Надежность газовых распределительных сетей

Распределительные системы газоснабжения состоят из следующих основных элементов и узлов, непосредственно обеспечивающих транспорт и распределение потоков газов:

1) газопроводов высокого, среднего и низкого давлений, расчлененных на участки (элементы) сети;

2) узлов отключающей арматуры: задвижек и кранов с компенсаторами, которые при подземной прокладке газопроводов устанавливают в колодцах;

3) гидравлических затворов и сборников конденсатов устанавливаемых на газопроводах в грунте;

4) газорегуляторных станций (ГРС) и газорегуляторных пунктов (ГРП).

Газопроводы и их оборудование, располагаемое внутри зданий и цехов, являются системами газоснабжения объектов и их к городским распределительным системам не относят.

На рис. 5.12. изображена система газоснабжения небольшого города. Газ из ГРС поступает в основную газопроводную сеть высокого (среднего) давления, которая выполнена как тупиковая - разветвленная. Из сетевых ГРП (СГРП) газ поступает в сеть низкого давления, которая раздает газ потребителям. Сеть низкого давления выполнена по кольцевой схеме. Сеть высокого давления тоже может быть кольцевой.

По кольцевой схеме выполнена сеть высокого давления среднего города, кроме того она имеет два источника питания: ГРС-1 и ГРС-2 (рис. 5.13).

Надежность систем газоснабжения зависит от надежности ее основных элементов: газопроводов, арматуры, ГРС и ГРП.

Надежность газопроводов.

Газопроводы выполняются, как правило, из стальных труб. Причинами отказов сетей могут быть механические и коррозионные повреждения труб, а также разрывы сварных швов.

Механические повреждения подземных газопроводов возникают чаще всего из-за строительных работ вблизи трубопровода. Они могут быть обусловлены неправильным показом газовых сетей в проектной документации, небрежностью или ошибками строителей, т.е. носят случайный характер.

Коррозионные повреждения связаны с агрессивным воздействием грунтов или наличием блуждающих токов. Обнаруживаются эти повреждения по утечке газа. По данным эксплуатации размеры сквозных отверстий могут быть от 2 до 40 мм. В мелкие отверстия забивают деревянные пробки, а затем в ближайшие 2-4 дня выбирают удобное время и заваривают отверстие. Крупные повреждения требуют немедленной остановки и являются отказом. При расчетах надежности интенсивности отказов по этой причине считают постоянной.

Разрывы сварных швов связаны с осадкой грунта, температурными напряжениями в зимне-весенний период (если температура в период кладки трубопровода значительно превышала зимнюю). Иногда разрывы обусловлены некачественно сваркой швов и наличием дефектов. Для обнаружения дефектов швы контролируются физическими методами (g - контроль и т.д.), но не все швы подвергаются контролю. У газопроводов низкого давления проверяют 5% сварных швов, среднего давления (до 0,05 МПа) - 10%, среднего давления до 0,3 МПа - 50% и только у газопроводов с давлением 0,3-1,2 МПа проверяются 100% швов. Также 100% швов проверяются у газопроводов, проложенных в сложных условиях (переходы по ж/д и трамвайным путям, дюкеры, мостопереходы, прокладка в туннелях, участки вблизи зданий, сооружений и коммуникаций.

По данным эксплуатации, интенсивность отказов по причинам разрыва швов не зависит от диаметра труб.

Повреждения оборудования, установленных на подземных газопроводах (задвижки, краны, линзовые компенсаторы, конденсатосборники). Повреждения арматуры могут носит двоякий характер. Первая группа повреждений состоит в неплотности перекрытия задвижкой потока газа. Она связана с истирающим действием механических частиц (взвесей), содержащихся в газе. Ко второй группе относятся такие повреждения, которые приводят к наружным утечкам газа. Этот вид повреждений представляет наибольшую опасность. К утечкам газа приводят следующие повреждения: нарушение герметичности сальников, нарушение герметичности разъемных соединений (фланцев), трещины в корпусах.

По данным Мособлгаза за период 1969-73 г.г. повреждения распределяются следующим образом:

- трещины в сварных швах - 6,9% от всех повреждений;

- коррозионные повреждения труб - 10,3% от всех повреждений;

- механические повреждения газопроводов - 18,3% от всех повреждений;

- повреждения оборудования газопроводов - 61,6% от всех повреждений.

Основным критерием надежности на газопроводах считается параметр потока отказов (средняя частота отказов):

где m_i - количество отказов за время Dt;

Dt - промежуток наблюдений, обычно Dt=1год;

N - количество наблюдаемых элементов (для газопроводов N=l - длина), для оборудования N - количество задвижек, кранов и т.д.

По сути параметр потока отказов представляет собой аналог интенсивности отказов l. Только l применяется обычно для неремонтируемых изделий, а w - для ремонтируемых.

Статистические данные, собранные по городам бывшего СССР в период 1969-1975 годов и характеризующие величины параметра потока отказов приведены в табл. 5.19.

Таблица 5.19. Сводная таблица параметров потока отказов подземных газопроводов и их оборудования.

Расчет надежности распределительной газовой сети.

Рассмотрим кольцевой газопровод, разделенный на 3 участка. При отказе участка, его отключают и потребители лишаются газоснабжения, т.е. имеет место отказ системы. Так, при отказе участка 3 система недоподает 0,2Q газа (Q_o расчетный расход газа через систему). Потребители на участках 1 и 2 получают газ и там отказа нет.

Рассмотрим возможные состояния системы, связанные с отказами участков газопроводов (отказы задвижек не учтены). Вектор состояний системы имеет вид:

Транспонировав вектор-столбец в вектор-строку , напишем граф состояний системы:

Таблица 5.20. Таблица состояний системы газоснабжения.

Номер состояния системы j		Vj	Qj
		1,2,3	Qo
		1,2	0,8Qo
		1,3	0,7Qo
		2,3	0,5Qo

V_j - набор элементов, обеспечивающих выполнение задачи способом j.

Переходы системы из исправного состояния в отказовое характеризуется интенсивностями отказов участков l₁, l₂, l₃. В результате ремонта из состояния отказа система возвращается в исправное с интенсивностями m₁, m₂, m₃.

Методами теории марковских процессов можно найти вероятности нахождения системы в состояниях 0, 1, 2 и 3. Эти решения имеют следующий вид:

Т.к. система может находиться только в одном из состояний 0, 1, 2, 3, поэтому сумма вероятностей пребывания системы в этих состояниях равна единице:

Далее оценивается качество функционирования системы. Т.к. главной задачей распределительной системы газоснабжения является ежечасная подача газа всем потребителям в соответствии с их потребностями, то за характеристику качества функционирования следует принять расчетный часовой расход газа, подаваемого потребителям. Каждому состоянию системы газоснабжения сопоставим максимально часовой расход газа через нее Ф_х(t). Этот расход зависит только от состояния системы и дает численную оценку степени выполнения задачи. При различных состояниях системы отключается различное количество потребителей и суммарная неподача газа потребителям определяет снижение показателя качества функционирования.

Если обозначить расчетный расход газа через исправную систему Q_о, недоподачу газа отключенным потребителям в состоянии через D Q_х, тогда выражение показателя качества функционирования в этом состоянии будут иметь вид:

Либо это выражение можно записать так:

,

с учетом параметров надежности данной системы получим выражение показателя качества функционирования в аварийных случаях:

здесь DQ_j - количество недоподанного газа при аварии (при состоянии j).

Показатель же надежности системы R_сист(t) представляет собой отношение показателя качества функционирования реальной системы Ф(t) показателю качества функционирования идеальной системы Ф_о(t):

В дополнению к показателю надежности следует еще определить аварийный расход газа Q_лим, который задается в зависимости от характера потребителя и его энергоснабжения. Система не должна подавать газа меньше, чем Q_лим даже в случае аварий. Если же Q_{аварийн} окажется меньше Q_лим, то имеет место отказ системы газоснабжения. Таким образом детерминированный показатель Q_лим определяет состояние отказа резервированных систем. Диаметр трубопроводов на участках сети следует определять с учетом возможности пропуска Q_лим в случае аварии на других участках. Тогда будет предусмотрен резерв в диметрах газовой сети.

Формула для определения показателя надежности системы имеет вид в данном случае:

Выше уже говорилось, что для ремонтируемых систем вместо l лучше использовать w, тогда:

Показатель надежности узла газовой сети:

где l - число элементов, отказы которых нарушают газоснабжение узла.

Следовательно, показатель надежности узла является вероятностью безотказной подачи газа в узел.

При малых значениях параметра потока отказов (wt<0,045) надежность системы можно рассчитывать по упрощенной зависимости:

где q_i - вероятность i-ой аварийной ситуации ;

l - число аварийных ситуаций;

DQ_j - количество недоподанного газа в i-ой аварийной ситуации;

Q_o - расчетный расход газа.

Расчет надежности ведут в два этапа.

1) На первом этапе решают схему сети и определяют необходимый резерв. Необходимость в резервировании схемы и размеры резерва определяют исходя из сравнения полученного значения показателя надежности системы R_сист с нормированной величиной. Все элементы газовой сети, отказы которых приводят к отключению потребителей, следует перенумеровать, определить недоотпуск газа DQ_j, связанные с отказами и рассчитать показатель надежности системы. При расчете R_сист необходимо знать w_i или l_i всех элементов и расчетное время t.

Недоотпуск газа DQ_j определяют по схеме сети без гидравлических расчетов и потокораспределения, т.к. интенсивность отказов практически не зависит от диаметров газопроводов. Для небольших нерезервированных систем полученная величина R_сист(t) может оказаться достаточной, тогда расчет надежности сети окончен. Большие системы требуют резервирования путем кольцевания и дублирования отдельных элементов. Для снижении недоподачи газа в аварийных случаях применяют секционирование.

2) Второй этап заключается в расчете резерва в диаметрах труб. Для этого рассчитывают потокораспределение в сети для наиболее неблагоприятных аварийных ситуаций. Расходы газа потребители принимают лимитированные, а перепад давлений максимально допустимый.