Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор направлений исследований по по вышению эффективности и безопасности эксплуа тации резервуарных установок сжиженных углеводородных газов с искусственным испарением 16
1.1 Изучение и анализ мероприятий и технических решений по повышению энергетической эффективности резервуарных установок сжиженных углеводородных газов (СУГ) с искусственным испарением 16
1.2 Разработка технических решений по снижению металлоемкости и экономии энергетических ресурсов в резервуарных установках с искусственным испарением 22
1.3 Анализ промышленной безопасности резервуарных установок, оснащенных существующими системами подготовки и регазификации сжиженных углеводородных газов (СУГ) 29
1.4. Выбор направления исследований по повышению эффективности и безопасности резервуарных установок, оснащенных установками искусственной проточной регазификации СУГ 36
Глава 2. Системный анализ опасных воздействий на установки регазификации, инициирующих попадание жидкой фазы суг в газопровод потребителя 39
2.1 Цель и задачи системного анализа опасных воздействий на установки регазификации, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 39
2.2 Системный анализ опасных воздействий примесей и компонентов СУГ на установки регазификации, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 41
2.3. Анализ опасных тепловых и климатических воздействий на установки регазификации СУГ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 51
Глава 3. Разработка модели и конструкции системы защиты установок регазификации, предотвращающей попадание жидкой фазы суг в газопровод потребителя 65
3.1 Актуальность применения системного подхода при создании системы защиты установок регазификации, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 65
3.2 Системный анализ и разработка модели системы защиты установок регазификации с искусственным испарением сжиженных углеводородных газов с заданным уровнем требований 68
3.3 Выявление целевых функций, устанавливающих требования к системе защиты установок регазификации, предотвращающей попадание жидкой фазы в газопровод потребителя 70
3.4 Разработка модели системы защиты установок регази фикации, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 80
3.5 Разработка новых технических предложений по повышению безопасности и эффективности установок регазификации на основе предложенной модели 87
Глава 4. Экспериментальные исследования эксплуатационных параметров предлагаемой систе мы защиты и мероприятия по ее внедрению 102
4.1 Задачи экспериментальных исследований. Описание экспери ментальной установки 102
4.2 Методика экспериментальных исследований, проведение опытов и обработка полученных результатов 109
4.3 Мероприятия по внедрению системы защиты, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя 116
Основные выводы 125
Литература 126
Приложения 143
- Разработка технических решений по снижению металлоемкости и экономии энергетических ресурсов в резервуарных установках с искусственным испарением
- Системный анализ опасных воздействий примесей и компонентов СУГ на установки регазификации, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя
- Системный анализ и разработка модели системы защиты установок регазификации с искусственным испарением сжиженных углеводородных газов с заданным уровнем требований
- Методика экспериментальных исследований, проведение опытов и обработка полученных результатов
Введение к работе
Актуальность работы. В современной отечественной и зарубежной практике энергоснабжения жилищно-коммунальных и промышленных объектов, удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения, все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения потребителей с использованием пропан-бутановых смесей сжиженного углеводородного газа (СУГ) на базе резервуарных установок (РУ) c искусственным испарением (ИИ).
Применение СУГ в качестве основного или резервного энергоносителя в полной мере отвечает технологическим, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям, способствует улучшению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости. Высокая степень диверсификации и автономности систем энергоснабжения на базе СУГ в сочетании с высоким потребительским эффектом делают их применение наиболее предпочтительным при газоснабжении удаленных объектов.
Значительное развитие в настоящее время получает использование СУГ в качестве резервного топлива, особенно для газоэнергоснабжения ряда промышленных предприятий, использующих в качестве основного первичного энергоносителя природный газообразный метан от трубопроводных газораспределительных систем. Аварийное прекращение или недопоставки метана для отдельных предприятий приводят к невозможности возобновления технологического процесса или к значительным материальным ущербам. Здесь, в случаях с перебоями или недопоставками сетевого метана, промышленные потребители переходят на резервное газоснабжение от резервуарных установок пропан-бутановых смесей.
При использовании СУГ в системах резервуарного газоснабжения он, как правило, подвергается регазификации внутри испарительных трубопроводных змеевиков (ИТЗ) проточных регазификаторов с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия, использующих для преобразования жидкой фазы СУГ в паровую фазу, электроэнергию, горячую воду, дымовые газы и устанавливаемых непосредственно на наружном воздухе температурой до минус 40 оС.
Регазификация СУГ в существующих проточных испарителях характеризуется низким уровнем промышленной безопасности, особенно тех его элементов, которые предназначены для предотвращения попадания жидкой фазы в газопровод потребителя, что значительно повышает риск возникновения аварий на газопотребляющих объектах.
В существующих системах защиты проточных испарителей отсутствуют:
- автоматические регулирующие устройства, исключающие снижение температуры паровой фазы на выходе из испарительного устройства до температуры образования жидкой фазы СУГ;
- устройства постоянного автоматического контроля, предотвращающие попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя.
В настоящее время отсутствуют теоретические основы защиты РУ с ИИ от внешних опасных воздействий (ВОВ), инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, не используется системный подход к обеспечению безопасности эксплуатации резервуарных установок.
Нормативные документы (ГОСТ Р 12.3.047-98, ПБ 12-609-03,
СНиП 42-01-2002, СП 42-101-2003) по безопасности эксплуатации резервуарных установок СУГ с искусственным испарением, ряд руководящих материалов, разработанных на основе научных трудов ОАО «Гипрониигаз»,
ГОУ «Саратовский государственный технический университет», ФГУ «ВНИИПО» МУС России, результатов исследований Усачева А.П., Шурайца А.Л., Курицына Б.Н., Рубинштейна С.В., Малкина В.Л., Шебеко Ю.Н., Рулева А.В., Фролова А.Ю., других ученых, рекомендуют оснащение испарителей устройствами постоянного автоматического контроля, предотвращающими попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, оснащение запорными и предохранительными клапанами с герметичностью класса «А» при полном отсутствии протечек, со средним сроком службы не менее 40 лет при отсутствии их текущего ремонта за этот период, снижающими уровень индивидуального риска до величины не более 10-8 год-1.
В этой связи разработка теоретических и прикладных основ безопасного и эффективного функционирования систем защиты РУ с ИИ, предотвращающих попадание жидкой фазы СУГ потребителю, является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» Саратовского государственного технического университета в период 2005-2009 гг. Начиная с марта 2008 года на стадиях изготовления, монтажа и испытания экспериментального и опытно-промышленного образцов, дальнейшей подготовки к внедрению работа выполнялась в рамках Государственной федеральной программы «Старт» по договору с Фондом содействию развития малых форм предприятий в научно-технической сфере № 5733Р/8284, тема «Разработка и освоение ресурсо- и энергосберегающего испарителя сжиженного газа с теплопередачей через слой твердотельного промежуточного теплоносителя».
Цель работы – повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуарных установок с искусственным испарением путем разработки теоретических основ и технических решений по предотвращению попадания жидкой фазы СУГ потребителю.
Основные задачи исследований:
1. Разработка метода создания системы защиты РУ с ИИ, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ потребителю;
2. Выявление внешних опасных воздействий на РУ с ИИ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, и получение аналитических зависимостей, раскрывающих механизм и величину ВОВ;
3. Определение целевых функций, устанавливающих требования к системам защиты РУ с ИИ, предотвращающим попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя;
4. Создание модели системы защиты РУ с ИИ, отвечающей заданным требованиям;
5. Разработка на основе созданной модели новых технических решений по защите РУ с ИИ.
Методы исследований: системный подход при разработке защиты РУ с ИИ от внешних опасных воздействий, математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и математической статистики.
Научная новизна результатов работы
1. Получен алгоритм разработки систем защиты РУ с ИИ по предотвращению попадания жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, позволяющий обеспечить требуемую величину индивидуального риска не более 10-8 год-1.
2. Выявлены внешние опасные воздействия на РУ с ИИ, инициирующие попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, получены аналитические зависимости, раскрывающие механизм их влияния и позволяющие определить величину исследуемых ВОВ.
3. Предложены целевые функции, устанавливающие значение параметров системы защиты, при которых исключается попадание жидкой фазы в газопровод потребителя.
4. На базе выявленных ВОВ и целевых функций разработана модель системы защиты, отличающаяся наличием подсистемы защиты первого уровня и механизма ее контроля, предотвращающих снижение температуры паровой фазы СУГ на выходе из испарителя ниже температуры ее конденсации и подсистемы защиты второго уровня и механизма ее контроля, исключающих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя при выходе из строя подсистемы защиты первого уровня.
Основные защищаемые положения:
1. Алгоритм разработки систем защиты РУ с ИИ;
2. Результаты исследований по выявлению внешних опасных воздействий на РУ с ИИ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, и аналитические зависимости, раскрывающие механизм их влияния на РУ с ИИ и позволяющие определить величину исследуемых ВОВ;
3. Целевые функции, устанавливающие значение параметров системы защиты, при которых исключается попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя;
4. Модель и новые технические решения системы защиты, позволяющие предотвращать попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя;
5. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения предлагаемой системы защиты РУ с ИИ, новая нормативная документация.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Предложенный метод позволяет на основе выявления целевых функций и задания им экстремальных значений получать модели сложных технических систем в различных областях прикладной науки и техники.
2. Разработанные способы и технические решения по повышению эффективности и безопасности эксплуатации РУ с ИИ обеспечивают требуемые степень защиты и величину индивидуального риска не более 10-8 год-1.
Разработанные технические решения защищены патентом № RU 63486 U1 и реализованы в стандарте организации СТО 03321549-003-2009 «Технические решения по применению электрических промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия, оснащенных системой защиты, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя» ОАО «Росгазификация» (утверждены и введены в действие 21 мая 2009 г.), а также в
ПБ 12-609-03 «Правила безопасности для объектов, использующих сжиженные углеводородные газы».
3. Предложенные технические решения внедрены в комплекте технико-эксплуатационной документации, по которой ООО «Наукоемкие технологии» (г. Саратов) осуществляет производство РУ с ИИ, оснащенных разработанными системами защиты по предотвращению попадания жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя.
4. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке спецкурса «Системы хранения и регазификации СУГ» для студентов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета и специализирующихся в строительстве и эксплуатации систем газораспределения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Девятой научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IХ Российского энергетического форума (Уфа, 2009); научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2009); III международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных объектах» (Уфа, 2008); научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках VIII Российского энергетического форума (Уфа, 2008); Российском конгрессе по газораспределению и газопотреблению (Санкт-Петербург, 2006); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2006-2009); научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 2008 и 2009) и ОАО «Росгазификация (Москва, 2009).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (3 из них – в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ), в т.ч. один патент.
Автору принадлежат: постановка задач исследований, их решение, разработка новых технических решений систем защиты, непосредственное участие в экспериментальных исследованиях и опытно-промышленных испытаниях, анализ, обобщение и внедрение результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 157 наименований, четырех приложений. Работа содержит 142 страницы машинописного текста, 28 рисунков.
Разработка технических решений по снижению металлоемкости и экономии энергетических ресурсов в резервуарных установках с искусственным испарением
Анализ эксплуатационных и строительных характеристик электрических испарителей с ТЭН и ИТЗ, заплавленных в массив из алюминия, показывает, что и они имеют свои недостатки. Основной недостаток заключается в необходимости заливки алюминия уже на стадии изготовления, в отличие от испарителей с жидким промежуточным теплоносителем, которые заполняются промежуточным теплоносителем непосредственно перед началом эксплуатации. Это увеличивает затраты на погрузо-разгрузочные операции, монтажные работы на месте эксплуатации и транспортные расходы. Особенно это проявляется при транспортировке готовых изделий на большие расстояния, что является характерным для испарителей СУГ, поскольку заводы-изготовители испарительной техники сосредоточены в центральных районах, а места их широкого применения в окраинных районах России. В этом случае, транспортные расходы становятся соизмеримыми со стоимостью испарителей.
В этой связи, задачей данного подраздела является дальнейшее снижение материалоемкости и капитальных вложений в электрические испарители с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия при сопутствующей экономии энергозатрат.
Основным техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является уменьшение объема ТПТ из алюминия в наружных испарительных установках СУГ.
Испарительное устройство СУГ (рис. 1.1) состоит из сосуда 1, заполненного ТПТ 2 из отвердевшего алюминия с заплавленными в него ИТЗ 4 и ТЭН 3, равномерно расположенными вдоль боковой поверхности ИТЗ 4. Указанный технический результат достигается созданием в центральной части массива из алюминия воздушной цилиндрической полости 5, которая необходима для уменьшения объема и металлоемкости. Боковая поверхность цилиндрической полости расположена на расстоянии 8 по нормали от боковой поверхности ТЭН. При этом не происходит повышения температуры на поверхности ТЭН 3, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости 5, сверх требуемой для этого типа ТЭН [15, 55,57]. Такое решение препятствует образованию трещин, расслоений в месте теплового контакта в период эксплуатации, обеспечивает требуемые прочность и срок службы трубчатых электронагревателей и алюминиевой заливки [42].
Испарительное устройство СУГ работает следующим образом. ТЭН 3 передают тепловую энергию через слой ТПТ из отвердевшего алюминия 2 к ИТЗ 4, расположенному в периферийной части ТПТ. Тепловая энергия, переданная к ИТЗ 4, расходуется в нем на регазификацию СУГ. Поскольку в центральной части ТПТ не имеется никаких тепловоспринимающих элементов, введение здесь воздушной цилиндрической полости 5 для уменьшения его объема и металлоемкости не окажет негативного влияния на количество тепловой энергии, переданной ИТЗ 4. Хороший тепловой контакт отвердевшей алюминиевой заливки 2 с наружными поверхностями, заплавленных в нее ТЭН 3 и ИТЗ 4, обеспечивают между ними интенсивный теплообмен. Здесь, тепловой поток, согласно [35,41,60,91], передается по нормали (под прямым углом) от боковой поверхности ТЭН 3 и также по нормали поступает к боковой поверхности ИТЗ 4, как это показано пунктирными линиями на фрагменте Б рисунка 1.1.
При этом от каждой единицы площади поверхности ТЭН 3, согласно принципу их действия, передается одинаковое количество тепла Q = const, независимо от того: - на каком удалении от ИТЗ 4 находятся точки «В» и «С», расположенные на поверхности ТЭН (см. фрагмент Б рис. 1.1); - с какой средой соприкасаются ТЭН, например, высокотеплопроводной, как алюминий, или низкотеплопроводной как воздух; - какова толщина слоя алюминиевой заливки 5.
Для ТЭН, заплавленных в алюминий, согласно [15], от каждого квадратного сантиметра поверхности их оболочки передается одинаковое количество тепла Q = const =13,0 Вт/см2 при требуемой температуре на ней в размере 250 С. В то же время, ТЭН, предназначенные для нагрева неподвижного воздуха, например, в цилиндрической полости 5, могут нормально эксплуатироваться без повышения температуры сверх требуемой только при Q = const = 2,2 Вт/см2 [15].
Проведенные испытания образца испарителя показали: а) Уменьшение толщины слоя алюминиевой заливки 8 ниже определен ной величины обусловливает увеличение сопротивления теплопередаче при передаче теплового потока Q от поверхности оболочки ТЭН, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости 5, к ИТЗ 4 (см. фрагмент Б рис. 1.1) и, как следствие, увеличение температуры на поверхности оболочки ТЭН, обращенной в сторону воздушной цилиндрической полости 5 выше требуемой, т.е. выше 250 С. При 8 18 мм создаются условия для образования трещин, расслоений в теле алюминиевой заливки между ТЭН 3 и воздушной цилинд рической полостью 5, снижаются прочность, срок службы трубчатых электро нагревателей и алюминиевой заливки. Уменьшение расстояния 8 до нулевого значения, т.е. 8 = 0,00 мм, приведет к соприкосновению боковой поверхности трубчатых электронагревателей 3, предназначенных для нагрева только алю миниевых заливок при Q = const =13,0 Вт/см2, с воздухом цилиндрической полости 5, повышению температуры в точке соприкосновения с воздухом ци линдрической полости, т.е., в точке «С» до температуры плавления стальной оболочки ТЭН и его перегоранию. Выход из строя ТЭН, учитывая его нере монтопригодность и невозможность замены при размещении в алюминиевой отливке, может привести к выходу из строя всего испарительного устройства СУГ. Кроме того, появление сквозных трещин в алюминиевой отливке, окру жающей ТЭН, исключает использование ее в качестве дополнительной оболоч ки, обеспечивающей герметичность испарительного трубного змеевика СУГ, что снижает уровень промышленной безопасности при эксплуатации испари тельного устройства.
Системный анализ опасных воздействий примесей и компонентов СУГ на установки регазификации, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя
Возросшие объемы применения СУГ в качестве топлива для целей газоснабжения вызвали серьёзный рост числа инцидентов и аварийных ситуаций, связанных с образованием кристаллогидратов и льда в запорных устройствах клапанов - отсекателей 2 и регуляторов давления З РУ с ИИ (рис. 1.3).
Образование кристаллогидратов и льда в запорных устройствах клапанов -отсекателей 2 и регуляторов давления 3 приводит к деформации и нарушению герметичности их уплотнительных элементов, попаданию жидкой фазы в газопровод потребителя.
В связи с этим, актуальной задачей является предупреждение появления и накопления свободной воды при производстве, хранении, транспортировке и использовании СУГ в системах резервуарного газоснабжения потребителей.
Согласно требованиям ГОСТ Р 52087 - 2003 [16], вода в сжиженных углеводородных газах бытовых марок должна отсутствовать. В то же время, СУГ, поступающие для нужд газоснабжения, в условиях эксплуатации всегда содержат свободную воду.
В результате системного анализа были выявлены источники возникновения свободной воды и механизмы ее накопления на участках технологической цепочки от завода-поставщика до резервуаров потребителя [115] (рис. 2.2).
Основной причиной возникновения свободной воды является поставка СУГ с завода-изготовителя с более высокой температурой, чем непосредствен но при отпуске потребителям и в условиях эксплуатации подземных резервуар-ных установок. Так, температура сжиженного пропана, отправляемого потребителям, в соответствии ГОСТ Р 52087 - 2003 достигает ti = 45 С (рис. 2.3). В этом случае жидкая фаза, согласно [82], может содержать gj = 6,4 грамма растворенной воды на каждый килограмм пропана. После слива СУГ в железнодорожные и автомобильные цистерны температура пропана постепенно снижается до температуры окружающего воздуха, например, до t2 = 25 С. Это снижение температуры будет сопровождаться переходом части воды из растворенного в свободное состояние (рис. 2.3): в расчете на один килограмм СУГ [82,115]. При последующей заправке подземной установки из автоцистерны в резервуар полезным объемом 4,2 м3 перейдет 15,5 кг, образовавшейся таким образом свободной воды.
В подземном резервуаре, даже в теплое время года, температура газа понижается с t2 = 25 С до t3 = 10 С, то есть до средней температуры грунта, окружающего резервуар в летний период. Тогда из растворенного в свободное состояние дополнительно перейдет часть воды (рис. 2.3): в расчете на один килограмм СУГ, а в подземный резервуар полезным объемом 4,2 м3 дополнительно поступит 6,7 кг воды и ее общее количество в сосуде составит 15,5 + 6,7=22,2 кг.
Таким образом, сжиженные углеводородные газы, отпускаемые потребителю, могут содержать свободную воду даже в том случае, если при проведении анализов на заводе- поставщике она не обнаружена.
Вторым значительным источником поступления воды во все элементы технологической схемы производства, транспорта и хранения СУГ (сосуды завода-поставщика, железнодорожные и автомобильные цистерны, подземные - образование свободной воды из растворённой при снижении температуры СУГ; 2 - поступление воды в сосуды в результате их гидравлических испытаний и пропарки; 3 - попадание дождевой воды и снега в соединительные шланги; 4 - накопление свободной воды на дне подземной резервуарной установки резервуарные установки) является ее неполный слив после проведения гидравлических испытаний сосудов в период их заводской приемки и технического переосвидетельствования (поз. 2 нарис. 2.2).
Как показали анализ и опыт многочисленных освидетельствований, ни одна конструкция сосудов СУГ не обеспечивает полный слив воды после проведения гидравлических испытаний и в процессе эксплуатации. Кроме этого, свободная вода может появиться в результате конденсации водяных паров из воздуха после проведения пневматических испытаний или пропарки сосудов водяным паром во время их дегазации с последующим снижением температуры в резервуаре.
Системный анализ и разработка модели системы защиты установок регазификации с искусственным испарением сжиженных углеводородных газов с заданным уровнем требований
В целях повышения эффективности выполнения научных прикладных работ предлагается обобщенный метод разработки сложных технических устройств с заранее заданными свойствами [77, 104, 105, 108, 112], применительно к системам защиты УР сжиженных углеводородных газов от внешних опасных воздействий, основанный на применении системного подхода.
В основу системного подхода при разработке СЗ регазификатора СУГ с заданным уровнем требований положены известные методические разработки для создания систем энергогазоснабжения [37,38, 63,80,103,117,118] .
Актуальность применения системного подхода при разработке новых систем защиты установок подготовки и регазификации резервуарных установок СУГ с искусственным испарением, а также любых других технически сложных объектов, обусловливается, прежде всего, необходимостью: 1) наиболее полного, объективного и всестороннего рассмотрения поставленной задачи; 2) выявления всей совокупности факторов и ограничений, позитивно и негативно влияющих на достижение поставленной цели; 3) создания установок с максимально возможными показателями, полученными при решении поставленной задачи.
Рассмотрим более подробно последовательность создания систем защиты установок регазификации с искусственным испарением, на основе системного подхода (рис. 3.1).
Характеристика объекта (пункт 1 рис. 3.1). Вначале определяется объект разработки, в качестве которого принимается УР сжиженных углеводородных газов по ГОСТ Р 52087 - 2003. Установки регазификации СУГ согласно Закона «О промышленной безопасности» [120] относятся к опасным производственным объектам, вследствие пожаро и взрывоопасных свойств используемого продукта. Существующие отечественные методы и конструктивное устройство установок регазификации СУГ не отвечают современному уровню требований и прежде всего в части их низкой промышленной безопасности [4-6]. 2. Целью работы (пункт 2 рис. 3.1) является разработка системы защиты установок регазификации с искусственным испарением с заданным уровнем промышленной безопасности. Выделение установки регазификации с искусственным испарением в отдельную систему с установлением ее границ и выявлением структуры (пункт 3 рис. 3.1). Структурная схема УР приведена на рис. 2.1. Переход от УР СУГ к ее структурной схеме позволяет в дальнейшем более эффективно осуществлять разработку новой установки в нужном направлении в соответствие с заданной целью. Опасные внешние воздействия (пункт 4 рис. 3.1). Системный анализ опасных воздействий на установки подготовки и регазификации с искусственным испарением СУГ.
Анализ ВОВ со стороны компонентов и примесей самой жидкой фазы, теплоносителя, газоиспользующих аппаратов потребителя, климатических и факторов места расположения приведен в главе 2 и работах [94 - 97, 114, 115, 116, 121, 122]. Согласно [114,122,97,116] опасными внешними воздействиями на УР, приводящими к попаданию жидкой фазы СУГ потребителю являются воздействия: 1) непредельных углеводородов (FHenp.y); 2) жидких пентан- амиленовых фракций (Fn/a.np); 3) смесей углеводородов (FCMec.y); 4) высоких удельных тепловых потоков теплоносителя (FTen„); 5) недопустимого снижения температуры теплоносителя (FH/T теп.), 6) колебаний расхода СУГ (Fonn); 7) механических частиц (Рм.ч.г.и Рм.ч.т..); 8) климатических факторов (FjomM.); 8) свободной и растворенной воды (FB). Результатом опасных внешних воздействий (пункт 5 рис. 3.1) согласно [14, 122, 97, 116] является попадание жидкой фазы СУГ потребителю, что в конечном случае приводит к возникновению аварийной ситуации. Наиболее опасными результатами внешним воздействием по отношению к УР является недопустимое снижение температуры паровой фазы на выходе из пароперегр ев ателя. Результаты воздействий на УР и систему их защиты, показанные на рисунке 3.3, осуществляются в следующей последовательности: 1.1 — снижение температуры паровой фазы на выходе из перегревательной части ИТЗ ниже температуры конденсации; 1.2 - нарушение или отсугствие механизма контроля и оповещения о функционировании подсистемы защиты первого уровня (ПЗПУ); 1.3 - нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании подсистемы защиты второго уровня (ПЗВУ); 1.4 - попадание жидкой фазы СУГ в регулятор давления и газопровод по требителя. Следующим важным положением системного подхода является выявление целевых функций, устанавливающих требования к системам защиты УР.
Методика экспериментальных исследований, проведение опытов и обработка полученных результатов
Значение t т , полученное согласно целевой функции (3.2) в главе 3: t " = t (Pmax Vmin) + Atnep.(G, tB, uB,dB) + Atcp, устанавливает требование по минимальному значению температуры паровой фазы /" " 55С на выходе из перегрева-тельной части ИТЗ. Значение температуры конца кипения tK (Pmax, Ymin) пропан - бутановой смеси с минимальным содержанием пропана \/ти1 = 50% пропана при Ртах определяется из формул (2.14) - (2.Г6) методом последовательных приближений, а также по диаграмме "температура-состав", согласно [25]. Максимальная температура начала кипения смеси tr при максимальной величине давления в резервуаре Ртах = 0,7 МПа (см. подраздел 3.3.2), согласно формулам (2.14) - (2.16) и диаграмме [25] "температура-состав", составит tr = 32,8 С, а максимальная температура конца кипения составит trK = 44,0 С. Значение минимальной температуры нагрева паровой фазы Atn min (Gmax, tB.min 1 в. max? dB. max) определяется в зависимости от максимального расхода паровой фазы Gmax при минимальной температуре наружного воздуха, его максимальных ВЛаГОСОДержании QBi max И СКОРОСТИ 1)в щах Для участка трубопровода длиной до 1 м, не покрытого тепловой изоляцией, примем Atn mjn =10 С. Плюсовая по правка температуры Atcp, обусловленная неточностью срабатывания датчика температуры, принимаемая в размере Atcp = +1 С. Тогда, согласно Г = tK + Atnep. + Atq, = 44+ 10+ 1= 55 С. Значения минимальной температуры паровой фазы tmm и конечной температуры кипения СУГ tK в испарительно - перегревательном устройстве определяется по показанию термоэлектрических преобразователей. Анализируя показания температур, можно с любой предварительно заданной, точностью зафиксировать экспериментальные значения минимальной температуры перегретой паровой фазы и величину конечной температуры кипения СУГ. Электрические сигналы постоянного тока, поступающие от термоэлектрических преобразователей ТП 0198, анализировались и преобразовывалось в значения температур с помощью многоканальных микропроцессорных приборов ТМ-5122, выпускаемых научно-производственным предприятием «Элемер», г. Москва. Управление приборами ТМ-5122 осуществлялось по программе через последовательный интерфейс с помощью переносного персонального компьютера, типа ноутбук марки Aspire 5101 AWLMi, на базе процессора AMD Turion Processor 64 МК36. Все элементы установки обеспечивают точность измерения температуры в размере 0,1 С. Для обеспечения необходимой точности измерения температуры в размере 0,1 С предварительно проводилась градуировка термоэлектрических преобразователей на установке (рис. 4.4) класса 0,005, состоящей из: - сухоблочного калибратора температуры 1 серии КТ-110, предназначенного для воспроизведения температур в диапазоне от минус 25 до ПО С; - прецизионного многоканального измерителя 2 серии ТМ 5100, предназначенного для высокоточного измерения и контроля температуры; - персонального компьютера 3, на базе процессора семейства Pentium, вклю ченного в состав установки, для повышения качества управления работой систе мы «калибратор-измеритель» и обработки полученных данных. Калибратор КТ-110 позволяет проводить поверку без использования термостатов и приготовления водоледяной смеси.
Охлаждение и нагрев термостати-рующего блока осуществляется с помощью теплообменных элементов, реализующих эффект Пельтье. Управление калибратором КТ-110 и технологическим многоканальным измерителем серии ТМ 5100 может осуществляться как с панелей приборов, так и дистанционно с использованием персонального компьютера, при помощи программного обеспечения, посредством интерфейса RS232. Программное обеспечение предназначено для ускорения, облегчения и обеспечения надежности процесса калибровки измерительных приборов. Установка работает следующим образом (рис. 4.4): градуируемые термоэлектрические преобразователи 4 помещают в твердотельный калибратор температур 1, затем, при помощи компьютера 3, соединенного с технологическим многоканальным измерителем 2 серии ТМ 5100, задаются требуемые значения температур. Программа производит считывание, обработку результатов измерений и выдает конечные зависимости на экран монитора, с возможностью дальнейшей распечатки полученной информации. Пуск опытного образца установки регазификации СУГ (рис. 4.1) производился в определенной последовательности. Вначале осуществлялась подача электрического тока, и с помощью лабораторного автотрансформатора выставлялась ориентировочная мощность, необходимая для испарения заданного расхода газа. Температура промежуточного теплоносителя повышалась до 68 С, после чего открывали подачу сжиженного газа в регазификатор СУГ. Установка заданного расхода газа осуществлялась с помощью регулировочного вентиля, расположенного перед газовым счетчиком 22. Затем производилось регулирование расхода электроэнергии, таким образом, чтобы температура паров на выходе из регазификатора была выше конечной температуре кипения газа на 15-ьЗО С. Запись показаний приборов проводилась после наступления стационарного теплового режима, то есть когда температура паровой фазы на выходе из регазификатора СУГ в течение 30-ИО минут оставалась постоянной. Результаты экспериментальной проверки поддержания постоянной температуры паровой фазы на выходе из испарительного трубопроводного змеевика, в условиях значительной динамики расхода газа, приведены на графике (рис. 4.5).
