Теория решения изобретательских задач в инфраструктурой безопасности
Конференция, доклад с которой выкладываю, произошла практически на фоне событий с очередными диверсиями на украинских ЛЭП.
Пока по этой теме у нас, в России, спецы и органы власти утверждают, что поднимаемая тема невозможна и неактуальна, а согласованный доклад по данной теме был просто снят с ростехнадзоровской конференции.
Несколько месяцев назад здесь был уже пост по этой тематике, вызвавший бурное обсужение. В этом материале проблемы и некоторые пути их решения показаны куда более ясно.
Оригинал взят у samo_de1kin в Теория решения изобретательских задач в инфраструктурой безопасности
ТРИЗ в инфраструктурой безопасности
Велицко1 В.В., Прохоров2 А.И.
1«ОЦР Технологии», г. Москва, 2Российская Инженерная академия (РИА), г. Москва
Статья опубликована: М.: Материалы VII конференции «ТРИЗ: практика применения и проблемы развития», 20-21 ноября 2015 г., С.39-49
Аннотация
В работе рассмотрены угрозы инфраструктурной безопасности современных мегаполисов и городских агломераций. Показаны пути их парирования созданием кластерной ресурсоснабжающей инфраструктуры с использованием принципов Умных сетей (Smart Grid). Показана возможность производства электроэнергии и тепла с использованием горячей воды, тёплых стоков, солнечной энергии без использования низкокипящих рабочих тел (НРТ), а также показана технология производства технической воды и воды питьевого качества с использованием загрязнённых сред, в том числе и путём вакуумной переработки канализационных стоков.
Необходимое предисловие
Данная работа, в связи с ограниченностью статьи, включает в себя только два направления. Первое - анализ глобальных рисков и угроз существующей цивилизации, о которых можно говорить и решать их или которые можно замалчивать, пока они не станут не решаемыми проблемами, с учётом рационального использования доступных сил и средств. Второе - практические аспекты защиты инфраструктуры населённых пунктов, путём органичного преобразования её в Умные сети, созданные с учётом глубокой разработки первого направления работ.
Что делать со сказанным здесь? Это дело читателя. Можно игнорировать, как делает ряд специалистов, понять и испугаться или же понять и начать совместно совершенствовать инфраструктуру, обеспечивающую среду нашего обитания. Что бы было легче принять решение посмотрим на Рис. 1. Мысленно отключим в городе электроснабжение и водопровод, засорим канализацию и пустим из неё в квартиры биогаз (нечем смывать отходы), отключим подачу тепла и перенесём город с широты и долготы Лондона на место Москвы, Минска, Киева или Алма-Аты.
Отметим, что в данной статье не рассматриваются иные выявленные угрозы, кроме тех, которые известны профильным специалистам, а также ранее рассматривались в опубликованных работах (см. список литературы), но sapienti sat (умному достаточно, лат., Плавт Т.М.)
Рис. 1 Лондон [1]. 8,5 млн. чел., среднегодовая температура +10 °C.
Введение
Существующие общества, объединённые в государства современного типа, в которых преимущественно реализованы 3...5 и зачатки 6-го технологического уклада предъявляют высокие требования к стабильности ресурсоснабжения коммунальных и производственных потребителей. Учитывая, что города являются теми центрами жизнедеятельности общества, которые обеспечивают существующие уровень, тенденции и динамику его развития, а возможное поражение городов, в зависимости от его величины и интенсивности, может как ограничить, так и свернуть развитие общества и его существование на достигнутом уровне культуры, качество ресурсоснабжения городов является залогом существования обществ современного типа. В этой связи ключевым условием существования общества является сохранение городов и обеспечение их, в том числе, инфраструктурной безопасности. Высокая удельная концентрация в городах объектов человеческой культуры, к которым относятся коммунальные, производственные, административные и художественные объекты со своей стороны требует их бесперебойного функционирования, которое, в свою очередь, должно обеспечивается необходимыми ресурсами [2, с.419] (см. Рис. 2).
Рис. 2. Ресурсы города, необходимые для его жизнеобеспечения и самовосстановления [2, с.420].
Ключевой угрозой является то, что с ростом механизации армий прослеживается неуклонный рост доли нонкомбатантов, погибающих в военных конфликтах. Например, гибель гражданского населения с периода Наполеоновских войн, с уровня единиц процентов, возросла до 15% к I Мировой войне (МВ), после чего увеличилась до 50% во II МВ и, в настоящее время, при так называемых военных конфликтах низкой интенсивности, достигает уровня 90...99% от всех погибших [3]. Причиной этому послужило перемещение боевых действий в города, обусловленное, особенно со второй половины XX по настоящее время включительно, преимущественным отказом геополитических противников от ведения конвенциональных войн с использованием, для достижения собственных целей, местных сил, нацеленных на вооружённую антигосударственную борьбу. В роли таких сил обычно выступают различные партизанские движения, террористические группировки и иные «незаконные бандформирования» [4, с.455], которым противостоят регулярные силы. В результате соотношения сил, которое, в большинстве случаев, не в пользу иррегулярных формирований, боевые действия смещаются в населённые пункты и приобретают черты террористической войны, приводя к указанной доле гибели нонкомбатантов в пределах 90...99%.
Рассматривая боевые действия низкой интенсивности и гибридные войны как систему, требующую оптимизации по фактору потерь, результирующему человеческие, экономические, культурные и иные потери, приходим к выводу, что для данного вида конфликтов необходима приоритетная защита гражданского населения в местах его проживания. Такая защита, в значительной мере, может быть реализована путём гарантированного обеспечения коммунальных и производственных потребителей необходимыми ресурсами в условиях деструктивных воздействий, основными или вторичными целями которых являются инфраструктурные объекты, такие как газопроводы, нефтепроводы, электрогенерирующие мощности, системы теплоснабжения, водоснабжения и системы канализации. Это подтверждает исследование негативных эффектов военных конфликтов последних десятилетий на территории стран Европы и Ближнего востока с высоким уровнем материальной культуры, где значительный ущерб, сопоставимый с ущербом от применения оружия по мирному населению, наносили вторичные и третичные последствия прекращения ресурсоснабжения крупных населённых пунктов.
Постановка задачи
Задача минимизации ущерба гражданскому населению, проживающему в современных населённых пунктах была сформулирована следующим образом: обеспечить гарантированное коммунальное и производственное ресурсоснабжение населённых пунктов в условиях террористической активности, военных конфликтов низкой интенсивности и гибридных войн в условиях, целенаправленного разрушения воюющими сторонами объектов инфраструктуры. Ключевыми условиями при разработке данной темы являлись следующие требования:
● устойчивость создаваемой системы ресурсоснабжения как к террористическим атакам, так и к разрушительным природным явлениям, в том числе геоклиматическим катастрофам локального и глобального характера;
● использование местных, в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) при минимизации потребления поставляемых извне топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и электроэнергии;
● возможность внедрения автономных и энергоэффективных технологий и оборудования путём их органичного встраивания в существующие системы ресурсоснабжения населённых пунктов;
● экономическая эффективность автономных систем ресурсообеспечения, позволяющая обеспечить наличие рационального срока окупаемости в сравнении с существующими централизованными системами подачи ресурсов;
● возможность широкого внедрения автономных систем ресурсоснабжения в условиях активного противодействия монопольных поставщиков ресурсов коммунальному и промышленному секторам хозяйства.
Дополнительным внешним условием является то, что Россия - самая холодная страна в мире со среднегодовой температурой - 5,5 °С. Большое население (9 место в мире) при низкой его плотности (181 место в мире) обуславливают наличие протяжённой инфраструктуры, а обладание крупнейшими производственными и ресурсными базами требуют обеспечения проживания населения и ведения им хозяйственной деятельности на всей территории страны [5]. В этой связи основополагающим условием является гарантированное теплоснабжение, т.к. при отсутствии теплоснабжения на протяжении нескольких часов при отрицательных температурах наружного воздуха, может произойти обширное размораживание систем теплоснабжения, разрушение производственного оборудования и вымораживание жилья, что приведёт к тому, что населённый пункт перестанет быть пригодным к проживанию и ведению полноценной хозяйственной деятельности.
Исходя из поставленных требований, в качестве одного из базовых направлений работ по выявлению угроз и определению методов их нейтрализации, была начата работа по разработке устойчивой перспективной системы ресурсоснабжения, способной обеспечить существование городов в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС).
Методология
Анализ комплекса потребляемых ресурсов, схематично приведённых на Рис. 2, был выполнен с использованием Теории ограничений (Theory of Constraints, далее - TOC), в частности - с привлечением инструментов барабан-буфер-верёвка для выявления «бутылочных горлышек» и безальтернативных видов ресурсов, с также применением «дерева перехода» для определения способов альтернативного резервирования ресурсов с использованием нетипичных систем их накопления («буфер»), а также альтернативных систем поставки («верёвка») и их способов потребления. В сокращённом виде, с учётом требований, указанных в части «Постановка задачи», данная работа описана в [2]. Результатом выявления «бутылочных горлышек» явилось такие ресурсы как ископаемый природный газ (ИПГ), тепловая энергия, коммунальное водоснабжение и коммунальное водоотведение [2, с.422]. Последующее применение инструмента «дерево перехода» позволило выявить ресурсы, приемлемая альтернатива которым отсутствует в рамках существующей в России системы ресурсоснабжения и технологий обеспечения жизнедеятельности населённых пунктов в условиях ЧС. Такими ресурсами являются тепловая энергия для нужд отопления [6; 7] и вода для нужд смыва канализационных стоков [8].
Отметим, что выявление критических ресурсов, само по себе, не отвечает на вопросы о том:
● каким именно образом может быть прекращена подача данных ресурсов в рамках существующей системы ресурсоснабжения;
● возможна ли такая модернизация системы теплоснабжения, при которой критический (безальтернативный) ресурс будет поставляться даже в случае ЧС, при которой данная или смежная система ресурсоснабжения будет целенаправленно выводиться из строя.
Для поиска ответов на поставленные вопросы были разработаны системы, демонстрирующие взаимовлияние прекращения поставки ресурсов. Пример такой системы, для случая прекращения электроснабжения населённого пункта, приведён на Рис. 3.
Как видим из Рис. 3, по эффекту домино, происходит поражение таких критических ресурсов, как тепловая энергия, водоснабжение, канализация. При этом подача электроэнергии как минимум на два порядка менее надёжна, чем подача горючего (ИПГ) в существующей системе производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии [6; 7], электроэнергия, в существующей системе ресурсоснабжения, является лимитирующим ресурсом для нужд теплоснабжения.
Рис. 3. Причинно-следственные связи прекращения ресурсоснабжения населенного пункта при прекращении электроснабжения [7, с.32].
В соответствии с правилом Парето основные усилия были сконцентрированы на вопросах выявления уязвимостей существующей системы электроснабжения, способах её поражения, методах защиты системы электроснабжения и способах реконструкции как самой системы электроснабжения, так и системы теплоснабжения, для минимизации зависимости поставки тепла от наличия или отсутствия централизованно поставляемой электроэнергии [7]. В результате инструменты TOC: барабан-буфер-верёвка и «дерево перехода» были применены к системе электроснабжения, а общая методика поиска уязвимостей системы ресурсоснабжения и методик их парирования базировалась на встречном движении поиска как от анализа того, как и каким образом атакующая сторона может привести населённые пункты в нежизнеспособное состояние (сформулированные технические противоречия (ТП) и методика их решения в данной работе не рассматриваются), так и вёлся встречный поиск путей создания такой системы ресурсоснабжения, которая бы была устойчива в случае возникновения любых ЧС, физически не разрушающих населённый пункт (сформулированные ТП показаны на Рис. 4).
Необходимо отметить, что в ходе выполнения работ была проведена значительная работа по выявлению угроз современной нам цивилизации с высоким уровнем технического развития и достигнутым, даже в странах «третьего мира», достаточно высоким уровнем жизни и гражданских свобод, который никогда ранее не имел места в обозримой человеческой истории. В этой связи были проанализированы именно угрозы глобального характера позитивным достижениям современной цивилизации и пути их преодоления. Рассматриваемая здесь проблематика является частным случаем выполненных исследований применительно к безопасности населённых пунктов с учётом геоклиматических условий России.
Ветвь поиска путей защиты существующей инфраструктуры (Рис. 4). Главной полезной функцией (ГПФ) ТП №1 «Контроль за распределённой инфраструктурой» был выбран высокий контроль при низких затратах. При этом произошла конкретизация ТП №1, в результате чего было сформулировано ТП №2 «Приближение ключевых объектов распределенной инфраструктуры производства, транспорта и распределения ресурсов непосредственно к потребителю», а ГПФ ТП №2 - приближение ключевых объектов инфраструктуры к потребителям при низкой сложности подвода первичных ресурсов и отвода продуктов их переработки.
Для более глубокого понимания причин формулирования ТП №1 и №2, рассмотрим систему теплоснабжения населённого пункта, т.к. именно тепловая энергия для нужд отопления является производным ресурсом, зависящим от надёжности поставки первичных ресурсов, таких как ТЭР и электроэнергия (где электроэнергия также является производным ресурсом).
Система теплоснабжения населённого пункта, функционирующая в штатном режиме представлена на Рис. 5 (слева). При нарушении электроснабжения, вызванном происходит сбой в производстве и распределении тепла, показанный справа на этом же рисунке. Как видим из Рис. 5 (правая часть), теплоснабжение сохраняется только у тех потребителей, которые подключены напрямую к источникам тепла, одновременно обеспечивающим себя электроэнергией и способными работать в островном режиме (для теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) такой режим работы обычно невозможен). Это приводит к необходимости защиты не только таких объектов, как воздушные линии электропередачи (ЛЭП), но и тепловых пунктов (ТП), таких как центральные ТП и индивидуальные ТП (ЦТП и ИТП).
Рис. 4. ТП №1 и ТП №2, задающие принципы поиска путей создания системы ресурсоснабжения, устойчивой к ЧС.
Рис. 5. Схематичная структура типовой системы теплоснабжения города (слева) и частичная работа типовой системы теплоснабжения города в условиях блэкаута (справа) [5].
Усилив ТП №2 получаем, что ключевой объект распределённой инфраструктуры должен сам себя обеспечивать необходимыми первичными ресурсами не выделяя отходов. Физическое противоречие (ФП) для ТП №2 заключается в том, что потребляемые ресурсы должны появляться в месте их потребления, при этом в процессе их использования (переработки) не должны появляться вредные отходы. Учитывая, что за прошедший год с написания статьи [9] были разработаны не только угрозы, но и пути их парирования (ТП №1 и №2), можем перейти к полученным результатам, рассматривающим способы гарантированного ресурсоснабжения населённых пунктов в части подачи тепла и воды для работы системы канализации.
При этом попутно рассмотрим вопрос целесообразности защиты непосредственно электросетей в их настоящем виде, т.к. может показаться, что именно на этой задаче необходимо сконцентрировать основные усилия. Только в России имеется более 3 млн. км. ЛЭП, большая часть из которых является ЛЭП воздушного типа, которые практически полностью беззащитны к актам вандализма, хищениям и терактам, что подтверждается многолетней практикой хищения километров высоковольтных проводов, а также периодическими разрушениями их опор, как для целей хищения металла, так и для целенаправленного нарушения электроснабжения [10].
Указанные уязвимости электросетевой инфраструктуры давно оценены военными, что привело к созданию с начала простейших боеприпасов, нацеленных на электрическое замыкание оголённых высоковольтных элементов электросетевой инфраструктуры, а в последующем - к созданию высокомощных излучателей электромагнитных импульсов, в габаритах, позволяющих устанавливать их в крылатые ракеты и нацеленных на поражение электрических и электронных устройств. Примером успешности применения такого оборудования явилось поражение более 70% электросетевой инфраструктуры на населённых сербами территориях экс-Югославии в 1999 году, где США успешно использовали кассетные графитовые бомбы CBU-94/102 «Blackout Bomb», оснащённые лёгкими и компактными суббоеприпасами BLU-114/B (Рис. 6) [5].
Рис. 6. Суббоеприпасы BLU-114/B, начинённые катушками с углеродным волокном [11].
Успешность применения данных боеприпасов против Ирака в 1991 году, где было уничтожено 85% электросетевого хозяйства [11] превратила графитовые бомбы и иные виды схожего оружия в штатное средство поражения любого противника а следовательно - риск его применения необходимо учитывать при планировании развития и реконструкции инфраструктуры и разработке планов парирования ЧС. Тем более, что после применения таких суббоеприпасов требуется тщательная и сложная очистка поражённой территории, т.к. до полного удаления их нитей невозможно безаварийное включение электросетевого оборудования [5]. Высочайшая результативность применения таких боеприпасов привела к их разработке в ряде стран и есть все основания полагать, что они будут освоены в производстве и приняты на вооружение ведущими террористическими группировками которые успешно освоили и применяют не только эрзац-химоружие, такое как хлор, но и достаточно сложное оружие, как иприт и, предположительно, люизит [12].
Сама концепция уничтожения инфраструктуры была сформулирована в автобиографической работе ЛеМэем К.Е., в тот период занимавшим должность начальника штаба ВВС США: «... вбомбить в каменный век.» [сказано применительно к Северному Вьетнаму] [13], однако практика ковровых бомбардировок Германии и Японии зажигательными бомбами, унёсшая жизни на уровне полумиллиона мирных жителей, а также командование им операциями по ядерным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки (ещё на уровне 250 тыс. человек гражданского населения) не позволяют относиться к такому высказыванию как к конъюнктурному, а не как к стратегическому подходу [5].
Указанная концепция: «вбомбить в каменный век» была принята на вооружение практически во всех военных конфликтах, где участвовали и участвуют армии развитых стран, в связи с чем должна быть признана де-факто международным стандартом ведения боевых действий. И если пока в России существует мощная система противовоздушной обороны (ПВО), эффективное применение авиационных средств поражения (ракеты, бомбы, тяжёлые беспилотные летательные аппараты (БПЛА)) против отечественных электросетевых объектов представляется отдалённой перспективой, необходимость защиты их от диверсий с использованием в первую очередь, подготовленных террористических группировок, и, например, гражданских БПЛА, выдвигается на передний план. Этот риск увеличивают два основных фактора: гражданская война, на территории соседней Украины которая, безусловно, перекинется на территорию России в виде атак как минимум отдельных терактов, а также начало участия России в конфликте в Сирии, где наиболее опасным противником является крупнейшая террористическая группировка - Исламское государство (ИГ) [5].
Технологии гарантированного теплоснабжения населённых пунктов
Как видно из Рис. 7, подача электроэнергии необходима на теплогенерирующие объекты и на большинство ЦТП и ИТП. С учётом реализации в России количественного и качественного регулирования отпуска тепла данная задача являлась нетривиальной проблемой и была рассмотрена в работах [14-16]. На основе полученных данных удалось обосновать значимость данной работы перед профильными департаментами Правительства Москвы, в результате чего был объявлен конкурс на выполнение работ «Научное обоснование технических решений... для системы локальной выработки электроэнергии в ЦТП... с использованием распределяемой тепловой энергии...». В связи с организационными изменениями, произошедшими в ДепТЭХ (Департамент топливно-энергетического хозяйства города Москвы), данный конкурс был проведён Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы [7, с.34-35].
Помимо этого был разработан комплекс технологий, позволяющих, даже без генерации электроэнергии сделать все существующие ЦТП (только в г. Москве их более 8 500 шт.) и крупные ИТП полностью энергонезависимыми и работоспособными при блэкаутах, проблема которых поднята в работах [17; 6 и 8] (Рис. 7).
Рис. 7. Примеры уязвимостей электросетей, не способные оказать негативного влияния на реконструированную систему теплоснабжения, [18, с.5].
Производство электроэнергии с использованием некипящих сред
Ключевой технологией гарантированного энергоснабжения является технология принудительного вскипания некипящих рабочих тел (РТ) в вакуумных энергоустановках. Разработанный вакуумный термодинамический цикл позволяет вырабатывать из горячего или тёплого энергоносителя, например из сетевой воды, подогретых стоков, с использованием солнечных коллекторов, электроэнергию и конденсат. Вакуумная энергетическая установка (Рис. 8) работает следующим образом: энергоноситель, поступает в испаритель (котёл), где, при необходимости, может осуществляться подвод энергии извне (ВИЭ: солнечный коллектор, биогаз и т.п. Рис. 9) [8].
В котле, над поверхностью стока, создаётся разряжение, вызывающее, при пониженном давлении, кипение энергоносителя. Образующийся водяной пар в смеси с выделяющимися растворёнными газами и иными летучими компонентами поступает в детандер (на Рис. 3 - турбогенератор), где он совершает работу по приводу нагрузки (электрогенератора). После детандера мятый пар поступает в сухую градирню, где он конденсируется. Полученный конденсат забирается насосом для дальнейшего использования, например для нужд водоснабжения.
Обогащёнными минерально-органический остаток, если в энергоустановку подаётся минерализованная вода, или же фильтрат на осушку, если для выработки энергии используются сточные воды или продукты их переработки, удаляются из установки. Отметим, что приведённая схема демонстрирует принцип работы энергоустановки, однако фактическая схема включает в себя ряд решений, охраняемых в режиме ноу-хау, а также патентуемых аппаратно-технологических аспектов, обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД, указанным в Таблице 1. В этой связи на Рис. 8 представлена ранняя схема ТЭЦ, использовавшаяся для создания испытательного стенда.
Наличие конденсата позволяет решить вопрос как минимум гарантированного обеспечения работы системы канализации [2], а при его доочистке или при комбинации вакуумной энергоустановки со скоростным биогазовым комплексом (переработка стоков за 24 ч.) - решить вопрос питьевого водоснабжения [19].
Рис. 8. Сокращённая принципиальная схема вакуумной энергетической установки [8].
Таблица 1. Параметры вакуумной энергетической установки в зависимости от температуры подвода и отвода тепла [8].
*) Срабатываемый теплоперепад; **) Вырабатываемая электрическая мощность-нетто; ***) Электрический КПД-нетто установки; ****) Удельная выработка электрической мощности отнесённая к расходу теплоносителя.
Данная технология была апробирована на стендовой ТЭЦ при подаче горячей воды с температурой +80 °C при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °C между температурами подвода и отвода тепла позволил получить перепад давлений до 43 кПа, использованный, посредством детандера, для привода нагрузки. Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязнённых вод с попутным производством электроэнергии без необходимости использования органического топлива. В этой связи рассмотрим расчетные параметры такой вакуумной энергоустановки (Таблица 1). Для сокращения объёма таблицы примем, что энергоноситель полностью состоит из воды, а его расход составляет 10 т./ч. [8].
Рис. 9. Схема вакуумной энергетической установки по Рис. 8 с внешним подогревом [8].
В настоящее время ведётся создание опытной вакуумной энергоустановки по Рис. 9, предназначенной для работы как с чистыми, так и с загрязнёнными жидкими энергоносителями в диапазоне начальных температур +50...200 °C.
Выводы
Комплекс разработанных технологий, на базе существующих электрических, тепловых сетей, водопровода и канализации позволяет создать Умные сети, обеспечивающие кластерное резервирование ресурсоснабжения как минимум коммунальных потребителей. Характерной особенностью разработанных и отчасти апробированных решений является их простота, невысокая стоимость, возможность создания с использованием полностью отечественных комплектующих и технологий без риска использования комплектующих, которые могут подпасть под действие санкций. Возможность встраивания описанных решений в существующие сети позволяет производить постепенную модернизацию систем ресурсоснабжения, переходя от очаговой модернизации к её системной реализации [20], обеспечив повышение эффективности и прозрачности коммунального хозяйства [2; 21].
Важным аспектом является содействие научных и общественных организаций в проведении реконструкции городов России, т.к. энергетика, в особенности отечественные энергетика и смежные области, являются чрезвычайно инерционными системами, практически любые изменения в которых происходя в соответствии с известной поговоркой об атмосферном явлении и верующем мужчине.
В этой связи данная работа является не решением описанных задач а прологом к большой работе, которую целесообразно выполнить силами инновационного сообщества, частью которого является сообщество специалистов по ТРИЗ.
Литература
1. Hawkes J. London at Night // London: Merrell Publishers Ltd, 2010, 160p.
2. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., С.419-428
3. Степанова Е.А. Государство и человек в современных конфликтах // Международные Процессы, №1(16), январь-апрель 2008 г., C.29-40
4. Щагин Э.М. (ред.) Новейшая отечественная история. XX-начало ХХI в. Книга 2, в 2-х кн. (Изд. 2-е) // М.: Гуманитар, изд. центр ВЛАДОС, 2008, 560 с.
5. Велицко В.В. Сохранение систем теплоснабжения в случае зимнего блэкаута, на примере г. Москвы (Рукопись статьи. Находится в печати.) // 24.09.2015 г.
6. Велицко В.В. Надёжность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения-условие выживания городов России // Проза.Ру, Свидетельство о публикации №215071501025, URL: http://www.proza.ru/2015/07/15/1025 (дата обращения: 15.07.2015)
7. Велицко В.В. Тепло-жизнь города, а его отсутствие… // Коммунальщик, №9, 2015. С.30-37.
8. Велицко В.В. Прямое использование некипящих термальных вод в вакуумных бесфреоновых энергоустановках // Материалы VI Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», Выпуск 5, Т. 2; Материалы VIII Школы молодых учёных «Актуальные проблемы освоения возобновляемых ресурсов», Махачкала: 2015, С.323-334
9. Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», М.: 14-15.11.2014, С.102-107
10. Власти Крыма назвали подрыв ЛЭП терактом // РИА - Новости, 20.10.2015, URL: http://ria.ru/incidents/20151020/1305220783.html (дата обращения: 22.10.2015)
11. CBU-94 «Blackout Bomb» BLU-114/B «Soft-Bomb» // Federation of American Scientists, 07.05.1999, URL: http://fas.org/man/dod-101/sys/dumb/blu-114.htm (дата обращения 20.05.2015)
12. ИГИЛ имеет производство химического оружия. Россия настаивает на расследовании - Запад противится // Moscow Every Day, 30.10.2015, URL: http://moscoweveryday.com/posts/5264/igil_imeet_proizvodstvo_khimicheskogo_oruzhiya_rossiya_nastaivaet_na_rassledovanii_zapad_protivitsya (дата обращения 20.05.2015)
13. LeMay C.E., Kantor M.K. Mission with LeMay: My Story // New York: Doubleday and Co., 1965, 565p.
14. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22-23.11.2013 г.
15. Велицко В.В. Нестабильные рабочие тела в высокоэффективных циклах тепловых двигателей, применяемых для нужд децентрализованного электроснабжения // доклад на V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22-23.11.2013, URL: http://www.metodolog.ru/node/1786 (дата обращения: 14.04.2014)
16. Велицко В.В., Прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015, С.271-279
17. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19-21.06.2015, С.32-45
18. Велицко В.В. Инфраструктурные уязвимости - угроза промышленности и населению России. Способы защиты электросетей, трубопроводной инфраструктуры и потребителей // М.: Презентация к докладу на Форуме-диалоге «Промышленная безопасность - ответственность государства, бизнеса и общества», Круглый стол №3 «Актуальные вопросы в области безопасности нефтегазового комплекса», 01-02.10.2015, 10с.
19. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // М.: Коммунальщик, №6, 2015 г., С.16-21
20. Прохоров А.И. Проблемы и перспективы государственной стратегии модернизации // Сборник научных докладов Конференции «Ломоносов 2012», М.: МГУ, 2012 г.
21. Чумаков А.Н. Альтернативная энергетика России на основе возобновляемых источников энергии. Аналитический отчет // М.: Autograff, 2008 г., 174 с.
Пока по этой теме у нас, в России, спецы и органы власти утверждают, что поднимаемая тема невозможна и неактуальна, а согласованный доклад по данной теме был просто снят с ростехнадзоровской конференции.
Несколько месяцев назад здесь был уже пост по этой тематике, вызвавший бурное обсужение. В этом материале проблемы и некоторые пути их решения показаны куда более ясно.
Оригинал взят у samo_de1kin в Теория решения изобретательских задач в инфраструктурой безопасности
ТРИЗ в инфраструктурой безопасности
Велицко1 В.В., Прохоров2 А.И.
1«ОЦР Технологии», г. Москва, 2Российская Инженерная академия (РИА), г. Москва
Статья опубликована: М.: Материалы VII конференции «ТРИЗ: практика применения и проблемы развития», 20-21 ноября 2015 г., С.39-49
Аннотация
В работе рассмотрены угрозы инфраструктурной безопасности современных мегаполисов и городских агломераций. Показаны пути их парирования созданием кластерной ресурсоснабжающей инфраструктуры с использованием принципов Умных сетей (Smart Grid). Показана возможность производства электроэнергии и тепла с использованием горячей воды, тёплых стоков, солнечной энергии без использования низкокипящих рабочих тел (НРТ), а также показана технология производства технической воды и воды питьевого качества с использованием загрязнённых сред, в том числе и путём вакуумной переработки канализационных стоков.
Необходимое предисловие
Данная работа, в связи с ограниченностью статьи, включает в себя только два направления. Первое - анализ глобальных рисков и угроз существующей цивилизации, о которых можно говорить и решать их или которые можно замалчивать, пока они не станут не решаемыми проблемами, с учётом рационального использования доступных сил и средств. Второе - практические аспекты защиты инфраструктуры населённых пунктов, путём органичного преобразования её в Умные сети, созданные с учётом глубокой разработки первого направления работ.
Что делать со сказанным здесь? Это дело читателя. Можно игнорировать, как делает ряд специалистов, понять и испугаться или же понять и начать совместно совершенствовать инфраструктуру, обеспечивающую среду нашего обитания. Что бы было легче принять решение посмотрим на Рис. 1. Мысленно отключим в городе электроснабжение и водопровод, засорим канализацию и пустим из неё в квартиры биогаз (нечем смывать отходы), отключим подачу тепла и перенесём город с широты и долготы Лондона на место Москвы, Минска, Киева или Алма-Аты.
Отметим, что в данной статье не рассматриваются иные выявленные угрозы, кроме тех, которые известны профильным специалистам, а также ранее рассматривались в опубликованных работах (см. список литературы), но sapienti sat (умному достаточно, лат., Плавт Т.М.)
Рис. 1 Лондон [1]. 8,5 млн. чел., среднегодовая температура +10 °C.
Введение
Существующие общества, объединённые в государства современного типа, в которых преимущественно реализованы 3...5 и зачатки 6-го технологического уклада предъявляют высокие требования к стабильности ресурсоснабжения коммунальных и производственных потребителей. Учитывая, что города являются теми центрами жизнедеятельности общества, которые обеспечивают существующие уровень, тенденции и динамику его развития, а возможное поражение городов, в зависимости от его величины и интенсивности, может как ограничить, так и свернуть развитие общества и его существование на достигнутом уровне культуры, качество ресурсоснабжения городов является залогом существования обществ современного типа. В этой связи ключевым условием существования общества является сохранение городов и обеспечение их, в том числе, инфраструктурной безопасности. Высокая удельная концентрация в городах объектов человеческой культуры, к которым относятся коммунальные, производственные, административные и художественные объекты со своей стороны требует их бесперебойного функционирования, которое, в свою очередь, должно обеспечивается необходимыми ресурсами [2, с.419] (см. Рис. 2).
Рис. 2. Ресурсы города, необходимые для его жизнеобеспечения и самовосстановления [2, с.420].
Ключевой угрозой является то, что с ростом механизации армий прослеживается неуклонный рост доли нонкомбатантов, погибающих в военных конфликтах. Например, гибель гражданского населения с периода Наполеоновских войн, с уровня единиц процентов, возросла до 15% к I Мировой войне (МВ), после чего увеличилась до 50% во II МВ и, в настоящее время, при так называемых военных конфликтах низкой интенсивности, достигает уровня 90...99% от всех погибших [3]. Причиной этому послужило перемещение боевых действий в города, обусловленное, особенно со второй половины XX по настоящее время включительно, преимущественным отказом геополитических противников от ведения конвенциональных войн с использованием, для достижения собственных целей, местных сил, нацеленных на вооружённую антигосударственную борьбу. В роли таких сил обычно выступают различные партизанские движения, террористические группировки и иные «незаконные бандформирования» [4, с.455], которым противостоят регулярные силы. В результате соотношения сил, которое, в большинстве случаев, не в пользу иррегулярных формирований, боевые действия смещаются в населённые пункты и приобретают черты террористической войны, приводя к указанной доле гибели нонкомбатантов в пределах 90...99%.
Рассматривая боевые действия низкой интенсивности и гибридные войны как систему, требующую оптимизации по фактору потерь, результирующему человеческие, экономические, культурные и иные потери, приходим к выводу, что для данного вида конфликтов необходима приоритетная защита гражданского населения в местах его проживания. Такая защита, в значительной мере, может быть реализована путём гарантированного обеспечения коммунальных и производственных потребителей необходимыми ресурсами в условиях деструктивных воздействий, основными или вторичными целями которых являются инфраструктурные объекты, такие как газопроводы, нефтепроводы, электрогенерирующие мощности, системы теплоснабжения, водоснабжения и системы канализации. Это подтверждает исследование негативных эффектов военных конфликтов последних десятилетий на территории стран Европы и Ближнего востока с высоким уровнем материальной культуры, где значительный ущерб, сопоставимый с ущербом от применения оружия по мирному населению, наносили вторичные и третичные последствия прекращения ресурсоснабжения крупных населённых пунктов.
Постановка задачи
Задача минимизации ущерба гражданскому населению, проживающему в современных населённых пунктах была сформулирована следующим образом: обеспечить гарантированное коммунальное и производственное ресурсоснабжение населённых пунктов в условиях террористической активности, военных конфликтов низкой интенсивности и гибридных войн в условиях, целенаправленного разрушения воюющими сторонами объектов инфраструктуры. Ключевыми условиями при разработке данной темы являлись следующие требования:
● устойчивость создаваемой системы ресурсоснабжения как к террористическим атакам, так и к разрушительным природным явлениям, в том числе геоклиматическим катастрофам локального и глобального характера;
● использование местных, в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) при минимизации потребления поставляемых извне топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и электроэнергии;
● возможность внедрения автономных и энергоэффективных технологий и оборудования путём их органичного встраивания в существующие системы ресурсоснабжения населённых пунктов;
● экономическая эффективность автономных систем ресурсообеспечения, позволяющая обеспечить наличие рационального срока окупаемости в сравнении с существующими централизованными системами подачи ресурсов;
● возможность широкого внедрения автономных систем ресурсоснабжения в условиях активного противодействия монопольных поставщиков ресурсов коммунальному и промышленному секторам хозяйства.
Дополнительным внешним условием является то, что Россия - самая холодная страна в мире со среднегодовой температурой - 5,5 °С. Большое население (9 место в мире) при низкой его плотности (181 место в мире) обуславливают наличие протяжённой инфраструктуры, а обладание крупнейшими производственными и ресурсными базами требуют обеспечения проживания населения и ведения им хозяйственной деятельности на всей территории страны [5]. В этой связи основополагающим условием является гарантированное теплоснабжение, т.к. при отсутствии теплоснабжения на протяжении нескольких часов при отрицательных температурах наружного воздуха, может произойти обширное размораживание систем теплоснабжения, разрушение производственного оборудования и вымораживание жилья, что приведёт к тому, что населённый пункт перестанет быть пригодным к проживанию и ведению полноценной хозяйственной деятельности.
Исходя из поставленных требований, в качестве одного из базовых направлений работ по выявлению угроз и определению методов их нейтрализации, была начата работа по разработке устойчивой перспективной системы ресурсоснабжения, способной обеспечить существование городов в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС).
Методология
Анализ комплекса потребляемых ресурсов, схематично приведённых на Рис. 2, был выполнен с использованием Теории ограничений (Theory of Constraints, далее - TOC), в частности - с привлечением инструментов барабан-буфер-верёвка для выявления «бутылочных горлышек» и безальтернативных видов ресурсов, с также применением «дерева перехода» для определения способов альтернативного резервирования ресурсов с использованием нетипичных систем их накопления («буфер»), а также альтернативных систем поставки («верёвка») и их способов потребления. В сокращённом виде, с учётом требований, указанных в части «Постановка задачи», данная работа описана в [2]. Результатом выявления «бутылочных горлышек» явилось такие ресурсы как ископаемый природный газ (ИПГ), тепловая энергия, коммунальное водоснабжение и коммунальное водоотведение [2, с.422]. Последующее применение инструмента «дерево перехода» позволило выявить ресурсы, приемлемая альтернатива которым отсутствует в рамках существующей в России системы ресурсоснабжения и технологий обеспечения жизнедеятельности населённых пунктов в условиях ЧС. Такими ресурсами являются тепловая энергия для нужд отопления [6; 7] и вода для нужд смыва канализационных стоков [8].
Отметим, что выявление критических ресурсов, само по себе, не отвечает на вопросы о том:
● каким именно образом может быть прекращена подача данных ресурсов в рамках существующей системы ресурсоснабжения;
● возможна ли такая модернизация системы теплоснабжения, при которой критический (безальтернативный) ресурс будет поставляться даже в случае ЧС, при которой данная или смежная система ресурсоснабжения будет целенаправленно выводиться из строя.
Для поиска ответов на поставленные вопросы были разработаны системы, демонстрирующие взаимовлияние прекращения поставки ресурсов. Пример такой системы, для случая прекращения электроснабжения населённого пункта, приведён на Рис. 3.
Как видим из Рис. 3, по эффекту домино, происходит поражение таких критических ресурсов, как тепловая энергия, водоснабжение, канализация. При этом подача электроэнергии как минимум на два порядка менее надёжна, чем подача горючего (ИПГ) в существующей системе производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии [6; 7], электроэнергия, в существующей системе ресурсоснабжения, является лимитирующим ресурсом для нужд теплоснабжения.
Рис. 3. Причинно-следственные связи прекращения ресурсоснабжения населенного пункта при прекращении электроснабжения [7, с.32].
В соответствии с правилом Парето основные усилия были сконцентрированы на вопросах выявления уязвимостей существующей системы электроснабжения, способах её поражения, методах защиты системы электроснабжения и способах реконструкции как самой системы электроснабжения, так и системы теплоснабжения, для минимизации зависимости поставки тепла от наличия или отсутствия централизованно поставляемой электроэнергии [7]. В результате инструменты TOC: барабан-буфер-верёвка и «дерево перехода» были применены к системе электроснабжения, а общая методика поиска уязвимостей системы ресурсоснабжения и методик их парирования базировалась на встречном движении поиска как от анализа того, как и каким образом атакующая сторона может привести населённые пункты в нежизнеспособное состояние (сформулированные технические противоречия (ТП) и методика их решения в данной работе не рассматриваются), так и вёлся встречный поиск путей создания такой системы ресурсоснабжения, которая бы была устойчива в случае возникновения любых ЧС, физически не разрушающих населённый пункт (сформулированные ТП показаны на Рис. 4).
Необходимо отметить, что в ходе выполнения работ была проведена значительная работа по выявлению угроз современной нам цивилизации с высоким уровнем технического развития и достигнутым, даже в странах «третьего мира», достаточно высоким уровнем жизни и гражданских свобод, который никогда ранее не имел места в обозримой человеческой истории. В этой связи были проанализированы именно угрозы глобального характера позитивным достижениям современной цивилизации и пути их преодоления. Рассматриваемая здесь проблематика является частным случаем выполненных исследований применительно к безопасности населённых пунктов с учётом геоклиматических условий России.
Ветвь поиска путей защиты существующей инфраструктуры (Рис. 4). Главной полезной функцией (ГПФ) ТП №1 «Контроль за распределённой инфраструктурой» был выбран высокий контроль при низких затратах. При этом произошла конкретизация ТП №1, в результате чего было сформулировано ТП №2 «Приближение ключевых объектов распределенной инфраструктуры производства, транспорта и распределения ресурсов непосредственно к потребителю», а ГПФ ТП №2 - приближение ключевых объектов инфраструктуры к потребителям при низкой сложности подвода первичных ресурсов и отвода продуктов их переработки.
Для более глубокого понимания причин формулирования ТП №1 и №2, рассмотрим систему теплоснабжения населённого пункта, т.к. именно тепловая энергия для нужд отопления является производным ресурсом, зависящим от надёжности поставки первичных ресурсов, таких как ТЭР и электроэнергия (где электроэнергия также является производным ресурсом).
Система теплоснабжения населённого пункта, функционирующая в штатном режиме представлена на Рис. 5 (слева). При нарушении электроснабжения, вызванном происходит сбой в производстве и распределении тепла, показанный справа на этом же рисунке. Как видим из Рис. 5 (правая часть), теплоснабжение сохраняется только у тех потребителей, которые подключены напрямую к источникам тепла, одновременно обеспечивающим себя электроэнергией и способными работать в островном режиме (для теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) такой режим работы обычно невозможен). Это приводит к необходимости защиты не только таких объектов, как воздушные линии электропередачи (ЛЭП), но и тепловых пунктов (ТП), таких как центральные ТП и индивидуальные ТП (ЦТП и ИТП).
Рис. 4. ТП №1 и ТП №2, задающие принципы поиска путей создания системы ресурсоснабжения, устойчивой к ЧС.
Рис. 5. Схематичная структура типовой системы теплоснабжения города (слева) и частичная работа типовой системы теплоснабжения города в условиях блэкаута (справа) [5].
Усилив ТП №2 получаем, что ключевой объект распределённой инфраструктуры должен сам себя обеспечивать необходимыми первичными ресурсами не выделяя отходов. Физическое противоречие (ФП) для ТП №2 заключается в том, что потребляемые ресурсы должны появляться в месте их потребления, при этом в процессе их использования (переработки) не должны появляться вредные отходы. Учитывая, что за прошедший год с написания статьи [9] были разработаны не только угрозы, но и пути их парирования (ТП №1 и №2), можем перейти к полученным результатам, рассматривающим способы гарантированного ресурсоснабжения населённых пунктов в части подачи тепла и воды для работы системы канализации.
При этом попутно рассмотрим вопрос целесообразности защиты непосредственно электросетей в их настоящем виде, т.к. может показаться, что именно на этой задаче необходимо сконцентрировать основные усилия. Только в России имеется более 3 млн. км. ЛЭП, большая часть из которых является ЛЭП воздушного типа, которые практически полностью беззащитны к актам вандализма, хищениям и терактам, что подтверждается многолетней практикой хищения километров высоковольтных проводов, а также периодическими разрушениями их опор, как для целей хищения металла, так и для целенаправленного нарушения электроснабжения [10].
Указанные уязвимости электросетевой инфраструктуры давно оценены военными, что привело к созданию с начала простейших боеприпасов, нацеленных на электрическое замыкание оголённых высоковольтных элементов электросетевой инфраструктуры, а в последующем - к созданию высокомощных излучателей электромагнитных импульсов, в габаритах, позволяющих устанавливать их в крылатые ракеты и нацеленных на поражение электрических и электронных устройств. Примером успешности применения такого оборудования явилось поражение более 70% электросетевой инфраструктуры на населённых сербами территориях экс-Югославии в 1999 году, где США успешно использовали кассетные графитовые бомбы CBU-94/102 «Blackout Bomb», оснащённые лёгкими и компактными суббоеприпасами BLU-114/B (Рис. 6) [5].
Рис. 6. Суббоеприпасы BLU-114/B, начинённые катушками с углеродным волокном [11].
Успешность применения данных боеприпасов против Ирака в 1991 году, где было уничтожено 85% электросетевого хозяйства [11] превратила графитовые бомбы и иные виды схожего оружия в штатное средство поражения любого противника а следовательно - риск его применения необходимо учитывать при планировании развития и реконструкции инфраструктуры и разработке планов парирования ЧС. Тем более, что после применения таких суббоеприпасов требуется тщательная и сложная очистка поражённой территории, т.к. до полного удаления их нитей невозможно безаварийное включение электросетевого оборудования [5]. Высочайшая результативность применения таких боеприпасов привела к их разработке в ряде стран и есть все основания полагать, что они будут освоены в производстве и приняты на вооружение ведущими террористическими группировками которые успешно освоили и применяют не только эрзац-химоружие, такое как хлор, но и достаточно сложное оружие, как иприт и, предположительно, люизит [12].
Сама концепция уничтожения инфраструктуры была сформулирована в автобиографической работе ЛеМэем К.Е., в тот период занимавшим должность начальника штаба ВВС США: «... вбомбить в каменный век.» [сказано применительно к Северному Вьетнаму] [13], однако практика ковровых бомбардировок Германии и Японии зажигательными бомбами, унёсшая жизни на уровне полумиллиона мирных жителей, а также командование им операциями по ядерным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки (ещё на уровне 250 тыс. человек гражданского населения) не позволяют относиться к такому высказыванию как к конъюнктурному, а не как к стратегическому подходу [5].
Указанная концепция: «вбомбить в каменный век» была принята на вооружение практически во всех военных конфликтах, где участвовали и участвуют армии развитых стран, в связи с чем должна быть признана де-факто международным стандартом ведения боевых действий. И если пока в России существует мощная система противовоздушной обороны (ПВО), эффективное применение авиационных средств поражения (ракеты, бомбы, тяжёлые беспилотные летательные аппараты (БПЛА)) против отечественных электросетевых объектов представляется отдалённой перспективой, необходимость защиты их от диверсий с использованием в первую очередь, подготовленных террористических группировок, и, например, гражданских БПЛА, выдвигается на передний план. Этот риск увеличивают два основных фактора: гражданская война, на территории соседней Украины которая, безусловно, перекинется на территорию России в виде атак как минимум отдельных терактов, а также начало участия России в конфликте в Сирии, где наиболее опасным противником является крупнейшая террористическая группировка - Исламское государство (ИГ) [5].
Технологии гарантированного теплоснабжения населённых пунктов
Как видно из Рис. 7, подача электроэнергии необходима на теплогенерирующие объекты и на большинство ЦТП и ИТП. С учётом реализации в России количественного и качественного регулирования отпуска тепла данная задача являлась нетривиальной проблемой и была рассмотрена в работах [14-16]. На основе полученных данных удалось обосновать значимость данной работы перед профильными департаментами Правительства Москвы, в результате чего был объявлен конкурс на выполнение работ «Научное обоснование технических решений... для системы локальной выработки электроэнергии в ЦТП... с использованием распределяемой тепловой энергии...». В связи с организационными изменениями, произошедшими в ДепТЭХ (Департамент топливно-энергетического хозяйства города Москвы), данный конкурс был проведён Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы [7, с.34-35].
Помимо этого был разработан комплекс технологий, позволяющих, даже без генерации электроэнергии сделать все существующие ЦТП (только в г. Москве их более 8 500 шт.) и крупные ИТП полностью энергонезависимыми и работоспособными при блэкаутах, проблема которых поднята в работах [17; 6 и 8] (Рис. 7).
Рис. 7. Примеры уязвимостей электросетей, не способные оказать негативного влияния на реконструированную систему теплоснабжения, [18, с.5].
Производство электроэнергии с использованием некипящих сред
Ключевой технологией гарантированного энергоснабжения является технология принудительного вскипания некипящих рабочих тел (РТ) в вакуумных энергоустановках. Разработанный вакуумный термодинамический цикл позволяет вырабатывать из горячего или тёплого энергоносителя, например из сетевой воды, подогретых стоков, с использованием солнечных коллекторов, электроэнергию и конденсат. Вакуумная энергетическая установка (Рис. 8) работает следующим образом: энергоноситель, поступает в испаритель (котёл), где, при необходимости, может осуществляться подвод энергии извне (ВИЭ: солнечный коллектор, биогаз и т.п. Рис. 9) [8].
В котле, над поверхностью стока, создаётся разряжение, вызывающее, при пониженном давлении, кипение энергоносителя. Образующийся водяной пар в смеси с выделяющимися растворёнными газами и иными летучими компонентами поступает в детандер (на Рис. 3 - турбогенератор), где он совершает работу по приводу нагрузки (электрогенератора). После детандера мятый пар поступает в сухую градирню, где он конденсируется. Полученный конденсат забирается насосом для дальнейшего использования, например для нужд водоснабжения.
Обогащёнными минерально-органический остаток, если в энергоустановку подаётся минерализованная вода, или же фильтрат на осушку, если для выработки энергии используются сточные воды или продукты их переработки, удаляются из установки. Отметим, что приведённая схема демонстрирует принцип работы энергоустановки, однако фактическая схема включает в себя ряд решений, охраняемых в режиме ноу-хау, а также патентуемых аппаратно-технологических аспектов, обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД, указанным в Таблице 1. В этой связи на Рис. 8 представлена ранняя схема ТЭЦ, использовавшаяся для создания испытательного стенда.
Наличие конденсата позволяет решить вопрос как минимум гарантированного обеспечения работы системы канализации [2], а при его доочистке или при комбинации вакуумной энергоустановки со скоростным биогазовым комплексом (переработка стоков за 24 ч.) - решить вопрос питьевого водоснабжения [19].
Рис. 8. Сокращённая принципиальная схема вакуумной энергетической установки [8].
Таблица 1. Параметры вакуумной энергетической установки в зависимости от температуры подвода и отвода тепла [8].
*) Срабатываемый теплоперепад; **) Вырабатываемая электрическая мощность-нетто; ***) Электрический КПД-нетто установки; ****) Удельная выработка электрической мощности отнесённая к расходу теплоносителя.
Данная технология была апробирована на стендовой ТЭЦ при подаче горячей воды с температурой +80 °C при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °C между температурами подвода и отвода тепла позволил получить перепад давлений до 43 кПа, использованный, посредством детандера, для привода нагрузки. Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязнённых вод с попутным производством электроэнергии без необходимости использования органического топлива. В этой связи рассмотрим расчетные параметры такой вакуумной энергоустановки (Таблица 1). Для сокращения объёма таблицы примем, что энергоноситель полностью состоит из воды, а его расход составляет 10 т./ч. [8].
Рис. 9. Схема вакуумной энергетической установки по Рис. 8 с внешним подогревом [8].
В настоящее время ведётся создание опытной вакуумной энергоустановки по Рис. 9, предназначенной для работы как с чистыми, так и с загрязнёнными жидкими энергоносителями в диапазоне начальных температур +50...200 °C.
Выводы
Комплекс разработанных технологий, на базе существующих электрических, тепловых сетей, водопровода и канализации позволяет создать Умные сети, обеспечивающие кластерное резервирование ресурсоснабжения как минимум коммунальных потребителей. Характерной особенностью разработанных и отчасти апробированных решений является их простота, невысокая стоимость, возможность создания с использованием полностью отечественных комплектующих и технологий без риска использования комплектующих, которые могут подпасть под действие санкций. Возможность встраивания описанных решений в существующие сети позволяет производить постепенную модернизацию систем ресурсоснабжения, переходя от очаговой модернизации к её системной реализации [20], обеспечив повышение эффективности и прозрачности коммунального хозяйства [2; 21].
Важным аспектом является содействие научных и общественных организаций в проведении реконструкции городов России, т.к. энергетика, в особенности отечественные энергетика и смежные области, являются чрезвычайно инерционными системами, практически любые изменения в которых происходя в соответствии с известной поговоркой об атмосферном явлении и верующем мужчине.
В этой связи данная работа является не решением описанных задач а прологом к большой работе, которую целесообразно выполнить силами инновационного сообщества, частью которого является сообщество специалистов по ТРИЗ.
Литература
1. Hawkes J. London at Night // London: Merrell Publishers Ltd, 2010, 160p.
2. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., С.419-428
3. Степанова Е.А. Государство и человек в современных конфликтах // Международные Процессы, №1(16), январь-апрель 2008 г., C.29-40
4. Щагин Э.М. (ред.) Новейшая отечественная история. XX-начало ХХI в. Книга 2, в 2-х кн. (Изд. 2-е) // М.: Гуманитар, изд. центр ВЛАДОС, 2008, 560 с.
5. Велицко В.В. Сохранение систем теплоснабжения в случае зимнего блэкаута, на примере г. Москвы (Рукопись статьи. Находится в печати.) // 24.09.2015 г.
6. Велицко В.В. Надёжность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения-условие выживания городов России // Проза.Ру, Свидетельство о публикации №215071501025, URL: http://www.proza.ru/2015/07/15/1025 (дата обращения: 15.07.2015)
7. Велицко В.В. Тепло-жизнь города, а его отсутствие… // Коммунальщик, №9, 2015. С.30-37.
8. Велицко В.В. Прямое использование некипящих термальных вод в вакуумных бесфреоновых энергоустановках // Материалы VI Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», Выпуск 5, Т. 2; Материалы VIII Школы молодых учёных «Актуальные проблемы освоения возобновляемых ресурсов», Махачкала: 2015, С.323-334
9. Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», М.: 14-15.11.2014, С.102-107
10. Власти Крыма назвали подрыв ЛЭП терактом // РИА - Новости, 20.10.2015, URL: http://ria.ru/incidents/20151020/1305220783.html (дата обращения: 22.10.2015)
11. CBU-94 «Blackout Bomb» BLU-114/B «Soft-Bomb» // Federation of American Scientists, 07.05.1999, URL: http://fas.org/man/dod-101/sys/dumb/blu-114.htm (дата обращения 20.05.2015)
12. ИГИЛ имеет производство химического оружия. Россия настаивает на расследовании - Запад противится // Moscow Every Day, 30.10.2015, URL: http://moscoweveryday.com/posts/5264/igil_imeet_proizvodstvo_khimicheskogo_oruzhiya_rossiya_nastaivaet_na_rassledovanii_zapad_protivitsya (дата обращения 20.05.2015)
13. LeMay C.E., Kantor M.K. Mission with LeMay: My Story // New York: Doubleday and Co., 1965, 565p.
14. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22-23.11.2013 г.
15. Велицко В.В. Нестабильные рабочие тела в высокоэффективных циклах тепловых двигателей, применяемых для нужд децентрализованного электроснабжения // доклад на V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22-23.11.2013, URL: http://www.metodolog.ru/node/1786 (дата обращения: 14.04.2014)
16. Велицко В.В., Прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015, С.271-279
17. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19-21.06.2015, С.32-45
18. Велицко В.В. Инфраструктурные уязвимости - угроза промышленности и населению России. Способы защиты электросетей, трубопроводной инфраструктуры и потребителей // М.: Презентация к докладу на Форуме-диалоге «Промышленная безопасность - ответственность государства, бизнеса и общества», Круглый стол №3 «Актуальные вопросы в области безопасности нефтегазового комплекса», 01-02.10.2015, 10с.
19. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // М.: Коммунальщик, №6, 2015 г., С.16-21
20. Прохоров А.И. Проблемы и перспективы государственной стратегии модернизации // Сборник научных докладов Конференции «Ломоносов 2012», М.: МГУ, 2012 г.
21. Чумаков А.Н. Альтернативная энергетика России на основе возобновляемых источников энергии. Аналитический отчет // М.: Autograff, 2008 г., 174 с.