Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор исследований нестационарных режимов движения жидкости в трубопроводах систем налива нефти и нефтепродуктов 12
1.1 Исследование существующих методов и систем налива нефтепродуктов 12
1.2 Налив нефтепродуктов и обзор устройств налива в вагон-цистерны 15
1.3 Причины возникновения и особенности неустановившегося движения нефти и нефтепродуктов в трубопроводах 30
1.4 Сравнение существующих методов защиты оборудования и трубопроводов от нестационарных воздействий потока 40
1.5 Цель и задачи диссертационной работы 43
ГЛАВА 2 Исследование трубопровода системы тактового налива 45
2.1 Экспериментальное исследование вибрации трубопровода системы тактового налива 45
2.2 Исследование трубопровода системы тактового налива в программной среде FLOW VISION методом конечных элементов 55
2.3 Анализ изменения скачков давления потока нефтепродукта на этапах налива в программной среде Flow Vision с использованием метода конечных элементов 66
ГЛАВА 3 Определение динамических напряжений в элементах трубопровода при действии скачков давления 71
3.1 Расчет динамических напряжений в элементах трубопровода в пакете ANSYS/LS–DYNA 71
3.2. Последовательность реализации МКЭ 75
3.3. Результаты расчетов 78
ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по расчётам технологических трубопроводов и регулированию параметров режима переключений систем налива 90
4.1 Рекомендации по расчту технологических трубопроводов систем тактового налива .90
4.2 Исследование влияния рабочих параметров наливной арматуры на поток перекачиваемой среды .92
4.3 Исследование влияния производительности налива и времени переключения наливной арматуры на величину размахов колебаний давления 1 00
4.4 Выбор оптимальных параметров режима работы системы тактового налива 103
Основные выводы и рекомендации 112
Список источников литературы
- Причины возникновения и особенности неустановившегося движения нефти и нефтепродуктов в трубопроводах
- Исследование трубопровода системы тактового налива в программной среде FLOW VISION методом конечных элементов
- Последовательность реализации МКЭ
- Исследование влияния рабочих параметров наливной арматуры на поток перекачиваемой среды
Введение к работе
Актуальность работы
Соблюдение верной технологии налива предопределяет безаварийную, безотказную работу механизмов, насосного оборудования и подводящих трубопроводов. Задержка налива влияет на длительность перевозки нефтепродуктов, увеличивая срок доставки, в значительной мере влияя на бесперебойную работу промышленных предприятий, транспорта, огромного парка машин населенных пунктов. Решение проблемы безаварийной и безотказной работы систем налива может быть выполнено на основе расчётов режимов эксплуатации с учётом метода налива, реальных условий работы, результатов анализа гидродинамики потока и напряжённо-деформированного состояния конструкций и оборудования.
Особую опасность для конструкций систем налива представляют динамические перегрузки, возникающие при нестационарных режимах в нефте-продуктопроводах, совмещенные с циклическим характером нагружения статическим давлением, что существенно повышает склонность материалов к разрушению и влияет на кинетику накопления повреждений. Вводимые в эксплуатацию зарубежные системы тактового налива отличаются от галерейного способа принципом работы. Налив осуществляется в одной точке путём подачи цистерн в точку налива поочередно, поэтому тактовый метод обладает высокой производительностью налива в коротком временном промежутке для каждой вагон-цистерны. Необходимы анализ уровня и причин гидродинамических возмущений, а также обоснование способов их снижения.
Поэтому актуальной является задача изучения гидродинамики потока нефтепродукта при нестационарных режимах эксплуатации систем налива высокой производительности и определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов, оборудования, работающих в условиях сложного циклического нагружения.
Цель работы: снижение скачков давления и уровня напряжений в трубопроводах систем тактового налива нефти и нефтепродуктов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:
-
Экспериментальное исследование гидродинамического воздействия потока нефтепродукта на вибрацию напорного трубопровода при существующем режиме эксплуатации системы тактового налива.
-
Исследование влияния изменений производительности налива на гидродинамические параметры потока нефтепродукта и на напряженно-деформированное состояние трубопровода налива.
-
Обоснование оптимальных параметров налива на основе исследования влияния производительности и времени переключения наливной арматуры на гидродинамическое состояние потока.
-
Разработка методики снижения гидродинамического воздействия потока нефтепродукта на трубопроводы и оборудование.
Научная новизна:
-
Впервые установлено, что значение размаха колебаний давления, начинающегося с падения давления, сопровождаемого разрежением, выше размаха колебаний давления, начинающегося с роста давления на 9,8... 19,2%. Исследования показали, что вибрация трубопровода на 15... 18,6 %, а напряжения в трубопроводе на 8... 10 % выше при увеличении производительности налива, чем при уменьшении производительности.
-
Установлено, что размахи колебаний давления на разных этапах налива на 9,4...22,4 % выше размахов колебаний давления, рассчитываемых по нормативным документам.
-
Получена зависимость размаха колебания давления от изменения расхода и времени открывания запорной арматуры, имеющей нелинейный характер, и установлено оптимальное время открывания, позволяющее сократить время налива и значительно уменьшить динамические нагрузки.
Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по совершенствованию параметров работы систем налива нефтепродуктов,
5 уменьшающие воздействие скачкообразных нагрузок на трубопроводы систем налива при нестационарных режимах работы, которые вошли в РД 39-00147105-043-12 «Методика снижения гидродинамического воздействия потока нефтепродукта на трубопроводы систем тактового налива нефтепродуктов».
Результаты теоретических исследований используются в учебном процессе УГНТУ при проведении занятий по дисциплине «Проектирование и эксплуатация нефтехранилищ и автозаправочных станций», а также при выполнении выпускных квалификационных работ бакалаврами направления 131.000.62 «Нефтегазовое дело».
Методы исследования. При решении поставленных задач и обработке экспериментальных данных использовались следующие методы: метод конечных элементов, сравнительный метод сопоставления, метод регрессионного анализа, метод наименьших квадратов, симплекс-метод решения оптимизационной задачи.
Основные защищаемые положения. Результаты промышленного эксперимента, представленные в виде зависимостей значения вибрации от режима работы установки тактового налива для определения влияния этапа налива на вибрационное состояние трубопровода; результаты численного эксперимента, представленные в виде зависимостей размахов колебания давления от времени переключения регулирующей арматуры и изменения производительности налива; результаты численного эксперимента влияния режима налива на напряженно-деформированное состояние трубопровода, представленные в виде зависимостей эквивалентных напряжений в стенке трубопровода от режима налива; результаты превышения размаха колебаний давления при открывании арматуры над размахом, возникающим при закрывании; значения оптимальных параметров режима налива, позволяющие снизить гидродинамическое воздействие потока нефтепродукта и общее время налива.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2005, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2015», г.Уфа УГНТУ; 60, 61, 63 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, УГНТУ, 2009, 2010,2012.
По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и основных выводов. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 110 наименований.
Причины возникновения и особенности неустановившегося движения нефти и нефтепродуктов в трубопроводах
Во время транспорта нефти от нефтепромыслов к нефтеперерабатывающим заводам, нефтепродуктов от заводов к потребителям углеводородные продукты проходят сложные пути, подвергаясь в ряде случаев неоднократным перевалкам с одного вида транспорта на другой. Перевалка углеводородов с одного вида транспорта на другой всегда сопровождаются дорогостоящими и специфическими операциями по сливу и наливу, т. е. опорожнению или наполнению транспортных емкостей – железнодорожных цистерн, танкеров, барж, автоцистерн [67, 75, 82].
Проблемами систем налива, вопросами нестационарного движения потока нефтепродукта в трубопроводах и его воздействия на трубопроводы транспорта нефти и нефтепродуктов, занимались отечественные и зарубежные ученые: Владиславлев А.П., Ганиев Р.Ф., Гаррис Н.А., Губин В.Е., Гумеров А.Г., Гусейнзаде М.А., Едигаров С.Г., Козобков А.А., Коршак А.А., Кандауров А.А., Лурье М.В., Межирицкий Л.М., Миркин А.З., Новослов В.Ф., Попов С.С., Степанова М.Ф., Свиридов В.П., Тугунов П.И., Чарный И.А., Черникин А.В., Шаммазов А.М., Шишкин Г.В., Юфин В.А., Berger B.D., Gwinner O.V., Dougary J.M., Hilyard J.Р., Kraus R.S., Spyrou A.G., Wooler R.G., и др., [11, 16, 17, 24, 27, 30, 31, 35, 38, 48, 51, 56, 68, 76, 82, 83, 84, 88, 89, 90, 96, 98, 99, 101, 104, 108, 110].
Железные дороги – главный вид транспорта единой транспортной системы, связывающий в единое целое все отрасли хозяйства и районы нашей страны. Поэтому в процессе транспортировки нефтяных грузов из районов добычи и переработки в районы потребления железным дорогам принадлежит одно из ведущих мест среди других видов транспорта. Нефтяные грузы по железным дорогам в настоящее время перевозят наливом в вагонах -цистернах [25, 72, 101].
Актуальность проблемы возросла в последние 5 – 10 лет в связи с применением железнодорожного транспорта как временного варианта транспортировки нефти. В Сковородино эксплуатируется пункт налива нефти на 82 вагон-цистерны, в Ванино нефтеперевалочный терминал на 70 вагон-цистерн, в Казахстане на НПС «Атырау» сливо-наливной терминал на 60 вагон-цистерн и т.д. [94]. Первая система тактового налива была введена в эксплуатацию в начале 90-х годов (1991 г., Ачинский НПЗ, установка тактового налива MARCON), в настоящее время системы тактового налива приобретают все большую популярность: в нашей стране эксплуатируется более 40 установок тактового налива [103, 104, 105, 107].
Операции по наливу нефти и нефтепродуктов отличаются разнообразием (Рисунок 1.1). Характер этих операций зависит не только от объема обрабатываемых грузов, но и от физических свойств нефтепродуктов, от климатических условий, условий рельефа местности, от типа транспортных емкостей, количества и вида наливных устройств. Объем реализации нефтепродуктов определяет состав и характер сооружений –насосных станций, трубопроводных коммуникаций, подъездных путей, количество и тип наливных устройств. В зависимости от свойств нефтепродуктов применяют открытые или закрытые системы налива [26, 83].
Железная дорога поставляет нефтепродукты, как одиночными цистернами, так и маршрутами групп вагон-цистерн, предназначенных для налива больших партий нефтепродукта и отправляемых в один и тот же пункт назначения. При больших грузооборотах нефтепродуктов применяют маршрутный налив. Время непосредственного (без учета времени на вспомогательные операции: подсоединение и заправка наливных устройств, замер взлива, выполнение приемных анализов и т.п.) налива маршрута или группы цистерн не должно превышать 120 мин [13, 55].
Важными показателями при выборе различных вариантов налива являются такие особенности отдельных методов налива, как размер потерь нефтепродуктов при наливе, свойства нефтепродуктов, погрешность метода налива, влияние метода налива на качество налитого нефтепродукта, время налива [24, 25, 76].
Исследования вибрации трубопроводных систем проводились методами теоретического исследования [9, 20, 43, 56, 57], экспериментального исследования [65, 75].
Гидродинамические характеристики потока нефтепродукта определялись, конечно-элементным методом решения уравнений гидродинамики и аналитическим методом. Конечно-элементный метод реализован в программе Flow Vision [15, 77], аналитический метод использует формулы Жуковского [75].
Для исследования напряженно деформированного состояния трубопроводов систем тактового налива применялся конечно-элементный метод расчта напряжнно-деформированного состояния. Метод реализован в программе ANSYS/LS-DYNA [7, 34, 36].
Для уменьшения напряженно-деформированного состояния трубопроводов используются конструктивные [16, 30, 56, 86] и расчтные методы [29, 37, 43]. Конструктивные методы предполагают изменения в конструкции системы налива [65, 66]. Расчетные методы используются при изменении параметров режима работы трубопроводов [47, 49, 43, 89].
Для оптимизации параметров налива выполнен сбор данных экспериментальным методом, обработка данных методом регрессионного анализа и симплекс методом [46]. Работ посвященных оптимизации систем налива не установлено. В практике налива вагон-цистерн режим работы устанавливается технологическими регламентами, однако эти параметры не обоснованы методами анализа и оптимизации, а разработаны на основе инструкций [13, 18, 70, 71, 75] и опыта эксплуатации [24, 76].
Способы подачи нефтепродукта к месту налива Налив железнодорожных цистерн может осуществляться как через горловину вагон-цистерны (верхний налив), так и через нижний сливной прибор (нижний налив). В процессе налива наиболее трудомкой является операция по подсоединению наливного устройства к вагон-цистерне в начале и отсоединение после окончания налива, поэтому верхний налив получил преимущественное распространение, так как он легче поддается механизации и автоматизации [51, 94, 104].
При автоматизированном наливе подсоединение и отсоединение наливного устройства, пуск и остановка налива совершаются без использования ручного труда. При полуавтоматизированном наливе, остановка налива происходит автоматически, остальные операции проводятся вручную. При не автоматизированном наливе все операции по подсоединению, отсоединению, пуску, остановке налива совершаются с участием человека.
Эстакадами в прямом смысле этого слова называют помосты на опорах, сооружаемые для погрузки и выгрузки различных грузов на высоте, для прокладки на высоте железнодорожных путей, трубопроводов и т.д. Железнодорожной наливной эстакадой принято называть совокупность сооружений и наливных устройств, обслуживающих устройства налива нефти и нефтепродуктов в вагон-цистерны [51, 68].
Наливные устройства при наливе групп цистерн или маршрутов для ускорения всех операций и удобства обслуживании сооружают в виде галереи (друг за другом) и устанавливают на наливных эстакадах галерейного типа (рисунок 1.3) [13, 24, 61].
Эстакады могут быть комбинированными (для слива и налива), отдельно для слива и отдельно для налива. Для перехода с цистерны на эстакаду устраивают переходные мостики. Остальное оборудование на эстакадах уста 17 навливают в зависимости от вида наливаемых нефтепродуктов. Управление наливными операциями, как правило, ведется с площадки эстакады [63, 68].
Исследование трубопровода системы тактового налива в программной среде FLOW VISION методом конечных элементов
Необходимо определить уровень воздействия потока нефтепродукта на трубопровод системы тактового налива и принять меры по снижению пульсации потока нефтепродукта. Для решения этой задачи необходимо исследовать работу трубопровода системы тактового налива нефтепродукта.
Рассмотрим особенности трубопроводов систем налива нефтепродуктов. Это участки однородных трубопроводов общей протяженностью, достигающей 1000 м, разделенные небольшим количеством узлов (байпасами, врезками) [9]. Обычно число таких узлов не превышает 3 – 4 в одной линии. Диаметр трубопроводов, как правило, достигает величин от 100 до 500 мм и в пределах одной линии меняется незначительно [9, 11]. Перечисленные обстоятельства обусловливают низкий коэффициент затухания вибраций в трубопроводной системе, что, в свою очередь, создает возможность для возникновения больших колебаний давления и скорости потока, слабо затухающих по длине. Следовательно, в этих условиях возникает необходимость проведения измерений на значительном расстоянии от источника возмущения. В зависимости от особенностей исследуемых систем применяются различные методы и комбинации приборов [19, 41, 56].
Нами проведен эксперимент в производственных условиях, в котором факторы, значения их уровней заданы условиями промышленной эксплуатации объекта [1]. Доступна возможность пассивной регистрации зависимой переменной.
Целью эксперимента является определение причины вибрации трубопровода системы тактового налива. Для исследования параметров вибрации элементов нагнетательного трубопровода необходимо выделить параметры, наиболее наглядно характеризующие динамические процессы, происходящие в конструкции и наиболее доступные для контроля. Выбор отклика, или зависимой переменной. Основными параметрами, характеризующими колебания конструкций, являются: – виброскорость; – виброускорения; – вибросмещения.
Большинство стандартов и нормативных документов по вибрации в качестве контролируемого параметра технического состояния устанавливают виброскорость в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц. Использование виброскорости в качестве контролируемого параметра наиболее приемлемо, поскольку существует большое количество средств измерений, обеспечивающих достаточную точность. Оценка опасности вибрации осуществляется сравнением измеренной максимальной виброскорости с нормами, разработанными для трубопроводных систем нефтяной и газовой промышленности с учетом геометрических характеристик объекта и условий его работы [60, 76].
Таким образом, в качестве зависимой величины в промышленном эксперименте на действующей системе тактового налива выбрана виброскорость.
Выбор варьируемых факторов. Анализ литературы показал, что факторами, влияющими на параметры вибрации трубопроводов являются:
Эксперимент является пассивным, так как был выполнен на действующем объекте, установке тактового налива светлых нефтепродуктов в жд цистерны (характеристики в таблице 1.1). Уровни варьирования факторами 1 4 обусловлены условиями эксплуатации и техническими характеристиками установки.
Диаметр наливного устройства в исследуемой установке остатся постоянным, конструктивное исполнение не предусматривает возможности изменения диаметра [94, 107] и не может быть варьируемым параметром [1,46].
Время открывания-закрывания наливной регулировочной арматуры в 1 с принято в соответствии с режимом эксплуатации установки тактового налива, не меняется в течение всего эксперимента.
Рабочее установившееся давление потока является технологическим параметром, возможности варьирования которым в пассивном эксперименте нет. Особенностью установки тактового налива является то, что с целью сокращения продолжительности наполнения маршрута, за счт исключения потерь времени на остановку и пуск насосного агрегата, перестановка вагон-цистерн происходит на работающий насос и закрытый наливной клапан [63]. Остановка и возобновление подачи продукта, изменение производительности производят переключением затвора наливного регулировочного клапана из одного рабочего положения в другое при постоянно работающем насосном агрегате [63]. В моменты переключения происходят скачки давления, которые, затухая, стабилизируются в постоянное рабочее давление налива.
Исходя из особенностей режима эксплуатации установки тактового налива, производительность как параметр планирования эксперимента задатся двумя значениями минимальной и максимальной производительности налива, которая меняется в цикле налива одной вагон-цистерны.
Таким образом, единственным варьируемым параметром, реализуемым в промышленной установке тактового налива является изменение производительности в цикле налива вагон-цистерны.
Выбор уровней варьирования. Варьируемый фактор производительность налива. Производительность меняется путм изменения положения дискового затвора наливной регулировочной арматуры. Принимаем два уровня варьирования минимальная производительность налива Q1= 140 м3/ч, максимальная Q2=700 м3/ч (рисунок 1.7), которая обусловлена технологическим режимом эксплуатации.
Выбор мест проведения измерений. Определена необходимость оценки вибрации на основных конструктивных элементах трубопровода, где возможно возникновение вибрации. Это элементы, на которых происходит изменение направления и скорости движения нефтепродукта: отводы, тройники на разных пространственных участках с учтом условий закрепления.
Для каждой точки со значимостью 0,95, количество наблюдений будет равно 18. Измерение виброскоростей осуществляется при наливе маршрута вагон-цистерн в четырех точках (рисунок 2.1).
Проведем расчет погрешности однократных измерений для уровня значимости = 0,95. Суммируем неисключенные систематические погрешности [85]: где i – граница i-й неисключенной систематической погрешности, K – коэффициент зависимости отдельных неисключенных систематических погреш 49 ностей от выбранной доверительной вероятности при их равномерном распределении (при = 0,95, К=1,1), в = 5,7 % [85]. Вычисляем отношение суммарной систематической неисключенной погрешности к случайной погрешности датчика и виброколлектора 6 /S=2,86. Отношение 8,0 e /S 8, за погрешность результата измерения без учета знака принимаем композицию случайной и систематической составляющих погрешности [85]:
Последовательность реализации МКЭ
Максимальные скачки давления и максимальные размахи возникают при максимальных изменениях расхода, это 2-ой и 3-ий этапы налива. В первом случае при увеличении производительности налива с 140 –700 м3/ч происходит резкое падение давления ниже давления насыщенных паров бензина, во втором случае при снижении производительности с 700 до 140 м3/ч происходит резкое повышение давления (таблицы 2.5, 2.6).
Экспериментом по измерению вибрации обнаружено, что значение виброскорости на 2 этапе налива на 15…18,6 % выше, чем на 3 этапе. Конечно- элементный расчт в ПК Flow Vision выявил причину расхождения в значениях виброскорости. При резком увеличении производительности налива на 2 этапе, размах колебаний давления при открывании превышает на 9,8…19,2 % размах при закрывании наливной арматуры.
1 Выполнено экспериментальное исследование вибраций трубопровода системы тактового налива нефтепродуктов на различных этапах налива. Установлено, что вибрация трубопровода налива имеет периодический характер с различающейся по величине виброскоростью и силовым воздействием на трубопровод. Сопоставление результатов измерения вибрации трубопровода с временем налива вагон-цистерн показало, что периодические процессы возникновения вибрации связаны со сменой производительности налива.
2 В результате экспериментальных исследований установлено: - наиболее интенсивная вибрация наблюдается при увеличении произ водительности налива со 140 до 700 м3/ч (этап 2); - значение виброскорости в момент изменения производительности налива в сторону увеличения со 140 до 700 м3/ч на 15…18,6 % больше, чем при уменьшении производительности с 700 до 140 м3/ч (этап 3). Это означа ет, что динамическое воздействие на трубопровод во время 2-го этапа налива выше, чем во время 3-го этапа.
3 Проведенными исследованиями трубопровода налива в программной среде Flow Vision установлено, что максимальный размах колебаний давления наблюдается на 2 этапе налива при увеличении расхода с 140 до 700 м3/ч. При увеличении производительности налива в 5 раз возникает скачок давления, в 2,5 –3,3 раза превышающий рабочее давление налива, и составляет 1,646…1,672 МПа.
4 Показано, что значение размаха колебаний давления при увеличении производительности превышает величину при снижении на 9,8…19,2 %. Это полностью соответствует закономерности изменения виброскорости по этапам налива. Данная особенность в настоящее время не учитывается в РТМ 38.001-94 «Указания по расчту на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов», что может повлиять на безотказность и остаточный ресурс технологических трубопроводов систем тактового налива нефтепродуктов.
Расчет динамических напряжений в материале трубопровода, возникающих вследствие действия внутреннего давления, реализован в специализированном пакете ANSYS/LS -DYNA. Для решения используется лагранже-вый подход так как решение задачи не предполагает существенного формоизменения расчетной модели [7, 36].
Рассмотрим уравнения, лежащие в основе лагранжевого подхода. К их числу относятся уравнения сохранения массы, количества движения и внутренней энергии, а также замыкающее эту систему определяющие соотношения.
В основе используемой в LS-DYNA пространственной дискретизации лежит метод конечных элементов, в основе временной дискретизации - цен 72 тральная дифференциальная схема интегрирования второго порядка точности.
Пространственная дискретизация уравнения сохранения количества движения предполагает переход от решения дифференциального уравнения (3.2) к решению уравнения с соответствующими граничными условиями. / РХ - Pg - div(a) Odv = 0 (3.4) С использованием известных процедур метода конечных элементов решение уравнения (3.4) сводится к решению дифференциального уравнения
Вектор внутренних сил, который входит в уравнение (3.5), определяется третьим членом подинтегрального выражения (3.4), f div(a &dv = B(Tn (Pdh-V(T:(y (P)dvи он равен Fi=Va:(l t )dv. Вектор Ft, получается в результате суммирования внутренних сил для всех элементов, входящих в рассматриваемую систему. Для одного элемента вектор внутренних сил определяется следующим выражением: ff=JyBT&dv (3.8) где Вт - производная от функций формы элемента; о - вектор, составленный из шести компонентов тензора напряжений. Вектор внешних сил Fe , который входит в дифференциальное уравнение (3.5), учитывает распределенные по поверхности тела нагрузки, объемные силы, такие как силы тяжести, контактные силы, реакции связей и другие силы.
Центральная дифференциальная схема интегрирования по времени второго порядка точности обладает дисперсией. Высокочастотные волны распространяются через сетку медленнее, чем скорость звука. Это создает проблему в описании распространения фронта ударных волн. Эта проблема может быть решена путем введения искусственной объемной вязкости [7, 36]:
Петля интегрирования по времени дифференциальных уравнений включает следующие операции: вычисление узловых нагрузок; вычисление узловых ускорений; вычисление узловых скоростей; вычисление приращений перемещений и перемещений; вычисление деформаций в элементах; вычисление напряжений в элементах [2, 7, 34, 36].
Исследование влияния рабочих параметров наливной арматуры на поток перекачиваемой среды
Постановка задачи. Целью численного эксперимента является исследование влияния производительности налива и времени переключения арматуры на размахи колебаний давления.
Для исследования необходимо выделить параметр, наиболее наглядно характеризующий воздействие гидродинамики потока на напряженно-деформированное состояние трубопровода и наиболее доступный для контроля.
Выбор отклика, или зависимой переменной. Основными параметрами характеризующими гидродинамический процесс, являются: – размах колебаний давления; – амплитуда скачка давления. В нормативном документе ГОСТ 25859-83 «Нормы и методы расчта на прочность при малоцикловых нагрузках» по оценке нагрузки в качестве контролируемого параметра принят размах колебания нагрузки [23]. В нашем случае нагрузкой на трубопровод является размах колебаний давления, возникающий при изменении производительности налива.
Таким образом, в качестве зависимой переменной в численном эксперименте на проточной части наливного трубопровода системы тактового налива выбран размах колебаний давления.
Выбор варьируемых факторов. Анализ литературы по неустановившемуся движению показал, что факторами влияющими на параметры размаха колебаний давления системы тактового налива являются:
Эксперимент выполнен на конечно-элементной модели проточной части наливного трубопровода установки тактового налива в железнодорожные цистерны (характеристики в таблице 1.1).
Объм заполняемой вагон-цистерны не влияет на параметры размаха колебаний давления, так как количество переключений и производительность при наливе цистерн разного объема постоянно.
Диаметр наливного устройства в исследуемой установке остатся постоянным, конструктивное исполнение не предусматривает возможности изменения диаметра и не может быть варьируемым параметром.
Остановка и возобновление подачи продукта, изменение производительности производят переключением затвора наливного регулировочного клапана из одного рабочего положения в другое при постоянно работающем насосном агрегате. В моменты переключения возникают размахи колебаний давления, от времени переключения зависит величина размахов колебаний давления, которые, затухая, стабилизируются в постоянное рабочее давление налива.
Факторами, которыми можно варьировать в ходе эксперимента, являются максимальная производительность налива и время переключения наливной арматуры.
Выбор уровней варьирования. В качестве варьируемых факторов выбираем производительность налива и время переключения. Производитель 102 ность меняется путм изменения положения дискового затвора наливной регулировочной арматуры. Принимаем 3 уровня варьирования максимальной производительностью 400, 700, 1000 м3/ч. Варьирование проводим с шагом 300 м3/ч от максимальной производительности насоса НКВ 1000/320 для исследования существующего режима производительности 700 м3/ч. Верхний уровень ограничен максимальной производительностью насоса НКВ 1000/320 равной 1000 м3/ч (таблица1.1), уменьшение производительности ниже уровня 400 м3/ч приводит к увеличению времени налива цистерны, что ведт к простою вагон-цистерн.
Для времени переключения наливной арматуры принимаем 5 уровней варьирования с шагом 2 с, минимальное время переключения 1 с, максимальное 9 с. Увеличение времени переключения не приносит ощутимого снижения размаха колебаний давления (см. Рисунок 4.4, б), но приводит к увеличению времени налива. Верхний уровень варьирования ограничен временем 9 с.
Необходимое число наблюдений. Определяется количеством факторов и уровнями варьирования. Минимально необходимое количество наблюдений эксперимента определяется по формуле где К– минимальное количество экспериментов, необходимое для вычисления коэффициентов в уравнении регрессии, n– число переменных [46]. Таблица 4.4 –Определение числа наблюдений в численном эксперименте
Результаты исследования. Изучение гидродинамики потока для 2-го этапа налива показало, что гидродинамические процессы в трубопроводе зависят от производительности налива и работы регулирующей наливной арматуры (таблица 4.5).
Как видно из полученных расчтом данных (таблица 4.5), максимальный размах колебаний давления в исследуемой области наблюдается при производительности налива 1000 м3/ч и времени переключения 1с, минимальный при 400 м3/ч и времени 9 с. Наблюдается снижение размахов колебаний давлений с увеличением времени переключения затвора. Результаты показывают необходимость учта времени переключения наливной регулировочной арматуры для различных производительностей в процессе эксплуатации систем тактового налива нефтепродуктов для обеспечения безопасной и безаварийной работы.
Проведм обоснование оптимального режима налива. Формулировка задачи. На основе результатов численного исследования зависимости размахов колебаний давления от производительности налива и времени переключения (таблица 4.5) необходимо определить производительность налива и время переключения затвора, обеспечивающих минимально возможное время налива цистерны с минимальными размахами колебаний давления. Оптимальные параметры определяются с помощью программы Microsoft Office Excel надстройкой «Поиск решения». Средство по 104 иска решения Microsoft Excel использует алгоритм симплексного метода и метода нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2) [46]. Определение параметра, подлежащего оптимизации. Производительность налива и время переключения затвора наливной арматуры при заданных максимальных значениях производительностей налива.
Сочетание различной производительности налива и различного времени переключения затвора позволяют уменьшить размах колебаний давления и повлиять на время налива цистерны.
Установление допустимой области существования параметров и их сочетаний: – производительность налива: минимальная производительность ограничена 400 м3/ч, дальнейшее уменьшение увеличивает время налива цистерны, максимальная 1000м3/ч ограничена технической характеристикой насоса. – время полного открывания затвора: минимальное время ограничено 1 с возможностями существующих технических средств, максимальное время 9 с ограничено временем налива цистерны, увеличение времени переключения более 9 с не ведт к ощутимому снижению размаха колебаний давления.