Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
УСТАНОВОК 15
Актуальность развития методов и алгоритмов расчета
теплообменных аппаратов газоперекачивающих агрега
тов с применением ЭВМ **
Общая характеристика современных методов и алгорит
мов расчета и оптимизации теплообменных аппаратов
теплоэнергетических установок с применением ЭВМ .... 22
Анализ методов и алгоритмов теплового расчета тепло
обменников в трубной и межтрубной зоне 26
Анализ методов и алгоритмов гидравлического расчета
теплообменников в трубной и межтрубной зоне 32
Анализ методов и алгоритмов экономического расчета
теплообменников 36
Цель и задачи диссертации
СИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ
РАСЧЕТА МАСЛООХЛАДИТЕЛЕЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГА
ТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ ^
Функционально-информационная можель жизненного цикла
маслоохладителей в составе маслосистемы газоперека-
43
чивающего агрегата
Принцип системного структурно-модульного подхода при создании методов и алгоритмов расчета и оптимизации элементов маслосистем газоперекачивающих агрегатов... 48 Классификация задач расчета и оптимизации теплообменников при проектировании маслосистем газоперека-
чивающих агрегатов 49
Обобщенные структуры алгоритмов расчета и оптимиза
ции теплообменников 55
Обобщенная структура алгоритма поверочного расчета
теплообменника 56
Обобщенная структура алгоритма проектного расчета
теплообменника 56
Обобщенная структура алгоритма оптимизирующего рас
чета 59
Обобщенная структура алгоритма для проведения вычис
лительного эксперимента на маслосистеме газоперека
чивающего агрегата 61
Обобщенная структура алгоритма комплексного повероч
ного расчета маслосистемы 6Т
Обобщенная структура алгоритма гибридного оптимизи
рующего расчета '
Обобщенная структура алгоритма расчета конечных тем
ператур 69
Интервально-поэлементный метод и обобщенная структура алгоритма расчета трубчатых перекрестноточных
теплообменников с распределенными параметрами 70
Разработка типовых программных модулей для решения
задач расчета и оптимизации теплообменников 73
Выводы 75
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАСЛОСИСТЕМ ГАЗОПЕРЕКА
ЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ .77
Общая характеристика многоцелевого алгоритма расчета
и оптимизации маслосистем газоперекачивающих агрегатов .77
Структура программного обеспечения для математическо
го моделирования и оптимизации маслосистем 81
Постановка задачи оптимизации маслосистем и их эле
ментов 82
Выбор целевой функции для оптимизации маслосистем ... 88 Математическая модель процесса теплопередачи в труб-
чато-ребристом теплообменнике 95
Алгоритм расчета коэффициентов теплоотдачи в трубной
и межтрубной зоне 104
Алгоритм расчета гидравлических потерь в трубной и
межтрубной зоне 105
Интервально-поэлементный метод теплового и гидравлического расчета трубчато-ребристых маслоохладителей
с распределенными параметрами Юб
Проверка адекватности математической модели масло-
системы ПІ
Выводы 120
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МАСЛОСИСТЕМ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ С ПРИМЕ
НЕНИЕМ ЭВМ 123
Разработка математических моделей маслосистем газо
перекачивающих агрегатов 124
Исследование эффективности маслосистем с помощью вы
числительного эксперимента 125
Определение оптимальных конструктивных и режимных
характеристик маслосистем 137
Разработка рекомендаций по проектированию и эксплуа
тации маслосистем газоперекачивающих агрегатов с оп
тимальными конструктивными и режимными характеристи
ками 144
Выводы 14 5
-J
вывода ПО ДИССЕРТАЦИИ Кб
ЛИТЕРАТУРА 148
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
Введение к работе
В материалах ХХУІ сьезда КПСС, Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" [ і ] , [ 2. ] , материалах ноябрьского 1982г. и апрельского 1984г. Пленумов ЦК КПСС отмечалось, что в II—Й пятилетке и в ближайшей перспективе особо важное значение приобретает снижение материалоемкости продукции, экономное расходование топлива, энергии, металла. Экономное использование имеющихся в народном хозяйстве ресурсов является важнейшей хозяйственно-политической задачей на современном этапе. При этом указывалось, что в настоящее время "эффект от экономии каждой тонны нефти, угля, металла становится все более весомым, а ущерб от их нерационального использования все более ощутимым..." Для этого необходимо значительно улучшить технико-экономические показатели как уже действующего оборудования, так и вновь проектируемого, в том числе теплообмен-ной аппаратуры, которая является одним из важнейших элементов современных технологических, энергетических и газотранспортных систем и установок.
В II пятилетке важнейшей задачей газовой промышленности, одной из ключевых отраслей топливно-энергетического комплекса страны, является осуществление программы форсированного развития добычи газа.
К 1985 году обьем добычи газа намечено довести до 600-640 млрд.куб.метров. Дальнейшее увеличение обьема добычи газа должно производиться на основе разработки новых месторождений, сооружения мощных магистральных газопроводов с высокой степенью автоматизации и эксплуатационной надежности.
Сегодня отечественная газовая промышленность обладает огромным производственным потенциалом. Она оснащена современным энер-
готехнологическим оборудованием. Процессы добычи, транспортировки и переработки газа осуществляются по самым прогрессивным технологиям. Протяженность магистральных газопроводов к настоящему времени превышает 135 тыс.км, а общая мощность привода каждой компрессорной станции превышает 20 млн.кВт. В стране создана и продолжает развиваться уникальная система газоснабжения, объединившая топливно-сырьевые артерии Азербайджана, Украины, Туркмении, Узбекистана, Казахстана, Западной Сибири, обеспечивающая природным газом все республики Советского Союза.
На существующих газовых магистралях страны транспортировка газа осуществляется газоперекачивающими агрегатами мощностью до 25 мВт. При этом широкое распространение получили блочные газоперекачивающие агрегаты /ГПА/ с приводом авиационного типа. Блочные агрегаты хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата Тюменской области, бездорожья, болотистой местности, вечно-мерзлых грунтов. В указанных районах вывод газопроводов на проектную производительность сопряжен со значительными трудностями, а традиционный метод строительства компрессорных станций со стационарными газотурбинными установками стал практически невозможен. Ввод в действие блочных агрегатов обеспечил ускорение строительства компрессорных станций и повышение производительности газопроводов. Исследования, проведенные научными и проектными организациями Министерства газовой промышленности совместно с Госпланом СССР в 1972-1973гг. показали, что наибольший эффект в ускорении строительства компрессорных станций и повышение надежности их эксплуатации может дать применение блочных газоперекачивающих агрегатов с приводом авиационного типа [3 ]. В результате проведенных работ впервые в СССР был создан принципиально новый, высокоэффективный газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-6,3 в блочном исполнении мощностью 6,3 мВт. Опыт сооружения и пуска в эксплуатацию компрессор-
них станций с агрегатами ГПА-Ц-6,3 показал, что сроки ввода таких станций сокращаются в 2,5-3 раза, а капитальные затраты на 35% меньше, чем на станциях той же установленной мощности со стационарными агрегатами. Высокая эксплуатационная надежность, быстрота сооружения, простота в обслуживании, значительный экономический эффект /более 1,5 млрд.руб./ от внедрения в народное хозяйство ГПА-Ц-6,3, определили интенсивное внедрение их в газовой промышленности.
В последние годы на базе Сумского машиностроительного ПО им. М.В.Фрунзе создан блочный газоперекачивающий агрегат с авиационным приводом мощностью 16 мВт. В качестве приводов в указанных агрегатах используются авиационные двигатели, отработавшие ресурс в авиации, что повышает их экономичность.
В II пятилетке намечено серийное производство таких агрегатов с конечным давлением до 120 атмосфер, которыми будут укомплектованы важнейшие газопроводы страны, в том числе, "магистраль века" Уренгой-Помары-Ужгород. Блочность изготовления и поставки налагает на узлы и системы агрегатов целый ряд требований.В частности, теплообменные аппараты, используемые в различных системах, должны быть достаточно компактны и эффективны. Сказанное в большой степени касается маслоохладителей, обеспечивающих надежную работу опор скольжения и входящих в состав маслосистемы агрегата. Капиталовложения в маслоохладители и маслосистему агрегата могут достигать 20-25% от стоимости всего оборудования. Этим объясняется народнохозяйственная актуальность реализации задач оптимизации теплообменного оборудования как инструмента существенной экономии материальных ресурсов и капитальных вложений, что имеет важное значение для развития экономики страны. Таким образом, оптимизация маслосистемы центробежных машин и ее составных частей является важной народнохозяйственной задачей, имеющей существенное зна-
чение для различных отраслей промышленности.
Современный ГПА состоит из целого ряда систем и устройств, выполняющих разнообразные функции. Структурная схема ГПА приведена на рис.В.1., на котором выделены основные элементы маслосис-темы. Все ее элементы функционально связаны друг с другом /рис. В.2/,что требует проведения комплексного численного анализа при проектировании. При этом можно оценить динамику работы маслосис-темы и ее составных частей при различных возмущающих факторах /температуре окружающего воздуха, типе теплоносителя и др./ и выбрать оптимальный режим ее работы. Однако, в отечественной и зарубежной практике отсутствуют методы и алгоритмы для проведения комплексных оптимизирующих расчетов маслосистем в целом. В то же время накоплен определенный опыт по расчету составляющих маслосистему основных элементов: маслоохладителей, подшипников, уплотнений [ 40 ], [ ?4 ], ..., [ ? ], \S5 ]. При этом точные машинные методы применяются лишь при расчете опор скольжения. Методики расчета маслоохладителей являются недостаточно точными и надежными, так как они ориентированы, в основном, на практику ручного счета и имеют всевозможные упрощающие допущения. В практике отраслевых институтов недостаточно широко реализуются более качественные машинные методы численного анализа работы вышеуказанных элементов. Как следствие этого, технико-экономическое обоснование оптимальности принятых решений путем сравнения достаточного числа вариантов не приводится. В итоге не реализуются потенциальные возможности экономии энергии и материалов.
Создание точных методов и оптимизирующих расчетов возможно при использовании ЭВМ, что обусловило разработку методологии проектирования маслосистемы /и маслоохладителей в частности/ ГПА с помощью ЭВМ.
Как показали исследования, выбор оптимальных массогабарит-
Структурная схема газоперекачивающего агрегата с авиационным приводом
Г ПА
газотурбинный двигатель
центробежный нагнетатель
Рис. B.I.
Функциональная схема маслосистемы газоперекачивающего
агрегата
Рис. В.2.
ных характеристик теплообменников ГПА при заданной тепловой нагрузке существенно зависит при прочих равных условиях от исходных /внешних/ параметров, которые включаются в техническое задание при проектировании.
Главной целью работы является определение путей повышения эффективности маслосистем газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов и их основных элементов на основе вычислительного эксперимента на ЭВМ с помощью впервые созданного комплекса технико-экономических моделей, алгоритмов и программ.
Для проведения теплового и гидродинамического расчета маслоохладителей разработана гибридная математическая модель, реализованная в виде алгоритма упрощенного расчета по средним температурам теплоносителей и алгоритма на основе предложенного в работе точного интервально-поэлементного метода расчета с распределенными параметрами. Применительно к рассматриваемым аппаратам новый интервально-поэлементный метод является наиболее точным из известных. На его основе разработаны метод, алгоритм и соответствующие программные модули для проведения комплексного вычислительного эксперимента и оптимизации маслосистем ГПА и их составных элементов.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
В первой главе рассмотрены отечественные и зарубежные методы и алгоритмы расчета теплообменных аппаратов /в.т.ч. и маслоохладителей/ на ЭВМ и приведена формулировка задач диссертации.
Во второй главе рассмотрены системные принципы разработки методов и алгоритмов расчета маслоохладителей ГПА. Представлена классификация основных видов расчета элементов маслосистем ГПА, выделены обобщенные структуры алгоритмов расчетов.
В третьей главе предложен комплекс взаимосвязанных методов,
алгоритмов и программных модулей, обеспечивающих оптимизацию на ЭВМ маслоохладителей и маслосистемы в целом, изложены результаты уточнения и формализации входящих в эти методы элементов теплового, гидравлического и экономического расчетов.
В четвертой главе приведены результаты расчетно-теоретичес-кого исследования маслосистем и маслоохладителей, обоснован выбор теплообменников с оптимальными конструктивными и режимными параметрами, даны рекомендации по их применению в условиях работы газоперекачивающих агрегатов.
Работа выполнена в Институте газа АН УССР и Сумском филиале специального конструкторского бюро по созданию воздушных и газовых турбохолодильных машин.
Основные положения и результаты диссертации докладывались на 3-й научно-технической конференции молодых специалистов СКБК /Казань,1979/, республиканском семинаре "Оптимизация химико-технологических и энерготехнологических систем, режимов, оборудования" /Ужгород,198I/, 3-й всесоюзной научно-технической конференции молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения /Краснодар,198I/, 6-й всесоюзной конференции по компрес-соростроению /Псков,1982/, республиканском семинаре-совещании "Моделирование, идентификация, синтез систем управления процессами и производствами" /п.Ялта Донецкой обл. ,1982/, республиканском семинаре "Вопросы разработки АСУ химико-технологическими и физико-химическими процессами современных производств" /Ивано-Франковск, 1983/, всесоюзном семинаре "Оптимизация сложных систем" /Винница,1983/, отчетной научно-технической конференции КХТИ /Казань, 1984/, а также опубликованы в II печатных работах.
Автор считает своим долгом выразить большую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Каневцу Г.Е. и научному консультанту, д.т.н., профессору Казанского химико-технологичес-
кого института им.С.М.Кирова Максимову В.А. за постоянную поддержку при выполнении работы.
