасов топлива, малый вес на единицу мощности, централизованное электроснабжение дают электрической тяге ряд преимуществ, в значительной мере перекрывающих все существующие недостатки [3]. В современных условиях альтернативы использования электрической тяге не существует. Исходя из понятия ресурса, можно отметить, что рельсовый транспорт эксплуатируется в 3-4 раза дольше безрельсового, стоящего не намного дешевле, но требующего постоянной технической поддержки. Скорость общественного рельсового транспорта в среднем превышает скорость колёсного (автобусов на 10-20 км/ч) и поэтому такой транспорт конкурирует с частными автомобилями [2].

Инвестиции в жизненно необходимые, доступные городские рельсовые системы дают возможность отказаться от бензиново-нефтяной зависимости и, следовательно, минимизировать влияние городов на изменение климата. Рельсовый транспорт не только экономит нефть, он помогает реструктурировать город таким образом, чтобы тот снизил потребление нефти и исключил необходимость использования частных автомобилей. Такое изменение приведёт к положительным результатам в будущем.

Общественный транспорт в городах можно разделить на два ключевых вида:

1. Транспорт, движущийся по дорогам общего пользования, не наделенный преимуществами перед частным транспортом: автобусы, маршрутные такси, троллейбусы (за исключением транспорта, маршрут которого проложен по выделенной полосе, отделенной от основного дорожного полотна дорожной разметкой, либо бортовым камнем).

Преимущества:

относительная дешевизна прокладки и обслуживания маршрута, возможность быстрого изменения маршрута в случае каких-либо обстоятельств (ремонт дороги, пожелания пассажиров и т.д.);

возможность проложить маршрут в непосредственной близости к зонам проживания и работы горожан.

Основные недостатки:

усугубляющаяся год от года перегруженность дорожной инфраструктуры крупных городов;

относительно малая пассажировместимость;

невозможность в силу дорожных условий точно следовать графику;

низкие экологические показатели.

2. Транспорт, движущийся по выделенной полосе, полностью отделенной от основного потока. Эти виды транспорта разделяются на подземные (метрополитен, метротрам), наземные (трамваи, электрички), надземные (монорельс, эстакадные трамваи и электрички).

Преимущества:

независимость от загруженности городских улиц;

высокая скорость движения;

большая пассажировместимость;

регулярность сообщения;

экологичность (как правило, это электрический транспорт).

Основные недостатки:

относительно высокая стоимость прокладки путей;

зависимость прокладки маршрута от ландшафта и существующей инфраструктуры;

в случае возникновения поломок путей или подвижного состава, останавливается вся ветка.

В силу преимуществ движущегося по выделенной полосе транспорта, проектный выбор делается в пользу именно этого вида. Рассматривая выбор между подземным, наземным и надземным транспортом, отметим, что решение поставленной проблемы видится в освобождении дорог общего пользования, поэтому наземный вид транспорта как проектное решение не рассматривается.

Строительство метро в мире характеризуется неоправданно большой стоимостью: 1км пути обойдется более чем в 50 млн. евро, вместе со станциями — млн. евро (4,5-10 млрд. руб.).

Концепции надземных путевых структур напротив все чаще предлагаются во всем мире. Здесь вопрос высокой стоимости прокладки путей решается за счет совершенствования конструкции, а также применения инновационных материалов, направленного на снижение массивности как самой эстакады, так и подвижного состава, обеспечивая при этом более высокие скорости движения.

Можно отметить проект надземной путевой структуры, созданный на основе системы СТЮ. СПбГПХА им. А.Л.Штиглица был разработан концепт городского транспортного средства «BIWAY» (рис. 1.1) — это городской общественный транспорт, способный двигаться по струнной эстакаде, используя преимущества выделенной полосы, а так же по дорогам общего пользования, в режиме маршрутного такси [4]. Найдена наиболее оптимальная схема перемещения дорога/эстакада.

Рисунок 1.1 – Концепт городского транспортного средства «BIWAY»

В результате анализа предлагаемых в отечественной и мировой практике проектов, было принято решение использовать преимущества надземного вида городского пассажирского электрического транспорта и создать транспорт, способный двигаться по выделенной эстакаде.

1.2. Анализ конструкции пассажиротрубопровода История трубопровода насчитывает более 5 тысяч лет. Изначально трубопровод использовался с целью перекачки жидкостей. Дальнейшая эволюция устройства подразумевает возникновение напора [5].

В начале XIX века учёными разрабатывалась идея специальных транспортных труб, в которых бы использовалась энергия воздуха для разного рода перевозок (табл. 1.1).

Идея трубопровод–транспорт–пассажиры/грузоперевозки актуальна на сегодняшний день (табл. 1.2). Одно из преимуществ — свойство трубы экранировать, защищать подвижной состав от внешней среды.

применения Начало XIX Атмосферическая дорога Дорожные рельсы проходят отдельно от 70-е г.г. Пневмоконтейнерная Капсулы опираются колёсами на рельсы, а * — Трубопроводные контейнерные пневмотранспортные системы Таблица 1.2 – Прототипы разрабатываемой транспортной системы.

Описание конструкции Система управления средства управления в капсуле Полностью автоматическая Безвоздушное пространство перемещение аппарата в расчёте на Дополнительная трубы обеспечивает скорость, 1 кг груза в десятки раз ниже, чем у информация бесшумность и отсутствие обычного поезда.

Реализация системы Не нашла реализации поезда, рассчитанную на При оценке пространственного характера работы несущих конструкций эстакад и путепроводов существуют упрощенные методы расчета, реализуемые в некоторых случаях без использования ЭВМ.

На начальном этапе расчета пролетное строение принимается как массивный упругий брус со сплошным или с небольшими пустотами поперечным сечением, размеры которого значительно меньше длин пролетов. Под действием внешних нагрузок пролетное строение изгибается и закручивается, но его поперечные сечения не искривляются [8].

Из теории сопротивления материалов известно, что при решении вопроса о наиболее рациональном проектировании сечения следует стремиться к тому, чтобы при одной и той же площади получить наибольший момент сопротивления и момент инерции. Исследуем три вида сечения на максимальное значение нормального напряжения в поперечном сечении бруса при его изгибе: кольцо, сплошное и сечение прямоугольной коробчатой балки (рис. 1.2). При этом должно соблюдаться равенство их площадей. Каждой из форм поперечного сечения соответствует момент сопротивления сечения при изгибе. Профиль закрепляется на несущих опорах.

Рисунок 1.2 – Прочностная характеристика поперечных сечений балки Таким образом, стремление при одной и той же площади получить наибольший момент сопротивления ведет к размещению большей части материала дальше от нейтральной оси. Этому условию в большей степени соответствуют конструкции, имеющие в поперечном сечении форму окружности, что подтверждается расчетами.

Для расчета пролетных строений применение также находит метод конечных элементов (МКЭ). Эффективность метода связана с возможностью наиболее просто учитывать особенности прикладываемых нагрузок, а также форму рассчитываемых конструкций [8].

Основная концепция метода заключается в дискретизации рассчитываемой конструкции, которая расчленяется на некоторое число элементов конечных размеров, деформированное состояние которых является простым. Дискретизация конструкции производится с учетом равенства энергий заданной системы и ее заменяющей модели.

В зависимости от требуемой точности применяются три типа аппроксимации заданной системы: стержневая, двухмерными и трехмерными элементами. Связь между конечными элементами предполагается только в узловых точках, перемещения которых принимаются за основные неизвестные. Далее осуществляется построение матрицы жесткого конечного элемента и приведение заданной нагрузки к узловой для каждого элемента. В результате определяют функцию перемещений по всей области системы конечных элементов, а по ней — напряжения и деформации в интересующих местах конструкции, как показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Аппроксимация пролетного строения конечными элементами Подобный расчет по МКЭ может быть проведен с применением систем компьютерной математики APM FEM. Форма трубопровода с внешним диаметром 2 м позволяет обеспечить требуемую жесткость для движения транспортного средства массой 3 тонны при установке опор, поддерживающих «пассажиро-трубопровод» с шагом 12м. Результаты приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Результаты статического расчета (рисунок 1.4 и 1.5) Эквивалентное напряжение по Мизесу, SVM, [МПа] Суммарное линейное перемещение, USUM [мм] Рисунок 1.4 – Картина распределения напряжений в модели пассажиротрубопровода Рисунок 1.5 – Картина линейных перемещений модели пассажиротрубопровода Традиционное понимание эстакады сводится к представлению о следующей конструкции: установленные на фундамент металлические и железобетонные опоры с уложенными на них железобетонными балками, поддерживающими верхнее строение пути. Преимущества железобетонных изделий:

долговечность. Отличаются исключительной долговечностью благодаря надежной сохранности арматуры, заключенной в бетон. Обладают высокими показателями сопротивления атмосферным воздействиям, что важно при строительстве открытых инженерных сооружений (эстакады, трубы, мосты).

пожаростойкость. Конструкции обладают высокой огнестойкостью. Защитный слой бетона толщиной 1,5–2 см достаточен для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций при пожарах.

сейсмостойкость. Благодаря монолитности жесткости отличаются весьма высокой сейсмостойкостью.

высокие эксплуатационные качества. Железобетону легко могут быть приданы любые целесообразные конструктивные и архитектурные формы.

К недостаткам железобетонных конструкций можно отнести: относительно большой собственный вес, высокую тепло- и звукопроводность, возможность появления трещин до приложения эксплуатационной нагрузки (от усадки и собственных напряжений в железобетоне по технологическим причинам), а также от действия внешних нагрузок из-за низкого сопротивления бетона растяжению. Иногда дополнительно требуется обеспечить водонепроницаемость, водостойкость, морозостойкость, повышенную огнестойкость и коррозийную стойкость, малую массу, низкую тепло- и звукопроводность.

Проанализировав подобную систему, заметим, что, за счет массивности железобетонной конструкции, сложности производства работ при изготовлении предварительно напряженных конструкций, необходимости систематического контроля над правильностью расположения арматуры, недостатками оказываются техническая сложность и, в конечном счете, достаточно высокая стоимость подобного решения.

В связи с дальнейшим прогрессом науки, следует ожидать появления новых решений в области мостостроительной техники. Интересное суждение было высказано в работе А. Дитца [9]: «Наука и техника имеют подобно литературе и искусству свои модные фразы и ходовые выражения. Одним из самых модных в наше время является выражение «композиционные материалы», содержащее в новой форме очень старую и простую мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих».

В технике и строительстве усиленно исследуются так называемые волокнистые композиционные материалы, сочетающие пластичную матрицу и высокопрочные волокна. Эти композиции, в частности стеклопластик, считаются наиболее перспективными, так как путем использования нитевидных волокон и направленного армирования возникает возможность получения материалов, отвечающих заданным, в случае проектирования пассажиротрубопровода, повышенным требованиям к надежности и минимизации веса полученной конструкции. В последнем традиционные железобетонные эстакады значительно уступают.

Исследования механических свойств стеклопластиков — композиций на основе армирующего стеклонаполнителя в виде ориентированных стеклянных нитей и различных связующих (синтетических смол) — как конструкционного материала показывают, что они обладают относительно высоким удельным сопротивлением разрыву, пониженной (по сравнению с металлами) чувствительностью к концентрации напряжений при действии переменных напряжений, малым разрывным удлинением и высокими демпфирующими свойствами [10]. Результаты исследований конструкционной прочности стеклопластиков, проведенных в Институте машиноведения АН СССР, и ряд других работ в этой области позволяют охарактеризовать стеклопластики как материал, пригодный для изготовления напряженных деталей.

1.3. Описание параметров транспортного средства Габаритные размеры и характерстики разрабатываемого транспортного средства принимаем исходя из размеров пассажиротрубопровода (рис. 1.6, рис. 1.7, табл. 1.4) и принятой массы транспортного средства (m=5т), изменяя размеры трамвайного вагона до приемлемых. Так как ПЕ – рельсовый транспорт, то конструкцией трубопровода предусмотрена площадка для рельсового полотна.

За основу проекта принята эстакада по форме трубы. Применение подобных профилей, значительно увеличивает несущую способность разрабатываемого объекта, что дает возможность увеличить расстояние между опорами, одновременно сокращается вес конструкции, как следствие, улучшаются стоимостные показатели.

Рисунок 1.7 – Габаритные размеры транспортного средства В результате аналитического расчета было установлено, что форма пассажиротрубопровода с внутренним диаметром 3 м и толщиной стенки 5мм позволяет обеспечить требуемую жесткость для движения транспортного средства при установке опор, поддерживающих его с шагом 24 м.

2. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОГО

СРЕДСТВА

Аналитический расчет показал, что мощность одного двигателя составляет Pдв = 11кВт. Это обеспечивает V п = 16,92 км ч. Дальнейшее увеличение скорости поезда осуществляем за счет ослабления поля.

Расчет и построение кривых движения производится на основании тяговых характеристик подвижного состава.

ГОСТ 8802-78 оговаривает технические условия эксплуатации трамвайных вагонов на условном маршруте с эквивалентным подъемом 0,003 и среднем расстоянии между пунктами 350м, длительности стоянки 10с и 10% запасе времени на разгон. Кривые движения поезда V(l), V(t) и t(l) строятся для обоих направлений движения. В прямом направлении графическим методом по реальному профилю строятся зависимости V(l) и t(l), в обратном направлении расчетно-графическим способом по эквивалентному уклону строятся зависимости V(t) и V(l). Полученные данные о движении поезда приведены в таблице 2.1. Кривые движения приведены в Приложении 1.

2.2. Определение расхода энергии на движение поезда Одновременно с построением кривых V(t) строим кривые тока поезда I(t), для чего используем полученные в работе кривые тока поезда в зависимости от скорости движения V(I) при тяге.

Результаты показали, что в прямом направлении время хода Тх составляет 31,8 с, ходовая скорость Vx=39,5 км/ч, пусковое ускорение aп=1,66 м/с2, тормозное замедление ат=1,6 м/с2. Кривые движения в обратном направлении, рассчитанные графоаналитическим методом, показывают, что время хода Тх=34,5 с, ходовая скорость Vx=36,5 км/ч, пусковое ускорение aп=1,64 м/с2, тормозное замедление ат=1,5 м/с2.

Сравнительная характеристика общих удельных расходов энергии приведена в таблице 2.2.

ВЫВОДЫ

1. В результате ретроспективного анализа автором установлено, что эффективным техническим решением устранения проблемы переполненности улиц мегаполисов является надземная эстакада.

2. Определен оптимальный вариант конструкции надземной путевой структуры – форма трубопровода, произведены прочностные аналитический и расчет с применением имитационных методов FEM, подтверждающие корректность выбранной формы.

3. Построена имитационная модель надземной эстакады трубопроводного типа, исследованы её механические свойства методом конечных элементов.

4. Разработано транспортное средство и определены его массогабаритные показатели в соответствии с принятыми параметрами конструкции путевой структуры.

5. Произведен тягово-энергетический расчет с построением кривых движения расчетно-графическим способом.

6. Проведен анализ полученных результатов удельного расхода энергии на движение ТС.

7. Определено направление дальнейшего исследования. Внимание направлено на повышение энергоэффективности транспортных комплексов путем совершенствования продольного профиля пути и применение полученных знаний в использовании технологии подземно-наземного перемещения вагонов по рельсовым путям, проложенным в горизонтальной и наклонной плоскостях, для модернизации трубного пассажирского транспортного комплекса.

1. МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I. II и III в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Пачаури, Р. К., Райзингер, А., и основная группа авторов (ред.)]. МГЭИК, Женева, Швейцария, 104 стр.

2. Ньюман, П. WakeUp! Живая планета нуждается в помощи: Города будущего. Ч.7. – Режим доступа: http://www.wakeup.ru/articles/18/130/ 3. Щуров Н.И. Теория электрической тяги [Текст] / Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 100 с.

http://biwayconcept.blogspot.com/2010/02/biway.html 5. Транспортная компания «Транспорт-Русь» / Информационная статья. Трубопровод тоже транспорт. – Режим доступа: http://transportda.ru/article37.html#top 6. Скоростной пассажирский трубопровод / Информационная статья. – Режим доступа:

http://transportda.ru/article37.html#top по материалам: http://membrana.ru/ 7. Evacuated Tube Transport Technologies: et3 Network: Space Travel on Earth. — Режим доступа:

http://et3.com/ 8. Гибшман М. Е., Попов В. И. Проектирование транспортных сооружений: Учебник для вузов. — 2-е изд., М.: Транспорт, 1988. 447 с.

9. Deitz A. Intern. Sei. Tech. 58, 10. Серенсен С.В. Прочность материалов и элементов конструкций при статическом нагружении. Избр. Тр.: В 3-х т. Т.1, Киев, Наук. Думка, Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель – Е.В. Рабинович, д.т.н., проф. кафедры Вычислительной

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ,

ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ РАЗРЫВЕ ПЛАСТА

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта (ГРП), сейсмические события, пространственная фильтрация, кластерный анализ, иерархическая кластеризация, оптимальное число кластеров, модель трещины ГРП, MATLAB.

Цель работы: разработка алгоритма и программного комплекса, позволяющих производить пространственную фильтрацию сейсмических событий, возникающих при гидравлическом разрыве пласта, а также визуализацию модели трещины ГРП.

В работе рассмотрен процесс формирования трещины в ходе гидравлического разрыва пласта, сформулирована задача фильтрации сейсмических данных для построения аутентичной модели трещины ГРП. Рассмотрены возможные подходы к анализу данных, проведен обзор методов кластерного анализа. Выбраны инструментальные средства разработки, проведены разработка и тестирование алгоритма пространственной фильтрации.

Реализован программный комплекс, позволяющий производить фильтрацию сейсмических событий и визуализацию модели трещины, возникающей в процессе ГРП.

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) — один из эффективных и распространенных методов интенсификации добычи нефти при разработке низкопроницаемых зон и пропластков. Данный метод заключается в создании высокопроводимой трещины (или системы трещин) в целевом пласте для обеспечения притока добываемого флюида из продуктивной части пласта к забою скважины.

Определение геометрии трещины, возникающей при ГРП, является сегодня одной из сложных и актуальных задач. Так, знание геометрии трещины позволяет определить изменение продуктивности скважины и результаты воздействия на геологическую среду. В связи с этим, в последние годы все большее развитие получают системы сейсмического мониторинга.

Основные задачи, решаемые подобными системами – сбор данных о трещине, их обработка и интерпретация полученных результатов. И если в области сбора данных в настоящее время получены вполне приемлемые результаты, то наиболее остро попрежнему стоит вопрос обработки сейсмических данных.

Обработка данных, полученных в ходе гидравлического разрыва пласта, необходима, поскольку не все зарегистрированные сейсмические события принадлежат процессу формирования трещины. Связано это с тем, что сейсмодатчики подвержены воздействию естественных случайных шумов и помех, вызванных производимыми работами.

В настоящее время реализовано множество алгоритмов обработки сейсмических событий, и работы в данной области ведутся непрерывно. Многие из них реализуют фильтрацию, оставляя из множества «сырых» исходных данных только «полезные».

Тем не менее, в большинстве случаев геометрия трещин ГРП, рассчитанная на основе полученных после фильтрации данных, отличается от фактической. В свою очередь, это сильно отражается на проектировании систем поддержания пластового давления и дальнейшей работе со скважиной.

Таким образом, проблема выделения микросейсмических данных на фоне шумов и помех является сегодня достаточно актуальной. Возникает потребность в увеличении точности построений, а, следовательно, и разработке новых алгоритмов фильтрации сейсмических событий.

В рамках данной работы разрабатывается система, реализующая описанные выше этапы обработки и интерпретации сейсмических данных.

Одним из направлений в области обработки сейсмических событий является пространственная фильтрация. Необходимо разработать алгоритм, реализующий данный тип фильтрации, а также модуль визуализации модели трещины ГРП.

Для того чтобы использование методов интенсификации добычи нефти приносило экономическую рентабельность, необходимо составить правильный план мероприятий по работе со скважиной. В свою очередь, составление подобного плана требует от специалистов знания геометрии раскрывшейся в процессе ГРП трещины.

Целью данной работы является разработка алгоритма и программного комплекса, позволяющего производить пространственную фильтрацию сейсмических событий и визуализацию модели трещины ГРП.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть предметную область и определить возможные подходы к пространственной фильтрации;

• проанализировать исходные данные: определить их структуру и характеристики;

• разработать алгоритм пространственной фильтрации;

• разработать приложение для визуализации модели трещины на основе результатов фильтрации, а также реализовать удобный пользовательский интерфейс.

1.3. Инструментальные средства разработки В качестве среды разработки решено было выбрать пакет MATLAB, включающий одноименный язык программирования, как наиболее современную и мощную вычислительную систему.

MATLAB – это программный продукт компании «The MathWorks, Inc.», предназначенный для инженерных, научных и прикладных вычислений, а также визуализации и анализа их результатов.

Данный продукт включает большое количество основанных на матрицах структур данных, широкий спектр функций анализа данных, а также удобные средства для разработки алгоритмов. Актуальным является и тот факт, что в составе пакета имеется большое число функций для построения графиков, что позволит в дальнейшем реализовать визуализацию разработанных моделей трещин ГРП.

Одной из важных проблем, связанных с внедрением технологии гидравлического разрыва пласта, является определение геометрии трещин, возникающих при ГРП. Во-первых, подобная информация необходима для проектирования систем поддержания пластового давления. Во-вторых, необходимо изучать результаты воздействия ГРП на геологическую среду. Наконец, модель трещины позволяет оценить продуктивность пласта и сделать выводы относительно рентабельности добычи в данной скважине.

Считается, что рост трещины происходит непосредственно во время операций по ГРП и сопровождается излучением сейсмических волн, связанных с раскрытием трещины. Для регистрации этих волн служат сейсмоприемники, которые, в свою очередь, передают записанные сейсмограммы на многоканальную сейсмостанцию. По завершении ГРП сейсмограммы обрабатываются и определяются точки рассматриваемого пласта, в которых были зафиксированы резкие колебания амплитуды и другие аномалии. Полученные данные передаются на обработку, в результате которой и должна быть определена геометрия трещины ГРП.

Зарубежные и отечественные компании, а также научные институты, ведут многочисленные исследования в данном направлении, в которых инженерная интуиция все чаще вытесняется математическим моделированием с применением ЭВМ.

Используются различные способы фильтрации и выделения микросейсмических данных, «ответственных» за образование трещин, на фоне шумов и помех. Тем не менее, в большинстве случаев эти методы не позволяют получить модель трещины, близкую к фактической [1].

Одним из методов обработки сейсмических данных является пространственная фильтрация. Данный тип фильтрации учитывает только пространственные характеристики точек внутри рассматриваемого пласта, зафиксированных сейсмоприемниками. К таким характеристикам относятся координаты расположения точек (X, Y, Z), а также энергетическая характеристика точек – амплитуда (A).

Суть пространственной фильтрации заключается в выделении естественных «сгустков» («гроздей», групп) точек и определении в каждом из них «ключевых» точек, необходимых для построения модели трещины. Кроме того, каждый из таких «сгустков» может быть интерпретирован как одиночная трещина, а все они образуют единую систему, образовавшуюся в процессе ГРП.

Формально задачу пространственной фильтрации можно описать следующим образом. Имея множество точек в ограниченной области, нам нужно выявить закономерности в наборе, попытаться произвести классификацию, основываясь на расположении точек внутри пласта. Необходимо также ответить на вопрос: имеет ли место одна трещина, либо целая система трещин?

Для решения поставленной задачи решено воспользоваться методами иерархического кластерного анализа. Во-первых, множество точек внутри пласта нам необходимо разбить на группы по их пространственному расположению (мера похожести). Во-вторых, количество групп для разбиения заранее неизвестно и, по сути, эквивалентно количеству трещин, возникших при ГРП.

2.2. Иерархические методы кластерного анализа Принцип работы иерархических алгоритмов состоит в последовательном объединении (разделении) групп элементов, т.е. в создании иерархической структуры классов. В зависимости от того, выполняется объединение или разбиение групп, выделяют агломеративные и дивизионные иерархические алгоритмы [5].

Агломеративные алгоритмы реализуют стратегию «снизу вверх». В начале работы подобных алгоритмов все объекты являются отдельными кластерами. На первом шаге наиболее похожие объекты объединяются в кластер. На последующих шагах объединение продолжается до тех пор, пока все объекты не будут составлять один кластер.

Дивизионные методы являются логической противоположностью агломеративным. В начале работы алгоритма все объекты принадлежат одному кластеру, который на последующих шагах делится на меньшие кластеры. В результате образуется последовательность расщепляющих групп.

Последовательность объединения (разделения) кластеров представляется в виде дендрограммы – древовидной диаграммы, содержащей n уровней, каждый из которых соответствует одному из шагов процесса иерархической кластеризации.

Пример дендрограммы для описанных выше групп методов представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Пример дендрограммы агломеративных и дивизионных методов Удобство иерархических методов заключается в том, что на основе построенного дерева кластеров можно выбрать разбиение требуемой точности, используя в качестве критерия максимальное расстояние между кластерами.

К особенностям методов иерархической кластеризации относят проблему определения оптимального числа кластеров [6].

Данный вопрос будет рассмотрен более подробно при разработке алгоритма пространственной фильтрации, в разделе 4.

В качестве исходных данных к работе используется набор сейсмограмм для точек наблюдения за гидравлическим разрывом пласта.

Сейсмограмма (сейсмическая трасса) представляет собой запись сейсмических колебаний, зарегистрированных сейсмоприемником на поверхности рельефа при неизменном положении источника колебаний. Она представляет зависимость амплитуды колебания от времени.

Рассмотрим кратко процесс гидравлического разрыва пласта.

С помощью мощных насосных станций выполняется закачка в скважину жидкости разрыва (гель, вода либо кислота) при давлениях выше давления разрыва нефтеносного пласта. По стволу скважины жидкость проникает в область забоя, т.е.

поверхность горных пород на максимальной глубине, до которой в настоящий момент скважина пробурена. В результате создаваемого давления происходит раскрытие трещин, распространяющихся от центра забоя к его краям. Для того чтобы вновь образованные трещины остались раскрытыми после снятия давления, в скважину закачивают специальный расклинивающий агент – проппант.

При проведении ГРП множество сейсмоприемников регистрируют колебания множества точек пласта, излучающих сейсмические волны. Запись сигналов производится за несколько минут до начала операций ГРП, во время непосредственного разрыва, и в течение нескольких минут после него. Сейсмические сигналы фиксируются многоканальной сейсмостанцией.

На основании сейсмограмм восстанавливаются координаты «точек» внутри пласта, являющихся источниками микросейсмических колебаний. Среди множества точек нам необходимо выбрать те, которые с большой долей вероятности приняли участие в процессе формирования трещины ГРП. Для этого исходные данные нужно подвергнуть обработке.

Среди всех точек рассматриваемого пласта выбираются те, сейсмограммы которых содержат резкие колебания амплитуды, превышающие заданный порог.

Наличие подобного «максимума» в сейсмограмме позволяет предположить, что данная точка – одна из «ответственных» за образование трещины ГРП. Стоит отметить, что предварительно сейсмограммы могут пройти также дополнительную обработку (например, частотно-временную фильтрацию).

В результате обработки исходных данных будет получен набор точек, на основании которых имеет смысл проводить пространственную фильтрацию – выделение кластеров и построение модели трещины ГРП. Каждая из таких точек будет иметь следующие характеристики:

• координата X относительно некоторого центра координат внутри пласта;

• координата Z (в данном случае – глубина, на которой расположена точка, H);

• максимальная амплитуда A, определенная по сейсмограмме данной точки;

• момент времени T, в который было зафиксировано данное значение амплитуды.

Таким образом, в качестве исходного материала для непосредственного выполнения пространственной фильтрации служит совокупность точек рассматриваемого пласта, имеющих характеристики (X, Y, H, A, T).

Важно отметить, что наиболее сложным представляется определение геометрии трещин вокруг ствола скважины в непосредственной близости забоя, т.к. именно здесь располагается центр разлома. В связи с этим решено не учитывать точки, находящиеся в данной области, в ходе пространственной фильтрации.

Итак, пространственная фильтрация будет проведена на основе набора точек, представленных координатами (X,Y,Z), а также имеющих характеристики в виде амплитуды А, зафиксированной на сейсмограмме, и момента времени T, в который данная амплитуда зафиксирована.

На основании анализа характеристик точек принято решение производить кластеризацию точек на основании параметров (X,Y,Z), а параметр A использовать для определения толщины трещин ГРП как энергетическую характеристику. Параметр T при проведении пространственной фильтрации решено не использовать.

4. Разработка алгоритма пространственной фильтрации сейсмических событий 4.1. Общее описание разрабатываемого алгоритма Ключевым моментом разрабатываемого алгоритма является выделение групп точек пласта, представляющих собой образованные в процессе ГРП трещины. Для реализации данной задачи было решено использовать методы иерархического кластерного анализа. Теперь необходимо определить условия, в которых следует применять описанные методы.

Наиболее очевидным вариантом представляется выделение кластеров среди всей области точек ГРП, т.е. среди всей выборки исходных данных. Однако этот подход имеет несколько серьезных недостатков. Самым главным из них является тот факт, что при больших объемах исходных данных, когда рассматривается довольно большая область вокруг забоя скважины и точки прилегают друг к другу достаточно плотно, выделить четкие кластеры среди них будет нелегко.

При этом возникает сопутствующий вопрос, заключающийся в трудности визуализации подобных кластеров в виде трещин нефтеносного пласта. Причина тому – слишком большое число точек внутри кластеров. В нашем случае результат пространственной фильтрации должен дать четкое представление о геометрии трещины, о ее форме, поэтому визуализация результатов должна быть наглядной.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы. Во-первых, разрабатываемый алгоритм должен принимать во внимание все точки при разбиении области на кластеры. Во-вторых, для визуализации модели трещины число точек в кластерах требуется уменьшить, оставив только «ключевые».

Ввод исходных данных:

1) Точки рассматриваемой области (X,Y,Z, амплитуда, время);

2) Параметры параллелепипедов (длина, ширина, высота);

3) Шаг между параллелепипедами по осям X и Y;

5) Нерассчитываемая область вокруг забоя (длина, ширина) Определение количества параллелепипедов внутри Формирование границ очередного параллелепипеда и определение Вычисление координат центра масс очередного кластера Сохранение координат центра масс в массив «ключевых» точек Выделение кластеров на основе найденных «ключевых» точек Рисунок 4.1 – Блок-схема алгоритма пространственной фильтрации Одним из вариантов решения подобной проблемы является разбиение исходной области пласта на множество областей меньшего размера и выделение кластеров внутри каждой из них. При этом внутри каждой такой области имеет смысл сохранять только центры масс выделенных кластеров, не учитывая в дальнейшем исходные точки. На основе подобной информации можно будет построить наглядную модель, произведя повторную кластеризацию (на этот раз для всей области целиком), но используя в качестве исходных данных найденные в ходе предыдущего шага «ключевые» точки.

В первую очередь опишем, каким образом производится разбиение исходной области.

Было решено разделить область на одинаковые параллелепипеды, имеющие фиксированные параметры – длину, ширину и высоту. Выделение кластеров и расчет «ключевых» точек (центров масс кластеров) будут выполняться в каждом из них независимо друг от друга. Для обеспечения гибкости построения окончательных кластеров решено определить такие параметры, как шаг между параллелепипедами по оси X (по длине пласта) и шаг по оси Y (по ширине). Таким образом, параллелепипеды могут как находиться друг от друга на заданном расстоянии, не охватывая некоторые участки исходной области, так и накладываться друг на друга. Логично, что во втором случае количество «ключевых» точек по завершении просмотра всех параллелепипедов будет больше (будет больше и число самих параллелепипедов).

При проведении окончательной кластеризации, когда «ключевые» точки уже определены, необходимо выбрать призабойную область, точки которой не будут учитываться при дальнейших построениях. О необходимости выделения такой зоны уже было сказано в разделе 3. Определив параметры (длину и ширину) области вокруг забоя, можно переходить к завершающему этапу, выделяя окончательные кластеры и строя модель трещины.

Блок-схема описанного алгоритма приведена на рисунке 4.1.

Методы иерархической кластеризации будут применяться как при выделении кластеров внутри параллелепипедов, так и на окончательном этапе, при определении геометрии трещин. Наиболее важные вопросы, сопутствующие иерархической кластеризации, – выбор метрик для вычисления расстояний между объектами и расстояний между кластерами, а также вопрос определения оптимального числа кластеров на основе построенного разбиения.

4.2. Способы определения оптимального количества кластеров 4.2.1. Подход с использованием «жизненных циклов»

Одним из распространенных подходов к определению оптимального числа кластеров является метод, основанный на вычислении «жизненных циклов»

(«lifetimes») кластеров [8].

Представим, что некоторый кластер был создан объединением двух объектов, находящихся на расстоянии d1 друг от друга. Следующий кластер был создан на основе объектов, имеющих между собой дистанцию d2, большую, чем d1, но при этом минимальную среди остальных дистанций. Тогда «жизненным циклом» первого кластера называют величину, равную (d2-d1).

Суть метода заключается в нахождении на иерархическом дереве кластеров максимального «жизненного цикла». Количество кластеров, существующих одновременно в течение него, и является оптимальным. При этом величиной порога для «среза» кластерного дерева может быть любое значение из найденного «жизненного цикла».

Пример дендрограммы с указанием «жизненных циклов» некоторых кластеров приведен на рисунке 4.2. На рисунке 4.3 представлен результат кластеризации.

Рисунок 4.2 – Пример дендрограммы с указанием «жизненных циклов» некоторых кластеров Из рисунка 4.2 видно, что наибольший жизненный цикл имеет кластер, образованный вблизи отметки «2». Данный «lifetime» обозначен как L2, поскольку в течение данного жизненного цикла имеет место наличие двух кластеров.

В качестве порога логично взять середину «жизненного цикла», хотя в принципе можно взять и любое другое значение. Таким образом, оптимальным количеством кластеров в данном случае является число 2.

Рисунок 4.3 – Результат кластеризации с использованием метода «жизненных циклов»

Данный метод прост в реализации, однако он порождает следующий вопрос:

невозможно определить «жизненный цикл» самого крупного кластера. Ведь существует вариант, что разбивать исходную область на кластеры не следует вовсе, определив все точки в один кластер?

Отчасти решением данной проблемы является введение некоторой величины, которая бы определяла, выполнить разбиение в данном конкретном случае или нет.

Такой величиной может быть, например, половина высоты кластерного дерева. Если максимальный «жизненный цикл», найденный на дендрограмме, превышает это значение, то принимается решение о разбиении. В противном случае разбиение не производится.

4.2.2. Подход, основанный на определении неоднородности между связями Данный подход использует в качестве исходных данных не высоты кластерного дерева, а значения коэффициента неоднородности.

Как упоминалось выше, каждая связь иерархического кластерного дерева получает в соответствие некоторое значение коэффициента неоднородности. Чем больше это значение, тем существенней различие в кластерах, объединяемых связью.

Чем меньше, тем выше сходство между кластерами [9].

Логично, что для поиска среди набора данных естественных «облаков»