Методы диагностики систем топливоснабжения энергетических комплексов на примере подводящего газопровода высокого давления при возникновении аварийной ситуации

Чеботарев Виктор Иванович; Пурас Геннадий Николаевич; Ксензов Максим Валерьевич

УДК 620.9 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-59-62

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМ ТОПЛИВОСНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ПРИМЕРЕ ПОДВОДЯЩЕГО ГАЗОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ

АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

METHODS OF DIAGNOSIS OF ENERGY FUEL SUPPLY COMPLEX ON AN EXAMPLE FEEDING GAS PRESSURE IN CASE OF EMERGENCY

Чеботарев Виктор Иванович - д-р техн. наук, профессор, Chebotarev Viktor Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, кафедра «Теплогазоснабжения», Академия строительства и professor, department «Gas-heat supply» Academy of Construc-архитектуры ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: tion and Architecture of DGTU, Rostov-on-Don, Russia. rgsu@rgsu.ru E-mail: rgsu@rgsu.ru

Пурас Геннадий Николаевич - канд. техн. наук, профессор, Puras Gennady Nikolajewitsch - Candidate of Technical Scien-гл. инженер, научно-исследовательский проектно-изыска- ces, assistant professor, department «Research Design and тельный институт гидротехники и водоснабжения, Ново- Research Institute of Hydraulic Engineering and Water черкасский инженерно-мелиоративный институт имени Supply», Novocherkassk Engineering Institute of melioration А.К. Кортунова ДГАУ, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: A.K. Kortunov DGAU, Novocherkassk, Russia. E-mail: puras-puras-55@yandex.ru 55@yandex.ru

Ксензов Максим Валерьевич - аспирант, Новочеркасский Ksenzov Maksim Valeryevich - post-graduate student, Novo-инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова cherkassk Engineering Institute of melioration A.K. Kortunov ДГАУ, г. Новочеркасск, Россия.г. Новочеркасск, Россия. DGAU, Russia. E-mail: oviktgs@yandex.ru E-mail: oviktgs@yandex.ru

Рассмотрены проблемы обеспечения безопасного топливоснабжения энергетических систем на примере подводящего газопровода высокого давления. Рассмотрена структура топливно-энергетической промышленности Российской Федерации. Обозначены основные причины, приводящие к возникновению нештатных ситуаций, в том числе утечек газа, при топливоснабжении энергетических комплексов. Представлена математическая модель, которая позволяет произвести расчет газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии, с учетом различных термодинамических факторов при реальных условиях. Проанализирована деятельность организаций, которые специализируются на сборе и анализе информации, связанной с аварийными ситуациями на промышленных объектах, в том числе в энергетической и газовой отраслях.

Ключевые слова: энергетические системы; диагностика; распределительный газопровод; топливоснабжение; энергетическая безопасность.

The problem ofproviding safe fuel supply of energy systems on the example of the supply of high-pressure gas pipeline. The structure of the fuel and energy industry of the Russian Federation. Outlined the main reasons leading to the occurrence of emergency situations, including gas leaks at the fuel supply of energy complexes. A mathematical model, which allows to calculate the emissions of gas and gas outflow time in an emergency, taking into account the various thermodynamic factors in the real world. It analyzed the activities of organizations that specialize in the collection and analysis of information related to emergencies at industrial facilities, including in the energy and gas sectors.

Keywords: power systems; diagnostics; distribution pipeline; fuel supply; energy security.

Энергетическое оборудование в топливно- свойств, изменения в конструкции материалов

энергетическом комплексе во время эксплуата- энергетических установок и их составляющих. И

ционных нагрузок находится под воздействием как следствие этого, возможно возникновение

различных факторов (агрессивных сред, атмо- прорыва в изоляции, механические повреждения,

сферных осадков, механической и электрической аварийные остановки оборудования и различные

нагрузок), которые могут негативно отразиться нештатные ситуации, которые приводят к от-

на работе всего комплекса в целом. При значи- ключению составляющего оборудования энерге-

тельном воздействии возможны изменения ос- тического комплекса и перерыву регенерации и

новных проводниковых и электроизоляционных поставки энергии потребителю. Согласно прави-

лам [1], авария в энергосистеме - нарушение нормального режима всей или значительной части энергетической системы, связанное с повреждением оборудования, временным недопустимым ухудшением качества электрической энергии или перерывом в электроснабжении потребителей.

Несмотря на обширную структуру топливно-энергетической промышленности России (рис. 1), следует отметить, что даже в условиях спада промышленного производства и спроса темпы роста потребности в энергии превышают темпы вводимых в эксплуатацию энергомощностей. Поэтому совершенствование систем топливоснабжения и газоснабжения, как субъекта топливно-энергетической системы страны, является одним из ключевых моментов, и как следствие влияет на экономическую составляющую России.

Сбережение же энергии всех видов становится главным фактором снижения нагрузки энергетики на инвестиционный баланс страны. На решение этих вопросов были направлены:

Федеральный закон № 217-ФЗ от 21 июля 2014 г. «О газоснабжении в Российской Федерации»; федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г. и распоряжение Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-р «Об утверждении Энергетической стратегии РФ на период до 2020 г.» [2].

На данный момент в мире существует несколько организаций, которые специализируются на сборе и анализе информации, связанной с аварийными ситуациями на промышленных объектах, в том числе, в энергетической и газовой отраслях. Наибольший интерес вызывают следующие организации:

CONCA WE - «The Oil Companies' European Organisation for Environ-mental and Health Protection» (Belgium, Brüssels) (Европейская организация по защите окружающей среды и здоровья). EGIG - «European gas pipeline incident data group» (Netherlands, Groningen) (Европейская группа фиксации данных инцидентов на газопроводах). Ростехнадзор - Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору в Российской Федерации (Россия, Москва). UKOPA - «UK Onshore Pipeline Operators Association» (United Kingdom, Ambergate) (Британская ассоциация операторов береговых трубопроводов). PHMSA - «Pipelines and Hazardous Materials Safety Administration» (USA, Columbia). Управление по безопасности трубопроводов и опасным материалам, США). Основываясь на отчетах данных организаций, можно прийти к выводу, что причины, вызывающие аварии при топливоснабжении энергетических объектов в целом схожи, основную часть аварий на линейной части подводящего газопровода вызывают: внешнее механическое воздействие, коррозия и технические ошибки (брак в материале и оборудовании).

Нефтегазовая отрасль

Газовая отрасль

Нефтяная отрасль

Объекты добычи.

переработки, транспортировки,

хранения природного газа, а также прочие вспомогательные объекты

Объекты добычи,

переработки, транспортировки,

хранения нефтепродуктов, а также прочие вспомогательные объекты

Угольная отрасль

Объекты добычи, транспортировки и хранения угля

Атомная отрасль

Генераторы энергии

Объекты добычи, переработки и захоронения ядерного топлива АЭС

ТЭЦ, ГЭС, Альтернативные источники

Рис. 1. Структура топливно-энергетической промышленности России

Большое значение для обеспечения безопасности при эксплуатации подводящих газопроводов при топливоснабжении энергетических объектов имеют как определение места и площади утечки, так и газовые эмиссии, которые произошли при разрыве газопровода (рис. 2). Отмечено, что снижение загрязнения окружающей среды вследствие утечек газа на газораспределительных системах имеет первоочередное значение [3]. Если существует опасность того, что газопровод имеет утечку, или если испытание давлением закончились отрицательным результатом, необходимо организовать дальнейшие исследования для локализации утечек и неплотностей в соответствии с действующими письменными инструкциями. Для определения утечек в литературе [4 - 6] были встречены следующие методы: разделение газопровода на мелкие участки и проведение повторного испытания; добавление красящего вещества в воду, для лучшего распознавания неплотности; добавление гек-сафторида серы SF6 и проведение испытания с подходящим детектором; добавление гелия и проведение испытания с подходящим детектором; добавление метана СН4 с концентрацией ниже предела взрываемости и проведение испытания с подходящим детектором; испытания ультразвуком; визуальный осмотр; применение высокочувствительных газоиндикаторов; метод зондового бурения; метод внутритрубной дефектоскопии.

После успешного испытания уполномоченный персонал составляет протокол проверки газопровода [7]. Но для проведения проверки газопроводов по данным методам необходимо непосредственное испытание газопроводов, что не всегда является возможным из-за различных эксплуатационных условий, поэтому была проанализирована возможность определения места утечки с помощью математической модели. Для

того чтобы составить математическую модель определения места утечки, количества газовых эмиссий и времени истечения газа, необходимо смоделировать ситуацию на реальном примере [8 - 9]. Ниже представлены формулы, по которым можно произвести расчет времени истечения газа, а также массового расхода в критической и подкритической областях при возникновении утечки на подводящем газопроводе:

к+1

2 ^ 2(к -Г

тbit=—p—AlecM J л , RZm.iTi V к+D

ч

kRZ т. iTi

ti = —'tcon,llnPkr ,

Pi

m unterkt =

Aleckvj—^7 <JPa(Pi— Pa) ; V Z m,2RT i

-W—(—yjPa(Pkr — Pa)) ,

2

Pa

где Aleck - площадь разрыва; m — массовый расход (критический, подкритический); pi - внутреннее давление; pa - внешнее давление; pkr -давление критическое; рг- - плотность газа; к -показатель адиабаты; Ti - внутренняя температура; R — газовая константа; Z — реальный газовый фактор; р - коэффициент истечения; t1 - время критического истечения; t2 - время подкритиче-ского истечения; tcon - временная константа.

Важным моментом здесь является тот факт, что истечение газа в сверхзвуковой области до точки критического давления Ркг (~ 1,8 бар) составляет % от общего времени истечения, и в области подкритического истечения (от 1,8 до 1,01325 бар) - У от общего времени (рис. 3). Наблюдается значительное замедление скорости истечения газа в подкритической области, что приводит к продолжительному редуцированию давления до атмосферного. Расчет производился на базе программы Mathcad Prime 3.0. Сформулированы общие принципы вычисления.

Рис. 2. Топливоснабжение энергетического комплекса от газораспределительной станции

3,30 3,00 2,70 2,40

к 1,1 § 1.- 1 н Я

га ^

0,30 0,00

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Общее время истечения газа т, с Рис. 3. График истечения газа при прорыве в сверхкритической и подкритической областях

Разработанные математические модели позволяют произвести расчет газовых эмиссий и времени истечения газа при аварии, а также определить место расположения утечки с учетом различных термодинамических факторов при реальных условиях. Данная методика может быть использована для практического расчета времени истечения газа и газовых эмиссий в реальных условиях.

Литература

1. СТО 17330282.29.240.001-2005 «Правила предотвращения развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части энергосистем».

2. Распоряжение Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-р «Об утверждении Энергетической стратегии РФ на период до 2020 г.».

3. Широков В.А., Новгородский Е.Е., Чеботарев В.И., Тлевцеруков Р.К. Снижение источников загрязнения атмосферного воздуха газораспределительными системами

References

1. STO 17330282.29.240.001-2005 «Pravila predotvrashcheniya razvitiya i likvidatsii narushenii normal'nogo rezhima elek-tricheskoi chasti energosistem» [Regulations for the prevention and elimination of violations of normal operation of the electric power systems].

2. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF ot 28 avgusta 2003 g. № 1234-r «Ob utverzhdenii Energeticheskoi strategii RF na period do 2020 g.» [The order of the Government of the Russian Federation of August 28, 2003 No. 1234-r "About the adoption of Power strategy of the Russian Federation for the period till 2020"].

3. Shirokov V.A., Novgorodskii E.E., Chebotarev V.I., Tlevtserukov R.K. Snizhenie istochnikov zagryazneniya atmosfernogo voz-dukha gazoraspredelitel'nymi sistemami [Decrease in sources of pollution of atmospheric air by gas-distributing systems]. Zash-chita okruzhayushchei sredy v neftegazovom komplekse, 2010, no. 1, pp. 45-47. [In Russ.]

4. OST 153-39.3-051-2003. Standart otrasli. Tekhnicheskaya ekspluatatsiya gazoraspredelitel'nykh sistem. Osnovnyepolozheniya. Gazoraspredelitel'nye seti i gazovoe oborudovanie zdanii. Rezervuarnye i ballonnye ustanovki [Standard of branch. Technical operation of gas-distributing systems. Basic provisions. Gas-distributing networks and gas equipment of buildings. Reservoir and balloon installations]. 105 p.

5. DIN EN 12327. Gasinfrastruktur - Druckprufung, In- und AuBerbetriebnahme - Funktionale Anforderungen; Deutsche Fassung EN 12327: 2012.

6. Fischer O.E., Zimmermann B. Taschenbuch, Gasinstallation. Ein Leitfadenfur die Praxis. 10. Auflage, Verlagfur Bauwesen, Berlin, 1997. 326 p.

7. SP 62.13330.2011* Gazoraspredelitel'nye sistemy. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 42-01-2002 [Joint venture 62.13330.2011 * Gas-distributing systems. The staticized edition Construction Norms and Regulations 42-01-2002].

8. Ksenzov M.V. Opredelenie mesta i razmera utechki na gazoprovodakh [Definition of the place and the amount of leak on gas pipelines]. Inzhenernyi vestnikDona, 2014, no. 4, 11 p. Available at: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2677. (accessed 15.04.2016).

9. Ksenzov M.V. Opredelenie vremeni istecheniya gaza pri proryve gazoprovoda [Definition of time of the expiration of gas at break of the gas pipeline]. Vestnik cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 2 (63), pp. 19-24. [In Russ.]

Поступила в редакцию 17 июня 2016 г.

// Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 1. С. 45 - 47.

4. ОСТ 153-39.3-051-2003. Стандарт отрасли. Техническая эксплуатация газораспределительных систем. Основные положения. Газораспределительные сети и газовое оборудование зданий. Резервуарные и баллонные установки. 105 с.

5. DIN EN 12327. Gasinfrastruktur - Druckprüfung, In- und Außerbetriebnahme - Funktionale Anforderungen; Deutsche Fassung EN 12327: 2012.

6. Fischer O.E., Zimmermann B. Taschenbuch, Gasinstallation. Ein Leitfaden für die Praxis. 10. Auflage. Berlin: Verlag für Bauwesen. 1997. 326 S.

7. СП 62.13330.2011* Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42-01-2002 (с Изменением № 1).

8. Ксензов М.В. Определение места и размера утечки на газопроводах // Инженерный вестн. Дона. 2014. № 4. 11 С. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2677 (дата обращения: 15.04.2016).

9. Ксензов М.В. Определение времени истечения газа при прорыве газопровода. // Вестн. Череповецкого гос. ун-та. 2015. № 2 (63). С. 19 - 24.