Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ состояния методов оценки и обеспечения работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций 10
1.1. Анализ дефектного состояния оборудования ГРС 10
1.2. Анализ методов снижения пульсаций давления газа в трубопроводах
1.2.1. Анализ причин высокого уровня вибрации трубопроводов ГРС 12
1.2.2. Анализ конструкции клапанов-регуляторов, оснащенных устройствами снижения интенсивности пульсаций давления и шума 14
1.2.3. Обзор и анализ существующих гасителей пульсации давления в газопроводных системах 1.3. Особенности развития повреждений трубопроводов ГРС в условиях воздействия интенсивных динамических нагрузок 20
1.4. Постановка цели и задач диссертационной работы 30
2. Экспериментальная оценка характеристик металла труб технологических трубопроводов газораспределительных станций
2.1. Выбор образцов и методика проведения механических испытаний 31
2.2. Анализ результатов механических испытаний образцов металла труб
2.2.1. Анализ характеристик прочности и пластичности металла труб 32
2.2.2. Расчет работы деформации образцов при растяжении 38
2.3. Анализ результатов определения твердости и исследования микроструктуры металла труб 44
3. Расчетное моделирование параметров высокоскоростного потока газа в трубопроводной обвязке ГРС 53
3.1. Анализ технических решений и режимов эксплуатации ГРС 53
3.1.1. Объект исследований 53
3.1.2. Определение скоростного режима газового потока в линии редуцирования газа ГРС 55
3.1.3. Анализ нарушений, зафиксированных при эксплуатации ГРС 57
3.2. Расчет вибраций в линии редуцирования газа ГРС 57
3.2.1. Оценка интенсивности вибрационных нагрузок 57
3.2.2. Определение вибропрочности 62
3.3. Вибрационный контроль трубопроводов ГРС 64
3.4. Оценка параметров шума, генерируемого при дросселировании газа 67
3.4.1. Расчет уровней звуковой мощности шума 67
3.4.2. Возможные технические решения по снижению уровня шума 74
3.4.3. Расчет эффективности применения звукоизолирующих материалов 76
3.4.4. Снижение уровня шума ГРС при уменьшении расхода газа 77
3.4.5. Оценка эффективности мероприятий по снижению шума 78
4. Разработка и обоснование технических решений по уменьшению уровня шума и вибраций в трубопроводной обвязке ГРС 79
4.1. Разработка расчетной модели высокоскоростного потока газа в
цилиндрических каналах переменного диаметра 79
4.1.1. Анализ конструкции линии редуцирования газа ГРС 79
4.1.2. Анализ особенностей течения высокоскоростных потоков сжатого газа в расширяющихся каналах 83
4.1.3. Особенности течения высокоскоростных потоков сжатого газа через регулирующие устройства 86
4.1.4. Разработка расчетной модели, общий порядок проведения расчетов .87
4.1.5. Определение модели турбулентности 89
4.1.6. Уравнение состояния газа 90
4.1.7. Построение расчетной сетки 91
4.1.8. Результаты моделирования процесса истечения сжатого газа через последовательно установленные регулятор давления и расширяющийся участок линии редуцирования 92
4.1.9. Методы стабилизации высокоскоростного потока газа в расширяющихся каналах (диффузорах) 117
4.1.10. Методы стабилизации высокоскоростного потока сжатого газа на выходе регулятора давления 122
4.2. Оптимизация конструкции линии редуцирования газа ГРС для снижения интенсивности пульсаций давления высокоскоростного потока газа 124
4.2.1. Разработка мероприятия по снижению интенсивности пульсаций давления газового потока 124
4.2.2. Оценка эффективности мероприятий по оптимизации геометрии проточной части клапана-регулятора и участка низкого давления линии редуцирования...126
Заключение 133
Список использованных источников
- Анализ причин высокого уровня вибрации трубопроводов ГРС
- Анализ характеристик прочности и пластичности металла труб
- Расчет вибраций в линии редуцирования газа ГРС
- Анализ особенностей течения высокоскоростных потоков сжатого газа в расширяющихся каналах
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» газораспределительные станции (ГРС) являются опасными промышленными объектами, которых в России насчитывается более 3500 с суточной подачей газа потребителям более 1200 млн.м3.
В настоящее время большинство газопроводных систем российского топливно-энергетического комплекса, транспортирующих природный газ, находятся в эксплуатации уже свыше 30 лет, фактически приближаясь к грани своего проектного ресурса. Старение и изнашивание трубопроводных конструкций может приводить к авариям, так как ГРС преимущественно расположены в городской черте, то их разрушение будет приводить к тяжелым социальным, экологическим и экономическим последствиями. По данным ПАО «Газпром» 92% утечек природного газа приходится на утечки из газораспределительных систем, что составляет около 3% от всего добытого газа.
По сравнению с магистральными газопроводами ситуация на ГРС осложняется воздействием на газопроводы динамического нагружения, вибраций, возникающих на участках после автоматических регуляторов давления, в которых происходит снижение давления газа. Значительное число ГРС работает с перегрузкой по объемному расходу газа, при этом происходит существенное увеличение скорости потока газа, которая в реальных условиях, зачастую, превышает нормативно установленные значения. Это вызывает повышение уровня шума и вибраций газопроводов, что негативно сказывается на персонале и надежности технологических трубопроводов ГРС.
Несмотря на развитие средств и методов оценки и обеспечения работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций, подверженных динамическому нагружению из-за вибраций, простые и эффективные технические решения по снижению шума и вибраций на трубопроводах ГРС, адаптированные к ГРС с большими объемными расходами газа, отсутствуют.
Таким образом, с точки зрения обеспечения надежности и безопасности эксплуатации ГРС, исследования по оценке и поддержанию работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций в направлении уменьшения параметров их динамического вибрационного нагружения, являются, безусловно, актуальными.
Цель работы: Совершенствование методов оценки и обеспечения работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций, подверженных динамическому вибрационному нагружению.
Задачи исследования:
выполнить обзор и анализ состояния методов оценки и обеспечения работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций;
выполнить экспериментальную оценку механических свойств металла труб технологических трубопроводов ГРС, подверженных динамическому нагружению;
выполнить расчетно-экспериментальную проверку возможности снижения уровня шума и вибраций при эксплуатации трубопроводной обвязки ГРС;
выполнить расчетное моделирование скоростных и силовых параметров нагружения трубопроводной обвязки ГРС с применением современных программных комплексов;
разработать и обосновать технические решения по уменьшению уровня вибраций в трубопроводной обвязке ГРС.
Научная новизна:
Изучены причинно-следственные связи процесса изменения характеристик пластических свойств металла труб из стали Ст. 4, характеризующихся уменьшением на 5-25% относительного удлинения и сужения образцов относительно нижнего нормативного предела при испытаниях на статическое растяжение, вызванных динамическим вибрационным нагружением газопровода редуцирования.
Установлены зависимости напряжения разрушения (Р) от относительного удлинения () и сужения () после разрыва образцов металла труб газопроводов газораспределительной станции, имеющие линейный характер и описываемые, соответственно, уравнениями Р=12+485,7 и Р =7,6 +477,2 с коэффициентами детерминации Обоснована корреляционная связь минимальных значений полной удельной работы деформации 0,04-0,08 Дж/мм3 образцов металла труб газопроводов газораспределительной станции с минимальными значениями относительного удлинения после разрыва образцов 12,5-17,5%.
Проведена модернизация существующей модели оценки характеристик механических свойств металла труб по твердости, введены новые статистические показатели дисперсии выборки и стандартного отклонения чисел твердости, характеризующие неоднородность свойств металла труб. Установлены зависимости относительного сужения () после разрыва образцов от дисперсии (S2) и стандартного отклонения (S) выборки чисел твердости металла труб газопроводов газораспределительной станции, имеющие линейный характер и описываемые, соответственно, уравнениями = -0,07S2 +51,3 и = -2,1S +66 с коэффициентами детерминации R2=0,8 и позволяющие выполнить оценку соответствия данных показателей относительно граничных значений, полученных по данным зависимостям.
Разработана расчетная модель динамических параметров нагружения трубопроводной обвязки ГРС, позволяющая визуализировать процесс истечения газа из области высокого в область низкого давления в канале сложной формы на участке клапана-регулятора, выявлены три основных области завихрения потока газа, вибрации вызваны пульсациями давления в проточной части клапана-регулятора и патрубке между клапаном-регулятором и диффузором с частотой более 100 Гц при расходе 28-Ю3 м3/ч и более 200 Гц и амплитудой 0,3-0,4 МПа при расходе 40-103 м3/ч.
Защищаемые положения:
экспериментальные результаты исследования механических свойств металла труб газопроводов ГРС, позволяющие дать оценку степени их ухудшения под воздействием вибрационного динамического нагружения;
расчетное обоснование динамических параметров нагружения трубопроводной обвязки ГРС, позволяющее выявить наиболее нагруженные участки трубопроводов;
расчетное обоснование новых технических решений по стабилизации высокоскоростного потока газа в газопроводе редуцирования на ГРС, позволяющих снизить пульсации давления, устранить области завихрения в клапане и снизить размеры областей завихрения в диффузоре.
Практическая ценность работы заключается в разработке и расчетном обосновании новых технических решений по стабилизации высокоскоростного потока газа в газопроводе редуцирования на ГРС, адаптированных к условиям существенных перегрузок газораспределительного оборудования по объемному расходу и скорости потока газа и на ГРС.
Разработанные технические решения предложены к внедрению в ООО «Газпром трансгаз Ухта», материалы на объекты прав патентной собственности (заявка на изобретение) - в стадии оформления.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XIV межд. мол. науч. конф. «Севергеоэкотех - 2013» (20 - 22 марта 2013 г., Ухта);
XVI межд. мол. науч. конф. «Севергеоэкотех - 2015» (25 - 27 марта 2015 г., Ухта)
межд. семинаре «Рассохинские чтения» (8-9 февраля 2013 г., Ухта);
межд. семинаре «Рассохинские чтения» (5-6 февраля 2015 г., Ухта);
X межд. уч. - науч. - практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2015» (Уфа, УГНТУ, 2015 г.);
заседаниях молодежного Ученого совета филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта в период 2014-2016 г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 5 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 139 страниц текста, 85 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 71 наименований.
Анализ причин высокого уровня вибрации трубопроводов ГРС
Гаситель предназначен для гашения пульсаций давления и расхода в газопроводных системах. Гаситель колебаний содержит цилиндрический корпус 1, закрытый с двух сторон крышками 2 и 3 с входным и выходным патрубками 4 и 5, с размещенной в нем перфорированной трубой 6 и упругими демпфирующими элементами. Патрубки снабжены перфорированными трубными вкладышами 8 и 9, размещенными с возможностью образования кольцевых тупиковых каналов между вкладышами и внутренними стенками патрубков 4, 5. Тупиковые кольцевые каналы открытой частью сориентированы на вход. Перфорированные каналы в трубных вкладышах выполнены под углом к их оси.
Гаситель позволяет повысить эффективность гашения пульсаций давления и расхода рабочей среды, повысить надежность работы, уменьшить сопротивление, что приводит к снижению потерь энергии потока при прохождении рабочей среды.
Газовый поток, поступая во входной конфузорный патрубок 2, разгоняется до сверхзвуковой скорости и натекает на поршень 5, который вместе с устройством 4 пе 20 ремещается вправо, сжимая пружину 6. На конусе 5 образуется система косых скачков уплотнения, что снижает давление газа. Проходя через пропускные отверстия 3 в корпусе, поток попадает в профилированные каналы, образованные первыми перегородками 8 с профилированными отверстиями 11, вторыми перегородками 9 с прорезями 12 и шайбами 10, представляющие сверхзвуковые щелевые сопла. В этих соплах поток разгоняется, и в критических сечениях сверхзвуковых сопел устанавливаются стабильные прямые скачки уплотнения, снижающие давление газа до низких значений с минимальной генерацией шума. Противоударное устройство 4 и поршень 5, передвигаясь внутри корпуса 1, регулируют расход газа за счет увеличения или уменьшения количества открываемых отверстий 3 в корпусе. Конструкция глушителя позволяет обеспечить стабильность скачков уплотнения в каналах и эффективность глушения шума выпуска при изменяющихся параметрах потока.
Подвижные демпфирующие упруго закрепленные элементы могут оказаться неработоспособными в условиях низких температур, при обледенении или загрязнении. Гасители, пульсаций имеющие в своей конструкции перфорированные элементы, как отмечалось ранее, обладают высоким гидравлическим сопротивлением и не достаточно надежны при низких температурах.
Известно, что сопротивление материалов действию нагрузок, систематически изменяющих свою величину или знак, существенно отличается от сопротивления тех же материалов статическому воздействию, причем замечено, что при циклическом воздействии нагрузок поломка деталей наблюдается при напряжениях значительно меньших, чем в случае статического нагружения [11, 12].
Разрушение детали под действием циклических нагрузок начинается с образования в зоне ее повышенных напряжений микротрещин, которые, постепенно развиваясь, проникают вглубь и ослабляют несущее сечение до уровня, при котором происходит хрупкое разрушение. Понижение прочности материала при переменных напряжениях вследствие прогрессивно развивающихся микротрещин обычно называется усталостью материала, а его способность сопротивляться разрушению от усталости - выносливостью.
Основной характеристикой усталостной прочности является предел выносливости аг, под которым понимается наибольшая величина периодически меняющегося напряжения, которому материал может противостоять практически неограниченно долго без появления трещин усталости. Индекс г в пределе выносливости характеризует асимметрию цикла нагружения и определяется отношением атт/атах. В случае, когда amax =-атт, г = -1, цикл называется симметричным. Если атт или ттах равны нулю, то циклы называются пульсационными, и для них г равно нулю или . Циклы, имеющие одинаковые показатели г, называются подобными. Любой цикл (рисунок 1.12, а) может быть представлен как результат наложения постоянного напряжения ат на напряжение, меняющееся по симметричному циклу с амплитудой а.
Диаграмма выносливости, которая обычно строится в условиях симметричного цикла (г = -1) при чистом изгибе образца, приведена на рисунке. 1.12, б. Поскольку в испытаниях число циклов нагружения всегда ограничено, используют понятие условного предела выносливости, под которым понимают напряжение, выдерживаемое образцом, не менее 108 циклов. При этом необходимо иметь в виду, что предел усталости (выносливости) ог весьма нестабилен. Приближенно для сталей можно принять а_х = (0,4-0,5) ав.
Предел выносливости зависит от многих факторов. Например, на него влияет тип деформации (растяжение, изгиб и т.д.). Так, для стали при симметричном цикле нагружения в условиях растяжения - сжатия а_г(р_сж) = (0,7-0,8) a-i где а_г - предел выносливости, полученный при испытаниях в условиях чистого изгиба; г_, = (0,4-0,7) c-i, где т і - предел выносливости материала, работающего в условиях чистого сдвига. а б
Анализ характеристик прочности и пластичности металла труб
Установлено несоответствие проектного и фактического режимов работы ГРС, а именно снижение выходного давления более чем в 2 раза от проектного значения (0,6 МПа и 1,2 МПа соответственно) при некотором превышении (на 15 %) максимально допустимом расходе газа.
Разрушение лакокрасочного покрытия и, как следствие, атмосферная коррозия оголённых поверхностей элементов опор и труб в окрестности хомутов может быть вызвано интенсивными перемещениями (осевыми и радиальными) труб относительно хомутов опор, возникающих вследствие повышенной вибрацией участков, а также недостаточно жесткой фиксации труб на опорах. Разрушение сварного соединения между хомутом и опорным элементом опоры, так же может быть вызвано повышенной вибрацией.
Согласно приведённому расчету, фактическая скорость потока сжатого газа на участке между регулятором давления и подземным коллектором (55 м/с) превышает предельно допустимую для трубопроводов высокого давления (25 м/с) более чем в два раза.
В том случае, если возбудителями пульсаций в трубопроводе являются местные гидравлические сопротивления, генерируемая при этом частота определяется из выражения [46]: где Di -диаметр сужения в местном сопротивлении, мм. Для одиночных преград в формуле (3.4) принимается минимальное значение численного коэффициента, равное 200. При отсутствии местного сужения (прямая труба) численный коэффициент в формуле (3.4) принимается равным 500. Для горизонтального участка между регулятором давления и отводом, генерируемая частота для проектного и фактического режимов работы составит:
Анализ собственных частот и форм колебаний трубопровода проводится для оценки его вибропрочности и возможных путей отстройки от детерминированных частот возмущения. Методы анализа не зависят от диапазонов давления и температуры [41].
Трубопровод, между регулятором давления и подземным коллектором выполнен из стальных труб диаметром 325 мм и толщиной стенки 12 мм, зафиксирован стяжными хомутами на трёх опорах, первая из которых расположена за регулятором давления, вторая в 2 м от первой, возле шарового крана, третья за шаровым краном. Корпус шарового крана также размещается на опоре. При определении собственных частот колебаний рассматриваются четыре участка трубопровода: - между первой и второй опорой; - между второй и третьей опорой с сосредоточенной нагрузкой в виде шарового крана; - Z-образный участок между третьей опорой и подземным коллектором; - Г-образный участок между второй опорой и отводом, соединяющим подземную часть вертикального участка и горизонтальный подземный подвод к коллектору. 1-прямолинейный участок трубопровода; 2-прямолинейный участок трубопровода с сосредоточенной нагрузкой в виде шарового крана; З-г-образный участок трубопровода; 4- Г-образный участок трубопровода Рисунок 3.5 - Расчетные схемы для определения собственных частот колебаний участков трубопровода Для трубопровода, рассматриваемого как стержень с постоянным поперечным сечением на двух опорах см. (рисунок 3.5, схему 1), собственная частота fj, соответствующая j-той форме собственных колебаний определяется по выражению [41]: где Kj - j-тый корень частотного уравнения; L - длина трубопровода между опорами, м; I - момент инерции поперечного сечения трубы, мм4; m - погонная масса трубопровода с учетом изоляции и рабочего вещества, кг/м.
Для прямолинейного трубопровода с дополнительной сосредоточенной массой, расположенной в середине длины участка, собственная частота равна Для Г-образного участка трубопровода между второй опорой и отводом, соединяющим подземную часть вертикального участка и горизонтальный подземный подвод к коллектору, расчет выполняется по выражению (3.5). Исходные данные для расчета следующие:
Расчет собственных колебаний участков трубопровода для фактических условий эксплуатации не проводится вследствие незначительного различия массы сжатого газа для проектных и фактических условий эксплуатации.
Основным критерием обеспечения вибропрочности трубопровода является условие отстройки собственных частот fj от дискретных частот возбуждающих нагрузок fip. Условие отстройки собственных частот для первых трех форм колебаний трубопровода в каждой плоскости записывается в виде [46]: fip/fj 0,75 и fip/fj 1,3 (j = 1, 2, 3) (3.10 В данном случае расчет ведётся для первой формы колебаний при проектном и фактическом режиме работы ГРС, исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 – Результаты проверки выполнения условий отстройки собственных частот от частот возбуждающих нагрузок
Расчет вибраций в линии редуцирования газа ГРС
В настоящее время, в системах расчетного моделирования процессов течения высокоскоростных потоков газа, наибольшее распространение получили следующие модели турбулентности [1, 3, 6, 18, 22, 30, 31, 32, 34, 45, 67]:
Модель K-s (основана на предположении о реализации полностью развитых турбулентных течений при больших турбулентных числах Рейнольдса [22]). Область применения - моделирование свободного (не ограниченного стенками) течения. Ограничение -не достаточно высокая точность моделирования пристеночных течений (пограничного слоя), а также течений с большими градиентами давлений (скачками уплотнения);
Модель к-ш (Саффмена-Вилкокса). Двухпараметрическая дифференциальная модель турбулентности, в которой первым параметром является кинетическая энергия турбулентных пульсаций, вторым - диссипация на единицу турбулентной энергии . Область применения - моделирование пристеночных течений. Ограничение - не достаточно высокая точность моделирования свободных течений;
В работе [70] была проведена оценка применимости всех указанных ранее моделей турбулентности при моделировании процесса смешения и течения потоков в проточной части эжектора. По результатам исследований было установлено, что при использовании модели SST наблюдается, как достаточно полное описание пристеночного течения в зоне смешения и диффузорной части, так и полное описание свободного течения с отсутствием флуктуаций, вызванных ошибками метода решения. Рассматриваемый объект (на 90 чальная часть участка низкого давления линии редуцирования газа) по геометрическим параметрам, а также значениям давлений, скоростей и расходов, достаточно близок к объекту, рассматриваемому в работе [22], соответственно, предполагается, что в данном случае модель SST также будет оптимальной.
Известно, что уравнения состояния реальных газов характеризуются значительной сложностью, соответственно, для решения задач газодинамики достаточно широко применятся уравнение состояния идеального газа. В тоже время, опыт применения указанного уравнения при расчетах высокоскоростных потоков газа в каналах сложной формы показывает, что отклонение получаемый расчетных данных от фактических значений (по температуре, расходу и давлению) может составлять более 20 % [70, 71]. Более точное моделирование процессов высокоскоростного истечения реального сжатого газа в Ansys CFX может быть выполнено с использованием уравнения Редлиха-Квонга.
Уравнение состояния Редлиха-Квонга - двухпараметрическое уравнение состояния реального газа, полученное О. Редлихом и Дж. Квонгом как улучшение уравнения Ван-дер-Ваальса. Уравнение не опирается на теоретические обоснования и является эмпирической модификацией ранее известных уравнений [70].
При проведении исследований, в процессе подготовки расчетной области, на основе трехмерной модели осесимметричного канала, включающей в свой состав проточную часть клапана-регулятора и начальную часть участка низкого давления линии редуцирования, была сформирована неструктурированная расчетная сетка с тетраэдральными ячейками и призматическими слоями вдоль образующих канала.
Для описания явлений происходящих в пограничном слое, необходимо обеспечить определенное значение безразмерного коэффициента высоты первой пристеночной ячейки (Y+). Для разных моделей турбулентности значение Y+ лежит в разных пределах [54]: - для модели SST - Y+ 2; - для модели к- - Y+=15-20. Размер первой пристеночной ячейки может быть рассчитан по следующему выражению: Ау = , (4.8 V 2 где Y+ - коэффициента высоты первой пристеночной ячейки; d - диаметр канала, мм; Cf коэффициент сил трения, вычисляемый по следующей формуле: _ 0,455 Cf = (ln(0,06-Re)) 2- (49 Для рассматриваемого случая, при условии, что Re « 5x107, Y+=1,5, d = 100 мм, минимальный высота пристеночной ячейки составит не более 1 хЮ7 м. 4.1.8. Результаты моделирования процесса истечения сжатого газа через последовательно установленные регулятор давления и расширяющийся участок линии редуцирования
Расчетное моделирование выполнено с целью определения параметров потока сжатого газа, истекающего из области высокого в область низкого давления через клапан-регулятор РДУ-100-64 и расширяющийся канал, состоящий из двух патрубков диаметром 100 и 300 соединенных двумя последовательно установленными диффузорами. Рассматриваются два случая: - ширина зазора между затвором и седлом затвора клапана-регулятора 3,5 мм, объемный расход (приведенный к нормальным условиям) 28x103 м3/ч; средняя скорость потока на выходе канала 19 м/с, - ширина зазора между затвором и седлом затвора клапана-регулятора 4,5 мм, объемный расход (приведенный к нормальным условиям) 40x103 м3/ч; средняя скорость потока на выходе канала 27 м/с;
Анализ особенностей течения высокоскоростных потоков сжатого газа в расширяющихся каналах
По результатам расчетного моделирования процесса истечения газа из области высокого в область низкого давления через клапан-регулятор установлено (п. 4.1.8), что газовый поток в пределах проточной части имеет достаточно сложную структуру, характеризующуюся значительной неоднородностью скорости потока в пределах поперечных сечений расчетной области. Стабилизация потока может быть выполнена за счет применения следующих технических решений: 1) Размещение в проточной части клапана-регулятора разделительных решеток или сеток; 2) Изменение конструкции затвора для стабилизации потока за счет его разделения при дросселировании (дросселирование происходит через несколько зазоров, ширина каждого зазора регулируется); 3) Изменение геометрии проточной части клапана-регулятора с вводом разделяющих стенок и профилирующих лопаток. Технические решения по стабилизации потока газа с помощью разделительных решеток реализованы в некоторых моделях клапанов-регуляторов. Основной недостаток данного решения – ограничение пропускной способности клапана.
Решения 2 и 3 должны реализовываться комплексно, то есть в том случае, если дросселирование происходит через несколько зазоров, проточная часть должна дополнительно оснащаться устройствами профилирования потока (разделительными стенками или направляющими лопатками) обеспечивающих оптимальную траекторию и смешение формируемых отдельных высокоскоростных слоев потока. Пример исполнения затвора, обеспечивающего дросселирование газа через три регулируемых зазора, показан на рисунке 4.35.
Для оценки эффективности решений 2 и 3 выполнено расчетное моделирование процесса истечения высокоскоростного потока сжатого газа из области высокого в область низкого давления через клапан-регулятор, затвор которого имеет три дросселирующих зазора и две разделительные стенки для каждого высокоскоростного слоя. Расчетная схема представлена на рисунке 4.36. 1 – дросселирующий зазор; 2 – разделительная стенка Рисунок 4.36 – Схема оптимизации проточной части клапана-регулятора
Для стабилизации высокоскоростного потока газа, проходящего через диффузоры, предполагается использовать разделительные стенки (рисунок 4.32). Схема размещения разделительных стенок показана на рисунке 4.37.
Результаты расчетного моделирования процесса истечения газа через клапан-регулятор и начальный участок линии редуцирования показаны на рисунках 4.38 - 4.45. Объемный расход - 41 хЮ3 м3/ч. Температура газа на входе в клапан-регулятор - 40 С. По результатам проведенных исследований установлено следующее: - рассматриваемые решения по оптимизации конструкции клапана-регулятора обеспечивают снижение интенсивности пульсаций давления газа в потоке. В используе мой расчетной модели максимальные по амплитуде колебания зафиксированы в преде лах контрольного сечения, расположенного между первым и вторым диффузором. Ам плитуда колебаний в указанном контрольном сечении составляет около 0,1 МПа (в 3,5 раза ниже, чем в исходном варианте, рисунок 4.12), период одного колебания составляет около 0,01 с; - отмечается значительное снижение интенсивности колебаний давления в пределах проточной части клапана-регулятора; - температура газа в потоке составляет 17 - 19 С. В пределах клапана, в областях противотока, температура газа достигает отрицательных значений (до минус 10 С); - скорость потока на выходе из клапана-регулятора составляет 310 - 350 м/с, при этом распределение скорости в пределах поперечного сечения достаточно равномерное; - максимальная скорость потока на выходе из дросселирующих зазоров в 2,6 раза превышает скорость звука.
Расчетное моделирование показывает следующее: – основным фактором, способствующим формированию пульсаций давления в потоке, является несовершенство геометрической формы клапана-регулятора и начальной части участка низкого давления линии редуцирования. Для устранения указанного фактора необходимо выполнить оптимизацию конструкции затвора, а также оснастить участки интенсивного вихреобразования разделительными стенками; – разбиение потока при дросселировании с помощью затвора содержащего несколько дросселирующих зазоров переменной ширины), а также его профилирование с помощью разделительных стенок, способствует снижению размеров вихревых зон, ограничивающих пропускную способность канала.
1) Выполнен анализ конструкции участка редуцирования ГРС «Эжва» ООО «Газпром трансгаз Ухта». В расчетном комплексе Ansys CFX построена трехмерная модель проточной части линии редуцирования, выполнено разбиение модели на единичные объемы. Определены граничные условия, уравнение состояния газа, модель турбулентности. Выполнено расчетное моделирование высокоскоростного потока сжатого газа, проходящего через канал сложной формы.
2) Выполнено расчетное моделирование процесса истечения газа из области высокого в область никого давления через канал сложной формы, включающий последовательно расположенные клапан-регулятор типа РДУ - 64 -100 и начальную часть участка низкого давления линии редуцировании, состоящую из двух прямолинейных участков и двух диффузоров. По результатам моделирования установлено, что максимальные по амплитуде пульсации давления наблюдаются в проточной части клапана-регулятора и патрубке между клапаном-регулятором и диффузором. Изменение давления газа может быть охарактеризовано как гармоническое колебание частотой более 100 Гц при объемном расходе 28-103 м3/ч и более 200 Гц при объемном расходе 40-103 м3/ч . Амплитуда пульсаций давления на указанном участке расчетной области при объемном расходе 40-103 м3/ч достигает 0,3 - 0,4 МПа. Поток в пределах расчетной области имеет три области завихрения.