Введение к работе
Актуальность работы
Установки очистки (УО) природного газа (ПГ) от твердых частиц (ТЧ) являются важным звеном в системе его подготовки и подачи в регулирующее, предохранительное, измерительное и газоиспользующее оборудование в газораспределительных сетях до 1,2 МПа включительно. Поскольку одним из основных источников появления твердых частиц в природном газе является их образование в результате коррозии и некачественного монтажа на всех внутренних поверхностях стальных газопроводов, нормативно-техническая документация требует размещения УО перед каждым пунктом редуцирования газа.
Большие металло- и капиталоемкость съемных крышки, фланцев установок очистки, значительное количество болтовых соединений, обусловленные неоптимальным отношением высоты корпуса УО к его диаметру, повышают трудоемкость и эксплуатационные расходы, связанные с периодическим демонтажем, необходимым для удаления накоплений твердых частиц с рабочих поверхностей фильтрующих элементов (ФЭ). В настоящее время отсутствуют рекомендации по определению оптимального отношения высоты корпуса УО к его диаметру.
Кроме этого, низкая степень заполнения внутреннего объема УО фильтрующей поверхностью в виде цилиндрической полости с гладкой наружной поверхностью в существующих конструкциях фильтрующих элементов и, как следствие, низкая удельная пропускная способность также обусловливают высокие металло- и капиталоемкость корпуса УО, связанные с этим эксплуатационные расходы, а также малую продолжительность между соседними операциями по удалению накоплений ТЧ. Вместе с тем в эксплуатационной практике отсутствуют рекомендации по повышению степени заполнения внутреннего объема УО фильтрующей поверхностью.
По откликам газораспределительных организаций (ГРО), значительное количество инцидентов и аварийных ситуаций приходится на разрушение ФЭ, обусловленных потерей прочности и устойчивости существующих вертикальных несущих стержней и опорных сеток при повышении перепада давления на ФЭ до предельного значения, что приводит к попаданию их обломков в регулирующую, запорную, предохранительную арматуру и узлы учета расхода газа, к материальному и социальному ущербам. Однако в существующей газовой практике отсутствуют научно обоснованные методы по предотвращению разрушения опорных элементов и ФЭ.
В связи с этим актуальными вопросами, требующими своего решения, являются уменьшение массы съемных крышек, корпуса, количества болтовых соединений и, как следствие, снижение капиталоемкости корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию УО и периодическому демонтажу крышек, повышение удельной пропускной способности фильтрующих элементов за счет их более эффективной компоновки в объеме корпуса, а также предотвращение разрушения защитных опорных конструкций и ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения.
Цель работы - повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе оптимизации формы корпуса УО и использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку.
Основные задачи исследований:
1. Разработка математических зависимостей по определению минимальных металлоемкости и капиталоемкости съемной крышки и корпуса, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО;
2. Выявление закономерностей и разработка методов повышения удельной пропускной способности фильтрующих элементов УО ПГ;
3. Обоснование принципов создания решений по предотвращению разрушения ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения;
4. Создание целевых функций по определению диаметра отверстий в опорных обечайках, при котором предотвращается разрушение фильтрующих элементов в случае повышения перепада давления на них до предельного значения;
5. Проведение экспериментальных исследований по проверке и уточнению теоретических положений, разработка мероприятий по внедрению предлагаемых методических разработок и технических решений.
Методы исследований: системный подход, математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и математической статистики.
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:
1. Предложены математические зависимости по определению минимальных металло- и капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО на основе оптимизации отношения высоты корпуса установки очистки к ее диаметру и оптимизации формы шкафа для размещения в нем УО.
2. Установлена закономерность и предложен метод повышения удельной пропускной способности фильтрующих элементов УО ПГ на основе формирования на их фильтрующей поверхности радиальных гофров с образованием дополнительных продольных складок.
3. Обоснованы принципы создания технических решений по предотвращению разрушения фильтрующих элементов при повышении перепада давления на них до предельного значения путем образования за ними по ходу течения газа опорной цилиндрической обечайки, имеющей ряд круглых отверстий с диаметром, не превышающим максимальную величину (получено решение о выдаче патента по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г.)
4. Разработана целевая функция по определению максимального диаметра отверстий в опорных цилиндрических обечайках, при котором предотвращается разрушение ФЭ, прилегающих к ним в случае возникновения предельного наружного перепада давления на ФЭ, учитывающая превышение фактической избыточной толщины стенки обечайки над теоретически необходимой, расстояние между отверстиями, а также соотношение ее диаметра и высоты.
На защиту выносятся:
1. Математические зависимости по определению минимальных капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО;
2. Закономерности и методы повышения удельной пропускной способности ФЭ;
3. Принципы создания технических решений по предотвращению разрушения ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения;
4. Целевая функция по определению максимального диаметра отверстий в опорных цилиндрических обечайках, при котором предотвращается разрушение фильтрующих элементов;
5. Результаты экспериментальных исследований по проверке теоретических положений, внедрения предлагаемой УО на основе использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку, а также нормативная документация.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Предложенная конструкция УО по повышению эффективности очистки путем использования гофрированных ФЭ, защищенная патентом 116365 с приоритетом от 21.11.2011 г. и позволяющая увеличить пропускную способность по сравнению с обычным ФЭ на основе полого фильтрующего цилиндра в 5,65 раза, использовалась при разработке СТО 03321549-023-2013 «Рекомендации по повышению эффективности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц в системах газоснабжения».
2. Предложенная конструкция УО по повышению безопасности путем использования опорных обечаек для гофрированных фильтрующих элементов, защищенная положительным решением на выдачу патента от 09.01.2013 г. по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г. и предотвращающая разрушение ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения, реализована при разработке СТО 03321549-024-2013 «Рекомендации по повышению безопасности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц».
3. Создана система практических рекомендаций по обоснованию применения предлагаемых УО, реализованная в ГОСТ Р 54960-2012 «Системы газораспределительные. Пункты газорегуляторные блочные и пункты редуцирования шкафные. Общие технические требования».
4. Внедрены в технико-эксплуатационную документацию предложенные технические решения, по которой ООО «Газстрой» и ООО «Еврогалс» (г. Саратов) осуществляют налаживание серийного производства по сборке УО, оснащенных гофрированными ФЭ, заключенными в защитную оболочку.
5. Предложенные решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса «Эксплуатация систем газоснабжения» для студентов и магистрантов по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на: научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках Нефтегазовых форумов (г. Уфа, 2011, 2012 гг.); научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках Российских энергетических форумов (г. Уфа, 2010-2012 гг.); международной научно-практической конференции «Газораспределение – инновационные технологии, материалы, оборудование» (г. Саратов, 2011 г.); научно-технических конференциях СГТУ (г. Саратов, 2010-2013 гг.); научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз» (г. Саратов, 2010, 2011, 2013 гг.), ОАО «Газпром газораспределение» (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.)
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 7 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен 1 патент РФ, разработаны 2 нормативных документа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 138 наименований. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 2 таблицы.
