Повышение эффективности и безопасности эксплуатации резервуарных установок сжиженных углеводородных газов с искусственным испарением

УДК 621.6.036

На правах рукописи

Феоктистов Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЕРВУАРНЫХ УСТАНОВОК

СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

С ИСКУССТВЕННЫМ ИСПАРЕНИЕМ

Специальности: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

«Саратовский государственный технический университет»

Научные руководители	доктор технических наук, профессор Усачев Александр Прокофьевич доктор технических наук Шурайц Александр Лазаревич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Азметов Хасан Ахметзиевич кандидат технических наук, доцент Гольянов Андрей Иванович
Ведущее предприятие	Открытое акционерное общество «Газ-Сервис»

Защита диссертации состоится 19 марта 2010 г. в 1000 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002. 01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 19 февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава посвящена изучению и разработке мероприятий по повышению энергетической эффективности, снижению металлоемкости и экономии энергии на нужды регазификации РУ с ИИ. В результате проведенного анализа выявлено: электрические испарители с промежуточным теплоносителем представляют собой наиболее экономичный вариант искусственной регазификации; применение промежуточного теплоносителя исключает попадание СУГ в систему теплоснабжения, обеспечивая большую безопасность эксплуатации по сравнению с регазификаторами прямого нагрева; максимальная интенсивность теплообмена от внутренней поверхности ИТЗ к СУГ достигается при создании кольцевого режима течения паро-жидкостной пропан-бутановой смеси с паросодержанием Хкол.= 30 %; максимальная интенсивность внешнего теплообмена между трубчатыми электронагревателями (ТЭНами) и ИТЗ обеспечивается путем использования в качестве промежуточного теплоносителя отвердевшей заливки из алюминия с заплавленными в нее трубчатыми электронагревателями, расположенными на расстоянии 8 мм от ИТЗ в свету; снижение объема и материалоемкости теплоносителя из алюминия достигается за счет образования в его центральной части цилиндрической полости с боковой поверхностью, отстоящей по нормали от боковой поверхности ТЭНов на расстоянии =18 мм; применение схемы регазификации с попеременным отбором паровой и жидкой фаз из РУ с ИИ обеспечивает энергосбережение за счет использования природного тепла грунта для испарения части жидкой фазы непосредственно в подземном резервуаре.

Системный анализ предложенных энерго- и ресурсоэффективных РУ с ИИ показал, что они характеризуются низким уровнем промышленной безопасности. Одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций на РУ с ИИ является недостаточная изученность оказываемых на них ВОВ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя.

Повышению безопасности РУ с ИИ и разработке методов их защиты от опасных воздействий посвящены труды ОАО «Гипрониигаз», ГОУ «Саратовский государственный технический университет», результаты исследований Клименко А.П., Ионина А.А., Курицына Б.Н., Усачева А.П., Шурайца А.Л., Надршина А.С., Преображенского Н.И., Рубинштейна С.В., Вигдорчика Д.Я., Кряжева Б.Г. и других ученых. Характерным для известных работ является отсутствие комплексного подхода к вопросам повышения безопасности и системного анализа всей совокупности ВОВ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя.

Отсутствие в настоящее время автоматических устройств, исключающих снижение температуры паровой фазы СУГ на выходе из испарителя ниже температуры ее конденсации, а также систем контроля по предотвращению попадания жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя требует проведения анализа всех определяющих факторов и разработки на его основе модели и конструкции системы защиты, устраняющей указанные недостатки и существенно повышающей уровень безопасности резервуарных установок СУГ.

Вторая глава посвящена выявлению ВОВ на РУ с ИИ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, а также получению аналитических зависимостей, раскрывающих механизмы влияния и величины исследуемых ВОВ. В результате изучения и обобщения опыта эксплуатации выявлено влияние следующих ВОВ на РУ с ИИ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя (рисунок 1): смесей пропана и бутана (Fсмес.у), непредельных углеводородов (Fнепр.у), пентан-амиленовых фракций (Fп/а.фр), свободной и растворенной воды (Fв); пульсаций объемного расхода (Fоп.п); механических частиц, содержащихся и образующихся в газе (Fм.ч.г) и теплоносителе (Fм.ч.т); климатических факторов (Fклим); критических тепловых нагрузок (Fтеп) и низкой температуры (Fн/т.теп) теплоносителя.

Рисунок 1 – Структурная схема влияния ВОВ на РУ с ИИ, инициирующих попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя

В результате исследований получены следующие аналитические зависимости, раскрывающие механизм влияния анализируемых ВОВ на РУ с ИИ.

1. Опасное воздействие смеси углеводородов (Fсмес.у) заключается в уменьшении коэффициента теплоотдачи см от внутренней поверхности ИТЗ к кипящей пропан-бутановой смеси по сравнению с для пропана при увеличении разности концентраций пропана в паровой п и жидкой ж фазах и, как следствие, в неполном испарении жидкой фазы и ее попадании в газопровод потребителя.

Уменьшение коэффициента теплоотдачи на участке ИТЗ с расслоенным режимом течения пропан-бутановой смеси:

; (1)

(2)

Храс.гр Храс Храс.н; tг.к.рас tг.рас tг.н.рас; рас.гр рас рас.н;

жрас.гр жрас жрас.н; прас.гр прас прас.н; rрас.гр rрас rрас.н. (3)

Уменьшение коэффициента теплоотдачи на участке ИТЗ с кольцевым режимом течения пропан-бутановой смеси:

; (4)

(5)

Хкол.гр Хкол Хкол.н; tг.к.кол tг.кол tг.н.кол; кол.гр кол рас.гр;

жкол.гр жкол жкол.н; пкол.гр пкол пкол.н; rкол.гр rкол rрас.гр. (6)

Уменьшение среднеинтегрального коэффициента теплоотдачи смеси:

см. ср / = 0,62. (7)

2. Опасное воздействие непредельных углеводородов Fнепр.у на РУ с ИИ заключается в их полимеризации во время эксплуатации на внутренней поверхности ИТЗ при повышении температуры tСУГ выше температуры начала полимеризации tпол =70 оС, дальнейшем образовании полимерной пленки, снижении интенсивности теплообмена, неполном испарении жидкой фазы и ее попадании в газопровод потребителя.

3. Опасное воздействие жидких пентан-амиленовых фракций Fп/а.фр, имеющих при атмосферном давлении температуру кипения tп/а.фр = 45…50 °С, заключается в том, что в случае искусственной регазификации осуществляется их полное испарение. Однако в газопроводе потребителя они начинают конденсироваться по мере остывания паровой фазы СУГ за счет теплообмена с наружным воздухом температурой tв, поскольку tв < tп/а.фр.

Попадание жидких пентан-амиленовых фракций в газогорелочные устройства потребителя может привести к погасанию пламени и, как следствие, аварийной ситуации.

4. Опасное воздействие Fоп.п увеличения амплитуды колебания величины объемного расхода ± Vоб выше максимально допустимой ± Vм.д :

± Vм.д < ± Vоб, (8)

инициирующего проскок ядра потока из мелкокапельной влаги в газопровод потребителя. Колебания объемного расхода возникают вследствие высокого объемного показателя перехода жидкой фазы СУГ в паровую.

5. Опасное воздействие свободной и растворенной воды Fв заключается в образовании кристаллогидратов и льда в запорных устройствах клапанов-отсекателей СУГ, приводит к деформации и нарушению герметичности их уплотнительных элементов, попаданию жидкой фазы в газопровод потребителя.

6. Опасное воздействие механических частиц (песка, окалины, грязи), содержащихся в газе (Fм.ч.г) и теплоносителе (Fм.ч.т), заключается в их выпадении на теплообменных поверхностях испарителя, уменьшении коэффициента теплопередачи до величины

, (9)

неполном испарении жидкой фазы СУГ и попадании в газопровод потребителя.

7. Опасное воздействие на проточные регазификаторы климатических факторов Fклим. заключается в уменьшении температуры наружного воздуха tв ниже температуры конца кипения смеси tк, что приводит к конденсации паровой фазы.

8. Опасное воздействие высоких удельных тепловых потоков теплоносителя Fтеп на РУ с ИИ заключается в образовании пленочного кипения (прослойки паровой фазы между жидкой фазой и внутренней поверхностью ИТЗ) в диапазоне удельных тепловых потоков qкр1…qкр2, сопровождающегося резким снижением среднеинтегрального коэффициента теплоотдачи смеси см.ср, неполным испарением жидкой фазы, попаданием ее в газопровод потребителя. Выявлено, что поддержание температур твердотельного теплоносителя в диапазоне tтеп = 60…70 оС исключает пленочное кипение и обеспечивает максимальную величину см.ср.

9. Опасное воздействие низкой температуры теплоносителя tтеп (Fн/т. теп). Снижение tтеп ниже температуры конца кипения жидкой фазы смеси tк приводит к неполному испарению парожидкостной смеси СУГ и к попаданию жидкой фазы в газопровод потребителя.

Результаты анализа исследуемых ВОВ, определения их величины,
согласно полученным аналитическим зависимостям, включены в
подраздел 9.2.6 проекта Национального стандарта РФ «Объекты сжиженных углеводородных газов. Общие технические требования к эксплуатации»
(ОАО «Гипрониигаз», ОАО «Газпромрегионгаз», 2009).

Третья глава посвящена разработке модели и технических решений системы защиты РУ с ИИ, исключающей снижение температуры паровой фазы СУГ на выходе из ИТЗ ниже температуры ее конденсации и обеспечивающей постоянный контроль по предотвращению попадания жидкой фазы в газопровод потребителя.

В целях создания системы обеспечения безопасности с требуемыми параметрами на основе системного подхода был разработан соответствующий алгоритм разработки модели системы защиты РУ с ИИ, приведенный на рисунке 2. Отличительным элементом предлагаемого алгоритма обеспечения безопасности является задание уровня требований, которому должны удовлетворять выбранные целевые функции. В качестве целевых функций и нормативных или полученных в результате исследований значений, которым они должны удовлетворять, приняты следующие.

1. М и н и м а л ь н а я температура паровой фазы tmin на выходе из перегревательной части ИТЗ в месте, расположенном в пределах ТПТ из алюминия, в любой момент эксплуатации, в том числе и при отсутствии отбора паровой фазы, для которой установлено значение, равное 55 оС:

tmin = tк(Рmax, min) + tп. min (Gmax,tв.min, в. max,dв. max) + tср = 55 оС. (10)

Значение температуры конца кипения tк (Рmax, min) пропан-бутановой смеси с минимальным содержанием пропана min при Рmax определяется из следующих формул методом последовательных приближений:

; (11)

; (12)

. (13)

Рисунок 2 – Укрупненный алгоритм разработки системы защиты РУ с ИИ,
предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя

Значение минимальной температуры перегрева паровой фазы
tп.min (Gmax, tв.min, в. max, dв. max) определяется в зависимости от максимального расхода паровой фазы Gmax при минимальной температуре наружного воздуха и его максимальных влагосодержании dв. max и скорости в. max.

2. М а к с и м а л ь н ы й уровень жидкой фазы в конденсатосборнике max, расположенном за пределами промежуточного теплоносителя перед регулятором давления, для которого установлено значение, равное 160 мм:

max =п/а. mах(п/а.mах)+п.mах(Gmax,tв.min,в. max,dв.max)+ср=160 мм. (14)

Значение максимального уровня жидкой фазы пентан-амиленовой фракции в конденсатосборнике п/а. mах (п/а. mах) определяется в зависимости от
ее максимально-допустимого содержания в поставляемом СУГ, согласно ГОСТ Р 52087-2003. Значение максимального уровня жидкой фазы пропан-бутановых фракций в конденсатосборнике п. mах (Gmax,tв.min, в. max,dв. max) определяется в зависимости от максимального расхода паровой фазы Gmax при минимальной температуре наружного воздуха tв.min, его максимальном влагосодержании dв. max, максимальной скорости ветра в. max.

3. С у м м а р н а я величина протечек СУГ через запорную или предохранительную арматуру Vут в зависимости от величин утечек СУГ n-ого элемента Vn.ут, для которой установлено нулевое значение:

Vут = = 0. (15)

4. У р о в е н ь и н д и в и д у а л ь н о г о р и с к а Ринд, для которого согласно ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов» в качестве нормативного параметра установлена следующая вероятность возникновения пожара и взрывной волны в результате опасных воздействий:

. (16)

В результате системного анализа и реализации требований целевых функций (10) – (16) разработана м о д е л ь системы защиты РУ с ИИ с установленным уровнем требований, алгоритм создания которой представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Алгоритм создания модели системы защиты РУ с ИИ,
предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя

1.1 снижение температуры паровой фазы на выходе из перегревательной части ИТЗ ниже температуры конденсации; 1.2 нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании подсистемы защиты первого уровня; 1.3 нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании подсистемы защиты второго уровня; 1.4 Попадание жидкой фазы СУГ в регулятор давления и газопровод потребителя; 2.1 – температура паровой фазы на выходе из перегревательной части ИТЗ должна соответствовать требованиям целевой функции (10): tп.ф > (tmin = 55 оС); 2.2 обеспечение постоянного контроля величины tmin = 55 оС с помощью ПЗПУ, которая имеет возможность автоматического выключения при снижении температуры паровой фазы на выходе из перегревательной части ИТЗ до tп.ф = tmin = 55 оС и автоматического повторного включения при tп.ф > (tmin = 55 оС); 2.3 обеспечение постоянного контроля величины уровня жидкой фазы СУГ в конденсатосборнике перед регулятором давления mах = 160 мм с помощью ПЗВУ, которая имеет возможность автоматического выключения при увеличении уровня жидкой фазы СУГ в конденсатосборнике перед регулятором давления до
ж.ф = mах = 160 мм с невозможностью повторного автоматического включения при
ж.ф <(mах = 160 мм); 2.4 – безопасное предотвращение протечек СУГ через запорно-предохранительную арматуру, а также утечек СУГ в окружающую среду согласно целевой функции (15): Vут = 0 с уровнем индивидуального риска Ринд < 10-8 год-1, согласно целевой функции (16); 3.1 – ИТЗ и его перегревательная часть РУ с ИИ должны быть рассчитаны на обеспечение tп.ф > 55 оС на выходе из перегревательной части ИТЗ при любых изменениях расхода от нулевого до максимального включительно; 3.2 – автоматическое отключение подачи жидкой фазы СУГ в ИТЗ и автоматическая сигнализация с помощью ПЗПУ при tп.ф = tmin = 55 оС на выходе из перегревательной части ИТЗ; 3.3 – автоматическое отключение подачи жидкой фазы СУГ в ИТЗ и автоматическая сигнализация с помощью ПЗВУ при уровне жидкой фазы СУГ в конденсатосборнике перед регулятором давления
ж.ф = mах = 160 мм с невозможностью повторного автоматического включения при
ж.ф < 160 мм; 3.4 – система защиты РУ с ИИ, обеспечивающая Vут = 0 с уровнем индивидуального риска Ринд < 10-8 год-1; 4 модель системы защиты РУ с ИИ, состоящая из: 4.1 – ПЗПУ по обеспечению tп.ф > 55 оС на выходе из перегревательной части ИТЗ, включающей: 4.1.1 – датчик температуры паровой фазы, расположенный на выходе из перегревательной части ИТЗ в месте, расположенном в сосуде с промежуточным теплоносителем с температурой выше tп.ф > 55 оС, подающий сигнал на закрытие при достижении температуры паровой фазы значения tп.ф =tmin = 55 °С и подающий сигнал на повторное открытие при увеличении tп.ф > 55 оС; 4.1.2 – исполнительный запорный орган, расположенный на входе в ИТЗ, принимающий сигнал на закрытие от датчика температуры паровой фазы, согласно условию пункта 4.1.1, через блок управления; при этом запорный орган должен осуществлять автоматическое отключение подачи жидкой фазы СУГ с возможностью повторного автоматического включения; 4.2 – ПЗВУ по обеспечению уровня жидкой фазы СУГ в конденсатосборнике перед регулятором давления ж.ф <(mах = 160 мм), включающей: 4.2.1 – датчик уровня жидкой фазы в сборнике конденсата перед регулятором низкого давления, расположенный вне сосуда с промежуточным теплоносителем и подающий сигнал на закрытие при достижении уровня жидкой фазы ж.ф = mах. = 160 мм; 4.2.2 – исполнительный запорный орган, расположенный на входе в ИТЗ перед запорным органом, согласно условию пункта 4.1.2, принимающий сигнал на закрытие от датчика уровня жидкой фазы, согласно условию пункта 4.2.1, через блок управления; при этом запорный орган должен осуществлять автоматическое отключение подачи жидкой фазы СУГ с невозможностью повторного автоматического включения; 5 разработка конструкции системы защиты РУ с ИИ; 6 проверка соответствия заданному уровню требований: • для систем защиты в целом ; • для подсистемы защиты первого уровня tmin = 55 °С; • для подсистемы защиты второго уровня mах = 160 мм.

Проведенный анализ показывает, что механизм образования повреждений системы защиты РУ с ИИ складывается из четырех этапов, протекающих в строго определенной последовательности и показанных на рисунке 3 (1.11.21.31.4).

В целях повышения безопасности и эффективности установок регазификации на основе предложенной модели (рисунок 3) разработан ряд новых технических решений системы защиты по предотвращению попадания жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, изображенных на рисунке 4.

Так, с целью снижения величины Fоп.п, обусловливающей пульсацию объемного расхода до значения, при котором предотвращается попадание туманообразной капельной влаги в газопровод потребителя, разработан двухступенчатый ИТЗ. Для повышения интенсивности теплообмена предложена зависимость по определению длины ИТЗ до места перехода ступени 4 меньшего диаметра в ступень 5 большего диаметра (рисунок 4), при которой коэффициент теплопередачи имеет максимально возможное значение.

Для предотвращения влияния величин Fклим, Fм.ч.т и утечек от ИТЗ при его разгерметизации, а также с целью повышения интенсивности теплообмена разработаны решения путем заливки трубчатых электронагревателей и ИТЗ расплавленным алюминием, включая и место 11 (рисунок 4) расположения датчика 8 температуры паровой фазы.

С целью предотвращения влияния на РУ с ИИ величин Fсмес.у, Fнепр.у, Fп/а.фр, Fм.ч.г, Fтеп, Fн/т.теп и попадания жидкой фазы в газопровод потребителя разработаны технические решения, включающие использование ПЗПУ и ПЗВУ и защищенные патентом RU 63486 U1 (рисунок 4).

Рисунок 4 – Технические решения системы защиты РУ с ИИ по предотвращению
попадания жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя

1 – корпус; 2 – промежуточный теплоноситель из алюминия; 3 – ТЭНы; 4 – первая ступень ИТЗ; 5 – вторая ступень ИТЗ, включая и его перегревательную часть; 6 – датчик температуры теплоносителя; 7 – электромагнитный клапан ПЗПУ; 8 – датчик температуры паровой фазы СУГ; 9 – прибор управления ПЗПУ; 10 – взрывозащищенная оболочка; 11 – место установки датчика 8; 12 – сборник конденсата; 13 – датчик уровня; 14 – электромагнитный клапан ПЗВУ; 15 – прибор управления ПЗВУ; 16 – сетчатый фильтр; – соединительные провода ПЗПУ; – соединительные провода ПЗВУ

Система защиты РУ с ИИ, защищенная патентом RU 63486 U1, работает следующим образом. ТЭНы 3 передают тепловую энергию первой 4 и второй 5 ступеням ИТЗ через слой теплоносителя 2 из алюминия. Средняя температура теплоносителя 2 поддерживается на уровне tтеп= 66,5 ± 2,5 оС < tпол = 70 оС с помощью датчика 6 путем отключения ТЭНов 3 при увеличении до 69 оС и повторного включения при уменьшении до 64 оС. Образовавшаяся паровая фаза поступает в ступень 5, где перегревается в интервале температур
tпф = tтеп= 64…69 оС при любых значениях расхода паровой фазы, включая Gmax.

При снижении температуры паровой фазы до tпф= tmin = 55 оС датчик 8 подает сигнал на прибор 9, который осуществляет закрытие клапана 7 с возможностью повторного автоматического открытия при увеличении tпф > 55 оС.

При неисправности клапана 7, когда он не закрывается при снижении температуры паровой фазы до tmin, а затем и до tк (Рmax, min), жидкая фаза через ИТЗ попадает в сборник 12. При повышении уровня жидкой фазы до mах = 160 мм заключенный в сборнике 12 датчик-сигнализатор уровня 13 через прибор 15 осуществляет закрытие клапана 14, установленного до клапана 7 по направлению подачи жидкой фазы, без возможности повторного автоматического открытия до момента выявления и устранения причин неисправности. На входе жидкой фазы в ИТЗ до клапана 14 устанавливается сетчатый фильтр для очистки СУГ от механических примесей. При этом датчики 6, 8 и 13, приборы 9 и 15, клапаны 7 и 14 имеют инерционность не более 2 секунд и количество циклов «включение – выключение» не менее 106.

Расчет по формулам (10) – (16) показал, что разработанная конструкция системы защиты РУ с ИИ (рисунок 4) полностью соответствует предложенной модели (колонка 4 рисунка 3) и установленным величинам целевых функций. По результатам исследований системы защиты РУ с ИИ разработан стандарт 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», 2009).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки предложенных целевых функций (10) – (16), а также проверки работоспособности и эксплуатационной надежности системы защиты РУ с ИИ.

Экспериментальная проверка основных параметров системы защиты, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, проведена на базе опытно-промышленного образца электрического испарителя с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия. Исследования проводились с 24 октября по 15 декабря 2006 года и с 5 по 28 августа 2009 года в экспериментальном центре ОАО «Гипрониигаз», г. Саратов. Принципиальная схема экспериментальной установки по исследованию эксплуатационных параметров системы защиты РУ с ИИ приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема
экспериментальной
установки

Обозначения: позиции 1-15 обозначены как на рисунке 4; 16 – теплоизолиро­ванный резервуар; 17 – ТЭН; 18 – дистанционный манометр; 19 – регулятор давления; 20 – термометр; 21 – U-образный манометр; 22 – газовый счетчик; 23 – сбросная свеча; 24 –монитор; 25 – системный блок; 26 – прибор для измерения экспериментальных параметров; 27 – сетчатый фильтр

Результаты экспериментальной проверки поддержания постоянной температуры паровой фазы на выходе из ИТЗ в условиях значительной динамики расхода газа представлены на графике рисунка 6.

Рисунок 6 – Температура паровой
фазы на выходе ИТЗ в условиях
значительной динамики суточного расхода паров СУГ

Экспериментальные данные:

– расход паров СУГ;

– температура паровой фазы;

– минимальная
температура паровой фазы

Из графика видно, что температура паровой фазы на выходе из ИТЗ, полученная по данным замеров (сплошная линия), поддерживается постоянной
tп.ф = const = 66,5 ± 2,5 оС независимо от изменения суточного расхода газа и всегда выше ее минимального значения tmin = 55 оС (пунктирная линия), определенного согласно целевой функции (10).

Результаты экспериментальной проверки изменения эксплуатационных параметров ПЗВУ при выходе из строя ПЗПУ приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Изменение
эксплуатационных параметров ПЗВУ испарителя СУГ при выходе
из строя ПЗПУ

Экспериментальные данные:

– уровень жидкой фазы СУГ;
– температура паровой фазы

Из графика видно, что при выходе из строя ПЗПУ, например, когда не закрывается клапан 7 (рисунок 4), температура tпф снижается сначала до
tmin = 55 оС, а затем в момент времени и = 410 с температура уменьшается до точки tк = 44 оС, соответствующей началу конденсации пропан-бутановой смеси в сборнике 12. Из графика также видно, что в интервале времени испытаний 410…500 с уровень жидкой фазы в сборнике 12 повышается со значения п/а. max = 100 мм до максимального значения max = 160 мм, что приводит к закрытию клапана 14 (рисунок 4).

По результатам проведенных исследований и на основе изобретения выпущены нормативные документы СТО 03321549-003-2009 и ПБ 12-609-03, разработана техническая документация, согласно которой осуществляется изготовление предлагаемых систем защиты РУ с ИИ, предотвращающей попадание жидкой фазы в газопровод потребителя.

Основные выводы

1. Предложен алгоритм разработки систем защиты РУ с ИИ, позволяющий уменьшить вероятность попадания жидкой фазы в газопровод и газогорелочные устройства потребителя до 10-8 год-1. Метод реализован в рамках Государственной федеральной программы «Старт» в части исследования, освоения и серийного производства эффективных и безопасных испарителей СУГ.

2. Выявлены внешние опасные воздействия на РУ с ИИ, инициирующие попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя, получены аналитические зависимости, раскрывающие механизмы их влияния и позволяющие определить величину исследуемых ВОВ. Предложены целевые функции, устанавливающие значение параметров системы защиты, при которых исключаются внешние опасные воздействия на РУ с ИИ.

3. Разработана модель системы защиты, позволяющая на основе выявленных внешних опасных воздействий, полученных целевых функций и задания им экстремальных значений, предотвращать попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя.

4. На основе предложенной модели разработаны новые технические решения системы защиты РУ с ИИ, предотвращающей попадание жидкой фазы СУГ в газопровод потребителя с величиной индивидуального риска не более 10-8 год-1. Новые решения защищены патентом № RU 63486 U1.

5. Запроектирован, изготовлен, испытан и рекомендован к внедрению серийный образец электрического регазификатора СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия, оснащенный предлагаемой системой защиты.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,
рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Феоктистов А.А. Анализ влияния компонентов сжиженного углеводородного газа на опасность эксплуатации систем подготовки и регазификации резервуарных установок с искусственным испарением // Безопасность труда в промышленности. – 2009. – № 9. – С. 36-41.

2. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А., Усачева Т.А., Боц А.А. Анализ влияния внешних опасных воздействий на риски, возникающие при эксплуатации системы подготовки и регазификации резервуарных установок сжиженного углеводородного газа // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2009. – Вып. 2 (76). – С. 101-110.

3. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А., Недлин М.С. Системный анализ возникновения источников свободной воды и ее накопления в подземных резервуарных установках сжиженного углеводородного газа // Нефтегазовое дело. – 2009. – Т. 7. – № 1. – С. 98-101.

Прочие публикации

4. Усачев А.П., Феоктистов А.А., Фролов А.Ю., Рулев А.В. Анализ опасных воздействий компонентов сжиженного углеводородного газа на систему его регазификации и подготовки // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. – Саратов: СГТУ, 2005. – С. 174-187.

5. Усачев А.П., Феоктистов А.А., Фролов А.Ю., Рулев А.В. Анализ внешних опасных воздействий на систему регазификации и подготовки сжиженного углеводородного газа // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергосбережения: Сб. научн. тр. / СГТУ. – Саратов: СГТУ, 2006. – С. 161-173.

6. Усачев А.П., Феоктистов А.А., Фролов А.Ю., Рулев А.В. Разработка подсистемы перекрытия попадания сжиженного углеводородного газа из установок регазификации на основе системного подхода // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. – Саратов: СГТУ, 2007. – С. 71-88.

7. Патент на полезную модель № RU 63486 U1. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А.Ю. Фролов, А.В. Рулев, А.А. Феоктистов (RU). – Опубл. 27.05.2007 г. Бюл. 15. – 6 с.

8. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А., Усачева Т.А. Системные исследования опасных воздействий на резервуарные установки сжиженного углеводородного газа с искусственным испарением // Промышленная безопасность на взрывоопасных и химически опасных производственных объектах. Матер. Третьей междунар. научн.-практ. конф. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 222-225.

9. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Феоктистов А.А., Усачева Т.А., Боц А.А. Повышение безопасности искусственной регазификации сжиженного углеводородного газа // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России. – Уфа, 2009. – С. 147-149.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ринд – уровень индивидуального риска, год-1; QBi, Qfi – вероятности возникновения в течение года i-ой аварии с горением смеси паров СУГ с воздухом на резервуарной установке с ИИ и образованием опасных факторов избыточного давления и теплового излучения, год-1; QВi П, Qfi П – условные вероятности поражения человека в результате воздействий избыточного давления и теплового излучения при реализации i-ого типа аварии; – плотность, кг/м3; R – сопротивление теплопередаче, (м2К)/ Вт; – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); – толщина, м; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); с – удельная теплоемкость, кДж/(кгК); r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; Р – давление, Па; Р – перепад (потеря) давления, Па; t – температура, оС; g – ускорение свободного падения, м/с2; G – расход (количество), м3/ч, кг/ч; – время работы, с; V – объем, м3; величина утечки, м3/ч; K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); d – диаметр, м; влагосодержание, д.е.; Н, h – высота, м; – уровень жидкой фазы, д.е., %; Х, х – массовое паросодержание, д.е.; М, m – масса, кг; А, В, С – числовые коэффициенты, экспериментально полученные для различных диапазонов температур; Fсмес.у, Fнепр.у, Fп/а.фр, Fоп.п, Fм.ч.г, Fм.ч.т – воздействия, обусловленные наличием соответственно смесей углеводородов, непредельных углеводородов, пентан-амиленовых фракций, пульсаций объемного расхода, механических частиц, содержащихся и образующихся в газе, в теплоносителе; Fклим, Fтеп, Fн/т.теп –воздействия, обусловленные соответственно климатическими факторами, критическими тепловыми нагрузками теплоносителя, низкой температурой теплоносителя; q – удельный тепловой поток, Дж/с м2; Re, Pr – критерии подобия Рейнольдса, Прандтля; И – массовая скорость, кг/(см2); – содержание пропана в смеси, мол. %; – весовое содержание пропана в смеси, вес. %; – параметр, учитывающий влияние содержания пропана в парожидкостной смеси СУГ; R – коэффициент для змеевика из труб; – скорость, м/с; qкр1, qкр2 – соответственно первый и второй удельные критические тепловые потоки при кипении СУГ, Вт/м2; R – радиус, м; tср – погрешность срабатывания датчика температуры паровой фазы на выходе из испарителя, оС; ср – погрешность срабатывания датчика-сигнализатора уровня жидкой фазы в конденсатосборнике, мм.

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

б – бутан ; г – газ; гр – граничный; нач – начальный; п.ф – паровая фаза; ж.ф – жидкая фаза; пр –пропан; п/а – пентан-амиленовая; фр – фракция; рас – расслоенный; см – смесь; ут – утечка; к – конечный; конец кипения смеси; н. – начальный, начало кипения; пол – полимеризация; кол – кольцевой; min, opt, max – минимальная, оптимальная и максимальная величины; в – наружный воздух; об – объемный; кр – критический; теп – теплоноситель; м.ч.г (м.ч.т) – механические частицы, содержащиеся и образующихся в газе (теплоносителе); ст – сталь, стенка; n-ый элемент арматуры

АББРЕВИАТУРЫ

СУГ – сжиженный углеводородный газ; РУ – резервуарная установка; ИИ – искусственное испарение; ИТЗ – испарительный трубопроводный змеевик; ТЭН – трубчатый электронагреватель; ТПТ – твердотельный промежуточный теплоноситель; ВОВ – внешние опасные воздействия; ПЗПУ – подсистема защиты первого уровня; ПЗВУ – подсистема защиты второго уровня.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 15.02.2010 г. Бумага писчая.

Заказ № 73. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.