Повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ; 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

Шурайц Александр Лазаревич

Уфа 2008

Условные обозначения

Р_инд - уровень индивидуального риска, год^-1; Q_Bi, Q_fi- вероятности возникновения в течение года i-ой аварии с горением смеси паров СУГ с воздухом на установке хранения и образованием опасных факторов избыточного давления и теплового излучения, год^-1; Q_{Вi П}, Q_{fi П}- условные вероятности поражения человека в результате воздействий избыточного давления и теплового излучения при реализации i-ого типа аварии; - плотность, кг/м³; R - удельная газовая постоянная, кДж/(кг•К); сопротивление теплопередаче, (м²•К)/ Вт; Z - коэффициент сжимаемости; координата; - коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К); коэффициент гидравлического сопротивления; - толщина, м; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²•К); с - удельная теплоемкость, кДж/(кг•К); скорость движения фаз, м/с; r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг; Р - давление, Па; ?Р - перепад ( потеря) давления, Па; р - парциальное давление, Па; t - температура, ^оС; время; расчетный год эксплуатации системы СКЗ; срок службы, год (лет); ширина радиального ребра жесткости, м; - температурный коэффициент объемного расширения, 1/К; объемное паросодержание, д.е.; g - ускорение свободного падения, м/с²; массовая доля вещества, в д.е.; - коэффициент динамической вязкости, Н•с/м²; а - коэффициент температуропроводности, м²/с; коэффициент дисконтирования затрат; С - цена защитных агентов, долл./(МВтМч), долл./м³; G - расход (количество), кВт, м³/год, кг/ч; ф - время работы, с; точка росы, ^оС; F - площадь (поверхность), м²; величина воздействия; V - объем, м³; величина утечки, м³/ч; В₁ - коэффициент, учитывающий сезонность поставок ЗА и Э; В₂ - коэффициент, учитывающий надежность (гарантированность) поставок ЗА и Э; к, K - удельные и полные капвложения в монтаж оборудования, долл./м² (долл./м³, долл./м), долл.; коэффициент, учитывающий перспективное удорожание ЗА и Э в t-ом году эксплуатации без учета инфляции; коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•К); коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной ребрами жесткости; Т - срок службы, лет; температура, К; f - количество замен р-ого элемента в течение срока службы СКЗ, Е - норма дисконта, 1/год; ц, Ц - удельная и полная стоимость оборудования СКЗ, долл./м² (долл./м³, долл./м), долл.; и, И - удельные и полные эксплуатационные затраты, долл./(м²•год) [(долл./(м³год), долл./(м•год)], долл./год; _о, _t - коэффициенты удорожания ЗА и Э, характеризующие неопределенность конвертирования цен, соответственно для года сооружения и для текущего года эксплуатации СКЗ; d - диаметр, м; абсолютное влагосодержание, г/м³; S - толщина стенки, м; L₁ - расстояние между ребрами жесткости по осям, м; Н, h - длина (высота, глубина), м; Ф - фактор формы; - истинное объемное паросодержание, д.е.; относительная влажность, %; доля годовых эксплуатационных затрат, %; Х - массовое паросодержание, д.е.; - скорость фазового перехода жидкой фазы в паровую в единице объема, кг/(м^3.с); М, m - масса, кг; - среднее во времени и по сечению потока касательное напряжение, кг/(м•с²); I - энтальпия, кДж/кг; А, В, С - числовые коэффициенты, экспериментально полученные для различных диапазонов температур; г_кор - уровень коррозионной агрессивности; з - коэффициент полезного действия, %; е - переменная в виде безразмерного числового комплекса; е - расстояние между осями стенки футляра и ребра; основание натурального логарифма; д - толщина, м; ш - приведенный коэффициент гидравлического сопротивления; х - массовое паросодержание, д.е.; i - уклон, д.е.; энтальпия, кДж/кг; - коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя; А_к - площадь поперечного сечения ребра жесткости, м²; - допускаемое напряжение при расчете по предельным нагрузкам, МПа; n_у - коэффициент запаса устойчивости; Е - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа; b - расстояние между соседними ребрами в свету; I_к - момент инерции поперечного сечения ребра жесткости, мм⁴; F_к, F_н, F_пр, F_ош - соответственно воздействия, обусловленные коррозией, нагревом, протечками в арматуре и разъемных соединениях, ошибками и несоблюдением норм при проектировании, изготовлении и эксплуатации РТ и систем их защиты; F_м - механические воздействия на запорную и предохранительную арматуру, антикоррозионные покрытия; Q_t.п - тепловая энергия, переданная парожидкостной смеси СУГ через стенки футляра, тепловой изоляции трубопровода из окружающей среды, Вт; Q_t.и - тепловая энергия, затраченная на испарение части жидкой фазы СУГ, Вт; q_l -удельный линейный тепловой поток к парожидкостному трубопроводу, отнесенный к единице весового расхода, Дж/(кгМм); z - координата.

резервуар трубопровод газ футляр

Буквенные индексы

н - нижний(яя), начальный(ая); в - верхний(яя), вода; э.с - электропроводящая соль; к - кислород, котлован; радиальное ребро жесткости; сул - сульфаты; в-д - водород; инд - индивидуальный; и - инертный; р - расчетный; резервуар; гр - грунт; г - газ, год; п.н - насыщенный водяной пар; экв - эквивалентный; с - сталь, парожидкостная смесь; п - полимерный, поверхность, полезный; доп - допустимое; ф - футляр, фундамент; отс - отсыпка; ут - утечка; о - окружающая среда; кор - коррозия; отч - отчуждаемая; м - металлический; п.ф. - полимерный футляр; огр - ограждение; у - укрепленная ребрами жесткости; ну - неукрепленная ребрами жесткости; п - паровая фаза; ж - жидкая фаза; min, opt, max - минимальная, оптимальная и максимальная величины; z-ая подсистема; i-ый вариант; n-ный вариант; j-ое звено; р-ый элемент; к-ый элемент; СУГ - сжиженный углеводородный газ; АГЗС - автомобильная газовая заправочная станция; МТАЗС - многотопливная автомобильная заправочная станция; ГНС - газонаполнительная станция; МИНИ-ТЭС - теплоэлектростанция малой мощности (до 25 МВт ч); РТ - резервуар и трубопровод; ЗА - защитный агент; Э - электроэнергия; ИГ - инертный газ; МП - межстенное пространство; ПЖТ - парожидкостный трубопровод.

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Относительно невысокая стоимость сжиженного углеводородного газа (СУГ) по сравнению с жидкими видами топлива обуславливает свойственную рыночным отношениям тенденцию к развитию парка легковых и грузовых автомобилей, маршрутных такси, энергетических и промышленных установок, использующих СУГ в качестве основного или резервного топлива, а также сопутствующих им автомобильных газовых заправочных станций (АГЗС), многотопливных автомобильных заправочных станций (МТАЗС), газонаполнительных станций, резервуарных парков промпотребителей и МИНИ-ТЭС, удалённых от магистральных трубопроводов природного газа жилых поселений.

Возросшие объемы строительства указанных объектов, оснащённых широко применяемыми до настоящего времени надземными резервуарами и трубопроводами (РТ), увеличение их вместимости вызвали серьёзный рост числа инцидентов и аварий.

Высокая по сравнению с воздухом плотность паровой фазы СУГ, её затруднённое рассеивание в низких местах территории, быстрое возникновение и распространение парового облака при испарении жидкой фазы приводят к цепному характеру развития аварий, раскрытию стенок надземных резервуаров, взрыву парожидкостной смеси и образованию «огненного шара», характеризующимся высоким материальным, социальным и экологическим ущербами. Повышенная опасность надземных резервуаров обусловила введение в действие новых норм промышленной и пожарной безопасности, запрещающих надземную установку РТ на АГЗС и МТАЗС в черте населённых пунктов и резко ограничивающих их применение путём увеличения противопожарных разрывов в составе АГЗС за пределами жилых массивов.

Нормативные документы НПБ 111-98*, ГОСТ Р 12.3.047-98, ряд руководящих материалов, составленных на основе трудов ВНИИПО, Гипрониигаза, результатов исследований Шебеко Ю.Н., Малкина В.Л., Усачева А.П., Болодьяна И.А., Гордиенко Д.М., Смолина И.М., Колосова В.А., Смирнова Е.В., других ученых, рекомендуют подземную прокладку РТ СУГ на территории АГЗС, МТАЗС и других аналогичных объектов, требуют оснащения их системами локализации утечек СУГ, устройствами пассивной и активной защиты с постоянным автоматическим контролем герметичности и устанавливают снижение вероятности утечек и уровня индивидуального риска до величины не более год.

В существующих системах защиты подземных РТ отсутствует постоянный автоматический контроль герметичности их основных элементов: стенок сосудов, трубопроводов, антикоррозионных покрытий, первых отключающих устройств, запирающих выход СУГ из РТ, не разработаны системы локализации утечек СУГ. Установки активной коррозионной защиты на основе катодной поляризации, получившие широкое применение, предотвращают только электрохимическую коррозию и не защищают от других её видов.

В этой связи разработка теоретических и прикладных основ безопасного и оптимального функционирования систем комплексной защиты (СКЗ) РТ СУГ путем заключения в защитный футляр, заполненный газообразным азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления является актуальной научно-технической проблемой.

Диссертационная работа выполнена в ОАО «Гипрониигаз» и на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета в рамках комплексных программ и планов ОАО «Росгазификация» и ОАО «Регионгазхолдинг» на 1988-2008 годы.

Цель работы - повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов СУГ путем разработки теоретических основ и технических решений их комплексной защиты.

Основные задачи исследований

Системный анализ требований, предъявляемых к СКЗ подземных резервуаров и трубопроводов, режимов и особенностей ее функционирования, внешних условий и построение на его основе модели СКЗ с заданным уровнем требований.

Разработка на базе полученной модели новых технических решений СКЗ подземных резервуаров и трубопроводов СУГ.

Получение зависимостей для определения параметров СКЗ подземных РТ СУГ, их проверка в условиях натурных экспериментов.

Разработка математической модели оптимизации СКЗ и обоснование на ее основе типа и конструкции системы.

Оптимизация геометрических параметров полимерного футляра с заключенным в него резервуаром СУГ.

Разработка математической модели и алгоритма определения оптимального диаметра футляра в зависимости от оптимального диаметра парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.

Определение гидравлических сопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой.

Методы исследований: системный подход при разработке СКЗ; системный анализ, математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и направленного поиска при решении задач оптимизации и гидродинамических расчетов СКЗ и ее основных элементов; методы математической статистики при обработке результатов физических измерений, натурный эксперимент.

Научная новизна результатов работы

1. Предложен системный метод разработки СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ, позволяющий на основе выявления целевых функций и задания им минимальных нормативных значений получить модель устройства СКЗ, уменьшающей вероятность разгерметизации с 10^-3 год^-1 для существующих аналогов до 10^-8 год^-1. Предложенный метод защищен свидетельством авторского права № 13356.

2. На основе предложенной модели разработаны новые технические решения комплексной защиты резервуаров и трубопроводов путем заключения их в защитные футляры, заполненные газообразным азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления, защищенные патентом № 18564.

3. Получены аналитические зависимости, позволяющие определять эксплуатационные параметры предлагаемой СКЗ, при которых предотвращается коррозия наружных поверхностей подземных резервуаров и трубопроводов СУГ. Экспериментальная проверка подтверждает достоверность предложенных аналитических зависимостей с погрешностью 13,4 %.

4. Предложена математическая модель оптимизации системы комплексной защиты РТ СУГ, заключенных в полимерный футляр, позволяющая на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты СКЗ к единой структуре, учитывающая динамику развития СКЗ и иерархию ее функционирования в условиях неопределенности экономической информации.

5. Разработан алгоритм обоснования типа СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.

6. Предложены методические рекомендации по определению оптимальных формы и геометрических параметров полимерных футляров для резервуаров.

7. Разработана математическая модель определения оптимальных диаметра и толщины тепловой изоляции футляра, диаметра заключенного в футляр парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.

8. Получены аналитические зависимости и инженерный алгоритм для определения гидравлических сопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой. Экспериментальные исследования подтверждают достоверность предложенной математической модели с погрешностью 15,2 %.

Основные защищаемые положения

1. Системный метод разработки и новые технические решения комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ.

2. Результаты исследований эксплуатационных параметров предлагаемой СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ.

3. Математическая модель оптимизации системы комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ, заключенных в полимерный футляр.

4. Алгоритм обоснования типа СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.

5. Результаты оптимизации формы и геометрических параметров защитных полимерных футляров для резервуаров СУГ.

6. Математическая модель оптимизации диаметра и толщины тепловой изоляции футляра, диаметра заключенного в футляр парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.

7. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ, новая нормативная техническая документация.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Предложенный системный метод разработки СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ, защищенный свидетельством авторского права № 13356, отличается универсальностью и позволяет на основе выявления целевых функций и задания им минимальных нормативных значений получать модели сложных технических систем в различных областях прикладной науки и техники. Применение метода позволяет свести к минимуму уровень риска при реализации новых разработок в условиях их венчурного финансирования. Метод апробирован при разработке трех технических систем и реализован в рамках программы «Старт 2008».

2. Разработанные способы и технические решения по повышению эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов обеспечивают комплексную защиту путем заключения их в футляр, заполненный азотом с контролируемыми параметрами давления, защищены патентами и реализованы в следующей нормативной и технической документации:

- Технические предложения по повышению безопасности и снижению стоимости многотопливных и газовых автозаправочных станций, одобренные письмом ФГУ ВНИИПО МВД России № 43/3.5/1198 от 23.04.2001 г.;

- СТО 17446935-1-2008 «Технические решения по обеспечению герметичности установок хранения и распределения сжиженных углеводородных газов путем заключения их в футляр с азотом», утвержденный ОАО «Росгазификация» 12.03.2008 г. и согласованный письмом № 11-10/1521 от 24.04.2008 г. Ростехнадзора России.

3. Разработанные методики и рекомендации позволяют обосновывать тип СКЗ, осуществлять выбор геометрических параметров полимерного футляра для резервуара СУГ, диаметра футляра парожидкостного трубопровода (ПЖТ), определять потери давления при течении СУГ. Они реализованы в следующих руководящих документах:

- СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию типа системы комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара СУГ» / ОАО «Гипрониигаз».? Саратов, 2008;

- СТО 03321549-002-2008 «Рекомендации по обоснованию варианта системы комплексной защиты парожидкостных трубопроводов СУГ и оптимизации ее параметров» / ОАО «Гипрониигаз». ? Саратов, 2008;

- Методика гидравлического расчета системы снабжения потребителей сжиженным газом с подачей жидкой фазы. Введена в действие приказом № 130 от 30.12.1985 г. по Главгазу Минжилкомхоза РСФСР. ? Саратов: Гипрониигаз, 1986.

4. Предложенные технические решения СКЗ РТ внедрены в комплекте технико-эксплуатационной документации на технологическую систему АГЗС с двустенными резервуарами ТС «КЗПМ-С», согласованную письмом ВНИИПО и ГУГПС МЧС России № 43/3.5/1049 от 3.06.2004 г., по которой ЗАО «Джи Ти Севон» (г. Кузнецк Пензенской обл.) осуществляется серийное производство резервуаров и трубопроводов СУГ для баз хранения АГЗС и МТАЗС.

5. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке спецкурса по системам хранения и распределения СУГ для студентов и магистрантов специальности ТГС СГТУ; курса лекций и практических занятий по эксплуатации и обслуживанию объектов СУГ для специалистов АГЗС, проводимых ОАО «Гипрониигаз»; Пособия по проектированию, строительству и эксплуатации АГЗС (Саратов: Сателлит, 2004. ? 200 с).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2008» (Уфа, 2008); 1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нормотворчества в газораспределительной подотрасли - современное состояние и перспективы» (Саратов, 2001); Российской научно-технической конференции «Перспективы использования сжиженных углеводородных газов» (Саратов, 2003), Российском конгрессе по газораспределению и газопотреблению (Санкт-Петербург, 2006); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2000-2008); ежегодных научно-технических конференциях ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 1982-2008); научно-технических советах ОАО «Росгазификация (Москва, 1990, 1997, 2002), ОАО «Регионгазхолдинг» (Москва, 2003), ГРО России (Тверь, 2008), ЗАО «Джи Ти Севон» (Кузнецк Пензенской области, 2008), ОАО «Пензахиммаш» (Пенза, 2003); отраслевом семинаре Мингазпрома «Повышение технического уровня и качества продукции на основе достижений научно-технического прогресса газовой промышленности» (Москва, ВДНХ СССР, 1989); научно-технической конференции «Пути и методы рационального использования сжиженного и природного газов в промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных производствах» (Киров, 1988); Техническом совете ПО «Тюменьгазификация» (Новый Уренгой, 1988); межвузовской научно-технической конференции (Саратов, Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, 2003).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы (14 из них - в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ), в т.ч. 3 свидетельства и патента, 3 нормативных документа.

Автору принадлежат постановка задач исследований, их решение, разработка новых технических решений СКЗ, непосредственное участие в экспериментальных и опытно-промышленных испытаниях, анализ и обобщение результатов исследований, внедрение результатов исследований, формирование научного направления.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приводятся характеристика производственных объектов хранения и распределения СУГ, состояние промышленной безопасности и выбор способа расположения РТ, анализируются существующие методы и конструкции пассивной и активной защиты подземных установок СУГ от опасных воздействий, осуществляется выбор направлений исследований по повышению эффективности и безопасности эксплуатации резервуарных установок СУГ.

В результате проведенного анализа выявлены высокая пожаро-, взрыво- и экологическая опасность и связанная с этим необходимость отчуждения дополнительных территорий для увеличения противопожарных разрывов. Наличие суровых климатических условий на территории Российской Федерации существенно ограничивают применение надземно расположенных сосудов СУГ и предопределяет широкое использование подземных установок хранения, значительно уменьшающих влияние указанных обстоятельств. Аварийные ситуации на подземных РТ СУГ обусловлены, в основном, коррозионными повреждениями их стальных стенок, при этом характер и масштаб повреждений указывают на необходимость нанесения на резервуары защитных покрытий и применения установок катодной поляризации. Существующие типы защитных покрытий, рекомендуемые нормативными документами для подземных РТ, не обеспечивают необходимую защиту. В частности, полимерные липкие рулонные материалы не дают качественного прилегания в местах крутого изгиба эллиптических днищ; битумно-полимерные защитные покрытия имеют низкую ударную прочность и низкое качество изоляции эллиптических днищ, легко повреждаются при монтаже и эксплуатации, быстро стареют. Установки активной защиты не обеспечивают постоянного автоматического контроля за состоянием наружных поверхностей стальных стенок РТ, требуют периодической корректировки своих расчетных параметров и защищают только от электрохимической коррозии. Высокая стоимость систем катодной защиты, низкий уровень их заводской готовности, высокие эксплуатационные затраты, связанные с оплатой электроэнергии, потребляемой катодной станцией, содержанием службы катодной защиты, поддержанием лицензионных документов, существенно снижают их экономическую эффективность.

Вопросам повышения безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов и разработке методов их защиты от опасных воздействий посвящены работы Маршалла В.С., Барда В.Л., Кузина А.В., Бесчастнова М.В., Малкина В.Л., Ткаченко В.Н., Усачева А.П., Болодьяна И.А., Шебеко Ю.Н., Зиневича А.М., Линдлара В.Ю., Кравец В.А., Глазкова В.И. и других ученых. Характерным для известных работ являются рассмотрение отдельных видов защиты РТ, например от коррозии, отсутствие комплексного подхода к вопросам повышения безопасности и системного анализа всей совокупности опасных внешних воздействий на установки хранения и распределения газового топлива.

Отсутствие в настоящее время систем комплексной защиты РТ СУГ, оснащенных устройствами постоянного контроля опасных повреждений их элементов, требует проведения системного анализа и учета всех определяющих факторов, разработки и исследования на их основе СКЗ, лишенных существующих недостатков.

Вторая глава посвящена разработке системы комплексной защиты с требуемыми параметрами подземных резервуаров и трубопроводов СУГ и созданию метода оценки соответствия разработанной СКЗ этим параметрам.

В целях создания СКЗ с требуемыми параметрами на основе системного подхода были разработаны основные положения, описанные алгоритмом, приведенным на рисунке 1.

Согласно предлагаемому алгоритму, на первом этапе выявлены и проанализированы опасные внешние воздействия на подземные РТ СУГ и систему их защиты. Результаты проведенного анализа представлены на рисунке 2. Исходя из подхода к объекту разработки как к целостной системе, СКЗ (n₁) есть единая совокупность подсистем, объединенных одной общей целью - обеспечением комплексной защиты резервуаров и трубопроводов, запорно-предохранительной арматуры от опасных воздействий, обусловленных коррозией, нагревом, механическими воздействиями, протечками в разъемных соединениях, арматуре, ошибками и несоблюдением норм при проектировании, изготовлении, эксплуатации.



Рисунок 1 ? Алгоритм создания СКЗ РТ СУГ с требуемыми параметрами: 1 ? техническая характеристика резервуара, трубопровода СУГ и систем их защиты; 2 ? цель разработки - защита от опасных воздействий; 3 ? выявление, анализ и структурирование опасных внешних воздействий на РТ: g_в, g_э.с., g_к, g_сул, g_в-д, V_n.ут, t_гр.н; 4 ? выявление целевых функций: Р_инд; г_кор.; ; V_ут; 5 ? выявление результатов опасных внешних воздействий и последовательности их возникновения; 6 ? задание величин целевых функций: ; г_кор=0; <45єC; V_ут=0; 7 ? разработка предложений по исключению или уменьшению результатов каждого из опасных внешних воздействий с выполнением требований п. 6; 8 ? разработка модели СКЗ РТ; 9 ? разработка новой конструкции СКЗ на основе модели; 10 ? проверка соответствия заданному уровню требований. Расчет величин Р_инд , г_кор, , V_ут для разработанной конструкции СКЗ

СКЗ включает в себя подсистемы пассивной (n₂) и активной (n₃) защиты границ РТ.

Отличительным элементом алгоритма является выявление целевых функций, математически описывающих цель разработки ? защиту от опасных воздействий. В качестве целевых функций и заранее задаваемых нормативных параметров, которым они должны удовлетворять, приняты:

Рисунок 2 ? Структурная схема внешних воздействий на подземные РТ СУГ:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

? опасные внешние воздействия;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

? результаты опасных внешних воздействий

1) индивидуальный риск Р_инд, для которого согласно ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов» в качестве нормативного параметра установлена следующая вероятность возникновения пожара и взрывной волны в результате опасных воздействий:

; (1)

2) уровень коррозионной агрессивности на наружной стальной поверхности резервуара и трубопровода г_кор в зависимости от массовой доли воды g_в, электропроводящих солей g_э.с, сульфатов g_сул, кислорода g_к, водорода g_в-д, для которого установлено нулевое значение:

г_кор. = f(g_в, g_э.с., g_к, g_сул, g_в-д) = 0; (2)

3) максимальная температура грунта на глубине h = 0,5 м, наблюдаемая в момент времени ф = 8 ч после возникновения нагрева со стороны его поверхности с температурой t_п при начальной температуре грунта t_гр.н на глубине h = 0,5 м в момент времени ф= 0:

= t_гр.н ? [1 - ( )] (t_гр.н - t_п) 45 ^оС, (3)

где ? табулизированная функция Крампа;

4) суммарная величина утечек СУГ из подземных резервуара и трубопровода в окружающую среду V_ут в зависимости от величин утечек СУГ с наружной поверхности n-ого элемента подземных РТ V_n.ут (сосуда для хранения, крышки-фланца, разъемных соединений, первой запорной и предохранительной арматуры и автоматики), для которой установлено нулевое значение:

V_ут = = 0. (4)

Проведенный анализ показывает, что механизм образования повреждений РТ и систем их защиты от опасных воздействий складывается из пяти этапов, протекающих в строго определенной последовательности от п. 1.1 до п. 1.5 (рисунок 3). 1.1 ? сквозные повреждения защитного футляра (пассивной защиты) подземных РТ СУГ; 1.2 ? нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании системы пассивной защиты; 1.3 ? нарушение режима работы активной защиты стенок подземных РТ СУГ; 1.4 ? нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании системы активной защиты; 1.5 ? утечки СУГ в окружающую среду; 2.1 ? требования к футляру и кожуху: 2.1.1 ? прочность футляра при ударе не менее 30 Дж/(кг·см); 2.1.2 - переходное электросопротивление после монтажа не менее 10⁵ Ом·м²; 2.1.3 ? отсутствие пробоя при напряжении 5 кВ/мм толщины футляра; 2.1.4 ? предел огнестойкости кожуха не менее 150 мин; 2.2 ? оснащение системами постоянного контроля герметичности защитного футляра с обеспечением автоматической сигнализации о разгерметизации; 2.3 ? режим работы активной защиты не должен зависеть от изменения коррозионных и механических характеристик окружающего грунта и воздуха; 2.4 ? оснащение системами постоянного контроля герметичности РТ СУГ с обеспечением автоматической сигнализации о разгерметизации; 2.5 ? возможность безопасного предотвращения любой вероятной утечки СУГ с образованием локальных зон загазованности концентрацией более 20 % нижнего концентрационного предела воспламенения газовоздушной смеси с вероятностью Р_инд < 10^-8; 3.1 - предложения по футляру и кожуху: 3.1.1 ? футляр, обеспечивающий герметичность оболочки вокруг наружной поверхности стального сосуда и трубопровода СУГ; 3.1.2 - теплоизолированный герметичный кожух для защиты разъемных соединений, запорных и предохранительных устройств РТ от нагрева и механических воздействий; 3.2 ? постоянный автоматический контроль герметичности защитного футляра с обеспечением звукового и/или светового сигнала обслуживающему персоналу; 3.3 ? обеспечение зазора между резервуаром, трубопроводом СУГ и футляром с организацией активной защиты внутри образовавшегося межстенного пространства путем заполнения его инертной средой; 3.4 ? постоянный автоматический контроль одного из параметров инертной среды: давления, содержания водяных паров, кислорода и др. с обеспечением звукового и/или светового сигнала обслуживающему персоналу; 3.5 ? локализация утечки СУГ из РТ путем образования наружного герметичного футляра; 4 ? модель СКЗ: 4.1 ? подземная часть РТ СУГ заключена в герметичный футляр с наличием между ними пространства, заполненного ИГ, с организацией устройства постоянного контроля герметичности межстенного пространства, обеспечивающего автоматическую сигнализацию о разгерметизации как внутреннего сосуда СУГ, так и футляра; 4.2 ? надземная часть РТ (запорные устройства) заключена в герметичный теплозащитный кожух, заполненный ИГ, с организацией постоянного контроля давления и температуры в его верхней части; 5 ? разработка конструкции СКЗ подземных РТ СУГ; 6 ? проверка соответствия заданного уровня требований: Р_инд 10^-8; г_кор = 0; < 45 єC; V_ут = 0

Рисунок 3 ? Алгоритм создания СКЗ подземных РТ СУГ

В результате системного анализа (рисунок 1) впервые разработан метод создания СКЗ, позволяющий на основе выявления и анализа опасных воздействий на подземные РТ СУГ (рисунок 2), поиска целевых функций [формулы (1) ? (4)] и задания им минимальных нормативных значений получить модель СКЗ подземных РТ СУГ с заранее заданным уровнем требований (рисунок 3). Применение модели уменьшает вероятность разгерметизации с 10^-3 год^-1 для существующих аналогов до 10^-8 год^-1.

На основе модели разработаны н о в ы е технические решения комплексной защиты путем заключения РТ в защитные футляры, заполненные осушенным азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления, приведенные на рисунке 4.

Рисунок 4 ? Конструкция СКЗ РТ: 1 - кожух для запорных устройств и автоматики; 2 - крышка сосуда СУГ; 3 - запорный кран; 4 - электромагнитный клапан; 5, 6 - сбросные клапаны; 7 - датчик утечки СУГ; 8 - патрубок; 9 - стенка кожуха 1; 10, 14 ? теплоизоляция;11 - футляр сосуда СУГ; 12 - уплотнение; 13 - крышка кожуха 1; 15 ?датчик температуры; 16 ? блок управления; 17,18 - световой и звуковой сигнализаторы; 19 - сосуд СУГ; 20 - трубопровод СУГ; 21, 35 ? сбросная труба; 22, 26, 29, 31, 32, 41 - патрубки инертного газа (ИГ); 23, 27, 28, 40 - отключающие устройства инертного газа; 24, 38 ? межстенное пространство; 25 - инертный газ; 30 - футляр трубопровода СУГ; 33, 34 - верхняя и нижняя границы давления инертного газа; 36 - отключающее устройство СУГ топливораздаточной колонки; 37 - заборное устройство СУГ

Здесь постоянный автоматический контроль возможности утечек СУГ, коррозии и нагрева осуществляется с помощью двухпозиционного прибора контроля давления, который настроен по своей верхней позиции 33 на срабатывание при давлении больше расчетного Р_р на величину его допустимого повышения Р за счет утечек СУГ в пространство 24 при разгерметизации стенок внутреннего сосуда 19, стенок соединенного с ним внутреннего трубопровода 20 и запорной арматуры 3, 4; по своей нижней позиции 34 ? на срабатывание при давлении меньше расчетного Р_р на величину его допустимого понижения Р за счет утечек инертного газа 25 из межстенного пространства (МП) 24 в окружающую среду при разгерметизации стенок наружного полимерного футляра 11 сосуда 19, стенок соединенного с ним футляра 30 трубопровода 20, кожуха 1. Предохранительные сбросные клапаны 6 и 5 с присоединенными к ним сбросными трубопроводами 35 и 21 предназначены для устранения утечек СУГ при разгерметизации стенок внутреннего сосуда 19, запорных устройств 3,4 и дальнейшем увеличении давления инертного газа 25 выше (Р_р + Р) на величину предельного повышения давления Р_пр.

По результатам создания конструкции СКЗ разработаны Технические предложения по повышению безопасности и снижению стоимости многотопливных и газовых автозаправочных станций, одобренные письмом ФГУ ВНИИПО МВД России № 43/3.5/1198 от 23.04.2001 г.

Третья глава посвящена определению расчетных параметров СКЗ подземных РТ СУГ, заключенных в футляр, заполненный инертным газом.

В результате расчетов по целевой функции (3) установлено, что защита всех элементов РТ СУГ от нагрева решается за счет их подземного размещения. В то же время со стороны грунта на РТ СУГ имеют место коррозионные воздействия, различные по типу и степени агрессивности.

Для протекания различных типов коррозии стальных сооружений необходимо одновременное наличие в окружающей их среде определенных коррозионных агентов, например для химической ? воды и кислорода, электрохимической ? воды и электропроводящих солей.

Было установлено, что наиболее приемлемой инертной средой, используемой в МП подземных РТ СУГ, является газообразный азот по ГОСТ 9293 - 74 не ниже первого сорта с содержанием азота не менее 99,6 % объемн., содержанием кислорода не более 0,4 % и абсолютным влагосодержанием 0,054 г водяных паров на один кг ИГ при температуре 20 ⁰С и давлении 101,3 кПа. При понижении температуры в МП ниже точки росы водяные пары конденсируются, образуют водяные скопления и создают реальные предпосылки для протекания различных видов коррозии при наличии в газообразном азоте и на наружных поверхностях РТ кислорода, электропроводящих солей, других коррозионных агентов. В МП указанные коррозионные агенты могут попасть в результате ненадлежащего проведения операций при изготовлении, хранении, транспортировании, продувке.

Проведенный анализ показывает, что параметрами, устанавливающими границы режимов нормальной эксплуатации СКЗ без коррозии наружных поверхностей РТ, являются избыточное давление инертного газа в МП; относительная влажность и температура конденсации водяных паров, содержащихся в ИГ.

Величина минимального давления инертного газа в межстенном пространстве, при котором дальнейшая нормальная эксплуатация не гарантируется и когда в связи с этим может произойти срабатывание двухпозиционного прибора контроля давления, определяется как

Р= Р_р ? Р. (5)

На температуру, а следовательно и давление инертного газа в футляре, оказывают существенное влияние как температура окружающего грунта, изменяющаяся по закону гармонических колебаний, так и температура СУГ.

В результате исследований впервые получены аналитические зависимости (5) ? (10) для определения основных эксплуатационных параметров ИГ в межстенном пространстве РТ и кожухе, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация предлагаемых СКЗ подземных РТ СУГ при отсутствии коррозии наружных поверхностей РТ:

Р ? R_и {[(t_и^min + t_и^max)/2] - t_и^min} Z; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

_р t_и^min . (10)

С целью определения основных эксплуатационных параметров инертного газа, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация предлагаемых СКЗ подземных РТ СУГ, по формулам (5) ? (10) были проведены соответствующие вычисления, в результате которых получены следующие расчетные величины: минимальная температура t_и^min = минус 31,2 ^оС, максимальное значение относительной влажности _и^max = 35 %, допустимое снижение давления Р = 0,0145 МПа. Дополнительные расчеты по формуле (9) показывают, что конденсация водяных паров на наружных поверхностях РТ при рабочем абсолютном давлении Р_и = 136325 Па будет иметь место при температуре _р = минус 39,5 ^оС. Согласно формуле (10) следует, что конденсация водяных паров на наружных поверхностях, заключенных внутри МП РТ СУГ, и как следствие, любые виды коррозии полностью исключаются.

Величина расчетного избыточного давления инертного газа Р_р внутри герметичного кожуха принята равной 0,035 МПа. Величина минимального избыточного давления инертного газа Рв МП по формуле (5) составит 0,0205 МПа. Аналогично, принимая Р = Р, величина максимального давления инертного газа Р= Р_р + Р_доп^в = 0,035 + 0,0145 = 0,0495 МПа.

С учетом возможных утечек инертного газа из футляра в окружающую среду или СУГ из РТ в футляр, обусловленных опасными внешними воздействиями, предельные значения нижней и верхней границ избыточного давления газообразного азота в межстенном пространстве, при котором осуществляется срабатывание двухпозиционного прибора контроля давления, принимаются равными соответственно: Р_пр.н = 0,015 МПа и Р_пр.в = 0,055 МПа.

Экспериментальная проверка полученных зависимостей (5) ? (10) для определения основных эксплуатационных параметров, устанавливающих границы режимов нормальной эксплуатации предлагаемых СКЗ подземных РТ СУГ, проведенная на опытно-промышленном образце подземной резервуарной установки СУГ объемом 12 м³, размещенной в г. Пензе на территории многотопливной АЗС компании ООО «Лукойл ? Средневолжскнефтепродукт», показала хорошую сходимость.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 5.



Теоретические значения изменения расчетного давления и относительной влажности в зависимости от температуры инертного газа, вычисленные по формулам (5) ? (10) при исходных данных, имевших место при проведении натурных испытаний опытно-промышленного образца СКЗ подземной резервуарной установки, приведены на графике (рисунок 6). На оси абсцисс начало отсчета ? месяц июнь.

Здесь же для сравнения приведены экспериментальные значения давления и относительной влажности газообразного азота в межстенном пространстве. Результаты экспериментальных исследований подтверждают аналитические зависимости. Средние отклонения теоретических и экспериментальных значений изменения давления составляют 9,8 %; относительной влажности ? 13,4 %. Из графика видно, что значения относительной влажности на протяжении всего холодного периода ниже линии конденсации водяных паров.

Расчеты по формулам (1) ? (10) показали, что предлагаемая конструкция СКЗ РТ полностью удовлетворяет разработанной модели и алгоритму (рисунки 1 ? 3).



Рисунок 6 ? Изменение параметров СКЗ в течение годового цикла испытаний

По результатам определения эксплуатационных параметров разработан СТО 17446935-1-2008 «Технические решения по обеспечению герметичности установок хранения и распределения сжиженных углеводородных газов путем заключения их в футляр с азотом».

Четвертая глава посвящена разработке методических положений и проведению обоснования и оптимизации СКЗ РТ баз хранения СУГ.

Вопросы технико-экономического обоснования и оптимизации сложных технических систем в условиях значительной неопределенности исходной ценовой информации требуют применения достоверных методов экономического анализа. Отдельные аспекты этой важной проблемы освещаются в работах Берхмана Е.И., Усачева А.П., трудах Сибирского института системных исследований РАН и других работах. Следует отметить, однако, что предложенные авторами решения получены в детерминированной постановке, не учитывают влияние неопределенности исходной экономической информации, прямых и обратных внешних связей и ряд других факторов.

В целях получения универсального и достоверного решения задачи оптимизации разработан метод структурирования СКЗ и ее отдельных подсистем, звеньев и элементов. В основу системного подхода при оптимизации СКЗ подземных РТ СУГ положены известные методические разработки, включающие такие его положения, как четкая постановка цели исследований, структурирование, учет влияния внешних связей, иерархический подход, учет динамики развития системы, неопределенности исходной информации и надежности, математическое моделирование и оптимальность полученных результатов. Базируясь на принципах аналогии систем одинакового назначения, метод позволяет приводить все варианты СКЗ, независимо от вида используемых в них защитных агентов, к одинаковой структуре.

В настоящее время для комплексной защиты подземных РТ АГЗС, МТАЗС и других объектов хранения СУГ нашли применение два сопоставимых варианта СКЗ. Вариант I (рисунок 7, а) - система комплексной защиты: 1) от коррозии с помощью защитных покрытий и установок катодной защиты; 2) от нагрева, утечек с помощью второго стального сосуда. Вариант II (рисунок 7, б) ? СКЗ путем заключения сосуда СУГ в полимерный футляр, заполненный азотом.

На основе принципа аналогии систем одинакового назначения составлена структурная схема i-ого варианта СКЗ подземных РТ СУГ на иерархическом уровне подсистем z, звеньев j, элементов p, приведенная на рисунке 8.

В общем случае имеется i-ое количество вариантов СКЗ подземных РТ СУГ, каждый из которых имеет одинаковую структуру и включает z-ое количество подсистем более низкого иерархического уровня. При этом каждая z-ая подсистема содержит j звеньев, а каждое звено содержит p элементов.



а) б)

Рисунок 7 ? Конкурирующие варианты СКЗ подземных РТ СУГ: а - вариант I (базовый); б - вариант II (предлагаемый)

Рисунок 8 ? Структурная схема СКЗ РТ СУГ на основе системного подхода: J_i32 - межстенное пространство; J_i31 - устройство удаления паров СУГ в воздух; J_i22 - приборы автоматического контроля герметичности футляра; J_i21 - защитный герметичный футляр; J_i11 - установка поддержания и изменения потенциала защитного агента; J_i12 - соединительные коммуникации и отключающие устройства; J_i13 - устройства распределения ЗА; J_i14 - приборы, показывающие потенциал ЗА; J_i15 - приборы автоматического контроля изменения потенциала ЗА; Р_i322 - стенка сосуда для локализации утечек СУГ; Р_i321 - запорный кран для заполнения ЗА; Р_i311 - сбросной клапан; Р_i312 - сбросная труба; Р_i221 - приборы автоматического контроля; Р_i222 - устройство светового оповещения; Р_i223 - устройство звукового оповещения; Р_i211 - крепление футляра к сосуду; Р_i212 - защитное покрытие; Р_i111 - сосуд для хранения ЗА; Р_i112 - регулятор потенциала ЗА; Р_i121 - соединительные коммуникации; Р_i122 - отключающие устройства; Р_i131 - распределительные устройства; Р_i132 - отключающие и регулирующие устройства; Р_i141 - показывающие устройства; Р_i142 - отключающие и переключающие устройства; Р_i151 - приборы автоматического контроля; Р_i152 - устройство светового оповещения; Р_i153 - устройство звукового оповещения

Каждый из i-ых вариантов СКЗ подземных резервуаров и трубопроводов баз хранения СУГ, использующих в качестве защитного агента (ЗА) электроэнергию i = 1, инертный газ i = 2 или другой защитный агент, включает следующие подсистемы: _i1 - подсистему активной защиты; _i2 - подсистему пассивной защиты; _i3 - подсистему локализации и рассеивания СУГ. Индексы в обозначении указывают (читать справа налево) номер подсистемы и номер i-ого варианта СКЗ. Например, ₁₂ -подсистема № 2 i-ой системы № 1. Каждый из вариантов СКЗ РТ СУГ получает i-ый защитный агент из более общей системы, которая по отношению к ней является внешней (см. рисунок 8) по расчетной стоимости С_iz (сплошная линия), комплексно учитывающей всю совокупность экономических, социальных, экологических и других связей и критериев. Корректирующее влияние СКЗ на внешнюю систему снабжения осуществляется через обратную связь (пунктирная линия) с помощью коэффициента ее полезного действия _iz.

Величина и характер _iz в значительной степени определяются функциональными особенностями работы -ой подсистемы активной защиты. В свою очередь, любая из подсистем , например _i1 (подсистема активной защиты), включает j свойственных ей звеньев: j_i11 -установку поддержания и изменения потенциала ЗА (индекс расшифровывается справа налево как j-ое звено № 1, z-ой подсистемы № 1, i-ого варианта СКЗ); j_i12 ? соединительные коммуникации и отключающие устройства; j_i13 - устройство распределения ЗА; j_i14 - приборы, показывающие потенциал ЗА; j_i15 - приборы автоматического контроля и оповещения о недопустимом изменении потенциала защитного агента. Каждое из j-ых звеньев СКЗ, например звена j_i11 подсистемы _i1, включает свойственных ей элементов: р_i111 - сосуд для хранения защитного агента (индекс расшифровывается справа налево как p-ый элемент № 1, j-ого звена № 1, z-ой подсистемы № 1, i-ой системы); р_i112 ? регулятор изменения потенциала ЗА.

Математическое моделирование осуществляется в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов для временного интервала t = 0, 1, 2 , ... , T.

Предлагаемая математическая модель обоснования и оптимизации СКЗ резервуаров и трубопроводов баз хранения СУГ включает в себя принципиальную и структурную схемы (рисунки 7 и 8), целевую функцию (11), уравнения внешних связей (12), систему балансовых уравнений (13), (14), систему ограничений управляющих параметров (15) и впервые учитывает динамику развития СКЗ и иерархию ее функционирования в условиях неопределенности экономической информации.

В качестве критерия оптимальности целевой функции принят минимум удельных интегральных затрат в СКЗ:

Зi=atС izt G izt фiz /izt (Fiр) +af [цizjp(Fiр,d,H,S,hк,L1) +

+окizjp(Fiр,d,H,S,hк,L1)]+attиizjm(Fiр,d,H,S,hк,L1)}=min; (11)

a_t = (1 + Е)^-t; a_f = (1 + Е); G _iz = G_{п. iz} /_iz;

ц_izjp= Ц_izjp/F_iр; к_izjp= К_izjp/F_iр; и_izjp= И_izjp/F_iр;

С_izt = C_iпt B₁ B₂ k_ct; _iz = f(G_i, F_р,). (12)

Система балансовых уравнений для СКЗ и ее внешних связей за весь срок функционирования имеет следующий вид.

1. Уравнение баланса защитного агента G _it, отпускаемого из внешней системы и полезноиспользуемого ЗА G_п.izt в i-ом варианте СКЗ при коэффициенте полезного действия _izt: