CC BY
46
УДК 629.7.017.3
Лебедев А.Ю.
УСТОЙЧИВОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЕННЫХ
КОНФЛИКТОВ
В статье представлена методика оценки устойчивого функционирования системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения населения на территории муниципального образования в условиях военных конфликтов. Вводится, показатель устойчивого функционирования. Методика основана на использовании методов теории надежности. В качестве основного фактора рассматривается вероятность безотказной работы элементов. Приведены, примеры объектов жизнеобеспечения.
Ключевые слова: устойчивость функционирования; оценка, устойчивости, система газоснабжения.
Lebedev A. Yu.
STABILITY OF FUNCTIONING OF SYSTEM OF GAS SUPPLY OF OBJECTS OF
LIFE SUPPORT OF THE POPULATION ON THE TERRITORY OF MUNICIPAL
EDUCATION IN EMERGENCIES
The article develops a methodology for assessing the sustainable functioning of the gas supply system, for life support facilities in the territory of a municipal formation in the context of military conflicts. An indicator of sustainable functioning is introduced. The methodology is based on the use of methods of reliability theory. As the main factor, the probability of failure-free operation of the elements is considered. Examples of life support facilities are given.
Keywords: stability of functioning; sustainability assessment, gas supply system,
Система газоснабжения играет важную роль в системе жизнеобеспечения населения. В соответствии с [1] газоснабжение - это одна из форм энергоснабжения, представляющая собой деятельность по обеспечению потребителей газом, в том числе деятельность по формированию фонда разведанных месторождений газа, добыче, транспортировке, хранению и поставкам газа.
В соответствии с [6] одной из задач гражданской обороны является обеспечение устойчивости функционирования организаций, необходимых для выживания населения при военных конфликтах или вследствие этих конфликтов, а также при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера. Организации, эксплуатирующие системы газоснабжения в муниципальном образовании, попадают в этот перечень. Нарушение работы этих систем в условиях военного конфликта неминуемо приведет к серьезным нарушениям работы объектов и си-
стем жизнеобеспечения муниципального образования, возникновению вторичных поражающих факторов (вследствие взрывов и пожаров).
В Российской Федерации система газоснабжения построена на основе использования природного газа. Система газоснабжения включает в себя технологически, организационно и экономически взаимосвязанных и централизованно управляемых производственных и иных объектов, предназначенных для добычи, транспортировки, хранения, поставок газа.
Особенностью системы газоснабжения по сравнению с другими системами энергоснабжения является то, что невозможно длительно хранить природный газ. Это, прежде всего, связано с весьма малой плотностью газа, что вызывает необходимость сооружения для его хранения огромных емкостей.
Даже подземные хранилища можно использовать лишь для покрытия сезонной неравномерности потребления газа. Отсутствие хра-
ни.лищ на пути потоков газа от промыслов к потребителям обусловливает жесткую связь между режимами добычи газа и его использования. Такая же жесткая связь устанавливается между темпами освоения месторождения газа и пуском объектов, потребляющих газ. Газ потребляется объектами неравномерно, поэтому неравномерно должна осуществляться и подача газа потребителям. Проблема соответствия подачи и потребления газа одна из основных в газоснабжении. Для решения ее используют подземные хранилища, потребители-регуляторы с двойным топливоснабжением, аккумулирующую емкость магистральных газопроводов, совместная работа которых автоматически управляется в целях удовлетворения графика потребления газа. Для обеспечения надежного газоснабжения системы имеют резервы службы эксплуатации и аварийные службы.
В рамках статьи рассматривается та часть системы, которая предназначена для газоснабжения объектов системы жизнеобеспечения на территории муниципального образования.
Система газоснабжения муниципального образования сложный комплекс сооружений, технических устройств и трубопроводов, обес-
печивающий подачу и распределение газа между промышленными, коммунальными и бытовыми потребителями в соответствии с их спросом. Состоит из следующих основных элементов: газовых сетей низкого, среднего и высокого давлений, газораспределительных станций (далее - ГРС), газорегуляторных пунктов (далее - ГРП) и газорегуляторных установок (далее - ГРУ), системы контроля и автоматических управлений, диспетчерской службы и системы эксплуатации (восстановления). Потоки природного газа поступают по магистральным газопроводам через газораспределительные станции в городские газовые сети. На газораспределительной станции давление газа снижается клапанами автоматических регуляторов и поддерживается постоянное на требуемом для города уровне. Технологическая схема газораспределительной станции включает систему автоматической защиты, гарантирующую значение давления газа в городских сетях, не превышающее допустимого уровня. Из ГРС газ по газовым сетям поступает к потребителям [2|.
В целом систему газоснабжения муниципального образования можно представить в следующем виде (Рисунок 1):
Рисунок 1
Иерархическая структура системы газоснабжения города
Системы газоснабжения населенных пунктов и отдельных потребителей газа должны обеспечивать устойчивое и безопасное газоснабжение, а также возможность оперативного отключения ответвлений, предприятий, потребителей и участков закольцованных газопроводов давлением газа свыше 5000 Па.
Таким образом, система газоснабжения муниципального образования представляет собой многоступенчатую (иерархическую) структуру, имеющую распределительную сеть той или иной сложности на каждом уровне иерархии. Уровни связаны между собой регуляторами давления газа (ГРС, ГРП, ГРП (Ш)), которые обеспечивают заданный режим в распределительной сети нижнего уровня.
Надежное и устойчивое функционирование систем газоснабжения невозможно без надежной работы регулирующей и предохранительно-запорной арматуры и оборудования. Первым и основным условием устойчивой и безопасной работы системы газоснабжения является обеспечение постоянного давления; второе условие — предохранение от возможного повышения или понижения давления газа в контролируемой точке газопровода или перед газоиспользу-ющей установкой, агрегата или аппарата потребителя сверх допустимых значений.
Целью статьи является разработка методи-
ки оценки устойчивости функционирования системы газоснабжения муниципального образования с использованием методов теории надежности.
Постановка задачи. Под устойчивостью функционирования системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения муниципального образования понимается способность выполнять ими заданные функции (снабжение объектов системы жизнеобеспечения природным газом требуемым объемом соответствующего качества) при воздействии дестабилизирующих факторов. Качество природного газа определяется ГОСТ 5542-87 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения».
Основными дестабилизирующими факторами являются: аварии на элементах системы газоснабжения, в т. ч. вызванные опасными природными процессами (карстовые явления, сильные морозы, подтопления), отказы, вызванные износом основных производственных фондов.
Устойчивость функционирования системы является сложным свойством, ее можно оценить по двум основным показателям - безотказности, восстанавливаемости.
В [4] для оценки устойчивости функционирования системы получено следующее выражение:
Р(С) = Я (*) X Б + Я (*) х (1 - Б) х ^ (¿3) х ^ (1В) + Д(*)(1 - Б) х 1 - ^ (**) х
X Т(¿:) + я(1) х Б х Т~(¿3) х Т(%) + (1 - Я (*)) х Б х (1 - Т(¿3)) х Т(%) =
= я (г) х Б + (я (г) + Б - 2И х Я (*)) х У (¿*) (1)
Из выражения (1) видно, что существенным элементом при оценке устойчивости функционирования системы является вероятность безотказной работы (Я(£)). Будем считать, что восстановление элементов системы осуществляется в минимально короткие сроки, определенные нормативными техническими документами, а достоверность работы средств диагностики и контроля близка к 1.
Произведем оценку устойчивости системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения. Для этого рассмотрим различные варианты построения системы газоснабжения объектов жиз-
необеспечения на конкретном примере. В качестве объекта исследования рассматривается система газоснабжения городской газовой котельной и городской больницы города Касимова Рязанской области.
Решение. Для рассматриваемых объектов системы жизнеобеспечения города были построены схемы соединения элементов по надежности (Рисунки 2,3). Схема соединения элементов по надежности для соединения системы газораспределения промышленных объектов города (системы жизнеобеспечения населения), котельных:
Рисунок 2 Схема соединения элементов по надежности для системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения (промышленные объекты): 1 - подводящий газопровод высокого давления; 2, 4 - газопроводы высокого давления подходящие к ГРС; 3,5 - ГРС; 6 - газопровод высокого давления, подводящий к объекту; 7 - ГРУ котельной (пром. объекта).
Схема соединения элементов по надежности циальных объектов города (больницы, объекты для соединения системы газораспределения со- с массовым пребывания населения):
Рисунок 3 Схема соединения элементов по надежности для системы газоснабжения
1
2, 4
3,5 - ГРС; 6 - газопровод высокого давления, подводящий к ГРП(Ш); 7,9 - газопроводы поводящие к ГРП(Ш) -2 и ГРП(Ш) -3; 8,10 - ГРП (Ш)-2, ГРП(Ш)-3; 11 - ГРУ объекта.
Военные конфликты могут оказывать серьезное воздействие на элементы системы газоснабжения. Выбор методов и средств поражения будет зависеть от следующих факторов: удаление до линии боевого соприкосновения противника, наличие рядом крупных военных и потенциально опасных объектов и т.д. Наиболее вероятным и опасным поражающим фактором для систем газоснабжения муниципального образования при воздействии современных средств поражения является избыточное давление во фронте воздушной ударной волны.
Элементы систем газоснабжения, приведенные на Рисунках 2, 3, имеют разную степень устойчивости к воздействию воздушной ударной волны. Газопроводы небольших диаметров, проложенные под землей (среднего и низкого давления), достаточно устойчивы к воздействию избыто чного давления воздушной ударной волны. Наиболее уязвимы наземные сооружения (ГРС, ГРП, ГРУ), газопроводы больших диаметров (высокого давления), особенно расположенные на поверхности земли.
Для схем соединения элементов по надежности для систем газоснабжения объектов жизнеобеспечения, приведенных на Рисунках 2,3, критическими элементами являются: подводящий газопровод высокого давления, газопровод высокого давления, подводящий к ГРП (Ш), ГРУ объекта. Отказы этих элементов при военных конфликтах приведет к полному прекращению газоснабжения объектов жизнеобеспечения. Пусть схема соединения но надежности имеет вид Рисунки 2,3, где для каждого элемента известно значение вероятности безотказной работы Ri,(t),i = 1,N. Для последовательных участков вероятность безотказной работы будет определяться [5]:
R(t) = ni=i^(i) (2)
Для параллельных участков вероятность безотказной работы будет равна:
R(t) = i -n£i[i - ад] (з)
Используя выражения (2) и (3), определим R(t) для схемы, изображенной на Рисунке 2.
ЩЬ) = Яг (г) х (1 - (1 - Д2(*)Дз(*))(1 - ЗД)^))) х Щ (I) х П7(Ъ) (4)
Для схемы соединения элементов по надеж- примет следующий вид: ности, изображенной на Рисунке 3, выражение
R(t) = R\(t) х (1 - (1 - R2(t)R3(t))(1 - R4(t)R5(t)))x
x Rß(t) х (1 - (1 - R7(t)R8(t))(1 - R9(t)Rw(t))) х R\\(t) (5)
Подставим полученные значения в выражение (1) и получим значения устойчивости функционирования систем газоснабжения.
Для объектов системы газораспределения
промышленных объектов показатель устойчивости будет определяться из следующего выражения:
Р(С) = РЯг(г) х (1 - (1 - R2(t)Rз(t))(1 - R4(t)R5(t))) х Щ® х Я7(г)х
х Б + (Яг(г) х (1 - (1 - В.2(1)В.з(Щ1 - R4(t)R5(t))) х Ее(^ х В.7(г) + И - 2И х В,г(г)х
х (1 - (1 - Д2(*)Дз(*))(1 - Ы*)Ы*))) х Ве® х В.7(г)) х У(%) (6)
Соответственно, для объектов жизнеобеспе- ражение для определения показателя устойчи-чения (с массовым пребыванием населения) вы- вости будет иметь следующий вид:
Р(G) = R\(t) х (1 - (1 - R2(t)R3(t))(1 - R4(t)R5(t)))x
х Rß(t) х (1 - (1 - R7(t)R8(t))(1 - Rg(t)Rio(t)))x x Ru(t) х D + (Ri(t) х (1 - (1 - R2(t)R3(t))(1 - R4(t)R5(t)))х х R6(t) х (1 - (1 - R7(t)Re(t))(1 - Rg(t)Rw(t))) х Rn(t) + D - 2D х Rl(t)x х (1 - (1 - R2(t)R3(t))(1 - R4(t)R5(t))) x Rfi(t) x (1 - (1 - R7(t)R8(t))
(1 - R9(t)Rw(t))) x Rn(t)) x У(t*B) (7)
Пример
Для проведения расчетов возьмем следующие показатели вероятности безотказной работы элементов систем газоснабжения приведенных выше схем (Таблица 1):
Оценка затрат времени на проведение работ по восстановлению элементов системы газоснабжения в муниципальном образования можно показать на основе рассмотрения данных Таблицы 2 [7].
В условиях военного конфликта указанные значения могут увеличиваться на 20-40 часов.
В Таблице 3 приведены результаты расче-
тов показателя устойчивости функционирования для различных вариантов функционирования системы газоснабжения (в нормальном режиме, при отключении уязвимых элементов, при отключении критических элементов).
Анализ полученных значений, приведенных в Таблице 3 позволяет сделать следующие выводы:
-наиболее устойчиво функционируют системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения в нормальном режиме при отсутствии дестабилизирующих факторов в условии военного конфликта;
Таблица 1 - Исходные данные вероятности безотказной работы элементов систем газоснабжения
Схема соединения элементов Схема соединения элементов
по надежности для системы по надежности для системы
газоснабжения объектов газоснабжения объектов
жизнеобеспечения жизнеобеспечения (с массовым
(промышленные объекты) пребыванием населения)
1 2 3 4
ВД 1 0,870 ВД 1 0,8
ВД 2 0,900 ВД 2 0,900
ВД 3 0,990 ВД 3 0,990
ВД 4 0,900 R(t) 4 0,900
ВД 5 0,990 R(t) 5 0,990
ВД 6 0,890 R(t) 6 0,910
ВД 7 0,950 ВД 7 0,980
R(t) 8 0,910
R(t) 9 0,980
ВД 10 0,890
ВД 11 0,950
Таблица 2 - Затраты времени на проведение работ по восстановлению элементов системы
газосн абжения
№ Характер выполняемой работы Диапазон
п/п средних затрат времени, час
1 2 3
1 Проверка фланцевых, резьбовых соединений и сварных стыков на газопроводе в подъезде здания на плотность 1,2-2,4
2 Восстановление стенки газопровода наложением заплаты 1,10
3 Замена прокладок задвижки 1,0-6,2
4 Ремонт задвижки 4,0-8,0
5 Техническое обслуживание ГРП 0,7
6 Текущий ремонт оборудования ГРП 510,5
7 Ремонт предохранительно-запорного клапана газорегуляторных пунктов 1,2-11,5
8 Ремонт регулятора давления шкафных 1,6-4,5
ГРП
Таблица 3
Результаты расчета Р(С4)
№ п'п На н мен о в анне системы ПЯНВ|6ж ення о&ъектов жнзнеобес печения Резул ьтаты расчета Р(С)
для заданны! ЬВД ПрН ПШраЖЁККК упвнмых моинкв прн поражении критических элементов
прн заданном и прн увеличен ни и и прн л-велнченном Б прн заданно»! и прн увмнченном и прн увеличен ном Б
г (О = 0.8 ? (О = 0.6 Г (О = 0,8 ? (О = 0.6 Б=0.б
1 Промышле иные объекты 0,95 0.94 0.89 0,81 0.67 0,35 0,73 0.54 0,36
: Объекты с массовым пребыв =ни ем населения 0,95 0.94 0,87 0,79 0,65 0,35 0,72 0.54 0,36
при отключении уязвимых элементов устойчивость системы снижается, но остается на довольно высоком уровне. Снижение показателя устойчивости происходит в том числе при увеличении времени проведения восстановительных работ и снижении достоверности определения отказов в системе.
отключения критических элементов самым негативным образом сказывается на функционировании систем газоснабжения объектов жизнеобеспечения. Показатель устойчивого функционирования снижается в 1,о-2,о раза.
Таким образом, для поддержания устойчивого функционирования систем газоснабжения
объектов жизнеобеспечения необходимо обеспечить безаварийную работу уязвимых и критических элементов, обеспечить высокую достоверность обнаружения отказов, минимальное время восстановления отказавших элементов в условиях военных конфликтов.
Заключение
Полученные результаты позволяют в интересах повышения устойчивости системы газоснабжения объектов жизнеобеспечения населения на территории муниципального образования отработать соответствующие мероприятия, учитывая структуру соответствующих объектов и характеристики их элементов.
Литература
1. Надежность и качество процессов регулирования современных систем газоснабжения: монография / В. С. Седак. В. Н. Супонев. Н. Д. Каслин. и др.: под общ. ред. В. С. Седака: Харьк. нац. акад. город, хоз-ва X.: ХНАГХ, 2011. 226 с.
2. СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы.
3. Отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2015 году. Москва. 2016 г. 361 с.
4. В.Ф. Воскобоев. Ю.Н. Рейхов Структура совместной оценки устойчивости и безопасности функционирования технического объекта /'/' Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2013. № 2. С. 6 14.
5. Основы теории надежности и управления качеством Воскобоев В.Ф.. Учебное пособие. Химки. 2012 г., 336 с.
6. Федеральный закон "О гражданской обороне"от 12.02.1998 N 28-ФЗ.
7. Типовые нормы времени на техническое обслуживание и ремонт оборудования газового хозяйства от 5 октября 1987 г. №602. С. 28-54.
