Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор направления исследований по повышению эффективности и безопасности резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа 18
1.1 Характеристика эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа, выбор способа их расположения 18
1.2 Анализ существующих методов защиты подземных резервуаров и трубопроводов 29
1.2.1 Анализ существующих антикоррозионных покрытий подземных резервуаров и трубопроводов 29
1.2.2 Анализ эффективности использования катодной (протекторной) защиты подземных резервуаров и трубопроводов от опасного действия электрохимической коррозии и блуждающих токов 35
1.3 Выбор направления исследований по повышению эффективности и безопасности систем защиты резервуаров и трубопроводов СУГ 37
Выводы по главе 1 42
Глава 2. Разработка модели и конструкции системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного о газа 44
2.1 Актуальность применения системного подхода при создании эффективной комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ 44
2.2 Основные положения системного подхода применительно разработке комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ с заданным уровнем требований СУГ 47
2.3 Выявление, анализ и структурирование внешних воздействий на подземные резервуарные установки СУГ 50
2.4 Выявление целевых функций и анализ рзультатов внешних воздействий 59
2.4.1 Выявление целевых функций 59
2.4.2 Анализ результатов внешних воздействий 61
2.5 Задание уровня требований и разработка модели СКЗ 76
2.6 Разработка системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГна основе предложенной модели СКЗ 81
2.7 Проверка соответствия разработанной конструкции системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ заданному уровню требований 85
Выводы по главе 2 106
Глава 3. Исследование эксплуатационных параметров системы омплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов суг 107
3.1 Задачи исследований 107
3.2 Определение типа "и параметров инертного газа, используемого в межстенном пространстве резервуаров и трубопроводов СУГ 108
3.3 Выявление и исследование режимов безкоррозионной эксплуатации сосудов СУГ, заключенных в герметичный футляр, заполненный газообразным азотом 116
3.4 Экспериментальная проверка эксплуатационных параметров системы комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ, заключенных в полимерном футляре 125
3.4.1 Цель и методика рроведения экспериментальной проверки системы комплексной защиты 125
3.4.2 Оценка систематических ошибок при определении теоретических величин давления, температуры и относительной влажности инертного газа 132
3.4.3 Определение погрешности измерений опытных величин 139
3.4.4 Обработка и анализ полученных результатов 140
Выводы по главе 3 149
Глава 4. Оптимизация систем комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа 150
4.1 Основные положения системного анализа при оптимизации систем комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ... 150
4.2 Разработка математической модели оптимизации систем комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ 161
4.3 Использование предлагаемой математической модели для обоснования варианта комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ 167
4.4 Определение оптимальной формы полимерного футляра подземного резервуара сжиженного углеводородного газа 177
4.5 Выбор оптимальных геометрических параметров полимерного футляра подземного резервуара СУГ 187
Выводы по главе 4 201
Глава 5. Разработка основ расчета и оптимизация параметров полимерного футляра и заключенного в него парожидкостного трубопровода СУГ ... 202
5.1 Актуальность исследования параметров полимерного футляра и заключенного в него парожидкостного трубопровода СУГ 202
5.2 Теоретические предпосылки к вопросу исследования гидравлмческих параметров парожидкостных трубопроводов СУГ 206
5.3 Разработка математической модели гидродинамического расчета паро-жидкостных трубопроводов сжиженных углеводородных газов в условиях их теплообмена с окружающей средой 211
Выводы по подразделу 5.3 224
5.4 Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений в парожидкостных трубопроводах СУГ в условиях их теплообмена с ок ружающей средой 224
5.4.1 Описание экспериментальной установки и методов определения основных параметров * 224
5.4.2 Методика проведения экспериментальных исследований 231
5.4.3 Результаты измерений и обработка эксперментальных данных 240
Выводы по подразделу 5.4 248
5.5 Разработка алгоритма расчета гидравлических сопротивлений и диаметров трубопроводов СУГ для пробкового режима течения парожид-костных смесей СУГ в условиях теплообмена с окружающей средой 248
Выводы по подразделу 5.5 271
5.6. Определение оптимальных геометрических параметров защитного фут-
ляра- парожидкостного трубопровода СУГ 272
Выводы по подразделу 5.6 279
Основные выводы 280
Литература
- Анализ существующих методов защиты подземных резервуаров и трубопроводов
- Основные положения системного подхода применительно разработке комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ с заданным уровнем требований СУГ
- Определение типа "и параметров инертного газа, используемого в межстенном пространстве резервуаров и трубопроводов СУГ
- Использование предлагаемой математической модели для обоснования варианта комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Относительно невысокая стоимость сжиженного углеводородного газа (СУГ) по сравнению с жидкими видами топлива обуславливает свойственную рыночным отношениям тенденцию к развитию парка легковых и грузовых автомобилей, маршрутных такси, энергетических и промышленных установок, использующих СУТ в качестве основного или резервного топлива, а также сопутствующих им автомобильных газовых заправочных станций (АГЗС), многотопливных автомобильных заправочных станций (МТАЗС), ре-зервуарных установок промышленных и жилищно-коммунальных потребителей (РУ ПиЖКП), удалённых от магистральных трубопроводов природного газа жилых поселений.
Возросшие объемы строительства указанных объектов, оснащённых широко применяемыми до настоящего времени надземными резервуарами и трубопроводами (РТ), увеличение их вместимости вызвали серьёзный рост числа инциден-тов и аварий.
Высокая по сравнению с воздухом плотность паровой фазы СУГ, её затруднённое рассеивание в низких местах территории, быстрое возникновение и распространение парового облака при испарении жидкой фазы приводят к цепному характеру развития аварий, раскрытию стенок надземных резервуаров, взрыву парожидкостной смеси и образованию «огненного шара», характеризующимся высоким материальным, социальным и экологическим ущербами. Повышенная опасность надземных резервуаров обусловила введение в действие новых норм промышленной и пожарной безопасности, запрещающих надземную установку РТ на АГЗС и МТАЗС в черте населённых пунктов и резко ограничивающих их применение путём увеличения противопожарных разрывов в составе АГЗС за пределами жилых массивов [91].
Нормативные документы НПБ 111-98 , ГОСТ Р 12.3.047-98, ряд руководящих материалов, составленных на основе трудов ВНИИПО, Гипрониигаза, результатов исследований Шебеко Ю.Н., Малкина В.Л., Усачева А.П., Болодья на И.А., Гордиенко Д .М., Смолина И.М., Колосова В.А., Смирнова Е.В., Роева Э.Д., других ученых, рекомендуют подземную прокладку РТ СУГ на территории АГЗС, МТАЗС и других аналогичных объектов, требуют оснащения их системами локализации утечек СУГ, устройствами пассивной и активной защиты с постоянным автоматическим контролем герметичности и устанавливают снижение вероятности утечек и уровня индивидуального риска до величины не более 10 8 год"1.
В существующих системах защиты подземных РТ отсутствует постоянный автоматический контроль герметичности их основных элементов: стенок сосудов, трубопроводов, антикоррозионных покрытий, первых отключающих устройств, запирающих выход СУГ из РТ, не разработаны системы локализации утечек СУГ. Установки активной коррозионной защиты на основе катодной поляризации, получившие широкое применение, предотвращают только электрохимическую коррозию и не защищают от других её видов.
В этой связи разработка теоретических и прикладных основ безопасного и оптимального функционирования систем комплексной защиты (СКЗ) РТ СУГ путем заключения в защитный футляр, заполненный газообразным азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления является актуальной научно-технической проблемой.
Диссертационная работа выполнена в ОАО «Гипрониигаз» и на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета в рамках комплексных программ и планов ОАО «Росгазифика-ция» и ОАО «Регионгазхолдинг» на 1988-2008 годы.
Цель работы - повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов СУГ путем разработки теоретических основ и технических решений их комплексной защиты.
Основные задачи исследований: 1. Системный анализ требований, предъявляемых к СКЗ подземных резер-вуаров и трубопроводов, режимов и особенностей ее функционирования, внешних условий и построение на его основе модели СКЗ с заданным уровнем требований. 2. Разработка на базе полученной модели новых технических решений СКЗ подземных резервуаров и трубопроводов СУГ.
3. Получение зависимостей для определения параметров СКЗ подземных РТ СУГ, их проверка в условиях натурных экспериментов.
4. Разработка математической модели оптимизации СКЗ и обоснование на ее основе типа и конструкции системы.
5. Оптимизация г/е ометрических параметров полимерного футляра с заключенным в него резервуаром СУГ.
6. Разработка математической модели и алгоритма определения оптимального диаметра футляра в зависимости от оптимального диаметра парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.
7. Определение гидравлических сопротивлений при течении парожидкост-ной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой.
Методы исследований: системный подход при разработке СКЗ; системный анализ, математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и направленного поиска при решении задач оптимизации и гидродинамических расчетов СКЗ и ее основных элементов; методы математической статистики при обработке результатов физических измерений, натурный эксперимент.
Научная новизна результатов работы:
1. Предложен системный метод разработки СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ, позволяющий на основе выявления целевых функций и задания им минимальных нормативных значений получить модель устройства СКЗ, уменьшающей вероятность разгерметизации с 10"3 год"1 для существующих аналогов до 10"8 год". Предложенный метод защищен свидетельством авторского права № 13356.
2. На основе предложенной модели разработаны новые технические решения комплексной защиты резервуаров и трубопроводов путем заключения их в защитные футляры, заполненные газообразным азотом с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления, защищенные патентом № 18564. 3. Получены аналитические зависимости, позволяющие определять эксплуатационные параметры предлагаемой СКЗ, при которых предотвращается коррозия наружных поверхностей подземных резервуаров и трубопроводов СУГ. Экспериментальная проверка подтверждает достоверность предложенных аналитических зависимостей с погрешностью 13,4 %.
4. Предложена математическая модель оптимизации системы комплексной защиты РТ СУГ, заключенных в полимерный футляр, позволяющая на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты СКЗ к единой структуре, учитывающая динамику развития СКЗ и иерархию ее функционирования в условиях неопределенности экономической информации.
5. Разработан алгоритм обоснования типа СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.
6. Предложены методические рекомендации по определению оптимальных формы и геометрических параметров полимерных футляров для резервуаров.
7. Разработана математическая модель определения оптимальных диаметра и толщины тепловой изоляции футляра, диаметра заключенного в футляр паро-жидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.
8. Получены аналитические зависимости и инженерный алгоритм для определения гидравлических сопротивлений при течении парожидкостной смеси СУГ в горизонтальном трубопроводе в условиях теплообмена с окружающей средой. Экспериментальные исследования подтверждают достоверность предложенной математической модели с погрешностью 15,2 %.
Основные защищаемые положения:
1. Системный метод разработки и новые технические решения комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ.
2. Результаты исследований эксплуатационных параметров предлагаемой СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ.
3. Математическая модель оптимизации системы комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ, заключенных в полимерный футляр.
4. Алгоритм обоснования типа СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.
5. Результаты оптимизации формы и геометрических параметров защитных полимерных футляров для резервуаров СУГ.
6. Математическая модель оптимизации диаметра и толщины тепловой изоляции футляра, диаметра заключенного в футляр парожидкостного трубопровода и потерь давления при течении СУГ.
7. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения СКЗ резервуа-ров и трубопроводов СУГ, новая нормативная техническая документация.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
1. Предложенный системный метод разработки СКЗ резервуаров и трубопроводов СУГ, защищенный свидетельством авторского права № 13356, отличается универсальностью и позволяет на основе выявления целевых функций и задания им минимальных нормативных значений получать модели сложных технических систем в различных областях прикладной науки и техники. Применение метода позволяет свести к минимуму уровень риска при реализации новых разработок в условиях их венчурного финансирования. Метод апробирован при разработке трех технических систем и реализован в рамках программы «Старт 2008».
2. Разработанные способы и технические решения по повышению эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов обеспечивают комплексную защиту путем заключения их в футляр, заполненный азотом с контролируемыми параметрами давления, защищены патентами и реализованы в следующей нормативной и технической документации:
- Технические предложения по повышению безопасности и снижению стоимости многотопливных и газовых автозаправочных станций, одобренные письмом ФГУ ВНИИПО МВД России № 43/3.5/1198 от 23.04.2001 г.;
- СТО 17446935-1-2008 «Технические решения по обеспечению герметичности установок хранения и распределения сжиженных углеводородных газов путем заключения их в футляр с азотом», утвержденный ОАО «Росгазификация» 12.03.2008 г. и согласованный письмом № 11-10/1521 от 24.04.2008 г. Ростехнад-зора России.
3. Разработанные методики и рекомендации позволяют обосновывать тип СКЗ, осуществлять выбор геометрических параметров полимерного футляра для резервуара СУГ, диаметра футляра парожидкостного трубопровода (ПЖТ), определять потери давления при течении СУГ. Они реализованы в следующих руко водящих документах:
- СТО 03321549-001-2008 «Рекомендации по обоснованию типа системы комплексной защиты и оптимизации полимерного футляра для резервуара
«СУГ»/ОАО «Гипрониигаз».- Саратов, 2008;
- СТО 03321549-002-2008 «Рекомендации по обоснованию варианта системы комплексной защиты парожидкостных трубопроводов СУГ и оптимизации ее параметров» / ОАО «Гипрониигаз». - Саратов, 2008;
- Методика гидравлического расчета системы снабжения потребителей сжиженным газом с подачей жидкой фазы. Введена в действие приказом № 130 от 30.12.1985 г. по Главгазу Минжилкомхоза РСФСР. - Саратов: Гипрониигаз, 1986.
4. Предложенные технические решения СКЗ РТ внедрены в комплекте технико-эксплуатационной документации на технологическую систему АГЗС с двустенными резервуарами ТС «КЗПМ-С», согласованную письмом ВНИИПО и ГУГПС МЧС России № 43/3.5/1049 от 3.06.2004 г, по которой ЗАО «Джи Ти Се-вэн» (г. Кузнецк,, Пензенской обл.) осуществляется серийное производство резервуаров и трубопроводов СУГ для баз хранения АГЗС и МТАЗС.
5. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке спецкурса по системам хранения и распределения СУГ для студентов и магистрантов специальности ТГС СГТУ; курса лекций и практических занятий по эксплуатации и обслуживанию объектов СУГ для специалистов АГЗС, проводимых ОАО «Гипрониигаз»; Пособия по проектированию, строительству и эксплуатации АГЗС (Саратов: Сателлит, 2004. — 200 с). Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2008» (Уфа, 2008); 1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нормотворчества в газораспределительной подотрасли - современное состояние и перспективы» (Саратов, 2001); Российской научно-технической конференции «Перспективы использования сжиженных углеводородных газов» (Саратов, 2003), Российском конгрессе по газораспределению и газопотреблению (Санкт-Петербург, 2006); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2000-2008); ежегодных научно-технических конференциях ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 1982-2008); научно-технических советах ОАО «Росгазификация (Москва, 1990, 1997, 2002), РАО «Регионгазхолдинг» .(Москва, 2003), ГРО России (Тверь, 2008), ЗАО «Джи Ти Севон» (Кузнецк Пензенской области, 2008), ОАО «Пензахиммаш» (Пенза, 2003); отраслевом семинаре Мингазпрома «Повышение технического уровня и качества продукции на основе достижений научно- технического прогресса газовой промышленности» (Москва, ВДНХ СССР, 1989); научно-технической конференции «Пути и методы рационального использования сжиженного и природного газов в промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных производствах» (Киров, 1988); Техническом совете ПО «Тю-меньгазификация» (Новый Уренгой, 1988); межвузовской научно-технической конференции (Саратов, Саратовский государственный аграрный университет им. НИ. Вавилова, 2003). Публикации и личный вклад автора.
По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы (13 из них - в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ), в т.ч. 3 свидетельства и патента, 3 нормативных документа. Автору принадлежат постановка задач исследований, их решение, разработка новых технических решений СКЗ, непосредственное участие в экспериментальных и опытно- промышленных испытаниях, анализ и обобщение результатов исследований, внедрение результатов исследований, формирование научного направления.
За помощь в процессе выполнения работы автор выражает благодарность коллективам кафедры ТГС СГТУ и ОАО «Гипрониигаз».
Анализ существующих методов защиты подземных резервуаров и трубопроводов
Сжиженные углеводородные газы получили широкое применение в качестве топлива в районах РФ, удаленных от действующих месторождений и магистральных газопроводов природного газа и, зачастую, являющихся районами со сложными геологическими условиями, высоким уровнем стояния грунтовых вод.и высокой агрессивностью грунта (Карелия, Архангельская, Владимирская, Кировская, Пермская, Хабаровская, Читинская, Иркутская области, Алтайский край и т.д.).
Системы защиты подземных стальных РТ от коррозионной агрессивности грунтов должны включать пассивную защиту из антикоррозионных покрытий и активную катодную защиту или протекторную поляризацию [26].
Указанные системы отличаются высокой стоимостью, соизмеримой со стоимостью самих подземных резервуаров, и не всегда обеспечивают на-дежную коррозионную защиту, что подтверждается статистикой аварий и отказов подземных резервуаров СУГ по данным опроса 32 газораспределительных организаций (газовых хозяйств) России за период с 1955 по 2007 год, приведенной в таблице 1.3.
С целью выявления причин низкой эффективности применения существующих защитных покрытий и установок катодной защиты был проведен соответствующий анализ.
Согласно [26] для подземных стальных резервуаров должны применяться защитные покрытия весьма - усиленного типа на основе: - полимерных (липких лент; - полимерного рулонного материала типа "Бутит"; - битумно-полимерных мастик.
Требования к указанным защитным покрытиям весьма усиленного типа, их структура и параметры приведены в таблице 1.4.
Опрос газовых хозяйств и специально проведенные испытания показывают, что не все типы защитных покрытий, рекомендуемых в таблице 1.4, обеспечивают необходимое качество при изоляции эллиптических днищ подземных резервуаров СУГ.
Так, полимерные липкие ленты и рулонный материал "Бутит" перед нанесением на днище необходимо порезать на сегменты (в форме равнобедренных трапеций) с таким расчетом, чтобы широкая их часть была направлена в сторону от центра днища. Затем сегменты с определенным натягом наносятся на днище [111]. При этом широкая часть сегмента не обеспечивает качественного прилегания, особенно в месте крутого изгиба днища. Это обусловлено недостаточным предварительным натяжением на единицу ширины сегмента и сильной кривизной поверхности днища. В тоже время узкая часть предварительно растягиваемого сегмента испытывает перенапряжение на единицу своей ширины.
Опытная проверка технологичности и качества нанесения полимерных липких лент на эллиптическое днище диаметром 1600 мм показала: - высокую трудоемкость (на одно днище требуется 50 сегментов ); - большой процент брака при нарезке и нанесении лент, обусловленный их слипанием (при случайном соприкосновении сторонами, на которые нанесен клеевой состав, разъединить их без повреждения не представляется возможным); - низкое качество нанесения из-за образования воздушных мешков и гофр между покрытием и эллиптическими днищами, особенно в местах их крутого изгиба.
По этим причинам на практике получил распространение только один тип антикоррозионной изоляции резервуаров СУГ - на основе битумно-полимерных мастик, несмотря на то, что согласно таблице 1.4 они имеют самые низкие диэлектрические и прочностные характеристики.
Опыт эксплуатации битумных защитных покрытий подземных резервуаров и трубопроводов показывает, что они быстро стареют и уже через 20 лет их антикоррозионные свойства сильно ухудшаются из-за большого количества микротрещин и отслоек, особенно с наружной стороны изоляции.
Низкая ударная прочность защитных покрытий на основе битумных мастик предъявляет повышенные требования к укладке и обратной засыпке резервуаров. С целью предупреждения повреждений защитных покрытий такого типа, согласно действующим инструкциям и типовым проектам, обратная засыпка должна осуществляться песком средней зернистости или песчаным грунтом, освобожденным от твердых включений (щебня, металлических предметов и т.п.).
В то же время расчетный нормативный срок службы подземных резервуаров СУГ составляет 35 лет. При этом для металлических элементов сосуда: обечайки, днища, горловины, сварных соединений и т.д., выполненных из низколегированных сталей типа 16ГС, 09Г2С, после 35 лет нормальной эксплуатации каких-либо заметных ухудшений характеристик не наблюдается.
Таким образом, существующие типы защитных покрытий являются наиболее слабым элементом в конструкции подземных РТ СУГ.
Указанное обстоятельство требует разработки конструкции надежной пассивной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ, являющихся опасными производственными объектами, от высокой коррозионной агрессивности грунта.
Основные положения системного подхода применительно разработке комплексной защиты подземных резервуаров и трубопроводов СУГ с заданным уровнем требований СУГ
В целях повышения эффективности выполнения научных прикладных работ предложен обобщенный метод разработки сложных технических устройств с заранее заданными свойствами, применительно к системам комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ, основанный на применении системного подхода.
В основу системного подхода при разработке СКЗ подземных резервуаров и трубопроводов СУГ с заданным уровнем требований положены известные методические разработки для создания технических моделей и конструкций [79,106,121,152,154].
Рассмотрим последовательность действий (алгоритм) при разработке такого конструктивного устройства СКЗ, которое обеспечит заданный уровень требований безопасности.
Назначение алгоритма: разработка конструкции СКЗ от утечек СУГ, коррозии и нагрева (УКН) с заданным .уровнем промышленной безопасности
Предлагаемый алгоритм разработки СКЗ подземных РТ СУГ позволяет на базе системного подхода выявить и обобщить опасные внешние воздействия на установки хранения СУГ, проанализировать возможные последствия этих воздействий, задать уровень требований, исключающий или сводящий к минимуму эти опасные воздействия, оценить уровень рисков и разработать модель системы обеспечения промышленной безопасности ОПО, удовлетворяющей заданному уровню требований и рисков.
Укрупненный алгоритм разработки СКЗ РТ СУГ от УКН, приведен в общем виде на рис.2.1.
Предлагаемый алгоритм составлен в полном соответствии с ISO 9001. Основные положения ISO 9001, применительно к поставленным задачам, формулируются следующим образом. Пункт 1. Установление цели и требований — Пункт 2.Разработка конструкции — Пункт 3. Проверка соответствия разработки (2) установленной цели (1) —» Пункт 4. Приведение конструкции (2) в соответствие с целью (1).
Так, разделы 1-6 алгоритма (рис.2.1) реализуют положения ISO 9001 по пункту 1; разделы 7-9 - по пункту 2; раздел 10 - по пункту 3; стрелка от разд. 10 к разделу 9 алгоритма реализует пункт 4. Таким образом, алгоритм является рабочим инструментом ISO 9001 при разработке СКЗ РТ от УКН.
Рассмотрим более детально последовательность разработки СКЗ подземных РТ СУГ согласно пунктов 1-10 укрупненного алгоритма, изображенного на рисунке 2.1
Техническая характеристика объекта исследования (п.1рис.2.1). Резервуарная устанрвка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа с подземным расположением сосудов и трубопроводов согласно Федеральному закону «промышленной безопасности» [178] является опасным производственным объектом. Под опасными внешними воздействиями, оказываемыми на РТ СУГ понимаются такие, которые могут привести к реализации аварии. Результатами опасных внешних воздействий является разгерметизация стенок стальных стенок подземных РТ с утечкой-СУГ в окружающую среду. В случае возникновения аварий на РТ СУГ опасными поражающими воздействиями на людей и объекты являются избы-точное давление и тепловое излучение [35].
Границами подземных РТ СУГ является наружная поверхность их" стальных стенок, включая крышку, фланцы и штуцера, запорно- предохранительные и другие устройства в закрытом состоянии, непосредственно сообщающиеся с РТ СУГ.
Существующие резервуарные установки СУГ характеризуются уровнями индивидуального риска в размере 10"3 5 год"1 [11-13].
Целью работы является разработка системы комплексной защиты подземных РТ от коррозии, нагрева их стальных стенок и предотвраще-ния утечек СУГ в окружающую среду с заданным уровнем промышленной безопасности (п.2 рис.2.1).
Важным положением системного подхода при разработке модели СКЗ является выявление, изучение, анализ и описание внешних воздействий на подземный резервуар и трубопровод СУГ (п.З рис.2.1). Выявление и анализ внешних воздействий осуществляются, исходя из подхода к субъекту разработки как к целостной системе [79,154]. В этом случае СКЗ есть единая совокупность подсистем обеспечения герметичности п2 и п3 (рис. 2.2), объединенных общей целью - обеспечение защиты РТ от опасных внешних воздействий. В общем случае, имеется i-oe количество вариантов целостных СКЗ, каждый из которых, согласно принципу аналогии [79], характеризуется одинаковой структурой и включает следующие подсистемы:
п2 - подсистема пассивной защиты, выполняется путем создания оболочки вокруг защищаемого объекта, например в виде покрытия, пленки, наносимых непосредственно на защищаемую поверхность объекта пь или в виде футляра (камеры, шахты, туннеля, помещения), в котором устанавливается защищаемый объект ги;
Определение типа "и параметров инертного газа, используемого в межстенном пространстве резервуаров и трубопроводов СУГ
Инертный газ, заполняемый в пространство между стальными РТ СУГ и полимерными футлярами, предлагаемыми к эксплуатации во всех климатических районах, исключая очень холодный, должен обладать следующими характеристиками: высокими антикоррозионными свойствами; негорючестью; низкой агрессивностью по отношению к металлам и полимерам; низкой температурой сжижения; , низкой стоимостью и широкой доступностью;
В известной мере перечисленным требованиям отвечают такие газы, как: азот, аргон, гелий, неон, углекислый газ, инертные по отношению к стали и полимерам.
Основными недостатками аргона, неона, гелия являются их высокая стоимость и дефицитность.
Углекислый газ (двуокись углерода), С02, широко доступен для использования как в твердом состоянии, в виде отдельных кусков или брикетов по ГОСТ 12162-77, так и в газообразном виде в баллонах, или как основной компонент продуктов сжигания углеводородных топлив, например, природного газа. Наиболее удобной для использования в качестве инертной среды в межстенном пространстве резервуара и трубопровода является газообразная двуокись углерода. Газообразная двуокись углерода не имеет цвета и запаха, плотность 1,839 кг/м3 (при температуре 20С и давлении 101,3 кПа). Двуокись углерода согласно [33], используемая в газообразном виде, потребителям поставляется в сжиженном виде, в баллонах по ГОСТ 949-73 объемом до 50 литров давлением до 20 МПа при температурах от 0 до 31,05 С.
Физико-химические свойства двуокиси углерода, согласно [33], приведены в таблице 3.1.
Другим инертным газом, получившим широкое распространение в инженерной практике„является газообразный азот [34]. Газообразный азот, N2, не имеет цвета и запаха, его плотность составляет 1,25 кг/м3 при 20С и давлении 101,3 кПа, молекулярная масса-28,016.
Азот, используемый в газообразном виде, потребителям поставляется также газообразным в сжатом состоянии.
По физико-химическим показателям газообразный азот в качестве инертной среды межстенных пространств резервуаров и трубопроводов СУГ в полимерных футлярах должен соответствовать нормам, указанным в таблице 3.2.
Основными параметрами инертного газа, при его использования в качестве среды, обеспечивающей отсутствие коррозионных процессов и препятствующей образованию пожаро - взрывоопасных смесей, являются значения концентраций водяных паров и кислорода в объеме межстенного пространства.
Детальное сравнение физико-химических и потребительских свойств газообразных азота и углекислого газа показало следующие существенные недостатки последнего: 1) более высокая (на 30-40%) стоимость двуокиси углерода; 2) образование водяного конденсата и «снежной шубы» при переходе жидкой двуокиси углерода (находящейся в таком состоянии при транспортировании и хранении) в газообразное состояние.
Последнее обстоятельство обусловливает необходимость использования, при заполнении газообразным углекислым газом межстенного пространства, специального испарительного оборудования, что в свою очередь, еще более увеличивает стоимость и снижает удобство применения двуокиси углерода в качестве инертного газа для РТ СУГ.
Кроме того, отсутствие контроля, согласно ГОСТ 8050-85, за макси-мальной концентрацией кислорода в газообразной двуокиси углерода не позволяет гарантировать ее пожаровзрывобезопасность при утечках СУГ в межстенное пространство.
С другой стороны, при использовании газообразного азота в качестве инертной среды, его влагосодержание для первого сорта не должно превышать d = 0,07 г/м3 при давлении 101,3 кГТа и температуре 20 С. Указанному абсолютному влагосодержанию соответствуют, при атмосферном давлении, относительная влажность ф = 40% и температура конденсации (точка росы) водяных паров на стенках сосуда СУГ tp = минус 43 С. При предельно до-пустимом рабочем давлении в межстенном пространстве резервуара, равном
113 P"p =0,055 МПа, температура конденсации водяных паров в газообразном азоте составляет tp = минус 39 С.
Анализ, проведенный в подразделе 3.3, показал, что температура инертного газа в межстенном пространстве резервуара для самых неблагоприятных климатических районов России будет всегда выше температуры кон-денсации водяных паров в газообразном азоте tp = -39 С при давлении, равном 0,055 МПа.
Кроме того, для газообразного азотапервого сорта первой категории объемная доля кислорода в межстенном пространстве не будет превышать 0, 4 %. В то же время нижние объемные концентрационные пределы воспламенения пропана и бутана при их смешении с воздухом составляют соответственно 2,0 и 1,7 об. % [128]. Отсюда следует, что возможность образования пожаро -и взрывоопасных смесей при утечках СУГ в межстенное пространство, заполненное азотом чистотой 99,6% (табл.3.2), полностью исклю-чается.
Таким образом, наиболее полно всем вышеперечисленным требованиям отвечает первый сорт первой категории газообразного азота по ГОСТ 9293-74 [34], поставляемый в стальных баллонах по ГОСТ 949-73 в сжатом состоянии.
Использование предлагаемой математической модели для обоснования варианта комплексной защиты резервуаров и трубопроводов СУГ
Согласно математической модели оптимизации системы комплексной защиты РТ СУГ (4.3) - (4.8), на первом иерархическом уровне решается задача обоснования варианта СКЗ.
Поскольку использование разработанной математической модели для обоснования варианта СКЗ в общем виде затруднительно, основные допущения на данном этапе сформулируем следующим образом.
1. Управляющие параметры d, Н, S, hK, Li переведем в разряд исходных данных и подберем их приближённо.
2. Сооружение системы СКЗ осуществляется в течение одного календарного года (в отечественной практике срок сооружения подземных ре-зервуарных установок составляет 0,2- 0,6 года).
3. Расходы по эксплуатации Hizjm, связанные с капитальным (т=1), текущим ремонтом (111=2) и обслуживанием (т=3), неизменны в течение всего срока службы и пропорциональны капитальным вложениям в СКЗ 7. J F Р = РК Р Т М XX X af(X 4izjP+ X IVKjZjP)-X at-itX q izjm, m=l,3, (4.10) 7 = 1 J = ] f=l p=l Р = РкЧ = 1 " = 1 где (pizm -доля годовых отчислений от KiZjp на m-ный вид эксплуатационных затрат z-ой подсистемы СКЗ, 1/год. Тогда, с учётом принятых допущений целевая функция (4.3) примет вид: , Г Z J F , Р=Рк Р 3j= at-Cint-GfTj+XZ X af(X 4izjP+ Z !VKizjp) t=\ z=\ j=l f=l p=l P=PK I T M (1+X at-itZ (pizjm) =min; (4.11) t=\ m=\ с im= Cjnt/Oi; Ціф= Ціф/OJ; KiZjP= KiZjp/0i. (4.12)
Следует отметить, что отсутствие достоверной информации о ценовой динамике, особенно на длительную перспективу, сложность и противоречивость инфляционных процессов в условиях перехода к устойчивой рыночной экономике .затрудняют применение детерминированных математических моделей,4 необходимой составляющей которых является наличие надежной экономической информации в части стоимостной оценки затрат
по системам энергоснабжения.
В связи с этим, учет неопределенности информации о ценовой динамике в предлагаемой математической модели (4.1)-(4.8) осуществляется посредством введения коэффициента отно сительного удорожания затрат цпо нижеследующей методике.
Как отмечалось, характерной особенностью современного этапа реформирования отечественной экономики является перевод энергоносителей на мировой уровень цен.
Следуя рекомендациям [80], примем, в качестве базисных цен на энергоносители, базисные (отечественные цены) Cjn для промышленности на уровне 2007 года, выраженные в устойчивой валюте (в долларах США по курсу 2007 года). В качестве расчетных, согласно [80], примем мировые цены на те же энергоресурсы Qnt для промышленности в перспективе до 2032 года (срок службы системы энергоснабжения), выраженные в долларах США по курсу 2007 года без учёта инфляционной составляющей [47,208,216].
Значения указанных цен для различных энергоносителей приведены в табл. 4.1.
Если на энергоносители имеются расчетные цены, то для различных составляющих капвложений KjZjP, таких как стоимость местных материалов, зар-плата, транспортные расходы, в значительной степени зависящих от региональных особенностей, данные отсутствуют.
В этой связи, при расчёте дополнительных удельных капитальных затрат и эксплуатационных расходов, примем, в качестве базисных, отечественные цены на уровне 2007 года, выраженные в устойчивой валюте (в долларах США по курсу 2007 года).
Поскольку в качестве цен на энергоносители при построении модели приняты расчетные мировые цены Cjnt, то в качестве расчётных цен при исчислении составляющих затрат KjZjp, примем отечественные (базисные) цены, индексированные с помощью коэффициента р., учитывающего степень удорожания топливно-энергетических ресурсов, применяемых в про-мышленности и строительной индустрии.
Степень влияния удорожания энергоносителей, обусловленного переводом к расчетным ценам С,т, на удорожание дополнительных капитальных вложений Kj7JP, оценить точно весьма затруднительно. Поэтому в расчётах используются две границы затрат.
1. Нижняя граница, когда затраты исчисляются в отечественных базисных ценах 2007 года, выраженных в устойчивой валюте. В этом случае удорожание энергоносителей не учитывается, и коэффициент индексации \х принимается равным своему минимальному значению ц= p,mjn=l.
2. Верхняя граница, когда затраты исчисляются в отечественных (базисных) ценах 2007 года, выраженных в устойчивой валюте, а затем индексируются по максимуму, т.е. коэффициент \i принимается равным своему максимальному значению
Похожие диссертации на Повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуаров и трубопроводов сжиженного углеводородного газа
