Лекции по надежности систем газоснабжения

Лекции по надежности систем газоснабжения

НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Лекция 1

Основные понятия теории надёжности. Надёжность, безотказность, отказ, долговечность, ремонтопригодность. Функции надёжности

Лекция 2,3

Основные причины аварий систем газоснабжения. Понятие аварии. Внезапный отказ. Наработка на отказ. Постепенные отказы. Механические повреждения газопроводов, коррозия и разрывы сварных швов.

С точки зрения надежности рассматриваются два вида соединения элементов объекта: последовательное и параллельное.

Последовательное – соединение, при котором отказ хотя бы одного элемента приводит к нарушению работоспособного состояния всего объекта и с увеличением количества элементов надежность объекта уменьшается, какого бы высокого качества не были эти элементы.

Параллельное – соединение, при котором объект выйдет из строя только после отказа всех параллельно соединенных (дублирующих) элементов. При параллельном соединении надежность объекта выше, чем надежность отдельных его элементов. Параллельное соединение широко используется в технике.

Различают следующие нарушения работы отдельных элементов системы: повреждение (нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния ); отказ элемента (нарушение его работоспособного состояния), который не всегда приводит к отказу всей системы. Если же отказы отдельных элементов приводят к отказам всей системы газоснабжения, то возникают аварийнее ситуации, в результате которых газовое хозяйство несет значительный экономический и социальный ущерб.

Экономический ущерб связан с нарушением работы коммунально-бытовых и промышленных предприятий и достаточно точно может быть подсчитан.

Социальный ущерб выражается в том, что с прекращением подачи газа источникам теплоснабжения нарушается работа систем отопления зданий, снижается температура воздуха в помещениях и нарушается нормальная жизнедеятельность людей.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Отказ является важным понятием науки о надежности. Существуют отказы независимые и зависимые, внезапные и постепенные, а также конструкционные, производственные и эксплуатационные.

Однако для теории и практики надежности важнейшее и решающее значение имеет деление всех отказов на две основные категории: отказы внезапные и отказы постепенные.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких заданных параметров объекта. Причина внезапного отказа в большинстве случаев заключается во внезапной концентрации нагрузок, действующих внутри и вне объекта. Физическая сущность внезапного отказа сводится к тому, что после некоторого быстрого количественного изменения физико-химических свойств и параметров объекта происходит качественный скачок, в результате которого объект приходит в неработоспособное состояние. В основной период нормальной эксплуатации объекта вероятность внезапных отказов величина практически постоянная.

Постепенный отказ – это результат необратимых медленных физико-химических процессов, происходящих в любом объекте и каждом его элементе в результате их износа и старения. Характеризуется постепенным изменением значений одного или нескольких заданных параметров объекта. Постепенный отказ является неизбежным, закономерным резуль­татом износа и старения любого объекта, и поэтому рано или поздно он должен обязательно произойти, т.е. вероятность равна единице. Однако время наступления такого отказа является случайной величиной. Отдалить срок наступления постепенных отказов можно как путем повышения качества объекта и его элементов, так и своевременной про­филактической заменой. Чем больше время эксплуатации объекта, чем больше время приближается к среднему сроку службы данного объекта, тем чаще появляются постепенные отказы.

Зависимость интенсивности отказов от времени показана на рис. 2.1. В первый период работы, называемый периодом приработки, интенсивность отказов объекта вначале бывает высокой, затем быстро падает, в этот период отказывают те элементы, которые имели скрытые дефекты. Во второй период – период нормаль­ной эксплуатации – интенсивность отказов устанавливается на каком-то минимальном уровне. В это время происходят в основном случайные (внезапные) отказы. Третий период наступает после определенного времени эксплуатации объекта. В третий период – период износа и старения – интенсивность отказов начинает возрастать. Происходят как внезапные, так и постепенные отказы.

 

Интенсивность отказов (количество отказов)

Рисунок 2.1 – Зависимость интенсивности отказов от времени

Лекция 4, 5

Показатель надёжности. Надёжность элементов системы. Статистические данные потока отказов отдельных элементов газовой сети.

При оценке надежности систем газоснабжения следует исходить из принципиальной недопустимости отказов системы. Существуют два основных пути повышения надежности газоснабжающих систем.

Первый путь (наиболее часто используемый) – это повышение надежности элементов, из которых состоит система. Это использование труб и оборудования из более прочных и качественных материалов (сталь бронза, латунь); использование более долговечных изоляционных материалов; повышение качества конструкций оборудования; повышение качества строительно-монтажных работ и повышение требований к контролю качества строительства. Однако следует учитывать, что при этом повышается стоимость системы, а надежность системы оказывается меньше надежности составляющих ее элементов.

Второй путь – путь резервирования, т.е. кольцевания сетей, дублирование наиболее важных элементов системы, рациональное секционирование газопроводов. Этот путь реализуется при проектировании и позволяет создавать системы, надежность которых выше надежности элементов, из которых они состоят. Следует учитывать, что резервирование связано с большими материальными затратами и поэтому должно быть строго обосновано. Только кольцевание газовых сетей низкого давления не требует существенных дополнительных затрат ввиду большой плотности из прокладки по селитебной территории.

Городская система газоснабжения – это комплекс газовых сетей, устройств и сооружений на них, предназначенных для подачи необходимых количеств газа с заданными параметрами бытовым, коммунальным и промышленным потребителям.

Городские системы газоснабжения получают газ через газораспределительные станции (ГРС) из магистральных газопроводов, объединенных в Единую автомати­зированную систему газоснабжения страны.

Современные распределительные системы газоснабжения представляют собой сложные разветвленные и кольцевые сети, а также устройства и сооружения для редуцирования и очистки газа электро­химической защиты от коррозии, отключения отдельных участков и т.д. С увеличением протяженности газовых сетей и ростом мощности городских систем газоснабжения уменьшается их надежность, количество аварий и отказов увеличивается. В связи с этим системы газоснабжения должны быть спроектированы при удовлетворении заданного уровня надежности, а их эксплуатация должна быть организована таким образом, чтобы принятый уровень надежности выдер­живался в течение всего срока службы системы. Решить эти задачи можно, лишь опираясь на теорию надежности и используя методы ее расчета при проектировании и эксплуатации газоснабжающих систем.

Следует заметить, что расчеты надежности носят оценочный, приближенный характер. Для повышения их точности большое значение имеет анализ статистических данных по отказам действующих систем.

Надежность тупиковых сетей

О надежности газовых сетей можно судить, прежде всего, по их структуре (конфигурации). Существуют две характерные структуры газопроводов: тупиковая и кольцевая.

Тупиковая разветвленная сеть представляет собой «Дерево». Роль ствола выполняет цепочка последовательно соединенных участ­ков и элементов оборудования главной наиболее нагруженной магист­рали от точки питания до наиболее удаленной точки или потребителя. Главная магистраль прокладывается вблизи основных потребителей. От главной магистрали, как от ствола дерева, отходят ответвления, которые представляют собой также цепи последовательно соединенных участков. К каждому потребителю имеется единственный путь потока газа.

К полному отказу тупиковой сети приводят лишь отказы головного участка ствола. Отказы других участков и головных участков ответвлений приводят к существенным нарушениям работы сети, в результате которых прекращается подача газа значительной части потребителей. Но при этом некоторая часть потребителей будет получать газ в необходимом количестве, и не будет ощущать ущерб от аварийных ситуаций сети. Отказы в участках ответвлений приводят к незначительным нарушениям системы газоснабжения и отражаются на обеспечении газом наименьшего количества потребителей.

Таким образом, с точки зрения надежности участки тупиковой сети неравноценны. Для возможности расчета показателей надежности системы отказом системы принято считать такое ее состояние, когда хотя бы один потребитель отключен от сети и не получает газ.

Надежность (вероятность безотказной работы) тупиковых сетей составляет около 0,95, т.е. из ста систем газоснабжения за десятилетний период эксплуатации откажет от двух до пяти систем. Следовательно, тупиковые сети высокого (среднего) давления можно проектировать только для поселков и небольших городов. Причем следует учитывать, что с увеличением длительности эксплуатации системы вероятность ее отказов растет. Поэтому желательно предусматривать при развитии и реконструкции сети возможность повышения ее надежности кольцеванием или дублированием наиболее ответственных участков.

Надежность подачи газа отдельным потребителям тупиковой сети определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех последовательно соединенных элементов системы от источника питания до данного потребителя по формуле (2.7).

 

Надежность кольцевых сетей

Основное отличие кольцевых сетей от тупиковых заключается в том, что они состоят из замкнутых контуров, в результате чего газ может поступать к потребителям по двум или нескольким линиям.

Надежность кольцевой сети достигает 0,9988, что значительно выше надежности тупиковое сети (0,95), т.к. кольцевая сеть имеет резервирующие элементы – замыкающие участки. При отказе одного из элементов сети, расположенного на расчетном пути движения газа к потребителю, возникает другой путь движения газа через резервирующий элемент. Обычно резервный путь оказывается длиннее расчетного пути и для преодоления гидравлических сопротивлений на нем необходимо располагать дополнительным давлением.

Кольцевание сети, само по себе не может обеспечить достаточно надежного газоснабжения. Структурный резерв должен сопровождаться резервом мощности (пропускной способности), который создается во время проектирования сетей и выражается в запасах диаметров труб сети. Диаметры труб сети подбирается по расчетным расходам с оставлением некоторого резерва давления, и проверяют их достаточность в аварийных гидравлических режимах.

Сеть высокого (среднего) давления резервируется путем коль­цевания и дублирования отдельных участков. В результате образуется кольцевая сеть, которая содержит основные и второстепенные контуры. Основные контуры должны объединять источники питания и охватывать весь город. Второстепенные контуры образуются при сое­динении перемычками главных магистралей. Сети высокого (среднего) давления малых и средних городов обычно состоят из одного или нескольких колец и только у больших и крупных городов они представляют собой многокольцевые системы.

Кольцевая сеть низкого давления имеет ряд отличий от сети высокого (среднего) давления:

- большое количество точек питания, соответствующее числу ГРП;

- ГРП располагаются, как правило, в центрах своих зон, сеть достаточно равномерно простирается во все стороны от ГРП и протяженность от точек питания до концевых точек невелика (до 1000 м);

- сеть низкого давления представляет собой низший уровень городских газопроводов, следовательно, надежность газоснабжения коммунально-бытовых потребителей, присоединенных к ней, зависит и от надежности элементов сетей высокого (среднего) давления, по которым газ движется от ГPC до сетевых ГРП;

- большая часть ремонтов сети низкого давления производится под газом без выключения участков из сети и без отключения потребителей.

Учитывая изложенные особенности, сети низкого давления следует выполнять смешанной конфигурации с кольцеванием только основных трубопроводов, включающих головные участки, выходящие из ГРП.

Большое значение для повышения надежности газоснабжения потребителей от сетей всех давлений имеет рациональное секционирование кольцевых газопроводов с помощью задвижек.

 

Лекция 6

Показатель надёжности. Надёжность элементов системы. Статистические данные потока отказов отдельных элементов газовой сети.

Комплексный показатель надежности количественно характеризует не менее двух свойств, составляющих надежность, например безотказность и ремонтопригодность. Примером комплексного показателя надежности служит коэффициент готовности , который обозначает вероятность застать систему в рабочем состоянии и определяется по формуле

где – средняя наработка на отказ;

– среднее время восстановления.

Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени (момент начала исчисления наработки) объект находился в работоспособном состоянии. Обозначим через время или суммарную наработку объекта (в дальнейшем для краткости называем просто наработкой). Возникновение первого отказа – случайное событие, а наработка от начального момента до возникновения этого события – случайная величина. Вероятность безотказной работы объекта в интервале от до включительно определяют как

.

Аналогично вводят вероятность безотказной работы в более общем случае, когда состояние объекта характеризуется набором параметров с допустимой по условиям работоспособности областью значений этих параметров.

Наряду с понятием «вероятность безотказной работы» часто используют понятие «вероятность отказа», которое определяется следующим образом: это вероятность того, что объект откажет хотя бы один раз в течение заданной наработки, будучи работоспособным в начальный момент времени. Вероятность отказа на отрезке от до определяют по формуле

.

Точечные статистические оценки для вероятности безотказной работы от до и для функции распределения наработки до отказа даются формулами

Для получения достоверных оценок объем выборки должен быть достаточно велик.

Определение безотказной работы в соответствии с формулами (2.2) и (2.3) относится к объектам, которые должны функционировать в течение некоторого конечного отрезка времени. Для объектов одноразового (дискретного) применения вероятность безотказной работы определяют как вероятность того, что при срабатывании объекта отказ не возникает. Аналогично вводят вероятность безотказного включения (например, в рабочий режим из режима ожидания).

Надежность подачи газа городской системой газоснабжения какому-либо потребителю определяется как произведение вероятностей безотказней работы всех последовательно соединенных элементов системы от источника питания (ГРС) до потребителя по формуле

,

где , , и – вероятность безотказной работы элементов системы.

Вероятность отказа (ненадежность) подачи газа системой газоснабжения

.

Вероятность безотказной работы элементов систем газоснабже­ния подчиняется экспоненциальному закону.

Параметр потока отказов является важной характеристикой надежности элементов системы газоснабжения, вычисляется на основе статистических данных по повреждениям и отказам, зафиксированных эксплуатирующими службами, по следующей формуле

В процессе эксплуатации параметр потока отказов элементов системы газоснабжения сохраняется примерно постоянным.

Для проектируемых систем газоснабжения рекомендуются следующие значения параметров потока отказов:

· для газопроводов = 2 10^–3 1/(км год);

· для чугунных задвижек = 1,7 10^–3 1/год;

· для стальных задвижек = 0,3 10^–3 1/год;

· для кранов = 0,2 10^–3 1/год;

· добавка на компенсаторы и конденсатосборники

= 0,11 10^–3 1/год.

Используя расчетные значения вероятности безотказной работы элементов газовых сетей, можно вычислять вероятность безотказности газоснабжения потребителей за данный период и, следовательно, можно производить сравнение надежности различных схем присоединения потребителей газа, и надежности различных конфигураций сети.

Рассмотрим вопрос о возможных значениях коэффициентов обеспеченности. Коммунально-бытовых потребителей обычно питают от сети низкого давления после ГРП. Возможное уменьшение подачи газа ограничено нижним пределом, который устанавливают из соображений минимально допустимого давления газа перед приборами. Это минимальное давление определяется минимальной нагрузкой, которую принимают равной 50% расчетного значения. Такое сокращение подачи газа снизит качество системы газоснабжения, но не поставит потребителей в условия, когда они будут вынуждены искать другой вид топлива. Половину нормы газообразного топлива будут получать примерно 20…30% потребителей, причем такое снижение подачи топлива существенно не отразится на приготовлении пищи. Коэффициент обеспеченности следует принимать:

- для коммунально-бытовых потребителей, присоединенных к сети низкого давления, =0,8…0,85;

- для отопительных котельных =0,7…0,75;

- для промышленных предприятий, имеющих резервное топливо, =0;

- для технологических нужд предприятий =1.

 

Лекция 7

Резервирование объектов СУГ. Технология Propane-air. Схемы резервирования. Методы воздействия на факел.

Метод реформирования газа.

Это разложение природного газа для получения светящегося пламени. Светящее пламя отличается от несветящегося тем, что излучает тепловую энергию не в пределах полей излучения СО₂ и Н₂О, а по всему спектру излучения. Для обеспечения непрерывного излучения факела нужно обеспечить пиролиз (разложение) метана. При пиролизе метана возникает новая дисперсная фаза-углерод (сажа). При правильном выборе температуры и времени процесса, возникающие частицы углерода будут иметь такие размеры, которым свойственно максимальное излучение.

Существует 2 основных пути разложения природного газа:

1. Часть газа сжигается в специальных устройствах, а выделяющиеся при этом тепло идет на разложение углеводородов.

2. Чистый газ подается в рабочее пространство, где он подвергается термическому разложению за счет тепла другого топлива (источника).

Максимальное излучение пламени имеет место при температуре предварительного подогрева 1200°С, когда образуется частицы, имеющие наибольший диаметр.

 

Лекция 8

Защита газопроводов о коррозии, как способ повышения надежности систем газоснабжения.

 

Выбор способа ЭХЗ

Выбор способа ЭХЗ осуществляют следующим образом.

В случае сближения подземных трубопроводов с рельсовой сетью электрифицированных железных дорог, имеющих устойчивый отрицательный потенциал рельсов относительно земли, выбирают точки подключения автоматического усиленного дренажа.

В случае сближения защищаемых трубопроводов с рельсовой сетью трамвая, имеющей устойчивый отрицательный или знакопеременный потенциал, также целесообразно предусматривать устройство усиленного автоматического дренажа.

Остальные участки трубопроводов, подлежащие катодной поляризации, защищают с помощью катодных станций или протекторов. Причем протекторная защита может быть применена только для отдельных участков трубопроводов небольшой протяженности (до 70 м). Радиус действия катодной защиты составляет, как правило, 100 – 1500 м, однако иногда может достигать большей протяженности.

 

И электрические перемычки

Для исключения возможности электрического контакта газопровода с заземленными конструкциями и коммуникациями потребителей дополнительно к устройствам электрохимической защиты используют изолирующие фланцевые соединения (ИФС) и вставки. Они разбивают газопровод на отдельные участки, при этом уменьшается проводимость и сила тока, протекающего по газопроводу. ИФС – прокладки между фланцами из резины и эбонита. Вставки из полиэтиленовых труб применяют для отсечения различных подземных сооружений друг от друга.

Установка ИФС приводит к сокращению затрат электроэнергии за счет исключения потерь тока перетекания на смежные коммуникации.

ИФС устанавливают на вводах к потребителям, подземных и надводных переходах газопроводов через препятствия, а также на вводах (и выводах) газопроводов в ГРС, ГРП и ГРУ.

Фланцевые соединения на подземных газопроводах должны быть зашунтированы постоянными электроперемычками. На изолирующих фланцах электроперемычки должны быть разъемными с размещением контактных соединений вне колодцев.

Электрические перемычки устанавливают на смежных металлических сооружениях в том случае, когда на одном сооружении имеются положительные потенциалы (анодная зона), а на другом – отрицательные (катодная зона), при этом на обоих сооружениях устанавливаются отрицательные потенциалы. Перемычки применяются при прокладке по одной улице газопроводов различного давления.

 

Лекции по надежности систем газоснабжения