Повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе использования гофрированных фильтрующих элементов

Шерстюк, Павел Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе использования гофрированных фильтрующих элементов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе использования гофрированных фильтрующих элементов"

005060883

На правах рукописи V

Шерстюк Павел Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОФРИРОВАННЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б т ¿ой

Уфа 2013

005060883

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (ФГБОУ СГТУ имени Гагарина Ю.А.) и Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»).

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Усачев Александр Прокофьевич,

доктор технических наук, профессор

Шурайц Александр Лазаревич,

доктор технических наук

Мустафнн Фаниль Мухаметович,

доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет, зав. кафедрой «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ»

Гумеров Кабир Мухаметович,

доктор технических наук, профессор, ГУЛ «Институт проблем транспорта энергоресурсов», зав. отделом «Техническая диагностика промысловых трубопроводов»

■ ООО «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий — ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ»

Защита состоится 19 июня 2013 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 17 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор <1/}Г-- Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Установки очистки (УО) природного газа (ПГ) от твердых частиц (ТЧ) являются важным звеном в системе его подготовки и подачи в регулирующее, предохранительное, измерительное и газоиспользующее оборудование в газораспределительных сетях до 1,2 МПа включительно. Поскольку одним из основных источников появления твердых частиц в природном газе является их образование в результате коррозии и некачественного монтажа на всех внутренних поверхностях стальных газопроводов, нормативно-техническая документация требует размещения УО перед каждым пунктом редуцирования газа.

Большие металло- и капиталоемкость съемных крышки, фланцев установок очистки, значительное количество болтовых соединений, обусловленные неоптимальным отношением высоты корпуса УО к его диаметру, повышают трудоемкость. и эксплуатационные расходы, связанные с периодическим демонтажем, необходимым для удаления накоплений твердых частиц с рабочих поверхностей фильтрующих элементов (ФЭ). В настоящее время отсутствуют рекомендации по определению оптимального отношения высоты корпуса УО к. его диаметру.

Кроме этого, низкая степень заполнения внутреннего объема УО фильтрующей поверхностью в виде цилиндрической полости с гладкой наружной поверхностью в существующих конструкциях фильтрующих элементов и, как следствие, низкая удельная пропускная способность также обусловливают высокие металло- и капиталоемкость корпуса УО, связанные с этим эксплуатационные расходы, а также малую продолжительность между соседними операциями по удалению накоплений ТЧ. Вместе с тем в эксплуатационной практике отсутствуют рекомендации по повышению степени заполнения внутреннего объема УО фильтрующей поверхностно.

По откликам газораспределительных организаций (ГРО), значительное количество инцидентов и аварийных ситуаций приходится на разрушение ФЭ, обусловленных потерей прочности и устойчивости существующих вертикальных несущих стержней и опорных сеток при повышении перепада давления на ФЭ до предельного значения, что приводит к попаданию их обломков в регулирующую, запорную, предохранительную арматуру и узлы учета расхода газа, к материальному и социальному ущербам. Однако в существующей газовой практике отсутствуют научно обоснованные методы по предотвращению разрушения опорных элементов и ФЭ.

тажу крышек, повышение удельной пропускной способности фильтрующих элементов за счет их более эффективной компоновки в объеме корпуса, а также предотвращение разрушения защитных опорных конструкций и ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения.

Цель работы - повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе оптимизации формы корпуса УО и использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку.

Основные задачи исследований:

1. Разработка математических зависимостей по определению минимальных металлоемкости и капиталоемкости съемной крышки и корпуса, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек У О;

2. Выявление закономерностей и разработка методов повышения удельной пропускной способности фильтрующих элементов УО ПГ;

3. Обоснование принципов создания решений по предотвращению разрушения ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения;

4. Создание целевых функций по определению диаметра отверстий в опорных обечайках, при котором предотвращается разрушение фильтрующих элементов в случае повышения перепада давления на них до предельного значения;

5. Проведение экспериментальных исследований по проверке и уточнению теоретических положений, разработка мероприятий по внедрению предлагаемых методических разработок и технических решений.

Методы исследований: системный подход, математическое моделирование, численные методы, методы декомпозиции и математической статистики.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Предложены математические зависимости по определению минимальных металло- и капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек У О на основе оптимизации отношения высоты корпуса установки очистки к ее диаметру и оптимизации формы шкафа для размещения в нем УО.

3. Обоснованы принципы создания технических решений по предотвращению разрушения фильтрующих элементов при повышении перепада давления на них до предельного значения путем образования за ними по ходу течения газа опорной цилиндрической обечайки, имеющей ряд круглых отверстий с диа-

метром, не превышающим максимальную величину (получено решение о выдаче патента по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г.)

4. Разработана целевая функция по определению максимального диаметра отверстий в опорных цилиндрических обечайках, при котором предотвращается разрушение ФЭ, прилегающих к ним в случае возникновения предельного наружного перепада давления на ФЭ, учитывающая превышение фактической избыточной толщины стенки обечайки над теоретически необходимой, расстояние между отверстиями, а также соотношение ее диаметра и высоты.

На защиту выносятся:

1. Математические зависимости по определению минимальных капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО;

2. Закономерности и методы повышения удельной пропускной способности

ФЭ;

3. Принципы создания технических решений по предотвращению разрушения ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения;

4. Целевая функция по определению максимального диаметра отверстий в опорных цилиндрических обечайках, при котором предотвращается разрушение фильтрующих элементов;

5. Результаты экспериментальных исследований по проверке теоретических положений, внедрения предлагаемой УО на основе использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку, а также нормативная документация.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Предложенная конструкция УО по повышению эффективности очистки путем использования гофрированных ФЭ, защищенная патентом 116365 с приоритетом от 21.11.2011 г. и позволяющая увеличить пропускную способность по сравнению с обычным ФЭ на основе полого фильтрующего цилиндра в 5,65 раза, использовалась при разработке СТО 03321549-023-2013 «Рекомендации по повышению эффективности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц в системах газоснабжения».

2. Предложенная конструкция УО по повышению безопасности путем использования опорных обечаек для гофрированных фильтрующих элементов, защищенная положительным решением на выдачу патента от 09.01.2013 г. по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г. и предотвращающая разрушение ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения, реализована при разработке СТО 03321549-024-2013 «Рекомендации по повышению безопасности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц».

3. Создана система практических рекомендаций по обоснованию применения предлагаемых УО, реализованная в ГОСТ Р 54960-2012 «Системы газо-

распределительные. Пункты газорегуляторные блочные и пункты редуцирования шкафные. Общие технические требования».

4. Внедрены в технико-эксплуатационную документацию предложенные технические решения, по которой ООО «Газстрой» и ООО «Еврогалс» (г. Саратов) осуществляют налаживание серийного производства по сборке УО, оснащенных гофрированными ФЭ, заключенными в защитную оболочку.

5. Предложенные решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса «Эксплуатация систем газоснабжения» для студентов и магистрантов по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на: научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках Нефтегазовых форумов (г. Уфа, 2011, 2012 гг.); научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках Российских энергетических форумов (г. Уфа, 2010-2012 гг.); международной научно-практической конференции «Газораспределение — инновационные технологии, материалы, оборудование» (г. Саратов, 2011 г.); научно-технических конференциях СГТУ (г. Саратов, 2010-2013 гг.); научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз» (г. Саратов, 2010, 2011, 2013 гг.), ОАО «Газпром газораспределение» (г. Санкт-Петербург, 2011,2012 гг.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 7 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен 1 патент РФ, разработаны 2 нормативных документа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 138 наименований. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проанализированы факторы, оказывающие влияние на эффективность и безопасность УО. Обоснован выбор направлений исследований по повышению эффективности путем снижения металло- и капиталоемкости УО ПГ, сокращения расходов на их обслуживание, а также в части повышения их удельной пропускной способности. Обоснован выбор направлений исследований по повышению безопасности УО путем предотвращения разру-

шения ФЭ и распространения его обломков за пределы УО. Решению отдельных научных задач повышения эффективности и безопасности газовых УО посвящены труды Шура И.А., Волкова М.М., БиргераМ.И., Ионина А.А., Коузо-ваП.А., КарякинаЕ.А., Страуса В., Белоусова В.В., Швыдкого B.C., Ладыгиче-ва М.Г., Желанова В.П. и других ученых.

Проведенный анализ существующих конструкций и методов обеспечения эффективности и безопасности УО ПГ предопределяет выбор направлений исследования, представляющий собой решение следующих взаимосвязанных задач, представленных на рисунке 1.

Анализ существующих технических решений и методических рекомендаций, направленных

_на повышение эффективности и безопасности эксплуатации УО ПГ

М/ -

Выбор направлений исследований по повышению эффективности в части снижения металло-_и капиталоемкости установок очистки и сокращения расходов на их обслуживание_

Выбор направлений исследований по повышению безопасности'в части предотвращения

_■ разрушения ФЭ и распространения его обломков за пределы УО _

••у

Разработка математической модели по определению минимальных металло- и капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по их ремонту и обслуживанию

V —■

Создание научных основ построения и расчета фильтрующих элементов с высокой удельной пропускной способностью, отличающихся наличием гофров и дополнительных складок на них

_ У

Разработка принципов создания конструкции и методических положений по предотвращению

_разрушения ФЭ___

-у

Экспериментальная проверка и внедрение УО, содержащих гофрированные ФЭ,

_заключенные в защитную оболочку_ _ _

У -

Разработка рекомендаций по повышению эффективности и безопасности эксплуатации УО ПГ на основе использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку_

Рисунок 1 — Последовательность решения задач

Вторая глава посвящена разработке методических положений: по определению минимальных металло- и капиталоемкости и минимальных эксплуатационных расходов для установок очистки ПГ на основе оптимизации отношения высоты корпуса УО к его диаметру; по снижению металлоемкости корпуса УО на основе повышения степени заполнения его внутреннего объема фильтрующей поверхностью путем ее интенсивного гофрирования.

Проведенный анализ показывает, что на изменение капвложений в съем-

ную крышку, фланцы, болтовые соединения, обечайку (H/D), как следст-

p=i

вие на изменение эксплуатационный расходов по их периодическому демонта-

т м

жу, ремонту и обслуживанию £at j] <ррэ (Kp(H/D) за весь срок службы Т (ри-

t=l Ш=1

сунок 2), существенное влияние оказывает изменение отношения высоты Н •

1 - фильтрующий элемент в виде фильтрующей цилиндрической полости с гладкой наружной поверхностью; 2 - цилиндрическая

обечайка; 3 - эллиптическое днище; 4 - эллиптическая крышка; 5,6- фланцы; 7 - болтовые соединения; 8 - вертикальные несущие стержни; 9 - опорная сетка

Рисунок 2 - Общий вид установки очистки природного газа от твердых частиц, применяемых в газораспределительных организациях в настоящее время

корпуса установки очистки к ее диаметру О. Большие габаритные размеры УО увеличивают пространство защитного шкафа, необходимое для проведения периодического демонтажа съемных крышек, возрастает металлоемкость шкафа, его стоимость, затраты на транспортировку, погрузочно-разгрузочные операции и монтажные работы.

Проведенный анализ цен на комплектующие и готовое изделие показывает, что удельный вес стоимости корпуса составляет 80 % в общей величине капвложений в УО, при этом удельный вес стоимости съемной крышки с верхним фланцем и болтовых соединений составляет около 50 %.

Отсюда следует, что выбор оптимальной величины отношения высоты корпуса Н к его диаметру О, которому соответствуют минимальные интегральные затраты, то есть сумма минимальных капвложений и расходов на обслуживание стального сосуда с фланцевыми соединениями, является актуальной задачей и требует разработки соответствующих методических положений.

С этой целью предложен комплекс математических зависимостей по определению минимальных капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек У О и корпуса установки очистки ПГ, которая включает в себя: расчетные схемы (рисунки 3 и 4); целевую функцию (1) - (6), позволяющую математическими методами выразить основную цель, то есть определение минимальных капвложений и расходов на обслуживание УО ПГ на основе оптимизации отношения высоты корпуса УО к его диаметру; ограничений управляющих параметров (7). В качестве критерия оптимальности целевой функции (1) принят минимум интегральных затрат (суммы капвложений и эксплуатационных расходов установок очистки за весь срок службы) в цельно-

сварной корпус установки очистки, расположенной в шкафу, совместно с другим оборудованием для регулирования давления газа: Р т м Р

3 = [£Кр (H/D) +2>,2>рэ'ХКр (H/D)] =min; (1)

Р=1 t=l m=l р=1

at = (1 + E)_t; р=1,р,т=ш, где Kp(H/D) - капвложения в изготовление р-ого элемента УО, руб.; р - элемент капитальных вложений УО, изменяющийся от 1 до Р; at - коэффициент дисконтирования; Е — норма дисконта, 1/год, принимаемая равной 0,12, то есть средней кредитной ставке банка; t — расчетный год эксплуатации УО, изменяющийся от 1 до Т; m — элемент эксплуатационных затрат УО, изменяющийся от 1 до М; фрЭ — доля годовых отчислений от Кр на эксплуатацию р-ого элемента УО, Угод.

Расчетная схема к определению минимальных капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО приведена на рисунке 3.

D + 2е , + 2Cj Ф

1 - корпус УО; 2, 3 - фланцевые соединения; 4 - крышка; 5 - обечайка; 6 - днище; 7 - покрытие;

8 - уплотнительная прокладка;

9 - болтовое соединение

Рисунок 3 - Расчетная схема к определению оптимальной формы корпуса УО

Капвложения в изготовление р-ых элементов установки очистки, устанавливаемых в шкафу с другим газовым оборудованием для регулирования

давления газа, представляются следующей суммой: £Кр (H/D) =КУ0 + КП+К 1ШО

Р=1

где Кф, Кп, Кшк - соответственно капвложения в изготовление корпуса УО, в нанесение комплексного покрытия на наружную поверхность УО, в ограждающие конструкции шкафа, необходимою для размещения в нем УО, руб.

Капвложения в корпус У О принимаются пропорциональными его массе: Куо -(2*Кф.сРсг /4){Ьф[(Б + 2еф + 2Сф)2 -Р + 2еф)2 -nd2] +

+h[D + 2еф + 2Сф1 )2 - (D + 2еф )2 ]} + rac0JIpCTD2 (Ф + 0,69)[PD / 2а0 д) + С, ] ,

где Кф.с, Ко д - соответственно удельные капитальные вложения в изготовление фланцевого соединения и корпуса УО (стальных цилиндрической обечайки, эллиптических крышки и днища) в расчете на единицу их металлоемкости, руб./кг; per - плотность стали, кг/м3; Ь([, - толщина стального фланца, м; (рисунок 3); еф - нормативная величина конструктивного зазора между внутренней боковой поверхностью фланца и наружной боковой поверхностью обечайки и крышки, м; Сф - полная ширина фланца, м; h - толщина соединительного выступа фланца, м; Сф1 - полная ширина соединительного выступа фланца, м; п -количество отверстий во фланце для болтовых соединений, шт.; d0 - диаметр отверстий во фланце для болтовых соединений, м; Р - рабочее давление в корпусе УО, МПа; [ст0.д] - допускаемое напряжение в стенке корпуса УО, МПа; С\ - запас толщины металла на коррозию, м.

Капиталовложения в нанесение антикоррозионного и декоративного покрытий на наружные поверхности корпуса УО, в том числе: цилиндрической обечайки, эллиптической крышки и днища (о.д); фланцевого соединения (ф.с), состоящего из двух плоских приварных стальных фланцев 2 и 3 (рисунок 3), можно определить по формуле:

Kn = Kn(Fofl +Рфс) = кпл{В2(Ф + 0,69) + 271[(0 + 2еф + ^

+2Сф)2 - (D + 2еф )2 - nd2] / 4 + 27сЬф[D + 2еф + 2Сф]},

где кп - удельные капитальные вложения в нанесение антикоррозионного и декоративного покрытия, руб./м2; F0Jl, F(1,c - соответственно наружные площади корпуса и фланцевого соединения УО, м .

Капитальные вложения в изготовление шкафа для размещения установки очистки. Геометрические размеры шкафа показаны на рисунке 4.

Капвложения в изготовление шкафа для наиболее характерного случая, когда в нем размещаются УО и оборудование для регулирования давления газа, занимают значительный удельный вес в общих капитальных вложениях в изготовление УО. Увеличение геометрических размеров и метаталлоемкости УО или устанавливаемого в одном шкафу с ним другого оборудования приводят к пропорциональному увеличению габаритов и металлоемкости шкафа. На каждый из элементов устанавливаемого газового оборудования приходится определенная доля площади ограждающих конструкций, объема и массы шкафа.

.о а т

н< рН т ° «

О С, ф 2Ь

I ''шк

1,4 — запорная арматура на входном и выходном газопроводах; 2 - установка очистки ПГ; 3 - регулирующая и защитная арматуры; 5 - стенки шкафа

Рисунок 4 - Расчетная схема шкафа для размещения УО ПГ и другого оборудования для регулирования давления газа

Капвложения в изготовление шкафа для наиболее характерного случая при высоте установки очистки Н меньше высоты другого, расположенного рядом с ним газового оборудования Ь3, то есть Н

< Ь3 в первой части диапазона изменения Н (сокращенно 1ч. Н < Ь3), и больше, то есть Н > Ь3 во второй части диапазона изменения Н (сокращенно 2ч. Н > Ь3), например больше высоты регулирующей и защитной арматуры 3 (рисунок 4), определяются по формуле: К™ = кшкРсг^шк ■({2(0 + 2Сф)-(Ь1 + Ь3) + 2[(Е) + 2Сф) + 2Ь]^ (Ь1+Ь3) +

+ (Б + 2Сф)[(Е) + 2Сф)+2Ь]}|1чн<Ьа +{2[(0 + 2Сф) + ЗЦ-( Ф Б-Ь3 +Ь2)+ (5) + 2[(Б + 2Сф) + 2Ъ\ (Ф Б - Ь3 + Ь2) + (Б + 2Сф) {(Б + 2Сф) + 2Ь]} |2ч Н^ ) ,

где кшк - удельные капитальные вложения в изготовление одного стального шкафа в расчете на единицу его металлоемкости, руб./кг, 8ШК - средняя толщина стенки шкафа, м; Ь, - расстояние между поверхностью пола шкафа и нижней частью оборудования, м (рисунок 4); Ь2 - расстояние между поверхностью потолка шкафа и верхней частью оборудования, м; Сф - длина патрубка У О, м; Ь - длина шкафа, отводимая для размещения оборудования, расположенного рядом с УО, м; Ь - расстояние между боковыми поверхностями шкафа и оборудования, м; Ь, = (Б + 2 Сф)/ [(Б + 2 Сф) + ЗЬ] - доля поверхности шкафа, отводимой под размещение УО, д.е.; Ншк, Ь шк, Вшк - высота, длина и ширина шкафа, м; Ь ф, В ф- длина и ширина шкафа, отводимые для размещения УО, м.

Расходы по эксплуатации в формуле (1) для каждого р-ого элемента УО, связанные с капитальным (ш = 1), текущим (т = 2) ремонтами, техническим обслуживанием (т = 3) и демонтажем съемной крышки для удаления ТЧ (т = 4), определяются как доля от капитальных вложений фрэ по формуле:

т м Р т м

2>t£cpp3-xkp(h/d) =xaticpp3-(kyo+кп+кшк). (6)

t=l m=l р=1 t=l m=l

Параметр H/D является здесь управляющим, поскольку оказывает противоположное влияние на различные элементы капвложений и эксплуатационных затрат. Так, например, при уменьшении отношения H/D значения капвложений в У О увеличиваются, а значения капвложений в шкаф уменьшаются, и наоборот. Выражение по ограничению экстремальных значений управляющего параметра Ф к целевой функции (1) выглядит следующим образом:

Фга!п = (НЮ)т,п<Ф=НЮ<Фтах=(НЮ)тах. (7)

Анализ экстремальных значений Ф, проведенный согласно (7), и выполненные по его результатам расчеты показывают, что минимальная и максимальная величины фактора формы составляют соответственно: Фт,п = 1,6; Фтах = 8,5.

Совместный анализ уравнений (1) - (6) показывает, что исходная целевая функция задачи для УО заданного геометрическою объема представляет собой выражение следующего вида 3 = f(®). Варианту с минимальными затратами 3min соответствует оптимальная форма установки очистки Фор[. В соответствии с приведенной методикой были выполнены расчеты по определению оптимальной формы корпуса УО геометрическим объемом V = 0,004 м3, результаты которых представлены на графике (рисунок 5).

Рисунок 5 - К определению оптимальной формы установки очистки объемом 0,004 м3 с входным и выходным патрубками dB = 57 мм, размещаемой в шкафу

Как видно из графика, оптимальная форма такой УО, расположенной в шкафу с другим газовым оборудованием, составляет Фор[= 5,45. Аналогичные величины фактора формы получены для УО других геометрических объемов. Вместе с тем, согласно данным заводов-изготовителей, фактор формы для УО, выпускаемых в настоящее время отечественными предприятиями, составляет в среднем Ф = 2,1. Сравнение оптимальной формы установки очистки фор(= 5,45 с осредненной величиной для существующих конструкций Ф = 2,1 показывает различие в 2,6 раза. Столь значительное различие объясняется игнорированием зависимости металло- и капвложений во фланцевое соединение, обечайку,

днище и крышку УО от их диаметра. Уменьшение диаметра съемной крышки обусловливает, в свою очередь, сокращение металло- и капвложений в корпус УО и эксплуатационных затрат при ее ремонте, обслуживании и периодическом демонтаже для удаления ТЧ и, как правило, отказ от применения грузоподъемного оборудования.

Дальнейшее снижение капитальных и эксплуатационных затрат достигается за счет увеличения степени заполнения фильтрующих поверхностей в единице объема корпуса УО с предварительно оптимизированной величиной отношения его высоты к диаметру (H/D) opt = Фор[. В целях увеличения степени заполнения фильтрующих поверхностей в единице объема, а следовательно повышения удельной пропускной способности, разработана установка очистки ПГ (рисунок 6), в которой на наружной боковой поверхности полого цилиндрического ФЭ 3 диаметром DB, выполненного из цельной металлической сетки, образованы радиальные гофры 4 диаметром DH с дополнительными продольными складками 5 на них диаметром (D„ - DB)/(nÄ +1). При этом фильтрующий цилиндр 3 герметично соединен с выходным штуцером 6 корпуса 2. Предложенные решения защищены патентом 116365 с приоритетом от 21.11.2011 г.

1 - входной штуцер; 2 — корпус установки очистки; 3 - полый цилиндр из плетеной металлической сетки; 4 - радиальные фильтрующие гофры из плетеной металлической сетки; 5 - дополнительные продольные фильтрующие складки; б — выходной штуцер .

Рисунок 6 - Схема установки очистки природного газа от твердых частиц с фильтрующим элементом, имеющим основные гофры и дополнительные складки

Коэффициенты увеличения фильтрующей поверхности Р3 для ФЭ, имеющего основные и дополнительные фильтрующие гофры, согласно рисунку 6, по сравнению с ФЭ, имеющим только основные фильтрующие гофры поверхностью Б2, и по сравнению ФЭ, выполненным в виде полого цилиндра диаметром Б„ с боковой фильтрующей поверхностью Бь определяются по формулам:

Р2 [2(Оп-Ов)+Ьг/2]

^•Пд<Он -Бв) + Рн-Рв

2(пд+1)

пд+1

у =^2.=

-г.

Р, 7Г-Б„

тг-пд<Он-Вв) Бн-Б

2(пд+1)

пд+1

(8)

(9)

где Бн, Бв — наружный и внутренний диаметры фильтрующего элемента, м; Б], V,, Р2, У2, Р3, Уз — соответственно фильтрующая поверхность и пропускная способность фильтрующего элемента: - выполненного в виде полого цилиндра с боковой фильтрующей поверхностью диаметром Он; — имеющего только основные фильтрующие радиальные гофры наружным и внутренним диаметрами Бн и - имеющего основные гофры и дополнительные фильтрующие складки наружным и внутренним диаметрами Б» и Ов, м2, м3/ч; Ьг - толщина основного фильтрующего гофра у его основания, м; пд — количество дополнительных складок на одной боковой поверхности фильтрующего гофра ФЭ, шт.

Результаты расчетов, проведенных по формулам (8) и (9), показывают, что коэффициенты увеличения фильтрующей поверхности на единицу объема корпуса УО составляют Хр2 =1,44 и Хр, =6,5.

Следует отметить, что используя коэффициенты Хр2 и Хр,можно °Че_

нить только увеличение фильтрующей поверхности предлагаемого ФЭ, в то время как в эксплуатационной практике более важно' знать коэффициенты увеличения пропускной способности % и V • Поскольку на пропускную спо-

V, У2

собность ФЭ имеет влияние ряд различных факторов, таких как взаимное расположение фильтрующих поверхностей, расстояние между ними, форма корпуса УО, угол входа потока газа в ФЭ, учесть которые аналитическим способом не представляется возможным, для определения коэффициентов Ху и х^ был

использован экспериментальный метод, приведенный в главе 4.

Третья глава посвящена разработке методических рекомендаций по повышению безопасности эксплуатации УО ПГ путем предотвращения разрушения ФЭ при повышении наружного перепада давлений до предельного значения ДРпр, то есть максимального значения, когда фильтрующий элемент еще не деформируется и продолжает сохранять свою целостность и устойчивость. В качестве указанного значения в отечественной литературе принимается АРпр.1 = 20 кПа, а в зарубежной ДРпр.2 = 30 кПа. В качестве расчетного наружного перепада давлений, при котором происходят деформация и разрушение фильтрующего элемента, принято значение, обеспечивающее полуторократный запас над величиной наибольшего предельного перепада, то есть ДРдеф.т = 1,5'АРпр.2.

Проведенный анализ указывает на низкий уровень эксплуатационной безопасности ФЭ, связанный с возможностью их разрушения при повышении перепада давлений до предельного значения, дальнейшего попадания обломков сеток в газовое оборудование и возникновения материального ущерба. Эксплуатационный опыт ГРО показывает, что частые случаи возникновения аварийных ситуаций, связанных с повреждением и разрушением ФЭ существующего типа, обусловлены конструктивными недостатками выпускаемых защитных элементов, состоящих из вертикальных несущих стержней 8 и опорной сетки 9 с крупной ячейкой (рисунок 2).

С целью предотвращения разрушения ФЭ были предложены соответствующие принципы создания технического решения, приведенные на рисунке 7.

12 13 14

I -1

1,3- внутренняя и наружная кольцеобразные стенки основания; 2 - основание; 4 - наружная защитная цилиндрическая обечайка; 5 - перегородки между отверстиями наружной защитной цилиндрической обечайки; 6 - отверстия в наружной защитной обечайке; 7 - фильтрующий элемент; 8, 12 - наружная и внутренняя кольцеобразные стенки крышки; 9 - крышка; 10 - ячейка фильтрующей сетки; 11 - фильтрующая сетка; 13 - внутренняя опорная обечайка; 14 - отверстия во внутренней защитной цилиндрической обечайке; 15 - отверстие в основании для выхода очищенного газа

Рисунок 7 — Схема предлагаемого технического решения защитной оболочки фильтрующего элемента сетчатого типа

Защита от повреждения фильтрующей сетки со стороны входа в ФЭ неочищенного газа осуществляется путем установки наружной цилиндрической обечайки 4 из цельного металлического листа с отверстиями 6 с диаметром меньше размеров обломков, при значениях которых возможно повреждение фильтрующей сетки, находящейся за наружной обечайкой 4 по ходу течения газа.

Внутренняя опорная защитная обечайка 13 предназначена для переноса на нее предельного наружного давления, оказываемого на полностью засоренную гофрированную сетку 11 и для предотвращения ее разрушения.

Анализ показывает, что для . успешного применения предлагаемой конструкции опорной обечайки 13 необходимо знать основные расчетные параметры, обеспечивающие безопасную эксплуатацию и, в первую очередь, диаметр отверстий в боковой поверхности опорной обечайки 13, при значении которых достигаются ее необходимая прочность и целостность. В настоящее время от-

s„„; s

сутствуют методы и функциональные зависимости по определению максимального диаметра отверстий опорной обечайки в зависимости от параметров, обеспечивающих укрепление и прочность ее стенок.

В целях устранения указанного недостатка предложена целевая функция (10) по определению математическими методами максимальною диаметра отверстий 2 (рисунок 8) в боковой поверхности опорной обечайки 1, при значении которого обеспечивается необходимая прочность и целостность, с одной стороны, корпуса самой опорной перфорированной обечайки 1, нагруженной

предельным наружным перепадом давления; с другой стороны, полностью засоренных участков фильтрующей сетки 3 в местах их прижатия к круглым отверстиям 2 опорной обечайки 1. Схема цилиндрической перфорированной обечайки 1 с плотно прижатой к ней фильтрующей сеткой 3 приведена на рисунке 8.

1 - опорная цилиндрическая обечайка; 2 - круглое отверстие для прохода газа; 3 - фильтрующая сетка

Рисунок 8 - Расчетная схема опорной цилиндрической обечайки с плотно прижатой к ней фильтрующей сеткой

Целевая функция по определению диаметра отверстий d в боковой поверхности опорной обечайки зависит от фактической избыточной толщины стенки S0.„, диаметра D0.p и высоты Н0.р обечайки, толщины фильтрующей сетки SC.H и определяется следующим образом:

d(S0.„,Dc

min

о.р

H0.p,ScИ,Ь0) -

s0.„(b0)-c0

vS0.p

(1,5ЛРпр 2,Н0 р) ^с.и ~ Сс_

-О,

Kc-K0^l,5APnp.2/[Gc]

VDo.p(So.H(bo)-Co);(10.A) (10.Б)

(10

где 80.и, 8„.р - фактическая и расчетная толщины опорной обечайки, мм; 8С.„ -фактическая толщина фильтрующей сетки, мм; Б0.р, Нор - расчетные наружные диаметр и высота опорной обечайки, мм; С0, Сс - поправки к толщине стальной обечайки и сетки, обусловленные коррозией, эрозией и технологией изготовления, мм; Кс- коэффициент, зависящий от конструкции полностью засоренной

сетки; Ко - коэффициент ослабления прочности полностью засоренной сетки, имеющей ряд отверстий; [<j0], [ас] - соответственно допускаемые напряжения металла обечайки и сетки при расчетной температуре, МПа.

Диаметр отверстий опорной обечайки в целевой функции (10) рассчитывается отдельно по каждой из двух формул (10.А) и (10.Б), входящих в нее, после чего выбирается минимальная величина из двух полученных значений.

При определении диаметра d круглые отверстия 2 в цилиндрической стальной обечайке 1 (рисунок 8), расположенные в коридорном порядке, примем как «одиночные» и не имеющие дополнительного укрепления. В этом случае обязательными условиями такого подхода являются: превышение фактической толщины S0 H обечайки 1 по сравнению с расчетной So p; расстояние Ь0 между краями соседних отверстий 2 (рисунок 8) должно быть равно или больше следующей величины:

b0 > 2^/d(S0 H -С0). (11)

Анализ показывает, что в случае воздействия наружного перепада давления, когда прочность обечайки определяется не только прочностью стенок, но и устойчивостью конструкции в пределах упругости, при Нор > Do p ее расчетная толщина определяется по формуле:

Ю Dop

S=l,06-ар

1,5ЛР. Н л

р ' Гл <лт> Л°'06Утт V'4

0,47

1>5АРпр2 1(Г5Е

Нар

пр.2 о.р

1(Г5Е D,

о.р у

(12)

где Е - модуль продольной упругости материала обечайки, то есть стали, при расчетной температуре, МПа.

Балансовое уравнение к функции (10. А), обеспечивающее условие прочности и устойчивости корпуса опорной цилиндрической обечайки, нагруженной наружным перепадом давления, записывается следующим образом:

[2х [а0] х - С^) / (Е> + -

------^^тг 1 з

(оар/1Ю-(^-СЬ))а5]}х Рар/^р)" [100-(^и-0))/0ар]2'5 )2

где пу - коэффициент запаса устойчивости опорной обечайки.

Диаметр отверстий с1 в цилиндрической стальной обечайке, при котором достигается расчетная прочность прилегающих к ним участков полностью засоренной сетки такого же диаметра с!, способных выдержать предельный перепад давления, определяется исходя из предположения, что сетка представлена как круглая стальная пластина, которая сама содержит ряд отверстий, расположенных в коридорном порядке.

В целях количественной оценки результатов исследований были проведены расчеты по определению геометрических параметров опорной обечайки и сетки, нагруженных предельным наружным перепадом давления. Проведенные расчеты показали, что для: сетки стандартной толщиной Sc.„ = 0,055 мм, то есть без задания избыточной толщины, диаметр отверстия по формуле (10.Б) составляет d = 8,5 мм; опорной обечайки фактической толщиной S0 H = 0,4 мм при расчетной толщине So p = 0,22 мм, то есть при избыточной толщине S0 M - So p = = 0,4 - 0,22 = 0,18мм, диаметр отверстия по формуле (10.А) составляет d = 8,0 мм. В результате, согласно целевой функции (10), выбирается меньшая величина, полученная по формуле (10.А) для опорной обечайки, равная d= 8,0 мм, при избыточной толщине S0.„ — So p = 0,18 мм и значении Ь0= 5,0 мм.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению коэффициента увеличения пропускной способности гофрированного ФЭ и по проверке расчетных формул (10) - (13), полученных в главе 3. Здесь же приведены результаты внедрения и экономической эффективности предлагаемой конструкции УО.

Экспериментальные исследования проведены на опытной установке очистки (рисунок 9) в период с 3 ноября по 26 декабря 2012 года в экспериментальном центре ОАО «Гипрониигаз», г. Саратов.

На первом этапе экспериментальных исследований осуществлялось определение коэффициентов увеличения удельной пропускной способности гоф-' рированного ФЭ, оснащенного основными и дополнительными гофрами, по сравнению: с ФЭ, оснащенным только основными гофрами = / V2;

с обычным ФЭ, выполненным в виде гладкого полого цилиндрах = V3 / V,.

Все испытуемые ФЭ были выполнены из сетки по ГОСТ 6613-86 с квадратной ячейкой 0,08 мм. В процессе определения коэффициентов и xv были построены кривые пропускной способности Vi, V2, V3 в зависимости от перепада давления на ФЭ, приведенные на рисунке 10.

Используя результаты графика по определению Vb V2, V3, видно, что коэффициенты увеличения пропускной способности составляют: Ху2 = 1>38 раза

их = 5,65 раза. Сравнение коэффициентов увеличения фильтрующей поверх-vi

ности Хр и пропускной способности xv для ОДНОГО и того же ФЭ показывает,

что коэффициент xv всегда имеет более низкие значения, что объясняется

уменьшением пропускной способности гофрированного ФЭ в местах сближения его отдельных гофров.

- ресивер; 2 - компрессор; 3 - манометр; 4 - сбросной клапан; 5 - резервуары для аккумулирования сжатого воздуха; 6, 16, 17, 18 - краны; 7 - регулятор давления РПГ-П50В; 8 - пилотный регулятор; 9 - импульсные трубки регулятора давления; 10 - установка очистки; 11 - патрубки до и после ФЭ; 12 - гибкие трубки; 13 - и-образный мановакуумметр; 14, 15 - импульсные трубки; 19, 20 - дистанционный датчик-преобразователь и контактное устройство для замера перепада давления АИР-20Ехс1/М2-ДД модели 420; 21 - турбулизатор к счетчику-расходомеру; 22 - вихревой счетчик для измерения расхода ИРВИС-РС4-Пп-16-ППС; 23, 24 -клеммная коробка и блок первичных преобразователей расхода, давления и температуры; 25 -вентиль для плавного регулирования расхода; 26, 27 - блоки обработки сигналов; 28 - интерфейс; 29 - компьютер, оснащенный программой для графического отображения показаний

Рисунок 9 - Схема экспериментальной установки

и 5,0 И

§ 4,5 а

Н 4,0 о

>1 й ц

йС 3'5

х и

« я 3>°

£ & 2.5

й о '

1=1 К

§ 5

ч °

и о, 0) и

/ /

к L 2 / 3_

/ / /

/ /

1 - ФЭ, выполненный виде гладкого полого цилиндра диаметром Он; 2 - ФЭ, оснащенный только основными гофрами; 3 - ФЭ, оснащенный основными и дополнительными гофрами

Рисунок 10 — Зависимость перепада давления на УО сетчатого типа от пропускной способности при давлении, близком к атмосферному, для трех типов ФЭ

На втором этапе экспериментальных исследований осуществля-

30 50 80100 150 200 300 500 700 1000 2000

Расход газа, м3/ч

лась проверка правомерности разработанной целевой функции (10) по определению максимального диаметра отверстий в опорной обечайке УО ПГ, при котором предотвращается разрушение фильтрующего элемента.

Для проведения испытаний были изготовлены, согласно рисунку 7, три комплекта перфорированных обечаек 13. Опорная обечайка 13 фактической избыточной толщиной 80.и = 0,4 мм при расчетной толщине равной 80.р = 0,22 мм, наружным диаметром Вор = 80 мм, высотой Н0.р = 282 мм имела 323 отверстия диаметрами 8,0 мм каждый с расстояниями между краями всех отверстий, равными Ь0 = 5,0 мм.

При испытании на прочность и устойчивость опорная обечайка 13 покрывалась по всей ее фильтрующей поверхности с нахлестом тонкой полиэтиленовой пленкой, имитирующей полностью засоренную сетку. Перепад наружного избыточного давления до и после опорной обечайки создавался путем поддержания после регулятора 7 (рисунок 9) величины давления Рн, равного значению наружного избыточного перепада давления ДР = Рн - Рв. Избыточное давление после опорной обечайки в этом случае оставалось равным нулевому значению, то есть Рв = 0. Результаты опытов по проверке правильности целевой функции (10) с учетом (11) —(13) приведены на графике (рисунок 11).

ф— г^Ь- 1

о й

20 30 40 46 48 50 Перепад давления на УО ДР, кПа

52 54 56

<£> - образец 1; © - образец 2; Н - образец 3 Рисунок 11 - Проверка правильности целевой функции (10)

Результаты проведенных исследований показали, что представленная к испытаниям опорная обечайка наружным диаметром Во р = 80 мм, высотой Нор = 282 мм, фактической избыточной толщиной стенки 80.„ = 0,4 мм выдержала испытание на прочность и устойчивость и сохранила форму при нагружении ее наружными теоретическим перепадом давлений АРдеф.х = 1,5 ДРпр.2=45 кПа.

Из анализа графика, изображенного на рисунке 11, видно, что деформация всех трех экспериментальных образцов произошла в диапазоне ДРдеф.э = 49...53 кПа, что несколько выше теоретического предельного перепада давления на ФЭ, принятого в целевой функции (10), равного

ЛРдеф.т =1,5 АРПр.2 = 45 кПа. Такое среднее расхождение экспериментальных и теоретических данных, равное 12,4 %, позволяет рекомендовать целевую функцию (10) с учетом (11) - (13) для применения в проектной и эксплуатационной практике.

В целях внедрения результатов исследований был изготовлен опытно-промышленный образец УО ПГ пропускной способностью 2740 м3/ч. Корпус установки очистки выполнен из стальной трубы диаметром Б = 159 мм толщиной стенки 4,5 мм.

Согласно результатам расчетов математической модели (1) - (6), оптимальное соотношение высоты корпуса установки очистки к его диаметру, то есть оптимальная величина фактора формы, составляет Фор{ = (Н/ О)ор1 = 4,9. В этом случае высота корпуса установки очистки по эллиптическим днищам составляет Н = В-Фор1 = 159-4,9 = 780 мм. Общий вид установки очистки оптимизированной формы с гофрированным фильтрующим элементом, заключенным в защитную оболочку, приведен на рисунке 12.

1, 7 - входной и выходной патрубки; 2 - корпус УГО; 3 - фильтрующий элемент с основными и дополнительными гофрами; 4 — опорная обечайка; 5 - опорный нижний фланец, неразъёмно соединенный с корпусом УО; 6 - съемная крышка, неразъемно соединенная с верхним фланцем

Рисунок 12 - Общий вид установки очистки оптимизированной формы с фрагментом гофрированного фильтрующего элемента, заключенного в защитную оболочку

Результаты расчета экономического эффекта показывают, что удельные интегральные затраты в УО с оптимальным отношением высоты корпуса к его диаметру Ф0Р1 = (Н/ Б) ор( = 4,9 на основе фильтрующего элемента с основными и дополнительными гофрами (рисунок 12) в 4,2 раза ниже по сравнению с УО с типовым отношением Фтип = (НЛЗ)ТИП = 2,1, оснащенной сетчатым фильтрующим элементом в виде цилиндрической полости с гладкой наружной поверхностью (рисунок 2). Кроме этого, значительно снижается возможность экономического ущерба от реализации аварии, связанной с разрушением фильтрующего элемента за счет применения опорной защитной обечайки 4 (рисунок 12) с требуемой прочностью и устойчивостью.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические зависимости для оптимизации отношения высоты корпуса установки очистки к ее диаметру, позволяющие определить минимальные капиталоемкость съемных крышек и эксплуатационные расходы по их периодическому демонтажу, связанному с удалением накоплений твердых частиц с рабочих поверхностей фильтрующих элементов. С помощью модели определены минимальные интегральные затраты в изготовление и эксплуатацию для ряда типоразмеров УО ПГ.

2. Установлена закономерность и предложен метод повышения удельной пропускной способности фильтрующих элементов УО ПГ на основе формирования на их фильтрующей поверхности радиальных гофров с образованием дополнительных продольных складок. Предложенный метод, защищенный патентом 116365 с приоритетом от 21.11.2011г., реализован при разработке стандарта СТО 03321549-023-2013 «Рекомендации по повышению эффективности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц в системах газоснабжения» и позволяет увеличить пропускную способность по сравнению с обычным ФЭ на основе полого фильтрующего цилиндра в 5,65 раза.

3. Обоснованы принципы создания технических решений по предотвращению разрушения ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения путем образования за ними по ходу течения газа опорной цилиндрической обечайки, имеющей ряд круглых отверстий с диаметром, не превышающим максимальную величину (получено решение о выдаче патента по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г.). Предложенные на этой основе технические решения реализованы при разработке стандарта СТО 03321549024-2013 «Рекомендации по повышению безопасности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц в системах газоснабжения».

4. Разработана целевая функция по определению максимального диаметра отверстий в опорной цилиндрической обечайке, при котором предотвращается разрушение ФЭ, прилегающего к ней в случае возникновения предельного наружного перепада давления, учитывающая превышение фактической избыточной толщины стенки обечайки над теоретически необходимой, а также соотношение ее диаметра и высоты. С помощью целевой функции определены геометрические параметры опорных обечаек для ряда типоразмеров УО ПГ.

5. Созданная система практических рекомендаций по применению предлагаемых установок очистки реализована в ГОСТР 54960-2012 «Системы газораспределительные. Пункты газорегуляторные блочные и пункты редуцирования шкафные. Общие технические требования».

6. Разработана технико-эксплуатационная документация, на базе которой изготовлена, испытана и внедрена опытно-промышленная серия предлагаемых

установок очистки ПГ от ТЧ с оптимизированной формой корпуса и оснащенных гофрированным элементом, заключенным в защитную оболочку.

7. Применение УО с оптимальным отношением высоты корпуса к диаметру на основе фильтрующего элемента с радиальными гофрами и дополнительными складками на них позволяет в 4,2 раза уменьшить интегральные затраты по сравнению с используемыми в настоящее время установками очистки с типовым фактором формы, оснащенными сетчатым фильтрующим элементом в виде цилиндрической полости с гладкой наружной поверхностью.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Усачев, А. П. Обоснование размеров ячейки сетки фильтрующих элементов систем защиты, предотвращающих попадание твердых частиц в газорегуля-торные пункты, узлы учета и газоиспользующие приборы [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // НТЖ «Нефтегазовое дело». - 2010. - Т. 8. - № 2. - С. 77-82.

2. Усачев, А. П. Анализ опасных воздействий на герметизирующие элементы затворов регулирующей, предохранительной, защитной арматуры и контрольных регуляторов газорегуляторных пунктов природного газа [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // Нефегазовое дело. -2010.-№ 1.-Т. 8.-С. 81-85.

3. Усачев, А. П. Обоснование алгоритма расчета газовых сетчатых фильтров по улавливанию твердых частиц в системах распределения газа [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 4 (82). - С. 139-144.

4. Усачев, А. П. Разработка математической модели оптимизации формы фильтров, размещаемых в шкафных газораспределительных пунктах [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010.-Вып. 4 (82).-С 145-155.

5. Усачев, А. П. Разработка рекомендаций и технических решений по снижению металлоемкости систем очистки природного газа от твердых частиц [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. -Уфа, 2011. - Вып. 3 (85). - С. 158-165.

6. Усачев, А. П. Разработка защитной оболочки фильтрующего элемента в установке очистки природного газа [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, П. В. Шерстюк, С. В. Густов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов»/ ИПТЭР. - Уфа, 2012. - Вып. 3 (89). - С. 152-161.

7. Усачев, А. П. Разработка целевой функции, устанавливающей требования по предотвращению разрушения фильтрующих элементов в установках

очистки природного газа [Текст] / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. -№ 6. - С. 360-375.1ЖЬ: http://www.ogbus.iu/authorsAJsachev/Usachev_5.pdf.

Патент

8. Пат. 116365 Российская Федерация, МПК В 01 Б 53/00. Установка очистки природного газа от твердых частиц [Текст] / Усачев А. П., Шурайц А. Л., Густов С. В., Шерстюк П. В. Рулев А. В., Усачев М. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО СГТУ имени Гагарина Ю.А. - № 2011147261/05; заявл. 21.11.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15. Приоритет от 21.11.2011 г. - 6 с.

Нормативные документы

9. СТО 03321549-023-2013 «Рекомендации по повышению эффективности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц в системах газоснабжения» / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк и др. -Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2013. - 75 с.

10. СТО 03321549-024-2013 «Рекомендации по повышению безопасности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц» / А. П. Усачев, А. Л. Шурайц, С. В. Густов, П. В. Шерстюк и др. - Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2013. - 74 с.

Прочие публикации

11. Шерстюк, П. В. Определение оптимальной формы корпуса системы очистки природного газа [Текст] / П. В. Шерстюк // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер, научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. в рамках XIX Нефтегазового форума. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2011. - С. 371-373.

12. Шерстюк, П. В. Разработка внутренней защитной оболочки фильтрующего элемента в установке очистки природного газа [Текст] // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XII Всеросс. научн.-практ. конф. 17 октября 2012 г. в рамках XII Российского энергетического форума. - Уфа: Изд-воИПТЭР, 2012 г.-С. 171-172.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 16.05.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 1,18. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 105. РотапринтГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шерстюк, Павел Владимирович, Уфа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов»

УДК 621.6.036

^. . ^ ^ ^ ^ ^ ^ На правах рукописи

Шерстюк Павел Владимирович

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Усачев Александр Прокофьевич

Научный консультант -доктор технических наук Шурайц Александр Лазаревич

Уфа 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения .................................................................. 4

Буквенные индексы ..................................................................... 5

Аббревиатуры ........................................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................6

ГЛАВА 1 ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА........... 12

1.1 Анализ существующих технических решений и методических рекомендаций, направленных на повышение эффективности

и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа ............ 12

1.2 Выбор направлений исследований по повышению эффективности в части сокращения расходов на обслуживание и снижения металло-

и капиталоемкости установок очистки природного газа ........................ 29

1.2.1 Выбор направления исследований по сокращение расходов

на обслуживание и снижение металлоемкости установок грубой очистки природного газа ........................................................................... 29

1.2.2 Выбор направлений исследования по повышению эффективности в части повышения удельной производительности установок очистки природного газа ........................................................................... 32

1.3 Выбор направлений исследований по повышению безопасности в части предотвращения разрушения фильтрующего элемента

и распространения его обломков за пределы установки очистки ............... 34

Выводы по главе 1........................................................................ 40

ГЛАВА 2 СНИЖЕНИЕ МЕТ АЛЛО- И КАПИТАЛОЕМКОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РАСХОДОВ В УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ФОРМЫ И ИНТЕНСИВНОГО ГОФРИРОВАНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ..................................................................................... 42

2.1 Исходные предпосылки к разработке мероприятий по снижению расходов на обслуживание и металлоемкости установок очистки природного газа .......................................................................... 42

2.2 Разработка математической модели по определению минимальных эксплуатационных расходов и капиталовложений в установки очистки, размещаемые в шкафных газорегуляторных пунктах, на основе оптимизации формы их корпуса ...................................................... 45

2.3 Оптимизация формы установки очистки, размещаемой в шкафу

с другим газовым оборудованием, для регулирования давления и учета расхода газа ................................................................................ 58

2.4 Определение расчетных геометрических параметров фильтрующих элементов с учетом оптимальной конфигурации установки очистки ......... 62

2.5 Разработка мероприятий по повышению удельной пропускной

способности сетчатых фильтрующих элементов природного газа ............ 69

Выводы по главе 2 ..................................................................... 76

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПУТЕМ ЗАКЛЮЧЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА В ЗАЩИТНУЮ ОБОЛОЧКУ............... 77

3.1 Обоснование мероприятий по предотвращению разрушения фильтрующих элементов природного газа при повышении перепада давления на них до предельного значения .......................................... 77

3.2 Разработка технических решений по предотвращению разрушения фильтрующих элементов природного газа при повышении перепада давления до предельного значения путем заключения их в защитную оболочку ................................................................................... 88

3.3 Разработка целевой функции по определению максимального диаметра отверстий в опорных цилиндрических обечайках, при котором предотвращается разрушение фильтрующего элемента ........................ 92

3.4 Количественная оценка результатов исследований по определению геометрических параметров опорной обечайки, нагруженной предельно

допустимым наружным давлением ................................................... 101

Выводы по главе 3 ........................................................................ 107

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА......................................................................... 110

4.1 Задачи экспериментальных исследований. Описание

экспериментальной установки ......................................................... 110

4.2 Методика проведения экспериментальных исследований. Проведение опытов и обработка полученных результатов ....................................... 123

4.2.1 Методика определения коэффициента увеличения пропускной способности фильтрующего элемента ............................................. 123

4.2.2 Экспериментальная проверка прочности и устойчивости опорной обечайки фильтрующего элемента ................................................... 128

4.3 Расчет ожидаемого технико-экономического эффекта от внедрения установки очистки с оптимизированной формой корпуса и

гофрированным фильтрующим элементом ....................................... 131

4.4 Внедрение технических решений по повышению эффективности путем увеличения пропускной способности фильтрующего элемента

и по повышению его безопасности за счет предотвращения разрушения

фильтрующих сеток .................................................................... 137

Выводы по главе 4 ..................................................................... 141

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ....................................................................... 144

Библиографический список использованной литературы 146 ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................. 163

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

р - плотность, кг/м ; Р - давление газа, Па; АР - наружный перепад давления на ФЭ, кПа; V - пропускная способность, м3/ч; В, с! - диаметр, м; Н, И - высота, м; Е-норма дисконта, Угод; модуль упругости, МПа; Т-срок службы УО, год; г - расчетный год эксплуатации, год; а - размер ячейки ФЭ, мм; а{ - коэффициент дисконтирования; К, к - полные и удельные капитальные вложения в изготовление элементов УО, долл., долл./м2, долл./кг; Б - общая площадь поверхности ФЭ, м2; е - ширина зазора, м; Ь -толщина отдельных элементов, м; п0 - количество отверстий для болтовых соединений во фланце, шт.; Ф-фактор формы корпуса У О; код, кфс-удельные капитальные вложения в изготовление стальных: обечайки, крышки, днища и фланцевого соединения из двух фланцев УО в расчете на единицу их металлоемкости, долл./кг; фрэ-доля годовых отчислений от Кр на эксплуатацию р-ого элемента, д.е.; 80И, $ор, 8СИ, 8ср- соответственно фактическая и расчетная толщины цилиндрической стальной обечайки и фильтрующей

сетки мм; Е)0 р, Н0 р — расчетные наружные диаметр и высота цилиндрической опорной обечайки, мм; С0, Сс - поправка к толщине стальной обечайки и сетки, обусловленная коррозией и эрозией, технологией изготовления и минусовым допуском на тонкий стальной лист, мм; Кс -коэффициент, зависящий от конструкции плоской пластины (полностью засоренной сетки); К0 - коэффициент ослабления прочности плоской пластины, имеющей ряд отверстий; [с0], [ос] - соответственно допускаемые напряжения металла обечайки и пластины (сетки) при расчетной температуре, МПа; Ь-длина, м; С-длина отдельных элементов, м; Рь V,, ¥2, У2, Бз, У3 - соответственно площади фильтрующих поверхностей и пропускная способность ФЭ, выполненного в виде полого цилиндра с боковой фильтрующей поверхностью диаметром Эн, ФЭ, имеющим только основные фильтрующие гофры, ФЭ, имеющего основные и дополнительные фильтрующие гофры; ХР>ХУ~ коэффициенты увеличения фильтрующей

поверхности и удельной пропускной способности ФЭ.

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

в - внутренний; н-наружный; г-газ; фэ - фильтрующий элемент; д - дополнительный; пр - предельный; ст - сталь, стальной; оч - очистка; уо - установка очистки; шк - шкаф; п - покрытие; р - расчетный; с - сетка; о - обечайка; и - фактическая (исполнительная); ф.с. - фланцевое соединение; ф - фланец; о.д. - обечайка, крышка и днище; min, max, opt - минимальная, максимальная и оптимальная величины; т - теоретический; э — экспериментальный; деф — деформация; р-ый элемент; п-ый элемент; m-ый вид затрат; t-ый.

АББРЕВИАТУРЫ

ПГ - природный газ; РА - регулирующая арматура; ЗА - защитная арматура; ПА - предохранительная арматура; УУРГ - узел учета расхода газа; УО - установка очистки; ТЧ - твердые частицы; ГРП -газорегуляторный пункт; ФЭ - фильтрующий элемент; ГРО -газораспределительные организации.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Установки очистки (УО) природного газа (ПГ) от твердых частиц (ТЧ) являются важным звеном в системе его подготовки и подачи в регулирующее, предохранителшое, измерительное и газоиспользующее оборудование в газораспределительных сетях до 1,2 МПа включительно. Поскольку одним из основных источников появления твердых частиц в природном газе является их образование в результате коррозии и некачественного монтажа на всех внутренних поверхностях стальных газопроводов, нормативно-техническая документация требует размещения УО перед каждым пунктом редуцирования газа.

Большие металло- и капиталоемкость съемных крышки, фланцев установок очистки, значительное количество болтовых соединений, обусловленные неоптимальным отношением высоты корпуса УО к его диаметру, повышают трудоемкость и эксплуатационные расходы, связанные с периодическим демонтажем, необходимым для удаления накоплений твердых частиц с рабочих поверхностей фильтрующих элементов (ФЭ). В настоящее время отсутствуют рекомендации по определению оптимального отношения высоты корпуса У О к его диаметру.

В связи с этим актуальными вопросами, требующими своего решения, являются уменьшение массы съемных крышек, корпуса, количества болтовых соединений и, как следствие, снижение капиталоемкости корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию УО и периодическому демонтажу крышек, повышение удельной пропускной способности фильтрующих элементов за счет их более эффективной компоновки в объеме корпуса, а также предотвращение разрушения защитных опорных конструкций и ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения.

Цель работы — повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе оптимизации формы корпуса УО и использования гофрированных ФЭ, заключенных в защитную оболочку.

Основные задачи исследований:

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Предложены математические зависимости по определению минимальных металло- и капиталоемкости съемной крышки и корпуса УО, эксплуатационных расходов по ремонту, обслуживанию и периодическому демонтажу съемных крышек УО на основе оптимизации отношения высоты корпуса установки очистки к ее диаметру и оптимизации формы шкафа для размещения в нем УО.

круглых отверстий с диаметром, не превышающим максимальную величину (получено решение о выдаче патента по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г.)

На защиту выносятся:

2. Закономерности и методы повышения удельной пропускной способности ФЭ;

Практическая ценность и реализация результатов работы

2. Предложенная конструкция У О по повышению безопасности путем использования опорных обечаек для гофрированных фильтрующих элементов, защищенная положительным решением на выдачу патента от 09.01.2013 г. по заявке 2012136412 с приоритетом от 24.08.2012 г. и предотвращающая разрушение ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения, реализована при разработке СТО 03321549-024-2013 «Рекомендации по повышению безопасности установок грубой очистки природного газа от твердых частиц».

3. Создана система практических рекомендаций по обоснованию применения предлагаемых УО, реализованная в ГОСТ Р 54960-2012 «Системы газораспределительные. Пункты газорегуляторные блочные и пункты редуцирования шкафные. Общие

Информация о работе

Шерстюк, Павел Владимирович
кандидата технических наук
Уфа, 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Повышение эффективности и безопасности эксплуатации установок очистки природного газа на основе использования гофрированных фильтрующих элементов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы