Введение к работе
Актуальность работы. Стремительный рост численности газорегуляторных пунктов (ГРП) в настоящее время обусловливает существенное увеличение количества инцидентов и аварийных ситуаций, связанных с нарушением герметичности затворов регулирующей (РА), защитной (ЗА), предохранительной арматуры (ПА) и выходом из строя узлов учета расхода газа (УУРГ). Это, в свою очередь, привело к увеличению эксплуатационных затрат газораспределительных организаций (ГРО), связанных с ремонтом и заменой УУРГ, РА, ЗА и ПА.
Согласно проведенным обследованиям, основной причиной низкого уровня герметичности и безопасности УУРГ, РА, ЗА и ПА является неудовлетворительная работа установок грубой очистки природного газа (ПГ) от твердых частиц (ТЧ). Современные типы РА, ЗА, ПА и УУРГ обеспечивают устойчивую длительную работу только при наличии газа с высокой степенью очистки от крупных ТЧ, размерами не более 0,11 мм. В то же время значительная часть крупных ТЧ проникает через превосходящие по своему размеру ячейки существующих фильтрующих элементов (ФЭ) и, воздействуя на уплотнительные элементы и мембраны, приводит к возникновению неисправностей и выходу из строя УУРГ, РА, ЗА и ПА. В настоящее время отсутствуют рекомендации по определению размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, учитывающие максимально допустимый размер ТЧ, величину эрозионного износа фильтрующего материала и отклонения размеров ячейки ФЭ от нормативных значений.
В существующих конструкциях ФЭ удаление ТЧ осуществляется в плановом порядке через определенные промежутки времени, как правило, одинаковые для всех типов установок очистки (УО). Вместе с тем, изменение расхода или концентрации ТЧ в газе приводит к засорению ФЭ и повышению перепада давления до максимально допустимого значения значительно раньше запланированного времени его очистки. В этом случае в запланированный момент удаления ТЧ фактический перепад давления может значительно превысить максимально допустимое значение, что вызовет снижение пропускной способности ФЭ ниже расчетной, приведет к разрушению фильтрующих сеток и попаданию больших скоплений ТЧ и фрагментов ФЭ в затворы РА, ЗА, ПА, обусловит возникновение инцидентов и аварийной ситуации. В существующей газовой практике отсутствуют рекомендации по выявлению допустимого перепада давления на УО и величины запаса падения давления на ФЭ, необходимых для оповещения и подготовки персонала к удалению ТЧ из УО.
В связи с этим актуальными вопросами, требующими своего решения, являются обоснование типа установки грубой очистки, определение максимального размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, обоснование величин допустимого падения давления на ФЭ и максимального значения запаса падения давления.
Цель работы – повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа путем разработки теоретических основ обоснования типа ФЭ, максимального размера его ячейки и величин допустимого и максимально допустимого падения давления на ФЭ.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие
основные задачи:
1. Выявление опасного воздействия крупных ТЧ на герметизирующие элементы и мембраны УУРГ, РА, ЗА и ПА ГРП;
2. Технико-экономическое обоснование типа установки грубой очистки природного газа от крупных твердых частиц с сетчатым фильтрующим элементом;
3. Выявление целевой функции, устанавливающей требования к максимальному размеру ячейки ФЭ в зависимости от геометрических параметров ТЧ;
4. Разработка зависимости по определению допустимого перепада давления на УО и величины запаса падения давления на ФЭ, необходимых для оповещения и подготовки персонала к удалению ТЧ из УО;
5. Получение алгоритма по определению динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ;
6. Разработка комплекса технических решений по устройству основной и дополнительной грубой очистки ПГ от ТЧ и по предотвращению падения давления газа на них выше максимально допустимого значения.
Методы решения поставленных задач: системный подход при разработке модели и конструкции УО; математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и математической статистики.
Научная новизна результатов работы
1. Разработана математическая модель оптимизации и обоснования типа установки грубой очистки ПГ от ТЧ, включающая структурную схему, целевую функцию интегральных затрат, балансовое уравнение, систему ограничений управляющих параметров и позволяющая на базе системного подхода приводить конкурирующие варианты УО к единой структуре и сопоставимости, учитывающая динамику развития системы и иерархию ее функционирования.
2. Предложена целевая функция по определению максимального размера ячейки ФЭ в конце срока его эксплуатации, учитывающая максимально допустимый размер ТЧ, при котором не оказывается их опасное воздействие на газовое оборудование ГРП, и увеличение размеров ячейки ФЭ в течение срока его службы вследствие эрозионного износа проволоки и позволяющая выявить максимальное отклонение размера ячейки от нормативного значения.
3. Получена целевая функция по выявлению допустимого падения давления на ФЭ УО вследствие его засорения ТЧ, учитывающая величину запаса падения давления на ФЭ, необходимого для оповещения персонала о необходимости удаления ТЧ из УО и проведения им подготовительных работ.
4. Предложен алгоритм определения динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ, позволяющий выявить зоны безопасной эксплуатации УО и учитывать уменьшение активной поверхности и увеличение гидравлических сопротивлений по мере оседания на сетке ФЭ твердых частиц.
5. На основе предложенных целевых функций разработаны технические решения, позволяющие предотвращать:
- попадание ТЧ, образовавшихся в соединительных деталях и трубопроводах, путем установки дополнительного ФЭ, встроенного в защищаемое газовое оборудование (получено решение от 21.11.2011 г. о выдаче патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г.);
- увеличение перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения (оформлена заявка на патент № 2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г.).
На защиту выносятся:
1. Математическая модель оптимизации и обоснования типа установки грубой очистки природного газа от твердых частиц;
2. Целевая функция, устанавливающая размер ячейки фильтрующего элемента в конце срока его эксплуатации;
3. Целевая функция, позволяющая выявить допустимое падение давления на ФЭ и определить величину запаса падения давления на нем;
4. Алгоритм определения динамики падения давления на ФЭ в процессе засорения фильтрующей сетки ТЧ;
5. Комплекс новых технических решений, позволяющих предотвращать попадание крупных твердых частиц в газовое оборудование и увеличение перепада давления на ФЭ сверх максимально допустимого значения;
6. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения предлагаемой установки очистки ПГ от ТЧ, новая нормативная документация.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработанные технические решения защищены решением на выдачу патента по заявке № 2011138601 с приоритетом от 20.09.2011 г. и заявкой на патент № 2011147260 с приоритетом от 21.11.2011 г. и реализованы в стандарте СТО 03321549-012-2011 и проекте национального стандарта по газорегуляторным пунктам.
2. Предложенные технические решения внедрены в технико-эксплуатационной документации, по которой ООО «Еврогалс» (г. Саратов) осуществляет налаживание серийного производства по сборке газорегуляторных пунктов, оснащенных предлагаемыми системами контроля перепада давления установок грубой очистки ПГ, а также регулирующей и защитной арматурой с дополнительными фильтрующими элементами.
3. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса «Эксплуатация систем газоснабжения» для студентов и магистрантов по специальности «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России и Нефтегазовых форумов (Уфа, 2009-2011 гг.); Международном симпозиуме по проблемам жилищного строительства (Саратов, 2010 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IХ, Х и XI Российских энергетических форумов (Уфа, 2009-2011 гг.); Международной конференции «Газораспределение – инновационные технологии, материалы, оборудование» (Саратов, 2011 г.); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2010-2012 гг.); научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 2010 г., 2012 г.) и ОАО «Росгазификация (Москва, 2009-2010 гг.).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 научных трудах, в том числе в 8 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и 1 нормативном документе.
Автору принадлежат: постановка задач исследований, их решение, разработка новых технических решений установок очистки, непосредственное участие в экспериментальных и опытно-промышленных испытаниях, анализ и обобщение результатов исследований, внедрение результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 145 наименований. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 7 таблиц.
