Система поддержки решений по обеспечению эксплуатационной надежности и экологической безопасности работы технологического оборудования магистральных газопроводов Тухбаттулин, Фарит Гарифович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации.

Газовая промышленность России представляет собой одну из важнейших составных частей топливно-энергетического комплекса. В связи с тем, что газодобывающие районы расположены далеко от центров потребления газа, возникает настоятельная потребность в увеличении единичной мощности силовых агрегатов. Такие проблемы как контроль технического состояния технологического оборудования газотранспортных систем, поддержание оптимальных режимов работы компрессорных станций (КС) и линейной части магистральных газопроводов, рациональная загрузка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и своевременное качественное выполнение графиков планово-предупредительных ремонтов технологического оборудования являются важ-нейшими средствами повышения эффективности использования оборудования КС и повышения надежности работы газотранспортных систем.

Для повышения надежности силового и технологического оборудования на КС применяются различные методы диагностики. Широкое применение диагностирования силового оборудования позволяет перейти от планово-предупредительной системы обслуживания к обслуживанию по фактическому состоянию. Эта в свою очередь приводит к сокращению вынужденного простоя силового оборудования вследствие аварийных отказов и дополнительных ремонтов, уменьшению зремени ремонтов и, как следствие, к повышению его надежности. Диагностирование силового оборудования позволяет прогнозировать состояние агрегатов, правильно выбирать сроки межремонтного обслуживания. На основании диагностирования силового и технологического оборудования можно проводить расчеты количества запасных частей, необходимых для своевременного обслуживания оборудования КС, и качества ремонтных работ с целью уменьшения времени нахождения оборудования КС в ремонте.

Разработка методов диагностики, исследование возможносте: использования различных видов диагностики, выбор наиболее рацио нальных методов являются важной и актуальной задачей.

Существующая в России мощная система магистрального транс порта газа оборудована большим числом газоперекачивающих агрега тов. В силу специфических особенностей горения в камере сгорани: ГПА, вместе с продуктами полного окисления природного газа произ водится выброс в окружающую среду и вредных веществ. Это углево дороды, окислы азота и окись углерода. Практика экологическо; экспертизы выхлопных газов ГПА в компрессорных станциях магист ральных газопроводов показывает, что основными компонентами вред ных выбросов являются окислы азота. Реальная опасность окислоі азота в тех концентрациях, в которых они обнаруживаются в атмос фере района расположения КС связаны с их активностью в фотохими ческих реакциях, оказывающих прямое негативное влияние на челове ка и растительность. Таким образом, основное внимание при расе мотрении мероприятий по увеличению экологической безопасности ра боты КС должно быть обращено на снижение выбросов окислов азота.

Особенности развития газопроводного транспорта обусловил высокую концентрацию мощных ГПА на небольших площадях, что допол нительно осложняет экологическую обстановку в районах расположе ния КС магистральных газопроводов. Эта ситуация настоятельно дик тует развитие методов и разработку путей снижения эмиссии окис лов азота. Следует подчеркнуть, что решение этой проблемы приоб ретает все большее экономическое значение.

В первую очередь это связано с ужесточением требований і уровню вредных выбросов и, как следствие, ростом штрафных санкци: к нарушителям экологических норм. Во-вторых, в настоящее время н КС эксплуатируются в основном энергетические установки, разрабо тайные еще в период, когда должного внимания образованию окисло: азота в процессе горения углеводородного топлива не уделялось

Замена этих установок новыми, зачастую далекими от совершенства, требует значительных материальных затрат.

Поэтому наиболее рациональным (в силу сложившихся обстоятельств ввода в эксплуатацию нового оборудования) является проведение изысканий, связанных с изменением условий горения в камере сгорания эксплуатируемых агрегатов с целью значительного снижения концентраций окислов азота в продуктах сгорания природного газа, т.е. обеспечения экологической безопасности работы КС магистральных газопроводов.

Выполненные исследования являются актуальными, так как связаны с реализацией задач по обеспечению высоконадежного трубопро-зодного транспорта. Работа выполнялась в соответствии с комплексными научно-техническими программами Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири" на 1986-1990 гг. и РАО "Газпром": "Высоконадежный трубопроводный транспорт" на 1990-1995 гг.; "Программа по ог-эаничению и сокращению выбросов окислов азота на компрессорных станциях" на 1991-1995 гг. и до 2000 г.

Цель диссертационной работы - разработка научных основ технического обслуживания и диагностики технологического, силового эборудования компрессорных станций и запорной арматуры магистральных газопроводов для обеспечения экологической безопасности и эксплуатационной надежности КС магистральных газопроводов.

Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной ^елью в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Исследование процессов проведения технического обслуживания технологического и силового оборудования КС, а также выполнения ремонтно-восстановительных работ с учетом их представления в зиде управляемых полумарковских процессов.

2. Исследование и разработка методов виброакустического диагностирования технического состояния технологического и силового зборудования компрессорных станций магистральных газопроводов.

3. Исследование физических механизмов образования вредны; веществ при использовании природного газа в газотурбинных установках компрессорных станций в условиях работы камеры сгоранш ГТК-10-4.

4. Модельные и экспериментальные исследования образованш окислов азота при горении предварительно подготовленной мета-но-воздушной смеси применительно к условиям работы промышленны; газотурбинных установок.

5. Исследование и разработка методов обеспечения экологической безопасности и эксплуатационной надежности компрессорного і технологического оборудования магистральных газопроводов.

Научная новизна.

Представленная работа является научным обобщением по проблеме обеспечения эксплуатационной надежности и экологической безопасности технологического и силового оборудования компрессорны; станций магистральных газопроводов.

Использование разработанных автором математических моделе] прогнозирования эффективного технического обслуживания и выполнения ремонтно-восстановительных работ при эксплуатации технологического и силового оборудования компрессорных станций магистральных газопроводов с учетом показателей автоматизированных средсті сбора информации об отказах, а также разработанных алгоритма] численного поиска эффективных решений системы уравнений, описывающих формирование показателя эффективности обслуживания при экс плуатации, позволило выявить особенности обеспечения рациональности основных характеристик технического обслуживания, периодич ности контрольных проверок, периодичности ремонтов и уровня запасов резервных элементов.

Изучены закономерности виброакустического диагностировали: технического состояния технологического и силового оборудовали; компрессорных станций магистральных газопроводов. Выполненный ве-

роятностно-статисгический анализ натурных экспериментальных данных о состоянии технологического оборудования магистральных газопроводов дал возможность разработать методику определения перетечек газа в запорной арматуре технологической обвязки газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций. Предложена вероятностная модель оценки надежности газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов.

На основе современных представлений о турбулентном течении реагирующих газов обоснована концепция внедрения предварительной подготовки топливо-воздушной смеси в рабочий цикл камер сгорания газотурбинных установок компрессорных станций.

Изучен механизм образования окислов азота при сжигании предварительно подготовленной рабочей смеси бедного состава, установлено существенное влияние неравновесности реакций окисления природного газа на уровень эмиссии окиси азота и углерода.

Разработана принципиально новая схема организации горения в камере сгорания газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4, обеспечивающая эмиссию окислов азота на уровне лучших мировых образцов (N0_X не более 25.0 ррт при 15% содержания 0₂).

Разработана методика расчета образования окислов азота применительно к условиям работы камеры сгорания отечественных газоперекачивающих агрегатов типа ГТК-10-4, ГТ-750-6.

Практическая ценность научных исследований и реализация работы в промышленности. Промышленное внедрение результатов работы в направлении улучшения экологических характеристик камеры сгорания позволило впервые в отечественной практике эксплуатировать цеха компрессорных станций "Москово", "Поляна", "Шаран" АО "Башт-рансгаз" (всего 38 агрегатов) с уровнем выбросов окислов азота не более 50 мг/м³ (при 15 0₂), что снизило валовый выброс окислов азота более чем на один порядок.

Результаты работы позволили создать нормативно-технические

документы для обоснования организационных и технологических решений при эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов. Использование руководящих документов при организации и проведении работ по техническому обслуживанию, ремонтно-восстано-вительным операциям и переоснащении компрессорных станций современным силовым оборудованием способствует обеспечению высоконадежного трубопроводного транспорта, а также сокращению стоимости и продолжительности выполнения работ.

Результаты исследований включены в следующие научно-технические разработки:

Система паспортизации запорной арматуры, ПО "Баштрансгаз", 1986 (утверждена Мингазпромом 16.03.86г.);

Виброакустический метод определения негерметичности запорной арматуры, Башкирское УМГ, 1988 (утверждена Башкирским Управлением магистральных газопроводов 28.11.88г.);

Методика оптимизации режимов работы центробежных нагнетателей компрессорных станций, УНИ, ПО "Баштрансгаз", 1988;

Система организационно-технических мероприятий по повышению надежности объектов и улучшению экологической ситуации в регионе, АО "Баштрансгаз", 1996 (утверждена АО "Баштрансгаз" 10.02.96г.).

Указанные методические материалы и результаты исследований использованы для обоснования:

системы планово-предупредительных ремонтов технологического и силового оборудования компрессорных станций магистральных газопроводов по их техническому состоянию, позволившей резко снизить расход средств на капитальный ремонт без снижения общего уровня надежности;

природоохранного мониторинга предприятия и автоматизации измерений;

реконструкции камер сгорания газотурбинных агрегатоЕ ГТК-10-4В с установкой малотоксичных горелочных устройстЕ

ПСТ-70/30-20.

Предложенные в работе решения, методики и рекомендации были использованы при эксплуатации объектов магистрального трубопроводного транспорта РАО "Газпром", в частности при реконструкции компрессорных станций "Шаран" (8 агрегатов), "Москово" (24 агрегата), "Полянская" (8 агрегатов) и СПХГ "Канчуринская", что позволило получить экономический эффект в размере: 0.503 млн. рублей (в ценах 1988 г. без учета инфляционных коэффициентов); 498.9 млн. рублей (в ценах 1996 г.) и 523.85 млн.рублей (в ценах 1997 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всесоюзной конференции "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа" (г. Ивано-Франковск, 1985);

Всесоюзном совещании работников Мингазпрома "Организация ремонтно- технического обслуживания запорной арматуры на предприятиях отрасли" (г. Ухта, 1988);

заседании технического совета производственного предприятия "Оргтехдиагностика" Мингазпрома (г. Харьков, 1988);

заседании технического совета Башкирского Управления магистральных газопроводов ПО "Уралтрансгаз" (г. Уфа, 1988);

3-ей международной деловой встрече "Диагностика-93" (г. Москва, 1993);

13-ом тематическом семинаре ГП "Оргэнергогаз" (г. Одесса, 1993);

международной конференции "Горение и внутрикалерные процессы" (г. Москва, 1993);

4-ой международной деловой встрече "Диагностика-94" (г. Москва, 1994);

научно-технической конференции "Физико-химические проблемы экологии энергоустановок на углеводородных топливах" (г. Москва,

1995);

научно-техническом семинаре "Передовые методы и средства защиты трубопроводных систем от коррозии" (г. Кострома, 1996);

2-й научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (г. Москва, 1996).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 46 работ, в том числе 1 обзор и 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, приложения и списка литературы из 198 наименований. Содержание изложено на 342 страницах, 99 рисунках и 3 таблицах.