Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы обеспечения энергетической безопасности и надежности топливно-энергетического комплекса российской федерации. анализ статистики аварий 13
1.1 Актуальность повышения энергетической безопасности топливно-энергетического комплекса страны и методы ее обеспечения 13
1.2 Проблемы обеспечения надежности при топливоснабжении энергетических комплексов 19
1.3 Меры по обеспечению надежности подводящих газопроводов при топливоснабжении энергетических комплексов 26
1.4 Пути совершенствования систем топливоснабжения в целях улучшения социально- экономических условий жизни населения 27
1.5 Анализ статистики аварий на газопроводах и причины их возникновения 30
1.6 Классификация разрывов по причинам их возникновения 44
1.7 Наиболее распространенные методы определение места утечки на подводящем газопроводе высокого давления и их недостатки 48
1.8 Наиболее распространенные методы расчета газовых эмиссий при прорыве подводящего газопровода и их недостатки 50
1.9 Постановка целей и задач по диссертационному исследованию 52
1.10 Выводы по первой главе 53
2. Определение места утечки на подводящем газопроводе высокого давления при топливоснабжении энергетических систем и комплексов 55
2.1 Уравнение состояния природного газа 55
2.2 Движение газа через трубопровод. Гидравлическое трение 57
2.3 Распределение давления по длине газопровода в штатном режиме
2.4 Характеристики природного газа 63
2.5 Математическая модель определения места утечки на подводящем газопроводе высокого давления 64
2.6 Варианты граничных условий при работе подводящего газопровода в аварийном режиме 66
2.7 Распределение давления по длине подводящего газопровода к энергокомплексу от газораспределительной станции «Avacon AG Netzleitstelle» в штатном и аварийном режимах 70
2.8 Минимальный размер отверстия, диагностируемого разработанной методикой 74
2.9 Выводы по второй главе 81
3. Математичекое моделирование расчета газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии на подводящем газопроводе высокого давления 83
3.1 Термодинамические основы истечения идеальных газов 83
3.2 Теория истечения реальных газов 89
3.3 Коэффициент расхода для некруглых отверстий с острыми кромками 93
3.4 Разработка математической модели для определения количества газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии. Критический режим 103
3.5 Разработка математической модели для определения количества газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии. Подкритический режим 108
3.6 Коэффициент сжимаемости и показатель адиабаты природного газа 113
3.7 Выводы по третьей главе 118
4. Расчет экономической эффективности
Энергетических комплексов при внедрении математической модели определения места аварии на подводящем газопроводе высокого давления 120
4.1 Повышение экономической эффективности энергетического комплекса при внедрении разработанного метода определения места утечки при прорыве подводящего газопровода высокого давления 120
4.2 Экономия стоимости различных видов резервного топлива для энергокомплекса при использовании разработанного метода диагностики 126
4.3 Влияние разработанного метода обнаружения утечки на структуру энергетической системы посредством изменения схемы резервного топливоснабжения 130
4.4 Выводы по четвертой главе 146
Заключение 148
Список сокращений и условных обозначений 150
Список литературы 152
- Пути совершенствования систем топливоснабжения в целях улучшения социально- экономических условий жизни населения
- Движение газа через трубопровод. Гидравлическое трение
- Коэффициент расхода для некруглых отверстий с острыми кромками
- Влияние разработанного метода обнаружения утечки на структуру энергетической системы посредством изменения схемы резервного топливоснабжения
Пути совершенствования систем топливоснабжения в целях улучшения социально- экономических условий жизни населения
Наджность транспортировки и топливоснабжения энергопредприятий природным газом определяется, в первую очередь, техническим состоянием подземных хранилищ газа, линейной части магистральных газопроводов, подводящих газопроводов, а также оборудования газораспределительных и компрессорных станций [9, 10].
Техническое оснащение и эксплуатационное состояние линейной части газопроводов определяются в наибольшей степени сроком их эксплуатации [11 ]. Среди основных проблем технического состояния объектов линейной части можно выделить [12]: - значительную протяжнность газопроводов, построенных в 1980-е гг. с использованием в качестве изоляционного наружного покрытия полиэтиленовой ленты, имеющей срок службы немногим более 10 лет; - наличие участков газопроводов с коррозионными дефектами; - необходимость повышения наджности и промышленной безопасности газопроводов. Но главной проблемой энергетического оборудования является его моральный и физический износ. В результате физического и морального износа мощностей создался дефицит производительности газопроводов – отводов и газораспределительных станций, с учтом их годовой и пиковой загрузки, что не позволяет полностью удовлетворить потребность в газе.
В системе газораспределения России на данный момент имеется немало факторов, которые препятствуют совершенствованию газораспределительных систем и систем топливоснабжения, повышению их технического уровня. Многие отечественные ученые, такие как, Поршаков Б.П., Апостолов А.А., Никишин В.И., Чарный И.А., Белоконь Н.И, Черникин В.И., и многие другие уделяли данной задаче большое внимание.
Как отмечено в [13] виды топлива для энергетических комплексов, а также необходимость резервного или аварийного вида топлива устанавливаются с учетом категории энергетического комплекса, исходя из местных условий эксплуатации, по согласованию с топливоснабжающими организациями.
Топливоснабжение энергетического комплекса природным газом является ответственным и опасным мероприятием. Необходимо учитывать возможность аварийной остановки энергетического комплекса, вследствие прорыва подводящего газопровода, и принимать незамедлительные меры по обнаружению и ликвидации аварии. Согласно ГОСТ Р 54961-2012 «Системы газораспределительные. Сети газопотребления. Общие требования к эксплуатации. Эксплуатационная документация» [14], который устанавливает общие технические требования к эксплуатации сетей газопотребления на энергопредприятиях и котельных, составу и оформлению эксплуатационной документации, составляется соответствующий акт разграничения балансовой принадлежности предприятия. Газифицированные предприятия, такие как котельные и энергокомплексы должны иметь собственные газовые службы или договоры с эксплуатационными организациями, оказывающими на законном основании услуги по техническому обслуживанию и ремонту сетей газопотребления на опасных производственных объектах. В соответствии с актом балансовой принадлежности, работы по содержанию в исправном и работоспособном состоянии сетей газопотребления (подводящих газопроводов к энергообъектам) осуществляются эксплуатационными организациями энергокомплекса. Владельцы энергетических комплексов, эксплуатирующие подводящие газопроводы, должны обеспечивать их содержание в исправном и работоспособном состоянии путем проведения комплекса работ, предусмотренных требованиями стандарта [14]. В договорах оказания услуг по техническому обслуживанию и ремонту сетей газопотребления определяются объемы работ, выполняемых эксплуатационными организациями, установлены границы эксплуатационной ответственности и обязательства эксплуатационных организаций и владельцев газифицированных зданий (помещений) по обеспечению условий безопасной эксплуатации сетей газопотребления [14].
Энергетическое оборудование в топливно-энергетическом комплексе во время эксплуатационных нагрузок находится под воздействием различных факторов (агрессивных сред, атмосферных осадков, механической и электрической нагрузок), которые могут негативно отразиться на работе всего комплекса в целом. При значительном воздействии, возможны изменения основных проводниковых и электроизоляционных свойств, изменения в конструкции материалов энергетических установок и их составляющих. И как следствие этого, возможно возникновение прорыва в изоляции, механические повреждения, аварийные остановки оборудования и различные нештатные ситуации, которые приводят к отключению составляющего оборудования энергетического комплекса и перерыву в генерации и поставке энергии потребителю.
Движение газа через трубопровод. Гидравлическое трение
Система топливоснабжения природным газом субъектов Российской Федерации, объектов производственных предприятий и энергетической составляющей — это многопрофильная сфера деятельности, имеющая в своем составе взаимозависимые, но достаточно самостоятельные энергетические и газовые компании, ведомства социальной и производственной сферы. В общей сложности в данной области задействовано несколько тысяч топливно-энергетических предприятий и организаций, на которых численность работающих — более полумиллиона человек. К потребителям производимых услуг относятся практически все жители и хозяйствующие субъекты экономики Российской Федерации. Принимая во внимание масштабы всей системы топливоснабжения энергопредприятий Российской Федерации природным газом, необходимо принимать своевременные меры, обеспечивающие безопасную эксплуатацию подводящего газопровода. Еще на этапе проектирования в подводящие газопроводы необходимо закладывать значительный запас эксплуатационной надежности, позволяющей им на протяжении не одного десятилетия бесперебойно доставлять природный газ потребителю. Такие масштабные мероприятия, в которых задействованы как различная техника, так и большой человеческий потенциал, предопределяют объем техногенного воздействия на окружающую флору и фауну.
Учитывая тот факт, что топливно-энергетическая промышленность в нашей стране находится под большой загруженностью, не редки случаи аварийности в данном секторе. Возможен выход из строя отдельной части (структуры) или целого комплекса, что приводит к значительным финансовым затратам. При крупных авариях не редки случаи загрязнения окружающей флоры и фауны, а также не исключены случаи нанесения вреда здоровью или даже летального исхода обслуживающего персонала. Все перечисленные последствия необходимо максимально минимизировать, а в идеальном случае - предугадывать и исключать. Очень важным является изучение процесса, связанного с разгерметизацией газопровода (аварией) и истечением продуктов природного газа в атмосферу.
В отечественной литературе [45] можно встретить методы расчета выбросов газа при аварийных и залповых выбросах в системах газоснабжения. Указанный расчет ведется в зависимости от размера аварийного отверстия и давления в газопроводе.
Вышеупомянутый расчет, однако, учитывает только истечение газа в сверхкритической области. Необходимо производить расчет для двух режимов истечения – критического и подкритического. В данном расчете не учитывают фактор сжимаемости z. К тому же в расчете не принимают во внимание коэффициент сужения струи и, как следствие, не учтен коэффициент расхода , который напрямую зависит от геометрических параметров разрыва (отверстия) и оказывает большое влияние на конечный результат. Так, коэффициент расхода для устьев с острыми кромками имеет расхождение от устьев с хорошо закругленными краями около 40 %, а вследствие этого, и погрешность расчета увеличивается в большей или меньшей степени пропорционально. Все это необходимо принимать во внимание во время расчета. В упомянутой литературе [46, 47, 48] также не рассматривается определение времени истечения газа при прорыве, что является важным показателем, который необходимо установить при эксплуатации подводящего газопровода при топливоснабжении энергообъектов.
На основании действующих стандартов [40, 41, 47, 48, 49] предусматривается план локализации и ликвидации разрывов на газопроводах, однако в данных стандартах не предписана методика расчета газовых эмиссий и времени истечения газа.
Все эти перечисленные факторы являются серьезной предпосылкой для дальнейших исследований в этой области. Четвертая глава посвящена разработке математической модели расчета газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии на подводящем газопроводе при топливоснабжении энергетических систем и комплексов с учетом фактора сжимаемости и коэффициента расхода для некруглых отверстий с острыми кромками, которая позволит оперативно рассчитывать массовый расход и время опорожнения газопровода при эксплуатации в режиме реального времени.
На основании анализа литературных источников по исследованному вопросу была сформулирована основная цель работы, которая заключается в повышении надежности энергетических объектов путем разработки эффективных методов диагностики подводящих газопроводов высокого давления, как элементов структуры топливоснабжения энергетических комплексов при возникновении аварийных и нештатных ситуаций. Необходима разработка математической модели, позволяющей рассчитывать время истечения газа и газовых эмиссий, при образовании утечки, а также определять место утечки при возникновении аварии. Реализация данных методов даст возможность значительно повысить эксплуатационную эффективность топливоснабжения энергетических систем и комплексов, позволит снизить негативное воздействие продуктов природного газа на окружающую среду, за счет своевременного реагирования на аварийные ситуации, уменьшая время восстановления энергокомплекса во время аварии, приводя к сокращению финансовых затрат и повышая надежность энергокомплексов.
Коэффициент расхода для некруглых отверстий с острыми кромками
Термодинамическая теория течения и истечения газов имеет большое прикладное значение в современной теплоэнергетике. Целый ряд технических расчетов основывается на закономерностях, которые вытекают из рассмотрения и исследования термодинамики процессов течения и истечения газов. Только для истечений с небольшим изменением давлений, при котором изменение объема из-за изменений давлений может не учитываться, действуют законы истечения жидкостей. Но как только изменение давления влечет за собой изменение объема, следует истечение по другим законам. При этом изменяется объем газа во время истечения соответственно уравнению состояния обратно пропорционально давлению [75 - 78]. Все похожие наблюдения, при одинаковом числе Рейнольдса, в сравнении между истечениями жидкостей и газов являются действительными. Рассмотрим сначала термодинамические основы истечения идеальных газов, т.е. истечения без трения через отверстия и сопла.
Уравнение неразрывности струи. Для стационарного одномерного течения справедливо уравнение неразрывности (Рисунок 3.1) [75 - 79]: (3.1) Для несжимаемых сред зависимость (3.1) принимает следующую форму ( ): . (3.2) Сечение A Плотность р
Из него следует, что в случае установившегося течения газа в каждом сечении потока, расход газа по массе является постоянной величиной. Первый закон термодинамики в применении к потоку движущегося газа.
В процессах изменения состояния движущегося с конечной скоростью газа теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы (против внешних сил), но и на приращение внешней кинетической энергии газа при его перемещении по каналу. Поэтому уравнение первого закона термодинамики для 1 кг газа в дифференциальной форме получает следующий вид [80]: (3.3) где dq - подведенное удельное количество теплоты от внешних источников теплоты; du - изменение удельной внутренней энергии; dl - работа против внешних сил - работа проталкивания; - изменение внешней кинетической энергии рабочего тела - располагаемая работа. Изменение кинетической энергии рабочего тела может происходить как в трубах постоянного сечения, так и в специальных каналах переменного сечения, называемых соплами и диффузорами. Если при перемещении газа по каналу происходит его расширение с уменьшением давления и увеличением скорости, то такой канал называется конфузором. Если в канале происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и уменьшением скорости, то такой канал называется диффузором.
Рассмотрим процесс обратимого, т.е. без трения, адиабатного истечения газа из сопла-конфузора, соединенного с газовым резервуаром большого объема. Объем резервуара предполагаем настолько большим, что истечение газа через сопло в течение рассматриваемых промежутков времени не приводит к сколько нибудь заметному уменьшению давления газа в резервуаре (Рисунок 3.2). Параметры газа в резервуаре обозначим , а давление газа на выходе из сопла . Будем считать, что скорость газа в емкости равна нулю. Скорость газа на срезе сопла обозначим [80]. Рисунок 3.2 – Адиабатное истечения газа из сопла, соединенного с газовым резервуаром большого объема [80] Определим скорость истечения газа из сопла из первого закона термодинамики (3.3) [80]: (3.4) для определения перепада энтальпий целесообразно пользоваться h,s – диаграммой. Скорость истечения можно определить также и из уравнения Бернулли [81] для адиабатного потока:
Решаем уравнение (3.5) относительно скорости истечения : или (3.6) Предполагая истечение адиабатным, используем формулу Пуассона для адиабатного процесса: (3.7) тогда получим: (3.8) Объем газа, вытекающего из сопла в единицу времени, равен: где – удельный объем газа в выходном сечении сопла, м/кг. С другой стороны, эта же величина может быть определена: где – площадь выходного сечения сопла, м. Отсюда следует,что: Заменяя в этом соотношении с помощью уравнения адиабаты, представляемого в виде: получаем: Подставляем в эту зависимость скорость (3.8), получим:
Анализ характера зависимости массового расхода от отношения давления газа на выходе из сопла к давлению перед соплом , даваемый уравнением (3.9), (обозначим эту величину ) показывает, что зависимость имеет вид, представленный на Рисунке 3.3 (кривая 1-К-0, здесь полагается, что давление равно давлению окружающей среды). Очевидно, что при = 1. При дальнейшем уменьшении значение начинает возрастать, достигая максимума при некотором . При дальнейшем уменьшении значение в соответствии с уравнением (3.9) уменьшается, обращаясь в ноль при = 0. Рисунок 3.3 – Зависимость массового расхода от отношения давления газа на выходе из сопла к давлению перед соплом [80] Обозначая величину для , через , получаем: (3.10) Отношение давлений, при котором массовый расход достигает своего максимума и таким образом, вытекает наибольшее количество газа, называется критическим отношением давлений [82-85]. Это отношение может быть получено для любого k:
При критическом давлении в устье сопла скорость и удельный объем газа, достигнув критических значений, остаются постоянными. Вследствие этого остается постоянным и массовый расход газа. Численные значения для большинства газов и паров лежат в пределах 0,528 — 0,577. Таким образом, критическое давление газа в устье сопла не может быть меньше половины начального его давления, каким бы большим ни было значение начального давления , или как бы мало ни было конечное давление в пространстве, куда вытекает газ.
Влияние разработанного метода обнаружения утечки на структуру энергетической системы посредством изменения схемы резервного топливоснабжения
Энергосбережение, а также рациональное использование поставляемого топлива на объектах энергетической и промышленной отраслей страны является основополагающим мероприятием улучшения финансовой составляющей страны. Обеспечение энергетической безопасности является приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации, критических технологий Российской Федерации (согласно Указу Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899), а также соответствует государственной программе «Энергосбережение и повышение экономической эффективности на период до 2030 года» и Федеральному закону от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" (с изменениями и дополнениями).
Расчет экономической эффективности при внедрении математической модели по определению места утечки на подводящем газопроводе высокого давления выполнен в соответствии с РД 03-496-02 «Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах» [95].
Схематично структура ущерба от аварии может быть представлена следующим образом (Рисунок 4.1) [95]:
В результате аварии были исключены потери, которые фактически не были зафиксированы: - потери, которые складываются в результате уничтожения основных фондов, товарно- материальных ценностей и причинения ущерба имуществу третьих лиц; - социально- экономические потери, складывающиеся вследствие гибели/ травмирования персонала, третьих лиц; - потери от выбытия трудовых ресурсов. 122 Общий ущерб от аварии может быть выражен в общем виде формулой: , (4.1) где – затраты на локализацию (ликвидацию) и расследование аварии; – экологический ущерб (урон, нанесенный объектам окружающей природной среды); – косвенный ущерб; – ущерб от перехода на резервное топливо. 1) – затраты на локализацию (ликвидацию) и расследование аварии можно определить по формуле: , (4.2) где – расходы, связанные с обнаружением аварии; – расходы, связанные с локализацией и ликвидацией последствий аварии; – расходы на расследование аварии. Обнаружение аварии по разработанному алгоритму составляет около 2 часов, что максимально снижает расходы, связанные с обнаружением аварии и составляют – 100 ; Прежние расходы составляли – 1000 , при времени поиска аварии – 20 часов.
Расходы, связанные с ликвидацией и расследованием аварии , составят: - непредусмотренные выплаты заработной платы (премии) персоналу при ликвидации и локализации аварии – 1300 ; - специализированные организации к ликвидации аварии не привлекались; - стоимость материалов, израсходованных при локализации (ликвидации) аварии – 500 . Таким образом, потери на ликвидацию аварии: = 1300 + 500 = 1800 . Расходы на мероприятия, связанные с расследованием аварии – 1000 . Таким образом, расходы на обнаружение, ликвидацию и расследование причин аварии составят по формуле (4.2): = 100 + 1800 + 1000 = 2900 . 123 2) – экологический ущерб, рекомендуется определять, как сумму ущербов от различных видов вредного воздействия на объекты окружающей природной среды: , (4.3) где – ущерб от загрязнения атмосферы; – ущерб от загрязнения почвы; – ущерб, связанный с уничтожением биологических ресурсов. Экологический ущерб от выбросов природного газа в атмосферу, загрязнением почвы и уничтожением биологических ресурсов, составил: . 3) – косвенный ущерб, определяется уплатой различных неустоек, штрафов, пени и пр. Убытки, вызванные уплатой различных штрафов, пени принимаются равными 100 , либо полностью исключаются за счет того, что авария была вызвана не по вине сотрудников предприятия. = 100 . 4) – ущерб от перехода на резервное топливо. Ниже будет рассмотрен реальный случай возникновения утечки на подводящем газопроводе высокого давления.
При топливоснабжении объекта «Salzgitter AG» природным газом (основное топливо) от станции «Avacon AG Netzleitstelle» (Salzgitter, Germany) произошла утечка газа вследствие коррозионного воздействия. На ликвидацию аварии было потрачено около 20 часов на обнаружение утечки и 52 часа на ее локализацию. На время локализации утечки отопительное оборудование: три напольных газовых конденсационных котла Logano plus SB625, общей мощностью 660 кВт, было переведено на резервное дизельное топливо. Экономический убыток от замещения основного топлива резервным представлен в Таблице 4.1.
Вид топлива Часовойрасходтоплива Объемизрасходованноготоплива за 72 часа (3суток) Стоимостьтоплива поданным на 2016год6 Итогозатраты натопливо Основноегазообразное (приработе в штатномрежиме) 78,9 м/час 5681 м 0,476 cent/м 2704 Резервноедизельное (приработе в режиметопливозамещения) 66 кг/час 4752 кг 1,05 /литр 4990 Резервное (альтернативное)Сжиженный углеводородныйгаз (СУГ) (приработе в режиметопливозамещения) 78,9 м/час 5681 м 0,6 cent/м 3408 Разница при замещении основного (природный газ) топлива резервным (дизельное топливо) составляет: 4990 – 2704 = 2286 . Использование разработанной математической модели и зарегистрированной программы для ЭВМ „LeckSpot позволит обнаруживать предполагаемое место утечки в кратчайшие сроки (предположительно 2 часа). Это сокращает время использования резервного топлива на 18 часов, а, следовательно, приводит к значительной экономии денежных средств.