CC BY
32
УДК 614.8:669.1
С.И. Долгов, Т.А. Комаревцева
МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ПРИОРИТЕТОВ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
В настоящей статье рассматривается методология, позволяющая выбирать наиболее существенные факторы, влияющие на поведение производств в условиях нарушения поставок газа, на основе которых можно создавать упрощённые модели поведения потребителей газа, не требующие большого количества исходных данных. Использование таких моделей совместно с потоковыми моделями ЕСГ позволит оперативно оценивать различные сценарии ЧС и принимать более обоснованные решения по распределению газа между промышленными потребителями с учётом широкого спектра факторов.
Ключевые слова: единая система газоснабжения, устойчивость функционирования, чрезвычайная ситуация, потребители газа, приоритет поставок, графоаналитическое моделирование, причинно-следственная связь, вероятность, ущерб.
S. Dolgov, T. Komarevtseva
METHODOLOGY OF ESTIMATION OF GAS SUPPLY PRIORITIES SOLVING PROBLEMS OF IMPROVING STABILITY OF FUNCTIONING OF THE UNITED GAS SUPPLY SYSTEM IN EMERGENCY SITUATIONS
The article presents the methodology, allowing to choose the most essential factors having influenced with behavior of manufactures in conditions of infringements of deliveries of gas, which could be a creation basis of not demanding a considerable quantity of the initial data simplified models of gas consumers ' behavior. Using such models in common with stream flow models of united system of gas supply will allow to estimate efficiently various scenarios of emergency situation and to make more well-founded decisions on gas distribution between industrial consumers taking into account a wide spectrum of factors.
Keywords: united gas supply system, stability of functioning, emergency situation, gas consumers, priority of supply, graph-analytic modeling, cause and consequence ^medion, probability, damage.
Под устойчивостью функционирования единой системы газоснабжения (ЕСГ) в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС) подразумевается способность ЕСГ в условиях потерь и разрушений, независимо от характера разрушающего воздействия, обеспечивать газоснабжение объектов экономики и населения в установленном объёме, а также обеспечить в минимально короткие сроки восстановление поставок газа потребителям до заданных уровней.
ЕСГ России по протяжённости, технической оснащённости и количеству потребителей является крупнейшей топливно-энергетической системой мира и представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. В штатных условиях система газоснабжения осуществляет непрерывные поставки газа от скважины до конечного потребителя, при этом производственные мощности ЕСГ соответствуют, как минимум, имеющемуся спросу на газ, а в самой системе постоянно поддерживается баланс между объёмами поступления и распределения (потребления) газа.
Благодаря централизованному управлению, большой разветвлённости, наличию закольцованных участков и альтернативных маршрутов транспорта газа ЕСГ сохраняет способность к функционированию во время ЧС и может обеспечивать поставки газа потребителям. Для сохранения баланса в системе при возникновении ЧС начинается процесс перехода ЕСГ от штатных условий функционирования к новому состоянию. При переходе осуществляется корректировка объёмов поставок газа потребителям, исходя из сохранившихся производственных возможностей отдельных объектов ЕСГ и участков газопроводов. Корректировка проводится в соответствии с определенными приоритетами, отражающими значимость потребителей газа для экономики страны
- 21
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
в условиях ЧС. Это требует разработки методологии ранжировки потребителей газа по приоритетности газоснабжения.
Предполагаемая методология должна учитывать режимно-технологические особенности потребителей разных отраслей, а также наличие у них возможностей замены газа резервным топливом на период ликвидации ЧС в случае заметного снижения или полного прекращения поставок газа. Особое внимание должно быть уделено потребителям, у которых в случае дефицита поставок газа возможно возникновение аварийных и чрезвычайных ситуаций, приводящих к гибели людей или к необратимым деструктивным изменениям в производстве. Излагаемые ниже методологические подходы и принципы ранжирования потребителей позволяют решать вопрос определения приоритетов газоснабжения в условиях наличия дефицита газа с учётом вышеизложенных требований.
1. Определение социально-экономической и социально-политической значимости потребителя для страны
2. Исследование режимно-технологических особенностей потребителя с целью выявления критических установок (процессов)
4. Анализ ДПСС для выявления наиболее зависящих от стабильности поставок газа уровней ДПСС
На первом этапе оценку приоритетов газоснабжения в условиях ограничения поставок газа следует начинать с определения социально-экономической и социально-политической значимости потребителя, учитывая особенности его территориального размещения и отраслевой принадлежности (этап 1, рис. 1).
Надо отметить, что крупные, в первую очередь, промышленные потребители газа являются в основном сложными инженерно-технологическими комплексами, устойчивость которых зависит от устойчивости составляющих их элементов. Поэтому следующий этап предлагаемой методики заключается в определении таких элементов производства, нарушение работоспособности которых может привести к возникновению аварийной или чрезвычайной ситуации, связанной с гибелью людей или возникновением необратимых изменений в технологии производства, для чего необходимо исследовать режимно-технологические особенности производства потребителя (этап 2, рис. 1).
Далее среди совокупности критических элементов выделяют элементы, зависящие от стабильности поставок газа. Эта задача решается с помощью диаграмм причинно-следственных связей (ДПСС). В настоящей работе предлагается реализация ДПСС путём построения и последующего анализа «дерева событий» (этапы 3, 4 рис. 1).
Головным событием такого «дерева» будет являться извещение о снижении или прекращении поставок газа. Уровни «дерева событий» - поведения производства в случае прекращения (ограничения) поставок газа - должны отражать: технологические особенности функционирования производства; наличие противоаварийных систем защиты; возможности истечения потоков энергии и вещества, высвободившихся в результате происшествия; разрушительное воздействие соответствующих факторов на незащищённые от них людские, материальные и природные ресурсы [2].
Качественный анализ построенной ДПСС (этап 3, рис. 1) позволит выявить наиболее зависимые от стабильности поставок газа элементы производства: это могут быть отдельные установ-
22 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
5. Построение модели поведения потребителя
6. Параметризация
Рис. 1. Этапы методологии ранжирования потребит елей
ки, технологические участки или процессы. Исследовав поведение таких элементов производства в случае ограничения поставок газа, можно оценить:
характер использования газа потребителем:
- газ используется для технологических нужд (в т. ч., в качестве сырья);
- газ используется для топливно-энергетических нужд;
характер поведения потребителей при прекращении поставок газа:
- возможность покрытия энергетических нужд с помощью резервных энергоносителей;
- возможность остановки производства [3].
Используя результаты проведённого анализа, можно проследить изменение производительности (К, продукция/час) потребителя за время (Г, час) ограничения или полного прекращения поставок энергоресурсов (О, м3/час) при наличии/отсутствии возможности перехода потребителя на другой энергоноситель. При этом, под поставками энергоресурсов подразумевается поставка газа (Ог, м3/час) или поставка резервного топлива (Ор, м3/час). Возможные сценарии поведения потребителей, а также параметры изменения их состояния представлены в табл. 1.
Таблица 1
Возможные сценарии развития ситуации при ограничении поставок газа различным группам потребителей в условиях ЧС в ЕСГ
Наличие возможности экстренного останова производства Экстренный останов производства невозможен
Газ используется потребителем для топливных нужд, есть возможность его замены резервными источниками энергии Газ используется потребителем для топливно-технологических нужд, возможность его замены другими ресурсами отсутствует Газ используется потребителем для топливных нужд, есть возможность его замены резервными источниками энергии Газ используется потребителем для топливно-технологических нужд, возможность его замены другими ресурсами отсутствует
Резерва достаточно для нормального функционирования потребителя в течение всего периода ограничения поставок газа Переход потребителя на резервные энергоресурсы с последующим восстановлением исходных режимов функционирования бг1 = 0; Wl < Ш0 &п = Ого; К = К - Переход потребителя на резервные энергоресурсы с последующим восстановлением исходных режимов функционирования Ог1 = 0; Ш1 < Ко Огп = <2го; К = Wо -
Резерва недостаточно для нормального функционирования потребителя в течение всего периода ограничения поставок газа Экстренная остановка производства с последующим восстановлением исходных режимов функционирования ог1 = о; егп=его К = 0; Кп = Ко Экстренная остановка производства с последующим восстановлением исходных режимов функционирования ог1 = о; егп=его К = 0; Кп = Ко Безаварийная остановка производства при сохранении поставок газа на период завершения технологического цикла, в противном случае для безаварийного останова производства используют резервные источники энергии, в обоих случаях сохраняется возможность восстановления исходных режимов функционирования потребителя если Ог1 < Ого, К < Ко, К = О Г0; если Ог1 = 0, К < Ко, К = Г0; Кп = Ко; бгп = Ого Безаварийная остановка производства при сохранении поставок газа на период завершения технологического цикла с сохранением возможности восстановления исходных режимов функционирования, в противном случае - аварийное завершение технологического цикла, приводящее к необратимым деструктивным последствиям для потребителя если бг1 < Ого, К < Ко К = Ши ГО Кп = Ко; бгп = Ого; если бг(1..п) = 0, К(1...п) = 0
Параметры с индексом «0» характеризуют работу потребителя до момента прекращения поставок энергоресурсов, а с индексами от «1...n» - функционирование производства после прекращения поставок.
Так, перевод промышленных агрегатов, использующих газ, на резервные виды топлива и обратно сопровождается снижением производительности W\ < W0. Например, при переводе с мазута на газ мощных котельных агрегатов вследствие более низкой излучательной способности газового факела тепловосприятие экранных поверхностей снижается. По этой причине резко понижается температура газов на выходе из топки. Производительность котельных агрегатов ограничивается, что связано с чрезмерным повышением температуры перегретого пара и металла труб пароперегревателей. При переходе котлоагрегата c одного на другой вид топлива изменение температуры перегретого пара может достигать значительных величин, измеряемых десятками градусов, притом, что допустимыми отклонениями считаются +5 и -10 K [7]. Некоторые технологические установки вообще не могут нормально работать на других видах топлива, в этом случае замена топлива может быть применена лишь на строго ограниченный период времени.
Если позволяет технология, то в случае возникновения дефицита газа, при отсутствии возможности резервирования или замены газа другими энергоносителями, принимается решение о быстрой безаварийной остановке такого производства. Например, на кирпичных заводах, использующих в своём производстве туннельные печи, работающие на газу и предназначенные для обжига кирпича, в случае прекращения подачи газа принимается решение о приостановлении эксплуатации объекта. В случае с производством кирпича ущерб от ограничения поставок газа будет связан, в основном, с недовыпуском продукции или с выпуском бракованного кирпича, технологические элементы производства при этом значительно не пострадают. Брака (недожога или пережога) кирпича удастся избежать, если подача газа будет прекращена в среднем через 12 - 17 часов после остановки загрузки вагонеток в печь, этого времени будет достаточно для прохождения вагонетками зон нагрева изделия и его выдержки при заданной температуре печи [4].
Можно выделить группу потребителей, в производственном процессе которых имеются длительные технологические циклы, не подразумевающие перехода на другой вид топлива, экстренное завершение которых может привести к выходу из строя оборудования и возникновению ЧС. В случае прекращения или снижения поставок газа таким производствам принимается решение об их остановке, для которой необходимо определённое время и достаточное количество энергоресурсов. Наиболее остро стоит вопрос поставок газа потребителям, технология производства которых непрерывна и не подразумевает иных, кроме газа, энергоресурсов. В случае прекращения или снижения поставок газа таким предприятиям также принимается решение об остановке, которая в этом случае будет носить аварийный характер. Исходом подобных операций могут быть различные ЧС, ущерб от которых, порой, ставит под угрозу существование целого предприятия. Для предотвращения возможных ЧС и сокращения затрат на восстановление производства в случае аварийной остановки также нужно обеспечить поставки газа в течение определенного времени.
Для такой группы потребителей необходимо детальное рассмотрение режимно-технологических особенностей элементов производства, зависящих от стабильности поставок газа. Для решения этой проблемы предлагается агрегирование построенных деревьев до основных уровней, общих для группы однотипных потребителей. Получаемая таким образом модель поведения потребителя (этап 5, рис. 1) используется для определения ключевых параметров, а именно, времени, необходимого производству для совершения аварийной остановки, и необходимых для этого объёмов поставок газа (этап 6, рис. 1).
Апробация методологии на примере металлургической отрасли
Одними из наиболее требовательных к устойчивости поставок газа являются предприятия чёрной металлургии. Металлургическая промышленность - крупнейший потребитель топливно-энергетических ресурсов вообще и природного газа в частности. Около % газа, используемого промышленностью, приходится на технологические и энергетические нужды металлургии.
24 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
Как показывает статистика аварий на предприятиях чёрной металлургии, 28 % от общего количества взрывов газа приходится на технологические комплексы доменных печей, включающие воздухонагреватели, пылеуловители и скрубберы с прилегающими газопроводами. Около 90 % аварий приходится на пуско-остановочные операции, в том числе: до 60 % взрывов на доменных печах возникло при выполнении пусковых операций и около 40 % - при выполнении операций по остановке печей. Ущерб от таких аварий настолько велик, что принимается решение о ликвидации домны. Но даже если доменная печь в случае недопоставок газа будет остановлена без сопутствующих аварий, это повлечёт за собой ущерб от недовыпуска чугуна и сбои в работе других технологических циклов завода, использующих доменный газ. Так, увеличение частоты простоев на 5 % снижает удельную производительность печи на 25 - 30 % [6].
Критическим элементом доменного производства является доменный цех. Доменный цех завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее трёх доменных печей с воздухонагревателями и системой газоочистки. Запас шихты (кокса на 6 - 12 часов, агломерата или руды, а также флюсов на 1 - 2 суток работы печей) хранится в бункерах эстакады (общей для всех доменных печей).
Доменная печь (домна) - это вертикальная шахтная печь круглого сечения, высотой до 35 м, имеющая цилиндрическую форму и позволяющая выплавлять чугун и ферросплавы. Футеровка печи выполнена огнеупорной кладкой. Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Исходным материалом (шихтой) в доменной печи являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши. Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели, в которых нагревается до 1000 - 1200 °С, и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы также подается природный газ. Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи доменный (колошниковый) газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи, а затем используется другими цехами как топливо.
Авторами было построено возможное «дерево событий» для случая прекращения поставок газа в доменный цех, центральное событие в котором задаётся не «деревом происшествия», а имитационной квазидинамической потоковой моделью газотранспортной системы, в основе которой лежит потоковый граф, дугами в котором являются газопроводы, а узлами - объекты системы.
Анализ построенного «дерева» показал, что доменная печь характеризуется непрерывностью потребления газа и занимает ведущее положение в системе завода с замкнутым циклом, так как помимо чугуна вырабатывает колошниковый газ, используемый другими цехами как топливо [5]. Подача воздуха для горения и загрузка шихтовых материалов ведётся непрерывно на протяжении всего периода её работы. В случае прекращения поставок газа в доменный цех, при отсутствии резервных энергоносителей, принимается решение об аварийной остановке доменной печи, а следовательно, всего металлургического предприятия [1].
Операции, связанные с остановкой печи, требуют от обслуживающего персонала повышенного внимания и чёткого выполнения установленных правил. Причина этого заключается в том, что доменный газ может образовывать взрывчатую смесь с воздухом. Пока газовая сеть работающей печи находится под давлением, большим атмосферного, возможность проникновения воздуха в сеть исключена, и опасности взрыва нет. С падением давления газа в печи, газопроводах и пылеуловителе ниже атмосферного, туда через неплотности начинает просачиваться воздух и появляются предпосылки для взрыва.
При остановке печи в случае резкого прекращения поставок газа помимо опасности взрыва доменного газа велика вероятность неравномерного прогара огнеупорной кладки с дальнейшим выходом расплавленного чугуна. Нарушение режима газоснабжения может привести к застыванию шихты в теле печи, т. е. к образованию так называемого «козла», что неизменно ведёт к значительным, необратимым повреждениям домны.
Для определения времени и запасов газа, необходимых для остановки домны, а также для того чтобы такая ДПСС «работала» для доменных производств с различными технологическими характеристиками производства и систем безопасности, на основе «дерева событий» была построена модель поведения доменной печи в условиях ограничения поставок газа (рис. 2), головное событие в которой - принятие решения об останове доменной печи. Модель состоит из основных уровней построенного «дерева» и отражает этапы технологии остановки доменной печи (прекращение шихтоподачи, выплавка остаточной шихты, прекращение подачи дутья и остужение печи) и возможные при этом аварии (затвердевание шихты в теле печи, разгерметизация печи в области горна с высвобождением продуктов плавки). На рис. 2 жёлтыми стрелками показаны сценарии нормального останова печи, красными - сценарии развития возможных аварий.
останов печи
возможные аварии
Рис. 2. Модель поведения доменной печи в условиях ограничения поставок газа в доменную печь
Очевидно, что наиболее возможное поведение производства в случае прекращения поставок газа - застывание шихты в теле печи. Избежать этого и обеспечить безаварийный останов можно, если вовремя прекратить загрузку материалов и выплавить остаточную шихту до горна, только после этого охлаждать печь. Для определения возможности безаварийного останова требуется оценить время выплавки остаточной шихты в теле печи и достаточный для этого объём поставок газа.
Проведя анализ полученной модели поведения доменной печи и используя данные нормативно-технической литературы, было установлено, что с момента принятия решения об останове печи из-за ограничения поставок газа до момента прекращения шихтоподачи проходит примерно 15 мин (за это время израсходуется примерно 300 м3 газа), для рассматриваемого объёма печи время сжигания остаточной шихты составит 6 часов, для чего понадобится 7200 м3 газа (из расчёта 1200 м3/ч). Для постепенного охлаждения лещади и горна понадобится ещё 4 часа и 4800 м3 газа. Таким образом, для нормального останова доменной печи с рабочим объёмом 225 м3 и производственной мощностью 540 т чугуна/сут. необходимо обеспечить поставку не менее 12300 м3 газа в течение 10 часов.
Полученная зависимость расхода газа от времени представлена в виде графика на рис. 3.
T, ч
Рис. 3. Соотношение времени остановки печи и достаточного для этого объёма поставок газа
Таким образом, было проанализировано поведение доменного производства, рассмотрены возможные сценарии развития аварий в случае прекращения поставок газа, проведена количественная оценка времени, необходимого для аварийной остановки производства в случае прекращения поставок газа, и необходимый для этого объём поставок.
Следует отметить, что настоящая методология является универсальной для доменных печей, работающих на природном газе. Анализ нескольких печей различного объёма и производительности показал, что затраты времени на безаварийную остановку печи и необходимый для этого объём поставок газа зависят, преимущественно, от объёма печи.
Предлагаемая методология позволяет создавать достаточно устойчивые модели поведения потребителей в условиях ЧС, приводящих к нарушению поставок газа. Получаемые при этом модели не требуют большого количества исходных данных, поэтому их использование совместно с потоковой квазидинамической моделью ЕСГ позволит оценивать различные сценарии ЧС и принимать более обоснованные решения с учётом широкого спектра политических и экономических факторов.
Литература
1. РД 11-405-01 «Методические рекомендации по классификации аварий и инцидентов на опасных производственных объектах металлургических и коксохимических производств».
2. Белов П.Г. Управление рисками: системный анализ и моделирование. Монография в 2-х частях. СПб.: Изд. «Стратегия будущего», 2010.
3. Копытов В.Ф. Научно-технический обзор. Серия: Использование газа в народном хозяйстве. Пути использования природного газа. - М.: ВНИИЭ ГАЗПРОМ, 1972.
4. Левченко П.В. Тепловые расчёты печей и сушил силикатной промышленности. - М.: Высшая школа, 1968.
5. Воскобойников В.Г., Михалевич А.Г. Доменное производство, БСЭ. - М.: Советская энциклопедия,
1978.
6. Тубольцев Л.Г., Падун Н.И., Голубых Г.Н. Теоретическая база промышленной безопасности и эффективности эксплуатации металлургических агрегатов //Проблеми ресурсу i безпеки експлуатаци конструкцш, споруд та машин. 1нститут електрозварювання iм.C.О.Патона НАН Укра1ни. - 2006. - С. 16 - 20.
7. Федоров Н.А. Техника и эффективность использования газа, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра,
1983.
