Повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа

G _it = G_п.izt / _izt. (13)

2. Уравнение гидравлического (аэродинамического, электродинамического) баланса для каждого защитного агента z-ой подсистемы СКЗ:

(Р + P ? P) _iz = 0. (14)

Здесь P, P ? давление (напряжение) защитного агента на исходящей ( ) или входящей ( ) i-ой связи z-ой подсистемы СКЗ, Па (В), а P ? перепад давления (напряжения) в z-ой подсистеме СКЗ, Па (В).

Система ограничений управляющих параметров функции (11):

H = ; d = ; S = ; (15)

L₁ = ; h_к = ; F_ip= .

Математическая модель оптимизации СКЗ позволяет на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты СКЗ к единой структуре и реализует сопоставимость конкурирующих СКЗ резервуаров и трубопроводов баз хранения СУГ по одинаковости границ и учету всех затрат; количеству агента G_it, подведенного -ому варианту СКЗ; срокам службы систем и отдельных ее элементов; изменению расчетной цены _z на i-ый защитный агент во временной динамике согласно (11); надежности и сезонности поставок.

Минимизация целевой функции (11) с учетом (12) ? (15) в общей постановке затруднительна ввиду большого объема и разнообразия функциональных связей. Поэтому комплексная оптимизация СКЗ резервуаров и трубопроводов баз хранения СУГ предусматривает ряд взаимосвязанных подзадач, последовательность решения которых определяет иерархию построения математической модели.

К числу задач, решаемых на первом иерархическом уровне, относится обоснование варианта СКЗ РТ СУГ. Для обоснования варианта СКЗ РТ СУГ использовалась математическая модель (11) ? (15) с введением следующих упрощающих допущений: управляющие параметры d, H, S, h_к, L₁ (рисунки 9, 10) переведем в разряд исходных данных с их подбором согласно известным литературным источникам; сметные показатели СКЗ укрупнены и включают в себя стоимость оборудования и дополнительные капвложения на его установку; сооружение СКЗ осуществляется в течение одного года с последующим выходом объекта на проектную мощность при постоянном уровне эксплуатационных издержек.

Тогда с учётом принятых допущений целевая функция (11) примет вид

З_i=a_tС _iztG _izt ф_iz/_izt(F_iр)+_ок_izj (F_iр)[a_f+_tа_izj]=min; (16)

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

Реализация целевой функции (16) в такой постановке требует наличия достоверной информации в части стоимостной оценки составляющих затрат по СКЗ РТ баз хранения. Отсутствие надежной информации о ценовой динамике, особенно на перспективу, сложность и противоречивость инфляционных процессов затрудняют применение детерминированных математических моделей и требуют разработки специальных методических подходов к решению задачи.

Характерной особенностью современного этапа реформирования отечественной экономики является перевод энергоносителей, в том числе и при использовании их в качестве защитных агентов, на мировой уровень цен. Переход на мировые цены - важнейшая задача отечественной экономики, решение которой является предпосылкой широкой интеграции России в мировое экономическое сообщество.

В этой связи при реализации математической модели стоимостная оценка энергоносителей, в том числе и при использовании их в качестве защитных агентов, осуществлялась в расчетных ценах, ориентированных на мировой уровень (выраженных в долларах США по курсу 2007 года без учета инфляционной составляющей).

В отличие от стоимости ЗА другие компоненты целевой функции (16), такие как капитальные вложения и эксплуатационные расходы, не имеют мировых аналогов, поскольку основные составляющие указанных затрат, как то: стоимость местных материалов, зарплата, транспортные расходы и др., полностью определяются региональными особенностями. Поэтому при исчислении капитальных вложений и эксплуатационных расходов использовались отечественные цены (выраженные в долларах США по курсу 2007 года), индексированные с помощью коэффициентов _о и _t с учетом удорожания ТЭР при переводе последних на расчетные цены.

Поскольку влияние удорожания энергетических ресурсов и защитных агентов на увеличение капитальных вложений и эксплуатационных расходов точно учесть не представляется возможным, в расчетах использовались две границы затрат:

- нижняя граница, когда удорожание энергоносителей и защитных агентов не влияет на стоимостную оценку затрат, поэтому коэффициент индексации принимается равным своему минимальному значению: _о = _о^min = 1; _t = _t^min = 1;

- верхняя граница, когда затраты индексируются пропорционально удорожанию энергоносителей и защитных агентов, т.е. когда коэффициент индексации принимается равным своему максимальному значению: _о = _о^max; _t = _t^max.

Наличие двух уровней затрат обуславливает зону экономической неопределенности, в пределах которой сравниваемые варианты СКЗ являются равноэкономичными.

При этом, как показывает дополнительный анализ, максимальная погрешность детерминированного решения задачи при _о = (_о^min +_о^max)/2 и _t = (_t^min + _t^max)/2 не превышает 17,5 %, что вполне достаточно для практических инженерных расчетов.

Сравнение конкурирующих вариантов осуществляется с учетом их сопоставимости, и в первую очередь, по назначению, т.е. по защите подземного резервуара объемом 10 м³ и трубопровода наружным диаметром 57 мм от опасных воздействий:

вариант № 1 ? существующая СКЗ от коррозии с помощью защитных покрытий весьма усиленного типа на основе битумно-полимерной мастики толщиной 9,5 мм и установок катодной защиты; защита от нагрева, механических воздействий, утечек СУГ осуществляется с помощью второго стального сосуда и защитного кожуха в соответствии с рисунком 7, а; вариант № 2 ? предлагаемая СКЗ путем заключения подземных РТ и арматуры в полимерный футляр и защитный теплоизолированный кожух, заполненные азотом с контролируемыми параметрами, в соответствии с рисунком 7, б.

Экономические показатели на оборудование принимались согласно данным фондовой биржи. По результатам расчетов для существующего и предлагаемого вариантов при удельных затратах в подсистему пассивной защиты 32,5 и 05,4 долл./м², в подсистему активной защиты 154,4 и 25,6 долл./м², в получение защитных агентов 14,2 и 1,15 долл./(м²•год) соответственно, экономия от применения СКЗ путем заключения РТ в полимерный футляр, заполненный азотом, составляет 80,7 %.

Резервуары баз хранения СУГ являются центральным звеном технологической цепочки снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом. Большая материалоемкость двустенных резервуаров, сложность и трудоемкость монтажных работ обуславливают высокую стоимость строительства. В этой связи обоснование оптимальных размеров, конфигурации полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом, способа его установки является важным резервом повышения экономичности баз хранения СУГ. Традиционная технология монтажа подземного резервуара в защитный футляр, укрепленный радиальными ребрами жесткости с его наружной стороны, предусматривает полную обратную засыпку котлована песком с вывозом вынутого грунта в отвал. В развитие конструкций и способов монтажа подземных резервуаров разработана альтернативная технология, предусматривающая установку резервуара в полимерный ударопрочный футляр, укрепленный радиальными ребрами жесткости с его внутренней стороны и имеющий гладкую наружную поверхность с антифрикционными свойствами (патент № 18564 от 27.06.2001 г.), и позволяющая осуществлять обратную засыпку котлована ранее вынутым грунтом без вывоза его в отвал.

В этой связи на втором иерархическом уровне для обоснованного на первом уровне варианта СКЗ осуществляется определение оптимальной формы основного ее элемента ? полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом СУГ. Форма полимерного футляра Ф характеризуется отношением его длины по эллиптическим днищам H к диаметру d, т.е. Ф = H / d , откуда H = Ф•d (рисунок 9).

Согласно общей математической модели оптимизации (11) ? (15), полимерный футляр диаметром d и длиной H включает в себя цилиндрическую обечайку и два эллиптических днища. Конструктивно обечайка и днища выполняются толщиной S с внутренними поверхностями, укрепленными кольцами жесткости толщиной t, расположенными через расстояние L₁ (рисунок 10).

Капитальные вложения K_2z в установку полимерного футляра 1 с сосудом 2 СУГ, расположенного подземно в котловане 5, включают в себя стоимость K₂₁ полимерного футляра 1, стоимость K₂₂ расположенного внутри него сосуда 2, стоимость K₂₃ отчуждаемой территории 3, капитальные вложения K₂₄ в устройство фундаментов 4 под футляры 1, капитальные вложения K₂₅ в разработку котлована 5, капитальные вложения K₂₆ и K₂₇ в устройство наружного ограждения 6 и отсыпки 7 над поверхностью материкового грунта вокруг футляров.

а) б)

Рисунок 9 ? Расчетная схема определения оптимальной формы защитного футляра при групповом расположении подземных резервуаров СУГ: а - фронтальный вид; б - план

Для определения оптимальной формы полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом СУГ использовалась математическая модель (11) ? (15) с введением следующих упрощающих допущений: системы СКЗ осуществляется в течение одного года; параметры, характеризующие конструкцию внутреннего оребрения футляра, переводятся в разряд исходных данных с их подбором согласно известным литературным источникам; сметные показатели СКЗ укрупнены и включают в себя стоимость оборудования и дополнительные капвложения на его установку, срок службы всех подсистем футляра с сосудом СУГ является одинаковым.

Расчетная схема определения оптимальных соотношений H/d полимерных футляров для базы хранения из двух резервуаров СУГ, расположенных в котловане подземно, приведена на рисунке 9.

Выбор оптимальной конфигурации с учетом вышеуказанных допущений сводится к минимизации капвложений в групповую установку из двух полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами СУГ:

K_2z (H/d) = min . (17)

Ниже приведены аналитические зависимости для определения капитальных вложений K_2z по всем элементам групповой установки из двух полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами СУГ:

К₂₁ = 2к_{п.ф п.ф} d²(Ф+0,69)(Р_п.фd ч /2_п.ф); ч =S_у/S_ну . (18)

К₂₂ = 2к_{м м} [d- 2( + S_р)]² (Ф +0,69)[Р_р(d- 2( + S_р))/2_р+ S_к]. (19)

К₂₃ = к_отч F_отч = к_отч (2iН_к+2d+3)(2iН_к+d+2). (20)

К₂₄ =2к_ф {1,1 V_р+{[d- 2( + S_р)]² (Ф+0.69) }_вм[d- 2( +

+S_р)]²{_р[d- 2( + S_р)] 2_р S_к}_{голкргр п.о} (21)

d²(Ф+0,69)(Р_п.оd ч /2_п.о) }_б.

К₂₅ = к_к Н_к (Фd+1) (2d+2) +(2iH_к+Фd+1)(2iH_к+2d+2)]. (22)

K₂₆ = 2 к_огр (Ф d +2d + 3). (23)

K₂₇ = (к_отсН_отс/6) [(2iH_к+2d+3) (2iH_к+ Ф d+0,5+2)+(2iH_к+2d+3-2iH_отс)

(2iH_к+Фd+0.5 d+2-2iH_отс)+(4iH_к+4d+6-2iH_отс)(4iH_к+2Фd+4-2iH_отс)]. (24)

Реализация экономико-математической модели (17) ? (24) позволила выявить оптимальные значения конфигурации Ф для групповой установки из двух полимерных футляров с заключенными внутри них сосудами СУГ. Результаты расчетов по (17)?(24) показывают, что минимальные капвложения в сооружение полимерных футляров с заключенными в них резервуарами СУГ достигаются при оптимальной конфигурации футляров, равной 2,2: Ф_opt = 2,2.

Как показывает сравнительный анализ, применение сосудов СУГ, установленных в полимерный ударопрочный футляр оптимальной конфигурации, укрепленный радиальными ребрами жесткости с его внутренней стороны и имеющий гладкую наружную поверхность с антифрикционными свойствами (патент № 18564), снижает сметную стоимость строительства СКЗ баз хранения в 1,3…1,4 раза. При этом исключается потребность в песчаной засыпке; отпадает необходимость вывоза грунта в отвал, учитывая, что объем грунта, занимаемый футляром 1, полностью расходуется на сооружение насыпи 7 (рисунок 9).

Выявление оптимальной формы полимерного футляра (H/d) с заключенным внутри него сосудом СУГ, укрепленного с внутренней стороны радиальными ребрами жесткости, позволяет на третьем иерархическом уровне решить задачу оптимизации его геометрических параметров S, h_к, L₁ (рисунок 10).

Рисунок 10 ? Расчетная схема оптимизации геометрических параметров полимерного футляра: 1 ? полимерный футляр; 2 - резервуар СУГ; 3 - кольца жесткости

Анализ различных типов полимеров показал, что из имеющихся материалов для корпуса футляра, исходя из назначения, области применения, требований по диэлектрическим свойствам, механической прочности, влагопроницанию, в наибольшей степени подходят армированные конструкционные стеклопластики.

Для определения оптимальных геометрических параметров полимерного футляра с заключенным внутри него сосудом СУГ использовалась математическая модель (11) ? (15) с введением следующих упрощающих допущений: срок службы всех подсистем футляра с сосудом СУГ, его фундамента, наружного ограждения, отсыпки грунта вокруг футляров является одинаковым; цилиндрическая обечайка и эллиптические днища одного и того же внутреннего диаметра, испытывающие одно и то же наружное давление, рассматриваются как один элемент с толщиной стенок S и длиной L; сметные показатели сооружения СКЗ укрупнены и включают в себя стоимость оборудования и дополнительные капвложения на его установку.

В качестве критерия оптимальности целевой функции (11) ? (15) с учетом вышеуказанных допущений примем минимум капвложений в полимерный футляр толщиной S, укрепленный радиальными ребрами жесткости высотой h_к , расположенными через расстояние L₁:

K_22р(S,L₁,h_к)=к_п.фп.ф[(d²(H/d+0,69)S+t/4(d²-(d-2h_к)²)Int(Н/L₁)]=min. (25)

Балансовые уравнения к целевой функции (25):

1. Балансовое уравнение, описывающее условие, что допускаемое давление [Р], которое может выдержать полимерный футляр, должно быть больше или равно расчетному наружному давлению Р_гр, оказываемому на него со стороны грунта:

[Р]Р_гр или 2 S+2(А_к/L₁)/(d+S)/1+{(2S+2(А_к/L₁) /(d+ S)/(20,810^-6 Е /kВ₁n_у) (d / Н) 100 k S/d^2,5} ² с_гр Н_гр /. (26)

2. Балансовое уравнение моментов инерции радиального ребра жесткости полимерного футляра:

II_р или I_к+(L₁S³/10,9)+е²(А_кL_еS)/(А_к+L_еS)(0,1Pd³L₁/E)(n_у /2,4)k₅ (27)

Система ограничений управляющих параметров целевой функции будет выглядеть следующим образом:

S_min S S_max ; (28)

L_1min L₁ L_1max ; (29)

h_к.min h_к h_к.max . (30)

Определение оптимальных геометрических параметров целевой функции (25) осуществлялось путем направленного поиска минимума капвложений как функции трех независимых переменных градиентным методом:

K_2р (S, L₁, h_к) = min. (31)

Данная задача решена численным методом для ряда толщин t радиального ребра жесткости полимерного футляра. Результаты расчетов показывают, что оптимальные значения независимых параметров при t = 20 мм составляют: S_opt = 6 мм, L_1.opt = 125 мм, h_к.opt = 27 мм.

По результатам проведенной оптимизации СКЗ разработан СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию типа системы комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара СУГ» для дальнейшего практического использования проектно-конструкторскими, монтажными организациями и заводами-изготовителями.

Пятая глава посвящена разработке основ расчета и оптимизации геометрических параметров СКЗ парожидкостных трубопроводов баз хранения СУГ путем заключения их в полимерные теплоизолированные футляры, заполненные инертным газом с контролируемыми параметрами.

Задача транспортировки жидкой фазы на территории АГЗС, МТАЗС и аналогичных объектов сильно осложняется частичным ее испарением вследствие теплообмена с окружающей средой. Для уменьшения теплопотерь, а также для реализации требований пожаробезопасности двустенные жидкофазные трубопроводы СУГ выполняются теплоизолированными с наружной стороны футляра.

С целью повышения эффективности предлагаемых СКЗ разработана конструкция, в которой тепловая изоляция накладывается на внутреннюю поверхность герметичного футляра (рисунок 11, б) с оставлением пространства между теплоизоляцией и парожидкостным трубопроводом СУГ, которое заполнено азотом под избыточным давлением.

а) б)

Рисунок 11 ? К определению оптимальных геометрических параметров защитного футляра с заключенным внутри него трубопроводом: а - расчетная схема; б - фрагмент в сечениях I-I и II-II

С учетом того что геометрические параметры футляра, толщины теплоизоляции и кольцевого пространства зависят, в первую очередь, от величины внутреннего диаметра парожидкостного трубопровода СУГ (рисунок 11), задача решается последовательно в два этапа:

первый этап ? определение диаметра трубопровода и гидравлических сопротивлений при течении по нему насыщенных парожидкостных смесей СУГ в условиях теплообмена с окружающей средой;

второй этап ? определение оптимальных геометрических параметров предлагаемой конструкции теплоизолированного футляра с расположенным внутри него парожидкостным трубопроводом СУГ.

На первом этапе были проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых на основе известных соотношений гидро- и термодинамики в сочетании с корреляцией Антуана впервые получена система уравнений (32) ? (34), позволяющая определять диаметр трубопроводов и коэффициент гидравлического сопротивления при течении насыщенных парожидкостных смесей СУГ в условиях теплообмена с окружающей средой:

;

(32)

;

;

; .

В качестве замыкающих в (32) используются следующие соотношения:

; (33)

. (34)

Конкретной задачей экспериментальных исследований, проведенных в ОАО «Гипрониигаз», являлось обоснование возможности применения формул (33) для определения паросодержания и (34) для определения коэффициента гидравлического сопротивления л_с парожидкостной смеси насыщенного СУГ в условиях теплообмена с окружающей средой, первоначально полученных Мамаевым В.А., Одишария Г.Э., Клапчуком О.В. применительно к воздухо-водяным смесям при их адиабатическом пробковом течении в горизонтальных и слабонаклонных трубопроводах.

Сравнение расчетных значений истинного паросодержания _расч и приведенного коэффициента гидравлического сопротивления ш_расч= л_с/л_ж парожидкостной смеси СУГ, полученных по формулам (33) и (34) для адиабатических потоков, с экспериментальными значениями в условиях подвода тепла (рисунки 12, 13) показало, что максимальное относительное отклонение экспериментальных значений от теоретических, не превышает 15,2 %.

Хорошее согласование опытных и расчетных данных позволяет рекомендовать использовать расчетные формулы (32) ? (34) в инженерной практике для определения значений истинного паросодержания ц_расч и гидравлического сопротивления л_с.расч применительно к парожидкостной смеси СУГ при ее пробковом течении в горизонтальных и слабонаклонных трубопроводах в условиях теплообмена с окружающей средой.

На базе полученных аналитических зависимостей (32) ? (34) разработана программа определения гидравлических сопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой.

На втором этапе проводилась оптимизация основных геометрических параметров элементов защитного футляра с размещенным внутри него трубопроводом: внутреннего диаметра трубопровода d₁ для транспортировки парожидкостной смеси СУГ от подземных резервуаров к пунктам топливораздачи (рисунок 11); толщины тепловой изоляции д₃, накладываемой на внутреннюю поверхность полимерного футляра, перепада давления ?р₅, создаваемого насосом и численно равного гидравлическому сопротивлению при течении парожидкостной смеси СУГ в трубопроводе на участке от насоса до топливораздаточной колонки.

Рисунок 12 ? Сопоставление экспериментальных значений приведенного коэффициента гидравлического сопротивления ш_эксп и теоретических величин ш_расч, рассчитанных по формуле (34)



Рисунок 13 ? Сравнение экспериментальных значений ц_эксп, полученных при различных значениях удельной тепловой нагрузки q_l/G, с теоретическими значениями ц_расч., полученными по уравнению (33) для адиабатических потоков

Задача оптимизации формулируется следующим образом.

В трубопровод 1 внутренним диаметром d₁ и длиной L₁, заключенный в полимерный футляр 4, заполненный азотом (рисунок 11), со слоем теплоизоляции 3, уложенной с внутренней стороны футляра, и с кольцевым пространством 2 между ней и внутренним трубопроводом СУГ из резервуара 6 с помощью насоса 5 подается жидкая фаза СУГ с массовым расходом G, которая затем поступает в топливораздаточные устройства 7.

К наружной поверхности жидкофазного трубопровода 1 через футляр 4 и межтрубное пространство 2 с постоянной интенсивностью подводится тепловой поток Q из окружающей среды с температурой t_О. Течение насыщенного СУГ от сечения I до сечения II, при его теплообмене с окружающей средой, сопровождается испарением части жидкой фазы и образованием паровой. По результатам теоретических расчетов и экспериментальных исследований, изменение паросодержания происходит в следующих пределах: истинного объемного 0 ц 0,72, массового 0 Х 0,15, что приводит к изменению режимов течения от пузырькового (сечение II) до пробкового. Транспортировка жидкой фазы к топливораздаточным колонкам 7 с непрерывно увеличивающимся паросодержанием осложняет заправку баллонов 10 автотранспортных средств на АГЗС и МТАЗС, приводит к увеличению диаметра d₁, и как следствие d₄, а также капвложений К₁ в парожидкостный трубопровод и К₄ футляр.

С другой стороны, увеличение паросодержания, при неизменных величинах диаметра d₁ и капвложений К₁ в парожидкостный трубопровод 1, приводит к пропорциональному увеличению скорости парожидкостной смеси и гидравлического сопротивления, численно равного перепаду давления ?р₅, создаваемого насосом. Это, в свою очередь, увеличивает расход электроэнергии насосом 5 на перекачку СУГ, затраты на ее оплату И₅.

С целью уменьшения теплопритока и сокращения парообразования ПЖТ покрывается тепловой изоляцией 3 толщиной д₃, что приводит к уменьшению перепада давления ?р₅, создаваемого насосом, затрат электроэнергии для создания перепада давления ?р₅ и эксплуатационных расходов на их оплату И₅. Вместе с этим увеличение толщины тепловой изоляции д₃ приводит к увеличению капвложений К₃ в ее приобретение и монтаж.

Таким образом, толщина д₃ тепловой изоляции, величина внутреннего диаметра d₁ ПЖТ и перепад давления ?р₅, создаваемый насосом, оказывают взаимное влияние на величины К_р и И_р, а следовательно, являются управляющими параметрами модели оптимизации двустенного теплоизолированного трубопровода СУГ.

В целях определения оптимальных параметров защитного футляра с заключенным в него трубопроводом впервые разработана математическая модель, включающая критерий оптимальности целевой функции (35), балансовое уравнение тепловой энергии (36) [(37)], систему ограничений управляющих параметров (38), уравнения для элементов затрат (39) ? (50) и позволяющая определять оптимальные диаметр и толщину тепловой изоляции футляра, диаметр заключенного в футляр парожидкостного трубопровода и потери давления при течении СУГ:

З_i =a_t И_Р[d₁(л_c,ц_с),д₃, Р₅]+K_Р[d₁(л_c,ц_с),д₃, Р₅](1+а_р)} = min. (35)

Балансовое уравнение тепловой энергии, переданной СУГ через стенки футляра и тепловой изоляции парожидкостной смеси из внешней системы (окружающей среды) Q_t.п и затраченной на испарение части жидкой фазы Q_t.и:

Q_t.п = Q_t.и , (36)

или в развернутом виде:

. (37)

Система ограничений управляющих параметров целевой функции имеет следующий вид:

d_{1 min} d₁ d_{1 max} ; д_{3 min} д₃ д_{3 max}; P_{5 min} P₅ P_{5 max}. (38)

Капитальные вложения K_Р для всех элементов футляра 4, заполненного азотом, со слоем теплоизоляции 3 и с заключенным внутри него парожидкостным трубопроводом определяются по формулам:

К₁= к_{1 1} [(d₁+ 2₁)² ? d₁²] L₁; (39)

К₂ = к₂ [(d₁+ 2₁+2₂)² ? (d₁+ 2₁)²] L₁; (40)

К₃ = к_{3 3} [(d₁+ 2₁+2₂+2₃)² ? (d₁+ 2₁+2₂)²] L₁; (41)

К₄ = к_{4 4} [(d₁+ 2₁+2₂+2₃+2₄)² ? (d₁+ 2₁+2₂ +2₃)²] L₂ ; (42)

И₅(d₁, д₃, Р₅) = С₅ ф₅, (43)

P₅ = Р_о - Р^*; (44)

; ; . (45)

Коэффициенты S₃^* и S₄^* определяются из системы уравнений, полученной с использованием метода неопределенных коэффициентов:

, (46)

; (47)

; (48)

;

; ;

, (49)

где a₂ ,b₂ ,с₂ - численные параметры.

; (50)

? корни многочленов.

Определение оптимальных геометрических параметров двустенного трубопровода согласно целевой функции (35) с учетом (36) ? (50) осуществлялось методом направленного поиска минимума интегральных затрат каждой из независимых переменных градиентным методом. Результаты расчетов по формулам (35) ? (50) показывают, что оптимальные значения внутреннего диаметра жидкофазного трубопровода, толщины тепловой изоляции и перепада давления, создаваемого насосом, составляют соответственно d_1.opt = 14,3 мм, д_3.opt = 8,5 мм, P_{5 opt} = 8·10^-3 МПа. В этом случае к установке принимаются ближайшие стандартные типоразмеры геометрических параметров: d_1.opt.с = 15,0 мм, д_3.opt.с = 9,0 мм.

Оптимальная величина внутреннего диаметра футляра трубопровода СУГ пересчитывается по оптимальным значениям d_1.opt.с , д_3.opt.с следующим образом:

d _{4 оpt.}= d_1.оpt.с+ 2 д₁ +2 д₂ +2 д _3.opt.с = 15 +23,5+24 +29,5 = 49 мм. (51)

В этом случае к установке принимается ближайший стандартный типоразмер: d_4.opt.с = 50,0 мм.

Результаты проведенной оптимизации СКЗ трубопроводов включены в СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию варианта системы комплексной защиты парожидкостных трубопроводов СУГ и оптимизации ее параметров» для дальнейшего практического использования проектно-конструкторскими, монтажными организациями и заводами-изготовителями.

По результатам диссертационных исследований выпущен ряд нормативных документов, разработана техническая документация, согласно которой налажено серийное изготовление предлагаемых СКЗ. В настоящее время на АГЗС, МТАЗС Российской Федерации эксплуатируеюся свыше 185 технологических систем хранения и распределения СУГ, оснащенных предлагаемыми СКЗ.

Основные выводы

1. В результате анализа выявлен высокий уровень пожаро-, взрыво- и экологической опасности существующих резервуаров и трубопроводов СУГ на АГЗС, МТАЗС, ГНС и обоснована необходимость разработки систем комплексной защиты РТ от опасных воздействий.

2. 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. Метод отличается универсальностью и позволяет 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».

3. Разработаны и внедрены новые технические решения комплексной защиты на основе предложенной модели путем заключения резервуаров и трубопроводов в защитные футляры, заполненные азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления.

4. На основе аналитических зависимостей для определения эксплуатационных параметров предлагаемой СКЗ разработаны и внедрены технические решения и даны рекомендации по предотвращению коррозии наружных поверхностей подземных резервуаров и трубопроводов СУГ. Экспериментальная и промышленная проверки подтверждают достоверность предложенных аналитических зависимостей с погрешностью 13,4 %.

5. Предложена экономико-математическая модель, разработаны на ее основе и внедрены рекомендации по оптимизации систем комплексной защиты РТ СУГ, заключенных в полимерный футляр, позволяющие получать достоверные результаты в условиях неопределенности исходной экономической информации.

6. Разработан и внедрен алгоритм обоснования типа СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов. При использовании предлагаемой системы комплексной защиты достигается экономия интегральных затрат в размере 84 %.

7. Даны методические рекомендации по выявлению экономически целесообразной формы и определению оптимальных геометрических параметров защитных полимерных футляров для резервуаров СУГ, позволяющие сократить капитальные вложения в них на 77,9 %.

8. На основе предложенной математической модели разработаны и внедрены рекомендации по определению оптимальных диаметра и толщины тепловой изоляции футляра, диаметра заключенного в футляр парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.

9. На базе полученных аналитических зависимостей и инженерного алгоритма разработана программа определения гидравлических сопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой, использованная в рекомендациях по определению оптимальных параметров футляра парожидкостного трубопровода СУГ.

10. Внедрение результатов исследований в практику проектных, строительных, эксплуатационных организаций и заводов-изготовителей позволяет уменьшить уровень индивидуального риска до значений: Р_инд 10^-8 год^-1. Подтвержденный экономический эффект от внедрения 185 технологических систем хранения и распределения СУГ, оснащенных предлагаемыми СКЗ, составляет 356,0 млн руб.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах

1. Шурайц А.Л. Разработка системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа путем заключения в футляр, заполненный азотом // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2008. - Вып. № 2 (72). - С. 75-85.

2. Усачев А.П., Шурайц А.Л. Определение расчетных параметров систем комплексной защиты подземных резервуара и трубопроводов сжиженного углеводородного газа, заключенных в герметичный футляр, заполненный инертным газом» // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2008. - Вып. № 2 (72). - С. 68-74.

3. Шурайц А.Л. Технико-экономический выбор оптимальной формы герметичного футляра с азотом, с заключенным в него подземным резервуаром сжиженного углеводородного газа // Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6. - № 2. - С. 47-56.

4. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Гумеров А.Г. Математическая модель оптимизации системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа путем заключения в футляр, заполненный азотом // Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6. - № 2. - С. 38-46.

5. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А. Применение системного подхода к разработке систем обеспечения безопасности хранилищ сжиженного газа МИНИ-ТЭС // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, 2007. - Вып. 1. - № 2 (24). -С. 140-150.

6. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Разработка математической модели оптимизации геометрических параметров полимерной оболочки системы обеспечения герметичности подземных резервуаров сжиженного углеводородного газа // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, 2007. - Вып. 2. - № 1 (22). - С. 63-70.

7. Усачев А.П., Шурайц А.Л. Модель по определению газодинамических сопротивлений при течении парожидкостных смесей в трубопроводах сжиженных углеводородных газов в условиях их теплообмена с окружающей средой // Вестник СГТУ. - Саратов: СГТУ, 2007. - Вып. 1. -№ 2 (24). - С. 128-139.

8. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А. Алгоритм разработки систем обеспечения промышленной безопасности опасных производственных объектов (на примере установок хранения СУГ) // Безопасность труда в промышленности. - 2005. - № 7. - С. 5-10.

9. Шурайц А.Л. Современное состояние и мероприятия по повышению промышленной безопасности технологических систем хранения сжиженных углеводородных газов // Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 2. - С. 23-26.

10. Рубинштейн С.В., Шурайц А.Л. Расчет потерь напора в трубопроводах сжиженных газов // Газовая промышленность. - 1985. - № 9. - С. 47.

11. Шурайц А.Л. Номограмма для гидравлического расчета трубопроводов жидкой фазы пропан-бутана // Газовая промышленность. - 1989. - № 1. - С. 63.

12. Шурайц А.Л. Определение диаметра трубопроводов систем снабжения сжиженным газом // Газовая промышленность. - 1988. - № 2. - С. 47.

13. Шурайц А.Л., Щуркин Е.П., Рубинштейн С.В. Система жидкофазного газоснабжения // Газовая промышленность. - 1988. - № 11. - С. 38-40.

Научно-технические статьи, патенты, нормативные источники

14. Одишария Г.Э., Шурайц А.Л., Рубинштейн С.В. Экспериментальные исследования истинного паросодержания в потоке сжиженных углеводородных газов // Магистральный транспорт природного газа: Сб. статей / ВНИИГАЗ. - М., 1989. - С. 31-45.

15. Шурайц А.Л., Рубинштейн С.В., Морозова Н.Н. Особенности эксплуатации систем снабжения сжиженными газами с подачей жидкой фазы // Газовая промышленность. Сер. «Передовой производственный и научно-технический опыт, рекомендуемый для внедрения в газовой промышленности»: Информ. сб. -М.: ВНИИЭгазпром, 1989. - Вып. 5. - С. 78-81.

16. А.с. 1652826 РФ, МПК 5 G 01 F 23. Устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре / С.В. Рубинштейн, А.Л. Шурайц, М.Н. Народицкий (РФ). - 4620950; Заявлено 19.12.1988; Опубл. 30.05.1991, Бюл. 20.

17. Шурайц А.Л. Технология снабжения пропан-бутаном с использованием жидкой фазы // Повышение технического уровня и качества продукции на основе достижений научно-технического прогресса газовой промышленности. Тез. докл. отрасл. семинара. - М.: ВНИИЭгазпром,1989. - С. 57-58.

18. Свидетельство на полезную модель № 18564. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.В. Фролов и др. (РФ). - М., 2001. - 8 с.

19. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В., Усачев М.А. Повышение пожаро-, взрыво- и экологической безопасности установок хранения сжиженного углеводородного газа // Полимергаз. - 2001. - № 1. - С. 36.

20. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Проблемы реализации нормативных требований при разработке технологического оборудования газовых и многотопливных АЗС // Проблемы нормотворчества в газораспределительной подотрасли - современное состояние и перспективы. Матер. 1-ой Всеросс. научн.-техн. конф. - Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2001. - С. 59-68.

21.Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Определение оптимальной формы подземных резервуаров сжиженных углеводородных газов, располагаемых в полимерных футлярах // Вопросы совершенствования систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. научн. сб. - Саратов: СГТУ, 2002. - С. 21-27.

22. Усачев А.П., Фролов А.В., Шурайц А.Л. Выбор оптимальных геометрических и конструктивных параметров наружного футляра подземных резервуаров СУГ с повышенным уровнем пожаро-, взрыво- и экологической безопасности // Вопросы совершенствования систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. научн. сб. - Саратов: СГТУ, 2002. - С. 35-42.

23. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Анализ коррозионных воздействий и эффективности работы систем коррозионной защиты подземных установок хранения сжиженного углеводородного газа // Газ России. - 2002. - № 4. - С. 15-17.

24. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Выбор типа и марки инертной среды для заполнения межстенного пространства двустенного резервуара СУГ // Перспективы использования сжиженных углеводородных газов. Матер. Российск. научн.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, ОАО «Росгазификация», ОАО «Гипрониигаз», 2003. - С. 46-55.

25. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Курицын Б.Н., Фролов А.В. Применение системного подхода при разработке систем коррозионной защиты установок хранения и распределения сжиженного углеводородного газа на многотопливных и газовых автозаправочных станциях // Газ России. - 2003. - № 1. - С. 18-20.

26. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Современное состояние и направления развития систем коррозионной защиты технологических систем хранения СУГ на газовых и многотопливных АЗС // Перспективы использования сжиженных углеводородных газов. Матер. Российск. научн.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, ОАО «Росгазификация», ОАО «Гипрониигаз», 2003. - С. 12-19.

27. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Оценка уровня пожаро-, взрывоопасности подземных резервуаров СУГ, заключенных в футляры, заполненные инертным газом // Перспективы использования сжиженных углеводородных газов. Матер. Российск. научн.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, ОАО «Росгазификация», ОАО «Гипрониигаз», 2003. - С. 35-45.

28. ПБ 12- 609-03. Правила безопасности для объектов, использующих сжиженные углеводородные газы / А.Л. Шурайц, Б.А. Красных, А.А. Сорокин, А.С. Нечаев, А.А. Феоктистов. - М.: ГУП НТЦБП Госгортехнадзора России, 2003. - 104 с.

29. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В., Лурье Т.А. Выявление и исследование режимов бескоррозионной эксплуатации подземного резервуара сжиженного углеводородного газа, заключенного в полимерную оболочку, заполненную инертным газом // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2004. - С. 98-110.

30. Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации АГЗС / А.Л. Шурайц, Ю.Н. Вольнов, М.С. Недлин. - Саратов: Сателлит, 2004. - 200 с.

31. Высоцкий Л.И., Усачев А.П., Шурайц А.Л. Разработка математической модели гидродинамического расчета жидкофазных трубопроводов сжиженных углеводородных газов // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 74-90 .

32. Шурайц А.Л. Экспериментальные исследования гидродинамических сопротивлений в распределительных трубопроводах насыщенной жидкой фазы СУГ в условиях их теплообмена с окружающей средой // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 91-109.

33. Шурайц А.Л. Разработка алгоритма и номограммы расчета гидродинамических параметров систем распределения жидкой фазы СУГ // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 131-148.

34. Шурайц А.Л. Определение оптимальных геометрических размеров оболочки системы обеспечения герметичности подземных резервуаров сжиженных углеводородных газов // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. Межвуз. научн. сб. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - С. 87-97.

35. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Фролов А.В. Выбор оптимальных конструктивных параметров полимерной оболочки системы обеспечения герметичности подземных резервуаров СУГ // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Межвуз. научн. сб. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - С. 98-107.

36. Шурайц А.Л. Разработка математической модели оптимизации и обоснования варианта систем обеспечения герметичности подземных резервуарных установок СУГ // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Межвуз. научн. сб. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - С. 71-97.

37. Шурайц А.Л., Усачев А.П. Системы обеспечения безопасности установок хранения и распределения СУГ // Матер. 1-ого Российского конгресса по газораспределению и газопотреблению. - С.-П.: Росгазэкспо, 2007. - С. 94-102.

38. Свидетельство № 13356 от 27.02.2008. Метод разработки новых технических устройств, способов, веществ с заданным уровнем требований на основе системного подхода / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.А. Феоктистов, А.Ю. Фролов, А.В. Рулев. - М.: Российское авторское общество, 2008. - 10 с.

39. Усачев А.П., Шурайц А.Л. Системы комплексной защиты подземных установок хранения и транспорта сжиженного углеводородного газа путем заключения в футляр, заполненный азотом // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2008» - Уфа, 2008. - С. 297-299.

40. Методика гидравлического расчета системы снабжения потребителей сжиженным газом с подачей жидкой фазы / А.Л. Шурайц, С.В. Рубинштейн, М.С. Недлин. - Саратов: Гипрониигаз, 1986. - 43 с.

41. Усачев А.П., Шурайц А.Л. Оптимизация систем комплексной защиты жидкофазных трубопроводов СУГ, заключенных в герметичные теплоизолированные футляры // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Межвуз. научн. сб. / СГТУ. - Саратов, 2008. - С. 71-97.

42. СТО 17446935-1-2008. Технические решения по обеспечению герметичности установок хранения и распределения сжиженных углеводородных газов путем заключения их в футляр с азотом / А.Л. Шурайц, А.А. Феоктистов, А.П. Усачев, А.Ю. Фролов, А.В. Рулев. - Саратов, 2008. - 11 с.

Размещено на Allbest.ru