CC BY
49Надёжность газораспределительных систем в городском строительстве
Жила Виктор Андреевич
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры тепло-газоснабжения и вентиляции, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), viktor6740@mail.ru
Гусарова Елена Александровна
старший преподаватель кафедры начертательной геометрии и графики,
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), gusarova_ea@mail.ru
Гулюкин Михаил Дмитриевич
магистрант, Институт инженерно-экологического строительства и механизации (ИИЭСМ), Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), misha365@mail.ru
Строительство и эксплуатация новых газовых сетей невозможна без предварительного расчёта надежности всей системы за определённый промежуток времени. Показатель надёжности рассчитывается с учётом вероятностно-временных характеристик и параметров потока отказов. В данной статье представлены причины аварий на газопроводах и приведены данные, которые основываются на ежегодной статистике аварий на газовых сетях. На примере закольцованной сети газораспределения, приведены рекомендуемые и наглядные схемы размещения запорно-регулирующей арматуры для обеспечения необходимого значения комплексного показателя надёжности, и указаны приемущества и недостатки повышенного значения надёжности. На основе полученных значений построен ряд графиков, разработы рекомендации по надёжности системы газоснабжения с учётом экономической выгоды и рассмотренны методы повышения надёжности всей системы, определена зависимость параметра надёжности от расстояний между потребителями газа.
Ключевые слова: Показатель надёжности, параметр потока отказов, экономическая выгода, причины аварий, внутригородской газопровод, система газораспределения, строительство газопроводов.
Надёжность газораспределительных систем -это способность транспортировать потребителям (абонентам) необходимое количество газообразного топлива с определёнными параметрами при нормальных условиях эксплуатации в течение некоторого периода времени.
На городских распределительных газопроводах аварии могут возникать от механических (во время строительства) или коррозионных воздействий. Повреждения же отключающей арматуры делят на два вида:
• нарушение плотности перекрытия газа задвижкой;
• утечки газа через арматуру.
Утечки представляют наибольшую опасность, так как может произойти загазованность соседних зданий и сооружений.
Под отказом элемента газораспределительной системы понимают внезапное повреждение, когда необходимо срочное отключение элемента. Отказы характеризуются величиной параметра потока отказов[1] (ы = const). Его определяют на основе статистических данных повреждений по формуле 1. вг
щ
£0
f=l
(1)
где Дt - время наблюдения (обычно принимают равным одному году); N - количество наблюдаемых элементов; m¡ - количество отказов;
Параметр потока отказов газопровода относят к 1 км длины. В этом случае применяем формулу 2:
ы=ыг1 (2)
где ыг - параметр потока отказов, отнесенный к 1 км;
I - длина газопровода, км.
Надежность систем оценивается вероятностно-временными характеристиками. Вероятность m отказов за время t в простейшем потоке событий Р^) распределяется по закону Пуассона формула 3:
Приведенные расчетные значения параметра потока отказов, [2] характерны для существующих газовых сетей разных городов и рассчитаны в зависимости от причин аварий. На перспективу эти значения должны уменьшаться в связи с прогрессом технических решений, по-
О R
К*
£
55 п п 1
9
8
и
у
а
вышением качества строительных работ, материалов и эксплуатации.
1) для газопроводов
ыр =2,510-31/(кмгод);
2) для чугунных задвижек
Ыр =1,710-31/(год);
3) для стальных задвижек
Ыр =0,510-31/(год);
4) для кранов
Ыр =0,2 10-3 1/(год)
Для сокращения ущерба при отключении потребителей от газовых сетей в аварийных ситуациях необходимо запроектировать систему газораспределения таким образом, чтобы недо-подача газа была незначительная. Это достигается путем секционирования сети на участки. При этом сокращается число потребителей, которые отключаются на время проведения ремонтных работ.
С учетом вероятности выхода из строя элемента системы газораспределения и недоотпус-ка газа потребителям на время проведения ремонтных работ определен комплексный показатель надежности по формуле 4:
я.
у Д^
(4)
где АО - недоотпуск газа потребителям на время проведения ремонтных работ, м/ч;
00- расчетный расход газа, м /ч;
ы¡ ,- параметр потока отказов.
Расчет надежности газовой сети ведём в два этапа: на первом обеспечиваем необходимый структурный резерв, на втором - резерв пропускной способности.
Рассмотрим кольцевой газопровод (рис.1), участки выбраны произвольной длины.
*
а о
Все секционирующие задвижки на рисунке пронумерованы 21...34, участки пронумерованы 1...16.
Параметр потока отказов для всех задвижек принят одинаковым ыз=0,5 10-3 (1/кмгод) ыг=2,5 10-3 (1/км год) Время наблюдения 1=10 лет В расчётах рассматриваем 6 различных случаев расположения отключающей арматуры и постепенно изменяем её количество:
1) Кол-во задвижек равно числу абонентов (14 штук)
2) 7 задвижек
3) 3 задвижки
4) 1 задвижка
5) Без задвижек (0 задвижек)
6) 28 задвижек
Для удобства расчётов составим и рассчитаем таблицу для участков газопровода и отдельно для отключающих устройств. 1 случай:
Таблица 1
Расчёты для участка газопровода (Задвижки=14 штук = кол-ву абонентов)
Номера отказавших элементов при ]-й аварийной ситуации Длина участка 1,км «¡, 1/год о /!ы Неподан-ный газ отключённым по-требмтелям АО;, м3/ч АО; /О0 АО] он/ 00^™
1 2,2 0,0055 0,07586 500 0,06623 0,00502
2 0,3 0,00075 0,01020 300 0,03974 0,00041
3 0,4 0,001 0,01361 200 0,02649 0,00036
4 2,6 0,0065 0,08844 500 0,06623 0,00586
5 0,3 0,00075 0,01020 600 0,07947 0,00081
6 3,4 0,0085 0,11565 800 0,10596 0,01225
7 2,3 0,00575 0,07823 500 0,06623 0,00518
8 1,4 0,0035 0,04762 1000 0,13245 0,00631
9 2,3 0,00575 0,07823 50 0,00662 0,00052
10 3,2 0,008 0,10884 300 0,03974 0,00432
11 0,3 0,00075 0,01020 500 0,06623 0,00068
12 1,4 0,0035 0,04762 600 0,07947 0,00378
13 0,3 0,00075 0,01020 1200 0,15894 0,00162
14 1,5 0,00375 0,05102 200 0,02649 0,00135
15-16 4,3 0,01075 0,14626 300 0,03974 0,00581
Сумма: 0,0655 Итого: 0,05429
Рис.1 Кольцевой газопровод
При расчёте величины ^ сумма взята для всех 30 аварийных ситуаций, возникающих при отказах как участков, так и задвижек.
Сумма параметров потока отказов для всех задвижек составит £ыз=14-0,0005=0,007 Общая сумма будет
0,0655+0,007=0,072; Для всех аварийных ситуаций, связанных с отказом задвижек, это отношение будет одинаковым и равным
Ыз = 0,0005/0,0725=0,006867
Таблица 2
Расчёты для отключающих устройств (14 задвижек)
Номера отказавших Неподанный газ от-
элементов при ]-й ключённым потребителям АО^ м /ч АО) /О0
аварийной ситуации
21 800 0,1060
22 500 0,0662
23 700 0,0927
24 1100 0,1457
25 1400 0,1854
26 1300 0,1722
27 1500 0,1987
28 1050 0,1391
29 350 0,0464
30 800 0,1060
31 1100 0,1457
32 1800 0,2384
33 1400 0,1854
34 500 0,0662
Сумма: 1,894
Суммирующий член в уравнении для Рсист состоит из аварийных ситуаций, связанных с отказами участков газопроводов и отказов, задвижек. Таким образом, уравнение для определения показателя надёжности принимает вид:
„СО = 1-(1-
Задвижки, которые установлены на первых участках после ГРП не могут выйти из строя, это связано с понятием абсолютно надёжной камеры (рис. 2), т.е. выход из строя 1 задвижки не выводит из строя участок газопровода.
Рис. 2. Абсолютно надёжная камера
Подставив в уравнение численные значения получаем:
«„^(10) = 1— (1 - р-"'0725'10) ■ (0,05429 + 1,894- 0,006867) - 1 - (1 - 0,4843) ■ (0,05429 + 0,0131)
Случаи для иного количества задвижек рассчитывались аналогично, с использованием выше указанного метода
Положение секционирующих задвижек при их количестве 7,3,1,28 указаны на рисунках 3...6, расчёты комплексного показателя надёжности приведены ниже. Результаты расчётов напрямую зависят от положения секционирующих задвижек.
О 55 К* £
Рис.3,4. Кольцевой газопровод
В т П 1
9
8
и
у
а
г
*
а б
Рис.5,6. Кольцевой газопровод
Для 7 задвижек
Яспст(Ю) = 1 — (1 — е"'065"10)- (0,11376+ 1,801 0,007246) Д^Ю) = 1 - (1 - 0,5016) ■ (0,11376 + 0,013) ЯГ11СТ(10) - 1 - 0,4984 ■ 0,12686= 1 - 0,06322 - 0,9368
Для 3 задвижек К„,„(10) - 1 - (1 - e-o.067.ioj . (Д26139 + 1,735 ■ 0,00740)
Яскст(10) = 1 - (1 - 0,5092) ■ (0,26139+ 0,01284) ЯШГГ(10) = 1 - 0,4908-0,27423 = 1 - 0,1345 = 0,8655
Для 1 задвижки
К™п(10)= 1-(1-е-00"10)'(0,33935+1 0,007576)
Рсист(10) = 1 - (1 - 0,5092) • (0,34693) ЯсксгСЮ) = 1 - 0,4831 ■ 0,34693 = 1 - 0,1676 - 0,8324
Для 0 задвижек
*с„ст(Ю) = 1 - (1 - е-0 "65510) (1 + 0)
яснст(10) = 1 - (1 -0,5194). 1
Яснст(Ю) = 1 - 0,4805 - 0,5195 Для 28 задвижек
КП!СТ(10) - 1 -^-е-00"1510) - (0,00671 + 1,894 0,006289} «„,„(10) = 1 - (1 - 0,4516) ■ (0,00671 + 0,00608) Ясн„(10) = 1 -0,5484 -0,01191 = 1-0,00653 = 0,9935
По итогам расчётов строим график зависимости значения надёжности от количества задвижек таблица 3:
Таблица 3
Кол-во задвижек Надёжность системы Рсист, %
0 0,5195
1 0,8324
3 0,8655
7 0,9368
14 0,9653
28 0,9935
Такой же комплекс расчётов был проведён для газовой сети, в которой расстояния между абонентами (участки сети) были уменьшены до величины, не превышающей 1 километра.
Тогда графики зависимости значения надёжности от количества задвижек получились следующими:
Таблица 4
Кол-во задвижек Надёжность системы Рсист, %
0 0,8554
3 0,9481
7 0,9724
14 0,9824
Выводы:
1. Количество задвижек минимально влияет на комплексный показатель надёжности системы газоснабжения, основная величина надёжности системы складывается из линейной части.
2. Установка повышенного количества задвижек не приводит к существенному увеличения показателя надёжности и может сказаться на излишних экономических затратах.
3. При увеличении расстояния между абонентами свыше километра появляется большая возможность выявить зависимость показателя надёжности системы.
4. Показатель надёжности не учитывает уровень ущерба от отказов газораспределительных систем при недоподачи газа потребителю.
Литература
1. Жила В.А. Газоснабжение: учебник для студентов вузов по специальности «Теплогазо-снабжение и вентиляция». - М.:Изд-во АСВ, 2014. - 472с.
2. Ионин А.А. Газоснабжение: учебник под ред. А.А. Широковой - 4-е издание перераб. и доп. / Репринтное воспроизведение издания 1989 г. - М. : ЭКОЛИТ, 2011. - 440с.
3. Жила В.А. Газовые сети и установки. Учеб. Пособие для ср. проф. Образования.-М.:Издательский центр «Академия», 2003.-272 с.
4. Горелов С.А. Комплексная система строительства газораспределительных трубопроводов из полимерных материалов: диссертация доктора технических наук, Москва, 2002.
5. СП 62.13330.2011 «Газораспределительные системы»
6. Постановление Правительства РФ от 29.10.2010 N 870 (ред. от 23.06.2011) "Об утверждении технического регламента о безопасности сетей газораспределения и газопотребления"
7. Приказ Ростехнадзора от 15.11.2013 N 542 "Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности сетей газораспределения и газопотребления" (Зарегистрировано в Минюсте России 31.12.2013 N 30929)
8. Файловый архив студентов [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.studfiles.ru Дата обращения: 21.02.17
Reliability of gas distribution systems in urban construction
Zhila V.A., Gusarova E.A., Gulyukin M.D.
National research Moscow state construction university (NIU MGSU)
Operation of new gas networks is impossible without preliminary calculation of reliability of the whole system for a certain period of time. The reliability index is calculated taking into account the probabilistic-temporal characteristics and parameters of the failure flow. This article presents the causes of accidents on urban gas pipelines and provides data that are based on the annual statistics of accidents on gas networks. Using the example of a looped gas distribution network, recommended and obvious schemes for locating shut-off and control valves are provided to ensure the required value of the complex reliability index, and the advantages and disadvantages of the increased reliability value are indicated. Based on the values obtained, a series of graphs were constructed, recommendations for the reliability of the gas supply system were developed taking into account the economic benefits, and methods for improving the reliability of the entire system were considered, and the dependence of the reliability parameter on the distances between gas consumers was determined.
Key words: Reliability index, failure flow parameter, economic benefits, causes of accidents, inner city gas pipeline, gas distribution system.
References
1. Zhila VA. Gas supply: the textbook for students of higher
education institutions as "Teplogazosnabzheniye and cooling". - M.: DIA publishing house, 2014. - 472 pages.
2. lonin A.A. Gas supply: the textbook under the editorship of
A.A. Shirokova - the 4th issuing the reslave. and additional / Reprint reproduction of issuing of 1989 - M.: EKOLIT, 2011. - 440 pages.
3. Zhila VA. Gas networks and installations. Studies. The manual for cf. professional. Educations. - M.: Publishing center "Academy", 2003.-272 pages.
4. Gorelov S.A. An end-to-end system of construction of gas-
distribution pipelines from polymeric materials: thesis of the Doctor of Engineering, Moscow, 2002.
5. Joint venture 62.13330.2011 "Gas-distribution systems"
6. The resolution of the Government of the Russian Federation
of 29.10.2010 N 870 (an edition of 23.06.2011) "About the approval of the technical rules about safety of networks of a gas distribution and gas consumption"
7. The order of Rostekhnadzor of 15.11.2013 N 542 "About the
statement of federal norms and rules of industrial safety "Safety rule of networks of a gas distribution and gas consumption" (It is registered in the Ministry of Justice of the Russian Federation 31.12.2013 N 30929)
8. File archive of students [an electronic resource]: Access mode: http://www.studfiles.ru Date of the address: 21.02.17
О
R >
£
R
n
4
9
8
