Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
УДК 621.6.036
На правах рукописи
Желанов Владимир Петрович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК ГРУБОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ОТ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
Специальности: 25.00.19 Ц Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ;
05.26.03 Ц Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (ФГБОУ СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Научные руководители: | доктор технических наук, профессор Усачев Александр Прокофьевич доктор технических наук Шурайц Александр Лазаревич |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Малюшин Николай Александрович |
доктор технических наук, профессор Бакиев Тагир Ахметович | |
Ведущее предприятие | Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина (РГУНГ имени И.М. Губкина) |
Защита диссертации состоится 30 марта 2012 г. в 1000 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР) по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.
Автореферат разослан 29 февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Стремительный рост численности газорегуляторных пунктов (ГРП) в настоящее время обусловливает существенное увеличение количества инцидентов и аварийных ситуаций, связанных с нарушением герметичности затворов регулирующей (РА), защитной (ЗА), предохранительной арматуры (ПА) и выходом из строя узлов учета расхода газа (УУРГ). Это, в свою очередь, привело к увеличению эксплуатационных затрат газораспределительных организаций (ГРО), связанных с ремонтом и заменой УУРГ, РА, ЗА и ПА.
Согласно проведенным обследованиям, основной причиной низкого уровня герметичности и безопасности УУРГ, РА, ЗА и ПА является неудовлетворительная работа установок грубой очистки природного газа (ПГ) от твердых частиц (ТЧ). Современные типы РА, ЗА, ПА и УУРГ обеспечивают устойчивую длительную работу только при наличии газа с высокой степенью очистки от крупных ТЧ, размерами не более 0,11 мм. В то же время значительная часть крупных ТЧ проникает через превосходящие по своему размеру ячейки существующих фильтрующих элементов (ФЭ) и, воздействуя на уплотнительные элементы и мембраны, приводит к возникновению неисправностей и выходу из строя УУРГ, РА, ЗА и ПА. В настоящее время отсутствуют рекомендации по определению размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, учитывающие максимально допустимый размер ТЧ, величину эрозионного износа фильтрующего материала и отклонения размеров ячейки ФЭ от нормативных значений.
В существующих конструкциях ФЭ удаление ТЧ осуществляется в плановом порядке через определенные промежутки времени, как правило, одинаковые для всех типов установок очистки (УО). Вместе с тем, изменение расхода или концентрации ТЧ в газе приводит к засорению ФЭ и повышению перепада давления до максимально допустимого значения значительно раньше запланированного времени его очистки. В этом случае в запланированный момент удаления ТЧ фактический перепад давления может значительно превысить максимально допустимое значение, что вызовет снижение пропускной способности ФЭ ниже расчетной, приведет к разрушению фильтрующих сеток и попаданию больших скоплений ТЧ и фрагментов ФЭ в затворы РА, ЗА, ПА, обусловит возникновение инцидентов и аварийной ситуации. В существующей газовой практике отсутствуют рекомендации по выявлению допустимого перепада давления на УО и величины запаса падения давления на ФЭ, необходимых для оповещения и подготовки персонала к удалению ТЧ из УО.
В связи с этим актуальными вопросами, требующими своего решения, являются обоснование типа установки грубой очистки, определение максимального размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, обоснование величин допустимого падения давления на ФЭ и максимального значения запаса падения давления.
Цель работы Ц повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа путем разработки теоретических основ обоснования типа ФЭ, максимального размера его ячейки и величин допустимого и максимально допустимого падения давления на ФЭ.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие
основные задачи:
1. Выявление опасного воздействия крупных ТЧ на герметизирующие элементы и мембраны УУРГ, РА, ЗА и ПА ГРП;
2. Технико-экономическое обоснование типа установки грубой очистки природного газа от крупных твердых частиц с сетчатым фильтрующим элементом;
3. Выявление целевой функции, устанавливающей требования к максимальному размеру ячейки ФЭ в зависимости от геометрических параметров ТЧ;
4. Разработка зависимости по определению допустимого перепада давления на УО и величины запаса падения давления на ФЭ, необходимых для оповещения и подготовки персонала к удалению ТЧ из УО;
5. Получение алгоритма по определению динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ;
6. Разработка комплекса технических решений по устройству основной и дополнительной грубой очистки ПГ от ТЧ и по предотвращению падения давления газа на них выше максимально допустимого значения.
Методы решения поставленных задач: системный подход при разработке модели и конструкции УО; математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и математической статистики.
Научная новизна результатов работы
1. Разработана математическая модель оптимизации и обоснования типа установки грубой очистки ПГ от ТЧ, включающая структурную схему, целевую функцию интегральных затрат, балансовое уравнение, систему ограничений управляющих параметров и позволяющая на базе системного подхода приводить конкурирующие варианты УО к единой структуре и сопоставимости, учитывающая динамику развития системы и иерархию ее функционирования.
2. Предложена целевая функция по определению максимального размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, учитывающая максимально допустимый размер ТЧ, при котором не оказывается их опасное воздействие на газовое оборудование ГРП, и увеличение размеров ячейки ФЭ в течение срока его службы вследствие эрозионного износа проволоки и позволяющая выявить максимальное отклонение размера ячейки от нормативного значения.
3. Получена целевая функция по выявлению допустимого падения давления на ФЭ УО вследствие его засорения ТЧ, учитывающая величину запаса падения давления на ФЭ, необходимого для оповещения персонала о необходимости удаления ТЧ из УО и проведения им подготовительных работ.
4. Предложен алгоритм определения динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ, позволяющий выявить зоны безопасной эксплуатации УО и учитывать уменьшение активной поверхности и увеличение гидравлических сопротивлений по мере оседания на сетке ФЭ твердых частиц.
5. На основе предложенных целевых функций разработаны технические решения, позволяющие предотвращать:
- попадание ТЧ, образовавшихся в соединительных деталях и трубопроводах, путем установки дополнительного ФЭ, встроенного в защищаемое газовое оборудование (получено решение от 21.11.2011 г. о выдаче патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г.);
- увеличение перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения (оформлена заявка на патент № 2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г.).
На защиту выносятся:
1. Математическая модель оптимизации и обоснования типа установки грубой очистки природного газа от твердых частиц;
2. Целевая функция, устанавливающая размер ячейки фильтрующего элемента в конце срока его эксплуатации;
3. Целевая функция, позволяющая выявить допустимое падение давления на ФЭ и определить величину запаса падения давления на нем;
4. Алгоритм определения динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ;
5. Комплекс новых технических решений, позволяющих предотвращать попадание крупных твердых частиц в газовое оборудование и увеличение перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения;
6. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения предлагаемой установки очистки ПГ от ТЧ, новая нормативная документация.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработанные технические решения защищены решением на выдачу патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г. и заявкой на патент № 2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г. и реализованы в стандарте СТО 03321549-012-2011 и проекте национального стандарта по газорегуляторным пунктам.
2. Предложенные технические решения внедрены в технико-эксплуатационной документации, по которой ООО Еврогалс (г. Саратов) осуществляет налаживание серийного производства по сборке газорегуляторных пунктов, оснащенных предлагаемыми системами контроля перепада давления установок грубой очистки ПГ, а также регулирующей и защитной арматурой с дополнительными фильтрующими элементами.
3. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса Эксплуатация систем газоснабжения для студентов и магистрантов по специальности Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и гидрогазодинамика Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-практических конференциях Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России и Нефтегазовых форумов (Уфа, 2009-2011 гг.); Международном симпозиуме по проблемам жилищного строительства (Саратов, 2010аг.); Всероссийских научно-практических конференциях Энергоэффективность. Проблемы и решения в рамках IХ, Х и XI Российских энергетических форумов (Уфа, 2009-2011 гг.); Международной конференции Газораспределение - инновационные технологии, материалы, оборудование (Саратов, 2011 г.); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2010-2012 гг.); научно-технических советах ОАО Гипрониигаз (Саратов, 2010 г., 2012 г.) и ОАО Росгазификация (Москва, 2009-2010 гг.).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 научных трудах, в том числе в 8 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и 1 нормативном документе.
Автору принадлежат: постановка задач исследований, их решение, разработка новых технических решений установок очистки, непосредственное участие в экспериментальных и опытно-промышленных испытаниях, анализ и обобщение результатов исследований, внедрение результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 145 наименований. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 7 таблиц.
КРАТКОЕ содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В первой главе обоснован выбор направлений исследований по повышению эффективности и безопасности эксплуатации установок грубой очистки ПГ от ТЧ, приведен дисперсный анализ ТЧ, влияющий на состояние уплотнительных элементов и мембран УУРГ, РА, ЗА и ПА ГРП, изучен механизм возникновения твердых частиц в сетях газораспределения, рассмотрена промышленная безопасность существующих УО ПГ от ТЧ.
Результаты дисперсного анализа ТЧ в потоке газа, отобранного до УО, показывают, что доля фракций размерами менее 0,50 мм составляет свыше 70а% в общей массе частиц, а размерами 0,080 мм и менее составляет 21,5а%, что меньше размера ячейки существующих ФЭ установки грубой очистки, равного 0,50 мм. Применение фильтрующих сеток с уменьшенным размером ячейки, например равным 0,08 мм, позволит увеличить долю улавливаемых ТЧ размерами, равными и превышающими 0,08 мм, до 78,5 % и выше.
Выявлено, что источниками появления ТЧ в распределительных газопроводах (РГ) являются механические примеси, находящиеся в ПГ, поступающем от газораспределительных станций (ГРС), и образующиеся в полостях РГ в результате коррозии и в процессе монтажа и эксплуатации. Установлено также, что в настоящее время не осуществляется автоматическое предупреждение о приближении к моменту очередной очистки ФЭ от механических примесей. Таким образом, проведенный анализ предопределяет выбор направлений диссертационного исследования, представляющего собой решение следующих взаимосвязанных задач (рисунок 1).
Рисунок 1 - Общая постановка и структура диссертационного исследования
Вторая глава посвящена разработке математической модели и проведению на ее основе обоснования типа установки грубой очистки ПГ, размещаемой перед УУРГ, РА, ЗА и ПА ГРП.
В системы газораспределения поступает природный газ с содержанием ТЧ не более 0,001 г/м3, и поэтому здесь применяются УО, использующие принцип фильтрации с помощью пористых сред, например волокнистых материалов.
Сравнение технических характеристик вариантов УО ПГ с фильтрующим элементом, выполненным на основе: 1 Ц тканевых полотен, 2 Ц металлопористых материалов, 3 - синтетических волокон и 4 - металлической сетки, показало, что варианты 1 и 2 на основе тканевого и металлопористого ФЭ не могут быть рекомендованы к применению в УО, устанавливаемых перед УУРГ, РА, ЗА и ПА ГРП, вследствие низкой стойкости к истиранию при пропуске высокоскоростных потоков ПГ и высокой трудоемкости очистки от ТЧ варианта 1 и высокой трудоемкости удаления ТЧ, низкой удельной пропускной способности варианта 2. В то же время, варианты 3 и 4 на основе волокнистых и сетчатых ФЭ получили широкое применение в системах газораспределения: вариант 3 - в связи со способностью комплексного улавливания мелких твердых и жидких частиц; вариант 4 Ц в связи с возможностью высокоскоростной очистки газа за счет отсутствия уноса фильтрующего материала, высокой устойчивостью к истиранию, малыми трудоемкостью и продолжительностью удаления ТЧ из установки очистки. В то же время, унос фильтрующего материала, необходимость периодической пропитки фильтрующего материала маслом и сравнительно короткий срок службы в варианте 3, а также фильтрация только крупных твердых частиц в варианте 4 осложняют их применение. В связи с этим выбор вариантов 3 или 4 в установках грубой очистки ПГ требует проведения детального технико-экономического обоснования. Отсутствие математических моделей технико-экономического обоснования и оптимизации систем очистки ПГ требует разработки достоверного метода сравнения, базирующегося на основных положениях системного подхода.
Предложенный метод включает выявление цели исследований, структурирование, учет влияния внешних связей, иерархический подход, учет динамики развития системы, позволяет разработать достоверную математическую модель обоснования и оптимизации системы очистки газа от ТЧ. Математическое моделирование осуществлялось для временного интервала t = 0, 1, 2, ..., T. Предлагаемая математическая модель обоснования типа УО включает в себя расчетную схему (рисунок 2), целевую функцию интегральных затрат (1) - (2) и (5) - (6), систему ограничений управляющих параметров (3), балансовое уравнение (4). Расчетная структурная схема сравниваемых вариантов системы очистки газа от твердых частиц приведена на рисунке 2.
Обозначения геометрических параметров, принимаемых в метрах по ГОСТ 12820-80 при величине рабочего давления Р в корпусе УО: δ - расстояние между наружной и внутренней поверхностями ФЭ и корпуса УО; S Ц толщина стенок обечайки, крышки и днища корпуса УО; bф - толщина стального фланца; eф - нормативная величина конструктивного зазора между внутренней боковой поверхностью фланца и наружной боковой поверхностью обечайки или крышки; Сф - полная ширина фланца; h - толщина соединительного выступа фланца; Сф1 - полная ширина соединительного выступа фланца; dо - диаметр отверстий во фланце для болтовых соединений
Рисунок 2 - Структурная схема УО
На схеме сравниваемые варианты приведены к единой структуре, т.е. к одинаковой форме, и имеют одинаковое количество элементов р: фильтрующий элемент (р = 1); корпус фильтра (р = 2). Цельносварной корпус (р = 2) включает в себя накопитель частиц Б с патрубком В, входной и выходной патрубки Г и Д, фланцы Е с болтовыми соединениями Ж, крышку З.
В качестве критерия оптимальности целевой функции принят минимум интегральных затрат в УО:
Зi=(+φi.М)+[
()+] = min; (1)
at = (1 + Е)-t; af = (1 + Е); i = ; p =; t = . (2)
Система ограничений управляющих параметров целевой функции (1):
Dф.э.min Dф.э Dф.э.mах; i.оч.min i.оч i.оч. mах. (3)
Балансовое уравнение целевой функции (1) записывается как:
. (4)
Капвложения в формуле (1) складываются из капвложений в фильтрующий элемент Кф.э (D ф.э) и в корпус Кк (D ф.э).
Капитальные вложения в фильтрующий элемент р = 1 определяются следующим образом:
Кф.э (D ф.э) = к ф.э D ф.э H ф.э. (5)
Капитальные вложения в корпус установки грубой очистки р = 2 зависят от диаметра фильтрующего элемента Dф.э и определяются по формуле:
. (6)
Результаты расчетов по обоснованию экономически целесообразного варианта УО, проведенных согласно математической модели (1) - (6) представлены на рисунке 3. Из рисунка 3 видно, что величина экономии затрат от применения варианта iа=а4 с сетчатыми ФЭ (линия 1 на рисунке 3) составляет 74,5а% по сравнению с вариантом iа=а4 на основе волокнистых ФЭ (линия 2) для всего типового ряда УО.
1, 2 Ц варианты на основе сетчатого (iа=а4) и волокнистого (iа=а3) ФЭ
Рисунок 3 - Зависимость удельных интегральных затрат
в конкурирующие варианты систем грубой очистки ПГ
от их пропускной способности.
Третья глава посвящена разработке системных положений безопасной эксплуатации, устанавливающих требования по предотвращению повышения основных параметров УО сверх максимально допустимых значений и разрабатываемых в следующей последовательности (рисунок 4).
Рассмотрим основные положения разработки УО ПГ в последовательно
Рисунок 4 - К разработке системных положений безопасной эксплуатации УО
Основным элементом системных положений является выявление целевых функций по обеспечению эффективной и безопасной эксплуатации УО, математически описывающих цели разработки.
Целевая функция, устанавливающая требования к максимальному размеру ячейки плетеной сетки ФЭ УО, при котором не оказывается опасное воздействие ТЧ на j-ый тип газового оборудования ГРП (УУРГ, РА, ЗА и ПА) в течение всего срока службы, выглядит следующих образом:
аmax = а(j) max - 2dпр[сл, max , Сmax (Р)] - а(n)max. (7)
Результаты проведенного анализа показывают следующее.
Максимальный размер твердых частиц а(j)max в формуле (7), при котором не оказывается опасное воздействие на j-ый тип оборудования ГРП, составляет а(j)max = 0,11 мм.
Величина увеличения размера сетки в формуле (7) вследствие уменьшения диаметра проволоки фильтрующей сетки, вызванного ее эрозионным износом в течение срока службы ФЭ, равного сл = 25 лет, составляет:
2dпр[сл,max ,Сmax(Р)]= 0,008 мм. (8)
Функционал а(n)max в формуле (7), выражающий максимальное отклонение размера стороны ячейки в большую сторону от номинального анн в зависимости от параметра n, учитывающего плюсовые допуски и возможности технологии при изготовлении плетеной металлической сетки высокого класса точности по ГОСТ 6613-88, составляет 0,021 мм.
Результаты расчетов, проведенных по формулам (7) и (8), показывают, что при расчетном (максимальном) размере частиц а(j)max = 0,11 мм номинальный размер ячейки для сетки высокой точности (В) по ГОСТ 6613-86 с учетом увеличения ее размера на 2dпр[сл, max , Сmax (Р)]а=а0,008 мм вследствие эрозионного износа в течение срока службы сл= 25 лет и максимального отклонения размера ячейки в большую сторону а(n)max =а0,021амм принимается аmax = 0,11 - 0,008 - 0,021 = 0,081 мм. Принимая по
ГОСТ 6613-88 ближайший наименьший номинальный размер, получим
аmax =а0,08амм.
Целевая функция, позволяющая определить величину допустимого падения давления на ФЭ, при достижении которого должно осуществляться предупреждение диспетчерского и технического персонала о том, что дальнейшая эксплуатация не является безопасной, имеет следующий вид:
Рд = Рм.д - Рс - Рзап(д.п, т.п, оч, тр, п.о, р.л). (9)
Здесь Рм.д - максимально допустимое падение давления на ФЭ сетчатого типа, принимается равным 5,0 кПа, согласно правилам безопасности
ПБ 12-609-03 и своду правил СП 62.13330.2011.
Суммарная плюсовая поправка падения давления Рс в формуле (9), связанная с погрешностью измерения давления, преобразования его в токовый сигнал, погрешностью функционирования датчика-преобразователя, контроллера, интерфейса, системы сигнализации, принимается согласно техническим характеристикам указанных приборов, равной Рс = 0,05 кПа.
Важной поправкой в формуле (9), обеспечивающей запас времени для проведения предварительных операций, предшествующих очередному удалению ТЧ из установки очистки, является величина Рзап. Суть этой поправки заключается в принятии запаса по величине падения давления на ФЭ в течение интервала времени зап, необходимого для: 1) д.п - передачи сигнала на центральный диспетчерский пункт (д.п), предупреждающего о достижении допустимого значения Рд; 2) т.п Ц передачи полученной информации и необходимых указаний техническому персоналу (т.п); 3) оч Ц выполнения первоочередных, ранее поступивших заявок; 4) пер Ц передвижения (пер) технического персонала в количестве не менее двух человек на объект эксплуатации УО; 5) п.о - проведения подготовительных операций (п.о) по приготовлению оснастки, инструмента, растворителя и/или моющего раствора, запасных ФЭ; 6) р.л - переключения подачи газа на резервную линию (р.л) очистки с последующим отключением подачи газа на основные УО, подлежащие регенерации.
Величина Рзап (д.п, т.п, оч, тр, п.о, р.л) зависит от ряда эксплуатационных показателей, не имеющих своего отражения в нормативных источниках, инструкциях, других технико-эксплуатационных документах, и ее определение требует проведения экспериментальных исследований, результаты которых будут приведены в главе 4.
В целях получения алгоритма, позволяющего проследить динамику падения давления на ФЭ в процессе его засорения ТЧ и выявить зоны безопасной и опасной эксплуатации, предложена следующая постановка задачи.
Природный газ с содержанием твердых частиц Сmax при давлении Р и расчетном расходе V проходит очистку в ФЭ из плетеной металлической сетки с ячейкой номинального начального размера анн из проволоки номинальным начальным диаметром dнн по ГОСТ 6613-86. В процессе эксплуатации на поверхности сетки оседают ТЧ, в результате чего размеры и проходное сечение ячеек сетки ФЭ уменьшаются. В качестве загрязненного ФЭ на каком-то следующем этапе оседания ТЧ условно принимается чистый ФЭ с меньшим номинальным размером ячейки ан.+I, по сравнению с размером ан. на ее предыдущем этапе. Здесь - номер сетки, = I, II, III, IV, V, VI. При = I принимается сетка с размером ячейки ан.=I = анн = 0,080 мм; при = II принимается сетка с размером ячейки ан. = 0,071 мм; при = III размером ан. = 0,063 мм; при = IV размером ан. = 0,056 мм; при =аV размером ан. = 0,050 мм; при =аVI размером ан. = 0,040 мм. В качестве максимального начального размера, согласно результатам расчетов по формуле (7), примем ближайшее номинальное значение в меньшую сторону
анн = 0,080 мм по ГОСТ 6613-86. Уменьшение размера ячейки сетки с ан. до ан. +I при ее засорении ТЧ в предлагаемой постановке задачи имитируется путем увеличения диаметра проволоки до значения
dн. = dнн. + , где ан. =I = анн. (10)
Падение давления на ФЭ с номинальным номером сетки, принимаемым равным: = I, II, III, IV, V, VI по ГОСТ 6613-86, и диаметром проволоки, увеличенным согласно (10), определяется по формуле:
Р = . (11)
Результаты расчетов по вычислению величины падения давления Р по формуле (11) в процессе засорения ФЭ из металлической сетки номинальным начальным размером анн = 0,080 мм представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Падение давления на ФЭ из металлической сетки с начальным размером ячейки 0,080амм,
наблюдаемое в процессе его засорения ТЧ (кривая I получена для сетки
с размером ячейки анк. = 0,080 мм;
II Ц 0,071 мм; III - 0,063 мм;
IV Ц 0,056 мм; V - 0,050 мм;
VI - 0,040 мм)
Из рисунка 5 видно, что для принятой пропускной способности 2300ам3/ч падение давления на чистом ФЭ, незагрязненном ТЧ, с размером ячейки, равным 0,080 мм, составляет Р = 0,75 кПа (точки 123 на кривой I рисунка 5). Величина предельного падения давления на ФЭ сетчатого типа, выше которого может произойти его разрушение, составляет Рпр 20 кПа. Из рисунка 5 видно, что стремительное увеличение перепада давления на ФЭ от максимально допустимого Рм.д = 5,0 до значения 20,9 кПа, то есть на 318 %, имеет место в опасной зоне (показанной темным фоном) при уменьшении размера ячейки сетки всего на два номера с 0,056 до 0,040 мм (от точки 5 до точки 7 на рисунке 5). Отсюда видно, что при эксплуатации УО не следует допускать увеличения перепада давления на ФЭ выше значения Рм.д = 5,0 кПа.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению величины Рзап. Здесь же приведены результаты проверки работоспособности, эксплуатационной надежности УО, разработки и внедрения предлагаемой конструкции УО. Экспериментальные исследования проведены на опытной установке грубой очистки (рисунок 6) в период с 24аоктября по 16адекабря 2011 года в экспериментальном центре ОАО Гипрониигаз, г. Саратов.
1 - компрессор; 2 - ресивер-коллектор; 3 - дистанционный манометр; 4 - сбросной клапан; 5, 6 , 9, 12 - краны; 7 - сосуд с просеянным песком; 8 - воронка; 10 - дозировочное устройство; 11 - распределительное устройство; 13 - дистанционный датчик для измерения влагосодержания; 14 Ц дистанционный термометр сопротивления; 15 - установка очистки от ТЧ; 16 - ФЭ; 17 - накопитель механических примесей; 18 - пробка для удаления механических примесей; 19, 20, 21, 22, 23 - соответственно патрубки до и после ФЭ, импульсные трубки, дистанционный датчик-преобразователь и контактное устройство для замера перепада давления; 24 - ротационный счетчик измерения расхода; 25 - вентиль для плавного регулирования расхода; 26 - прибор для контроля допустимого и максимально допустимого перепада давления; 27 - световой сигнализатор; 28 - компьютер; 29, 30 - устройство для передачи телефонного сигнала и телефоны обслуживающего персонала
Рисунок 6 - Схема экспериментальной устанновки
Рабочей средой являлся сжатый воздух, в который с помощью дозировочного устройства 10 подавалась просеянная и просушенная фракция песка с размером частиц 0,1 мм.
Результаты опытов по выявлению динамики роста перепада давления в процессе засорения твердыми частицами ФЭ с начальным размером ячейки, равным aнн = 0,080 мм, проведенных для воздуха при давлении Ра=а0,6аМПа и максимальной концентрации твердых частиц Сmax = 0,012 г/м3, приведены на рисунке 7 в виде отдельных экспериментальных точек. Здесь же приведена теоретическая кривая, полученная в результате расчетов по формуле (11). Среднее расхождение теоретических и экспериментальных данных в размере 16,4а%, позволяет рекомендовать расчетную зависимость (11) для применения в проектной и эксплуатационной практике.
- экспериментальные данные;
- теоретические данные
Рисунок 7 - Динамика падения давления на ФЭ с начальным
номинальным размером ячейки aнн = 0,080 мм
Из рисунка видно, что по мере засорения ФЭ твердыми частицами темп роста кривой перепада давления с течением времени значительно возрастает. При достижении значения допустимого перепада давления в процессе опытов, равного Рд = 4,35 кПа, происходило срабатывание контроллера 26 (рисунок 6) и сигнализатора 27 с передачей данных на удаленный компьютер 28, имитирующий центральный диспетчерский пункт. После выявления характера сигнала по телефонной линии 30 передавалась заявка техническому персоналу на проведение очистки ФЭ. Учитывая самые неблагоприятные сценарии (удаленность, занятость, погодные условия, время принятия сигнала, например конец рабочего дня, а также имея в виду, что работы по очистке от ТЧ являются плановыми, а не аварийными), для осуществления операций по комплектованию бригады из двух человек, ее доставке на объект эксплуатации УО, подготовке необходимой оснастки, инструмента, растворителя, запасных ФЭ, переключения подачи газа на резервную линию очистки запас времени составил зап = 1,5 суток. Отмечая на графике (рисунок 7) точки пересечения координат времени с кривой очистки (точки 3 и 4) и проецируя на ось падения Р, получим значение максимального запаса падения
Рзап = 0,6 кПа (точки 5 и 6).
По результатам проведенных экспериментов и на основе целевой функции (9) разработано техническое решение по повышению безопасности путем предупреждения обслуживающего персонала световым, звуковым или иным сигналом при достижении допустимой величины падения давления Рд = 4,35 кПа с таким расчетом, чтобы обеспечить запас перепада давления Рзап = 0,6 кПа, необходимый для прибытия персонала на объект эксплуатации и переключения им подачи газа на резервную УО до момента достижения максимально допустимого значения Рм.д = 4,35 + 0,05 + 0,6 = 5,0 кПа, согласно (9). В этом случае обеспечивается безопасная эксплуатация УО и полностью исключается возможность стремительного увеличения перепада давления на ФЭ до значений, при которых может произойти его разрушение. При этом отключение светового 9, звукового 10 или иного сигнала осуществляется только после переключения подачи газа через резервную установку очистки. Данное техническое решение оформлено заявкой на патент №а2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г. и реализовано путем оснащения предлагаемыми средствами автоматики установки очистки, находящейся в эксплуатации на полигоне ОАО Гипрониигаз.
На основе проведенного анализа, разработано техническое решение по предотвращению негативного воздействия ТЧ, образовавшихся в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации в полостях соединительных трубопроводов и переходников 5 (рисунок 8), расположенных после основной фильтрующей сетки 3 установки очистки 2 с входным 1 и выходным 2 фланцами, предложено в конструкцию штуцера 7 газового оборудования 8 (УУРГ, РА, ЗА и ПА) встраивать дополнительные фильтрующие сетки 6.
Рисунок 8 - Схема установки дополнительной металлической сетки в разъемную часть входного штуцера газового оборудования
Предложенное техническое решение защищено решением о выдаче патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г. и реализовано путем установки в конструкцию входного фланца регулятора давления, находящегося в эксплуатации на полигоне ОАО Гипрониигаз.
Основные выводы
1. В результате анализа выявлены низкая эффективность и высокий уровень опасности существующих установок очистки ПГ от ТЧ, обоснована необходимость разработки теоретических положений и технических решений по повышению их эффективности и безопасности.
2. На базе математической модели по обоснованию типа установки очистки ПГ, позволяющей на базе системного подхода приводить конкурирующие варианты УО к единой структуре и сопоставимости, учитывающей динамику развития системы и иерархию ее функционирования, разработан и внедрен в проектную практику соответствующий стандарт СТО 03321549-012-2011.
3. Предложены целевые функции по определению максимального размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации и выявлению допустимого падения давления на ФЭ УО вследствие его засорения ТЧ и алгоритм определения динамики падения давления на ФЭ по мере оседания на сетке твердых частиц, позволяющие установить зону и параметры безопасной эксплуатации УО.
4. По результатам анализа, показавшего, что источником появления твердых частиц являются продукты коррозии и сварки, образовавшиеся в полостях РГ в процессе их монтажа и эксплуатации, разработан и внедрен способ (положительное решение о выдаче патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г.) по установке дополнительного ФЭ, встроенного в защищаемое оборудование (УУРГ, РА, ЗА и ПА), расположенное после основной УО в случае прокладки между ними соединительного газопровода.
5. На основе предложенных системных положений и целевых функций по геометрическим параметрам ячейки ФЭ и по контролю допустимого и максимально допустимого значений перепадов давления на ФЭ разработаны и внедрены рекомендации по определению размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации и по предотвращению увеличения перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения (заявка на патент №а2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г.).
6. Спроектирован, изготовлен, испытан и внедрен опытно-промышленный образец установки очистки ПГ от ТЧ, оснащенный предлагаемой системой предотвращения увеличения перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения.
Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:
Ведущие рецензируемые научные журналы
1. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Желанов В.П., Недлин М.С., Демчук Б.Ю., Зубаилов Г.И. Возникновение утечек природного газа в газорегуляторных пунктах под влиянием опасных воздействий твердых частиц и механических усилий на затворы регулирующей, предохранительной и защитной арматуры // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2009. - Вып. 4 (78). - С. 101-110.
2. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Разработка математической модели по обоснованию типа системы грубой очистки природного газа от твердых частиц и оптимизации ее геометрических и эксплуатационных параметров // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 1 (83). - С. 148-158.
3. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Обоснование типа системы очистки природного газа, устанавливаемой перед регулирующей, предохранительной, защитной арматурой и узлами учета газорегуляторных пунктов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 1 (83). - С. 159-167.
4. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Основные положения системного подхода при разработке системы грубой очистки природного газа // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 2 (84). - С. 124-132.
5. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Целевая функция, устанавливающая требования по предотвращению попадания крупных твердых частиц в оборудование газорегуляторных пунктов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 2 (84). - С. 133-141.
6. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Разработка системы очистки природного газа от твердых частиц на основе анализа мест и их возникновения // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. Ц Вып. 3 (85). - С. 152-157.
7. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Целевая функция, устанавливающая требования к системе защите, предотвращающей падение давления природного газа на фильтрующем элементе установки очистки сверх максимально допустимого значения // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. Ц Вып. 4 (86). - С. 164-173.
8. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Разработка системы контроля допустимых значений основных эксплуатационных параметров установок очистки природного газа от твердых частиц // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 4 (86). - С. 174-182.
Прочие публикации
9. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Желанов В.П., Усачева Т.А., КривоносаД.А. Разработка алгоритма обеспечения безопасности газораспределительных пунктов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России. - Уфа, 2009. - С. 249-251.
10. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Желанов В.П. и др. Анализ опасных совместных воздействий механических частиц и непропорциональных усилий на элементы газорегуляторных пунктов // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2009. - С. 4-14.
11. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Желанов В.П., Бурковский В.А. Мероприятия по предотвращению воздействий твердых частиц на регулирующую и предохранительную арматуру газорегуляторных пунктов природного газа // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Девятой Всеросс. научн.-практ. конф в рамках IХ Российского энергетического форума. - Уфа, 2009. - С. 189-190.
12. Желанов В.П. Системный анализ опасных воздействий на герметизирующие элементы затворов регулирующей, предохранительной и защитной арматуры ГРП // Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса. Сб. научн. тр. Междунар. научн.-практ. симпозиума (май 2010 г.). - Саратов, 2010. - С. 151-156.
13. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Желанов В.П., Сильников Д.В. Системный анализ воздействий на герметизирующие элементы затворов регуляторов давления и предохранительных клапанов газораспределительных пунктов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер. научн.-практ. конф. - Уфа, 2010. - С. 213-214.
14. Усачев А.П., Сильников Д.В., Желанов В.П. Определение эрозионного износа проволоки фильтрующей сетки в системах очистки природного газа // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. - Уфа, 2011. - С. 364-365.
15. СТО 03321549-012-2011. Рекомендации по обоснованию типа системы грубой очистки природного газа от твердых частиц и оптимизации ее параметров / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, С.В. Густов, В.П. Желанов и др. - Саратов: ОАО Гипрониигаз, 2011. - 65 с.
16. Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Использование системного подхода при разработке системы защиты установок очистки природного газа от внешних опасных воздействий // Наука и просвещение. Матер. II междунар. научн.-практ. конф. В 3 ч. - Киев: Изд-во Простобук, 2011. - Ч 1. Ц
С. 212-218.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ρ - плотность, кг/м3; Р - давление газа, Па; Р - падение (перепад) давления, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2; Vч - объемный расход ПГ, м3/ч; - время работы (эксплуатации), продолжительность износа поверхности материала, ч; D, d - диаметр, м; Н, h - высота, м; - скорость течения природного газа, м/с; С - концентрация ТЧ в потоке ПГ, кг/м3; Е - вероятность удара ТЧ о сетку ФЭ, д.е., норма дисконта, 1/год; Ка - коэффициент износостойкости материала ФЭ, м2/кг; Т - срок службы УО, год; t - расчетный год эксплуатации, год; а - размер ячейки ФЭ, мм; коэффициент дисконтирования; f - количество замен элемента в течение срока службы; i.оч - продолжительность времени между двумя очередными операциями по очистке от ТЧ для i-ого варианта УО, ч; К, к - полные и удельные капитальные вложения в изготовление УО, долл./м2 , долл.; И - эксплуатационные затраты, долл./год; gвх.i, gвых.i - удельная масса ТЧ в ПГ, поступивших соответственно из входного газопровода в УО и из УО в выходной газопровод в момент времени i для i-ого варианта, г/м3; Gф.э.i - общая масса ТЧ, уловленных ФЭ в момент времени i для i-ого варианта УО, г/ч; F - общая поверхность ФЭ, м2; n - количество отверстий для болтовых соединений во фланце, шт.; Ф - фактор формы корпуса УО; δкор - запас толщины металла на коррозию, м; ко.д, к ф.с - удельные капитальные вложения в изготовление стальных: обечайки, крышки, днища и фланцевого соединения из двух фланцев УО в расчете на единицу их металлоемкости, долл./кг; φIМ - доля отчислений от Kip на монтаж i-ого варианта УО, е.д.; φim.э - доля годовых отчислений от Kip на эксплуатацию р-ого элемента i-ого варианта УО, д.е.; анн, ан. - номинальные начальный и текущий размеры квадратной ячейки сетки ФЭ в свету, мм; фэ - коэффициент местного сопротивления ФЭ.
БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ
а - активная; г - газ; фэ - фильтрующий элемент; д - дополнительные; пд - предельно допустимая; ст - сталь, стальной; мд - максимально допустимый; оч - очистка; нн - номинальный начальный; н. - номинальный текущий; р - расчетный; пр - проволока; ф.с. - фланцевое соединение; о.д. - обечайка, крышка и днище; min, max - минимальная и максимальная величины; р-ый элемент; n-ый элемент; i-ый вариант; m-ый вид затрат.
АББРЕВИАТУРЫ
ПГ - природный газ; УО - установка очистки; ТЧ - твердые частицы; УУРГ - узлы учета расхода газа; РА - регулирующая, ЗА - защитная, ПА - предохранительной арматура; ГРП - газорегуляторный пункт; ГРС - газораспределительная станция; ФЭ - фильтрующий элемент; ГРО - газораспределительные организации; РГ - распределительные газопроводы; ВОВ - внешние опасные воздействия.
Фонд содействия развитию научных исследований
Подписано к печати 27.02.2012 г. Бумага писчая.
Заказ № 60. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП ИПТЭР РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле