Размещено на http://www.allbest.ru/

Снижение операционных рисков на объектах энергетики за счет использования технологии волновой стабилизации давления

Процесс развития трубопроводных систем в энергетике предъявляет высокие требования к безопасности их эксплуатации и обеспечения надежности функционирования.

Наиболее актуален данный вопрос для сегмента тепловых сетей (трубопроводов и оборудования) в связи с их изношенностью и недостаточным финансированием работ по обслуживанию и перекладке. Необходимо принятие срочных мер, способных в сравнительно короткие сроки смягчить остроту проблемы.

Ежегодно на коммуникациях теплоснабжения регистрируются тысячи случаев нарушения герметичности и порыва. При общей протяженности тепловых сетей (ТС) порядка 138 тыс. км свыше 60% из них находятся в аварийном состоянии и требуют замены.

Из 460 тыс. км водопроводных сетей более 10% нуждаются в срочной замене. Утечка и неучтенный расход сетевой воды в коммуникациях ряда городов России превышает 30%, чем наносится значительный экологический ущерб.

Еще более опасны аварии на технологических трубопроводах предприятий ТЭК, атомных АЭС, ГРЭС, когда в окружающую среду могут попасть опасные для жизни человека токсичные, канцерогенные или радиоактивные вещества. Сегодня убытки от коррозии трубопроводов, особенно от внутренней, оцениваются в сотни миллиардов рублей.

Планово-предупредительный ремонт сетей и оборудования систем коммунальной энергетики полностью уступил место аварийно-восстановительным работам, единичные затраты на проведение которых в 2--3 раза выше. Предприятия теплоснабжения в регионах вынуждены развивать и содержать мощные ремонтно-восстановительные базы. Резко возрастает себестоимость мероприятий и численность ремонтного и обслуживающего персонала, который в пересчете на 1 тыс. населения уже в 2--3 раза превосходит численность аналогичных производств в Европе.

Увеличилось количество масштабных техногенных аварий трубопроводов по причине гидроударов с последующим разрывом сплошности потока из-за внезапных перебоев в энергоснабжении насосных станций при пиковой нагрузке. Подобные гидравлические удары (ГУ) полностью разрушают на значительной длине трубопровод из любого применяемого материала независимо от нормативного ресурса.

Как показал экспертный анализ и исследование последствий крупных аварий трубопроводных систем, более чем в 60% случаев основной причиной разрывов трубопроводов являются внутренние динамические (пульсации давления и гидроудары) и вибрационные процессы, а менее 40% приходится на все прочие факторы, такие как естественная коррозия, блуждающие токи, просадки грунта, повреждения при строительных, дорожных работах и т. п.

Где же выход? Заменить все отслужившие свой 30-летний срок трубы в течение короткого периода времени невозможно. Сегодня ни у государственных, ни у частных компаний нет достаточных средств на. Но даже при их наличии процесс замены обойдется значительно дороже, чем новая прокладка сети, и растянется на десятилетия.

Одним из приоритетных направлений, способных увеличить ресурс действующих тепловых сетей без их экстренной замены, становится борьба с вибрациями и вредными пульсациями давления. В мировой практике накоплен немалый опыт проектирования и эксплуатации средств защиты от колебательных процессов на гидромагистралях. Усилия научной и инженерной мысли сосредоточены на поиске способов минимизации разрушающего воздействия на трубопроводы волновых и вибрационных колебаний, а также создания устройств, обеспечивающих решение этой задачи (аккумуляторов давления, гасителей колебаний различных типов, клапанов сброса, колпаков, обратных клапанов).

Для понимания всех последствий (рисков) гидроудара, влияющих на функциональную устойчивость объектов энергетики, кратко рассмотрим предпосылки возникновения и характер протекания этого явления.

Во время переходного процесса (неустановившегося движения жидкости) из-за перекрытия сечения трубопровода или его открытия, остановки или пуска насосного агрегата и других элементов трубопроводной системы, при сбросе давления и т. п. резко изменяется скорость движения жидкости. В результате возникают волны повышенного и пониженного давления, распространяющиеся по трубопроводу. Это приводит к появлению ГУ, которому присущи большие амплитуды колебания давления жидкости и высокая скорость распространения, она может быть близкой по значению к скорости звука в данной жидкости.

Великий русский ученый Н. Е. Жуковский в 1898 г. вывел основное уравнение гидроудара:

dP = A - p - dC

где dP -- изменение давления; А -- скорость звука в рабочей среде (под рабочей средой понимается теплоноситель); р -- плотность рабочей среды; dC -- изменение скорости рабочей среды.

В системах энергетики теплоноситель перекачивается по замкнутому контуру, поэтому авария на одной насосной станции может привести к распространению гидроудара по всей трубопроводной сети. Вследствие того, что трубопроводы систем энергоснабжения имеют немалую длину, жидкость, находящаяся в них, обладает существенной инерционностью (массой), что служит причиной возникновения в сети ГУ со значительным импульсом и амплитудой.

В сетях объектов энергоснабжения используются трубы разных диаметров. Следовательно, возрастание ударного давления происходит при передаче ударной волны от труб большего диаметра на трубы с меньшим диаметром и обратно. Кроме того, при наличии волн давления в трубопроводе способны создаваться условия резонанса -совпадение частоты собственных и вынужденных колебаний столба жидкости. Подобный процесс наблюдается в тупиковых точках трубопровода, например во внутренних трубопроводных системах зданий. При этом разрушающее воздействие ГУ многократно усиливается.

Для нормальной эксплуатации трубопроводных систем требуется, чтобы при переходных процессах величина давления жидкости в трубопроводе и скорость его нарастания не превышали допустимых значений, в противном случае следствием могут стать:

- снижение КПД насосного оборудования;

- снижение надежности и долговечности трубопроводной системы;

- разрушение отдельных участков трубопроводов от воздействия вибраций, вызванных пульсирующим потоком теплоносителя;

- утечка теплоносителя через стыки трубопроводов;

- снижение рабочего давления перекачиваемого теплоносителя.

Для предотвращения аварийной ситуации необходимо располагать действенными способами и техническими средствами стабилизации давления в трубопроводных системах.

Сегодня одной из наиболее эффективных технологий противоаварийной защиты трубопроводов и оборудования объектов энергетики от гидроударов, вредных пульсаций давления и вибраций является российская технология волновой стабилизации давления «ЭКОВЭЙВ».

Она основана на использовании средств гашения волновых и вибрационных процессов в пневмогидросистемах -- стабилизаторов давления (СД), оказывающих комплексное воздействие на волновую энергию за счет диссипативных свойств и массовой податливости СД.

Ниже рассматривается опыт эксплуатации гидросистем различных объектов энергетики, на которых с высокой степенью эффективности реализована данная технология.

Системы теплоснабжения (электростанции, РТС, ЦТП). В материалах по предупреждению крупных аварий Международного бюро труда перечислены следующие причины повреждения оборудования и типичные неисправности, нарушающие условия нормальной эксплуатации и безопасной работы:

- механические разрушения сосудов, трубопроводов и конструкций при перепадах внутреннего давления, воздействии внешних сил, коррозии и изменении температуры;

- поломки таких узлов, как насосы, компрессоры, вентиляторы и перемешиватели;

- неисправности в системе контроля (в датчиках давления и температуры, индикаторах уровня, расходомерах, приборах управления);

- неисправности в системе безопасности (в предохранительных клапанах, системе сброса давления, системе нейтрализации, предохранительных разрывных мембранах);

- нарушения сварных швов и соединительных фланцев.

Анализ аварийных ситуаций в трубопроводных системах теплоснабжения показывает, что практически каждое из этих событий, способных вызвать крупную аварию, может быть следствием изменений режима давления из-за волновых и ударных процессов.

Рабочая среда -- теплоноситель -- в трубопроводах энергетических установок имеет ряд особенностей: высокая температура и температурные градиенты, значительная скорость потока, высокое давление. В наиболее узких сечениях скорость жидкого теплоносителя достигает 14 м/с, газообразного - 100--150 м/с, давление составляет 16 МПа, температура - 400--500^оС. Процессы в главных циркуляционных трубопроводах характеризуются существенными нестационарными расходами теплоносителя и интенсивными волновыми и вибрационными нагрузками. Пример характеристик, полученных в ходе обследования гидросистемы ТЭЦ-23 (город Москва), представлен на рисунках 1-2.

Рис. 1. Диаграмма изменения давления в напорном коллекторе при пуске насоса

Рис. 2. Диаграмма изменения давления в напорном коллекторе приостановке насоса

Вибрации могут стать причиной усталостных разрушений трубопроводов, элементов энергетических установок, в результате чего нарушается проектная степень герметичности проточных трактов и начинаются течи теплоносителя.

Основными источниками вибрации трубопроводов в большинстве случаев являются динамические нагрузки вращающихся неуравновешенных роторов насосов и турбоагрегатов, а также пульсирующий поток теплоносителя.

Оснащение трубопроводных систем теплоснабжения эффективными средствами гашения вынужденных колебаний давления и гидравлических ударов имеет важное значение для обеспечения пределов и условий безопасной эксплуатации.

В настоящее время накоплен положительный опыт эксплуатации стабилизаторов давления в системах теплоснабжения. Рассмотрим примеры установок таких стабилизаторов на объектах энергетики в 2007 г.

Балтийская электростанция, г. Нарва (Эстония). Гидросистема ЭС «Балтийская» оборудована пятью сетевыми насосами. Давление на входе составляет около 1,8 бар, давление на выходе - 6,5 бар. Насосная группа оснащена обратными клапанами и электрическими задвижками. В рамках проекта реконструкции станции на напорном трубопроводе был установлен один стабилизатор давления СДт-16-700.

Рис. 3. Фрагмент установки СДт-16-700 на Балтийской электростанции.

Рис. 4. Диаграмма изменения давления в напорном коллекторе при отключении насоса (красным цветом - без стабилизатора давления, зеленым - после установки стабилизатора давления).

По результатам испытаний СД обеспечивает в стационарном режиме работы гидросистемы гашение колебаний давления сетевой воды на оборотной и лопаточной частотах работы насосных агрегатов в 4,3--4,7 раза. В штатном режиме перехода с действующего насоса на резервный и обратно размах возникающих колебаний давления сетевой воды в напорном коллекторе уменьшается в 2 раза, при этом динамические нагрузки на трубопровод не превышают допустимых пределов.

В ходе эксплуатации зафиксированы несколько гидроударов, приведших к разрушениям незащищенных стабилизатором давления участков трубопровода. В то же время участок теплосети, защищенный СД (оборудование насосной станции), поврежден не был. Стоимость защищенного оборудования оценивается в сумму порядка 7 млн. руб.

МУП «Калининградтеплосеть» (РТС «Восточная»). Гидросистема РТС «Восточная» оборудована четырьмя сетевыми насосами Д 639-90 с подачей воды в объеме около 1 960 куб. м/ч. В период отопительного сезона одновременно работают три насоса. Давление на входе составляет около 2,5 бар, давление на выходе -- 8,5 бар. Насосная группа оснащена обратными клапанами и электрическими задвижками. В рамках проекта были установлены 3 стабилизатора давления СДт-16-500.

Рис. 5. Фрагмент установки СДт-16-500 на РТС «Восточная».

Рис. 6. Диаграмма изменения давления в напорном коллекторе при отключении насоса (красным цветом - без стабилизатора давления, зеленым - после установки стабилизатора давления).

По результатам испытаний стабилизатор давления обеспечивает в стационарном режиме работы гидросистемы гашение колебаний давления сетевой воды на оборотной и лопаточной частотах работы насосных агрегатов в 4,5 раза. В штатном режиме перехода с действующего насоса на резервный и обратно размах возникающих при этом колебаний давления сетевой воды в напорном коллекторе уменьшается в 11 раз, а в подающем коллекторе -- более чем в 15 раз.

В процессе эксплуатации были зафиксированы 2 гидроудара, погашенные стабилизаторами давления. Результатом аналогичных гидроударов, происходивших до установки СД, становились крупные порывы трубопроводов и ощутимые финансовые и материальные затраты на ликвидацию последствий аварий. Экономический эффект от внедрения стабилизаторов давления для защиты данной гидросистемы оценивается в сумму около 10 млн. руб.

ООО «Синарские тепловые сети», г. Каменск-Уральский Свердловской обл. (ЦТП-3). Гидросистема ЦТП-3 состоит из двух насосных групп с насосами типа 200Д-60, СЭ 800-55, Д320-50 и Д800-57 с подачей 320, 600 и 800 куб. м/ч. Одновременно работают три насоса. Давление во входных коллекторах насосных групп во время проведения испытаний составляло 3 бара, а в напорных -- 6,5 бар. Насосная группа, повышающая давление в прямом трубопроводе, оборудована обратными клапанами и ручными задвижками. В рамках проекта были установлены 2 стабилизатора давления СДт-16-300 и СДт-16-400.

вибрация пульсация давление тепловой

Рис. 7 Фрагмент установки СДт-16-400 на ЦТП-3.

Рис. 8 Диаграмма изменения давления в напорном коллекторе при отключении насоса (красным цветом - без стабилизатора давления, зеленым - после установки стабилизатора давления).

По результатам испытаний СД обеспечивают полное гашение высокочастотных колебаний давления на насосной частоте. В переходном режиме работы насосов размах возникающих колебаний давления сетевой воды в напорном коллекторе уменьшается в 6 раз.

При эксплуатации в течение двух отопительных сезонов не было зафиксировано ни одной аварии (ранее от 3 до 15), несмотря на имевшие место случаи резкого изменения давления. Использование стабилизаторов давления позволило высвободить финансовые и материальные средства, ранее затрачиваемые на ликвидацию аварий, и направить их на модернизацию трубопроводной инфраструктуры предприятия. Экономический эффект от внедрения СД для защиты данной гидросистемы оценивается в сумму около 5 млн руб.

Система гидростатического подъема ротора турбины АЭС. При пуске турбоагрегата с малой частотой (~1 ) увеличивается скорость износа вкладышей подшипников. С целью предотвращения этой опасности турбоагрегат оснащают устройством гидростатического подъема роторов турбины и генератора посредством подачи под опорные шейки роторов масла из поршневого насоса (под высоким давлением). Отбор масла осуществляется через фильтры тонкой очистки из напорного коллектора системы смазки после маслоохладителей.

Источником вынужденных колебаний давления и связанной с ними вибрацией трубопроводов в системе гидростатического подъема ротора турбины К-1000-60/1500 является радиально-поршневой насос. Основная частота работы поршней составляет 98,5 Гц.

С учетом высокого рабочего давления для защиты таких трубопроводных систем следует использовать многосекционные стабилизаторы с упругими камерами, работающими на растяжение от внутреннего давления или на сжатие от внешнего давления.

Рис. 9. Стабилизатор давления для Калининской АЭС.

Рис. 10. Стабилизатор давления для Калининской АЭС.

1995 г. стабилизаторами давления была оборудована система гидростатического подъема ротора турбины К-1000-60/1500 первого энергоблока Калининской АЭС (Тверская обл., г. Удомля).

Вибрация маслопровода практически во всех точках соответствовала аварийному состоянию: в отдельных точках аварийный уровень был превышен в 4 раза по виброскорости и в 3 раза по виброперемещению. Установка стабилизаторов давления дала возможность уменьшить амплитуду вынужденных колебаний давления на частоте работы поршней почти в 10 раз, а размах общих уровней пульсаций давления -- в 3 раза, что позволило достигнуть допустимого вибрационного состояния маслопровода. Уровень наиболее опасных вибраций был снижен в 47 раз по размаху виброперемещений и в 7 раз по виброскорости. В среднем после установки стабилизаторов давления запас по аварийному уровню достиг 710% по виброперемещениям и 320% по виброскорости.

Экономический эффект от внедрения СД на одном блоке составил 3,6 млн. руб. (в ценах 2000 г.).

В настоящее время стабилизаторами давления оснащены 10 блоков ВВР-1000 с турбинами К-1000-60/1500 (на Калининской, Балаковской, Ростовской и Южноукраинской АЭС).

Подтверждение эффективности применения стабилизаторов для гашения вынужденных колебаний давления в системах смазки имеет большое практическое значение, поскольку гидравлические системы, предназначенные для смазки, охлаждения и управления, являются неотъемлемым элементом конструкции современных энергетических машин. Следует также упомянуть о том, что актуальность задачи стабилизации давления может быть обусловлена не только требованиями надежности и безопасности эксплуатации оборудования объектов энергетики, но и необходимостью повышения точности поддержания параметров, характеризующих их работу.

Системы пожарно-технического водоснабжения ГРЭС. Системы пожарно-технического водоснабжения (ПТВ) ГРЭС предназначены как для технического водоснабжения электростанций, так и для ликвидации чрезвычайных ситуаций в случае возникновения пожара. Система ПТВ должна обеспечить бесперебойную подачу воды даже при нарушении герметичности трубопроводов, когда пуск резервных насосов производится на открытую задвижку в условиях падения давления в гидросистеме ниже допустимого. При этом по всей гидросистеме распространяется волна повышенного давления -- гидроудар. С целью предотвращения подобного развития событий для системы пожарно-технического водоснабжения Костромской ГРЭС в 2003 г. был разработан и реализован проект противоаварийной защиты ПТВ.

Давление в системе ПТВ на переходных штатных режимах не должно превышать 1,1--1,2 МПа. При аварийной остановке насосов кратковременные пульсации давления и гидроудары способны более чем в 2 раза превосходить допустимое давление. Эксплуатация системы ПТВ и проведенные расчеты показали, что давление гидроудара в момент пуска резервного насоса на открытую задвижку составляет более 2,5 МПа, что в свою очередь влечет многочисленные порывы трубопроводов системы ПТВ.

Для обеспечения защиты напорных трубопроводов системы ПТВ от порывов вследствие гидроударов в помещениях береговых насосных станций (БНС) были установлены стабилизаторы давления.

Рис. 11 Фрагмент установки СД-16-350 на БНС-2 Костромской ГРЭС

Рис. 12 Фрагмент установки СД-16-350 на БНС-3 Костромской ГРЭС

Испытания стабилизаторов давления для системы ПТВ Костромской ГРЭС проводились с имитацией аварийных ситуаций (пуском и остановкой насосных агрегатов при открытых задвижках). Амплитуда колебаний давления в напорных водоводах БНС на всех, в том числе и аварийных, режимах не превышала 0,2 МПа, что свидетельствует о высокой эффективности гашения гидроударов (почти в 10 раз). По отзывам руководства Костромской ГРЭС, аварий на данном участке после установки стабилизаторов давления не происходило, вопрос о прокладке новой трубопроводной сети был снят и замена труб ППР осуществлялась в плановом порядке.

Безрасходные магистрали систем контроля, управления и автоматики. Волновые процессы, возникающие в расходных трубопроводах вследствие периодического характера работы насосных и компрессорных установок (при изменении режима перекачки), приводят к резонансным явлениям в импульсных трубах контрольно-измерительных приборов (КИП), что отрицательно сказывается на точности измерений, значительно сокращая срок службы приборов. К числу негативных последствий относятся ложные срабатывания автоматики защиты насосных и компрессорных станций из-за кратковременных динамических забросов давления.

В данной ситуации необходимо исключить (максимально снизить) влияние волновых процессов на работу дифференциальных манометров в узлах замера расхода рабочей жидкости или газа в трубопроводе. Интенсивные динамические возмущения давления в импульсных трубках становятся причиной того, что среднеквадратическое отклонение погрешностей измерения расхода способно достигать 10--15% от измеряемой величины.

За счет устранения воздействия волновых процессов на функционирование систем и приборов контроля может быть получен ощутимый экономический эффект, обусловленный исключением ложных срабатываний технологической защиты, повышением точности измерения отпущенных объемов газа или пара, увеличением срока службы КИП.

Для решения этой задачи разработаны стабилизаторы для трубопроводов небольших диаметров (или микростабилизаторы), которые монтируются либо непосредственно перед КИП, либо в любой другой точке трассы трубопровода.

Рис. 13 Микростабилизатор давления

При промышленной эксплуатации микростабилизаторы (МКСД) снижают амплитуду пульсаций давления в 6--20 раз, не создают дополнительного гидравлического сопротивления, дают возможность исключить ошибки в показаниях приборов и поломку КИП. Микростабилизаторы установлены и успешно эксплуатируются в безрасходных магистралях КИПиА на ряде промышленных предприятий, в том числе на ПОЭ «Татэнерго» (Казань).

В таблице приведены результаты определения эффективности гашения пульсаций давления при испытании микростабилизаторов давления на Казанской ТЭЦ-2.

Таблица 1. Результаты эксплуатации МКСД на Казанской ТЭЦ-2

Таким образом, применение инновационной технологии волновой стабилизации давления «ЭКОВЭЙВ» позволяет существенно снизить на объектах энергетики риски аварий посредством их прямого предотвращения, сохранения трубопроводной инфраструктуры и оборудования, с помощью энергоресурсосбережения и других важнейших факторов, влияющих на общую безопасность и экономичность предприятий ТЭК.

Сегодня стало очевидным то обстоятельство, что «следовать в фарватере» затратного механизма и оплачивать покрытие всех аварийных расходов - путь тупиковый. Предварительные экономические расчеты показывают: при ежегодных вложениях в оснащение только коммунальных трубопроводных систем средств в размере 300--350 млн руб. экономический эффект составит 190 млрд руб. при сроке модернизации сетей 25 лет.

Сегодня инновации -- наиболее эффективный путь выхода из кризиса, одновременно открывающий возможности достижения принципиально нового уровня развития инженерии.Размещено на Allbest.ru