Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных конструкций и способов расчета параметров управляющих устройств для обеспечения безопасности, используемых в системах газоснабжения 9
1.1. Основные типы конструкций управляющих устройств 9
1.2. Существующие конструкции управляющих устройств 11
1.3. Возможности совершенствования существующих управляющих устройств 20
1.4. Математическое моделирование работы пневмогидравлических устройств 28
1.5. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования... 36
Глава 2. Математическая модель работы газораспределителя 38
2.1. Расчетные зависимости математической модели работы газораспределителя 38
2.2. Выводы по второй главе 50
Глава 3. Пакет прикладных программ для математического моделирования работы газораспределителя 52
3.1. Состав и структура программного обеспечения 52
3.2. Технология подготовки исходных данных для пакета прикладных программ 53
3.3. Интерфейс пакета прикладных программ 56
3.4. Выводы по третьей главе 59
Глава 4. Моделирование работы газораспределителя при различных законах изменения давления в газовой скважине 60
4.1. Мгновенное и линейное изменение давления в газовой скважине 61
4.2. Мгновенное и линейное изменение давления в газовой скважине, «зашумленное» периодическим сигналом 71
4.3. Выводы по четвертой главе 79
Глава 5. Конструирование газораспределителя 80
5.1. Конструкция газораспределителя 80
5.2. Элементы газораспределителей и их работа 82
5.2.1. Пилот П16Н 82
5.2.2. Пилот П16В 85
5.2.3. Мембранный разделитель СФК6О.35-04.300 85
5.3. Испытания и настройка газораспределителей 95
5.4. Выводы по пятой главе 104
Глава 6. Экспериментальное подтверждение адекватности математической модели работы газораспределителя 105
6.1. Методика проведения экспериментов 105
6.2. Оценка погрешности измерений давлений в газораспределителе 105
6.3. Результаты экспериментов по подтверждению адекватности математической модели работы газораспределителя ПО
6.4. Выводы по шестой главе 112
Общие выводы 113
Литература 115
Приложение 128
- Возможности совершенствования существующих управляющих устройств
- Расчетные зависимости математической модели работы газораспределителя
- Технология подготовки исходных данных для пакета прикладных программ
- Мгновенное и линейное изменение давления в газовой скважине, «зашумленное» периодическим сигналом
Возможности совершенствования существующих управляющих устройств
Существует возможность устранения недостатков имеющихся конструкций систем управления путем исключения из конструкции станции клапанных пар сопло-заслонка, передаточного механизма от чувствительного элемента манометра к заслонке клапанной пары сопло-заслонка, редуктора, дросселя и упрощения конструкции станции. В качестве чувствительного элемента будут использоваться газораспределители, которые необходимо разработать. Газораспределитель должен включать в себя мембранный разделитель и пилоты.
Проблема совершенствования конструкции достигается тем, что в станции, содержащей шкаф управления, в котором смонтированы пневматическая и гидравлическая системы и нормально закрытые пилоты, установленными как по линии управления боковой задвижкой, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем и фонтанной арматурой, дополнительно установлен по линии управления БЗ нормально открытый пилот с приводом, полость входа которого сообщена с пневматической системой шкафа управления, а полость выхода соединена с полостью входа нормально закрытого пилота. При этом полости приводов всех пилотов соединены каналом с гидравлической полостью мембранных разделителей сред. По линии управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем дополнительно установлен нормально открытый пилот, полость входа которого сообщена с пневматической системой шкафа управления, а полость выхода соединена с полостью входа нормально закрытого пилота и полость привода соединена каналом с гидравлической полостью мембранного пневмогидравлического разделителя сред.
Анализ такого технического решения показывает, что данная конструкция позволит устранить недостатки станции управления фонтанной арматурой фирмы «Cameron». Схема станции приведена на рис. 8. Схема станции с дополнительным нормально открытым пилотом, установленным по линии управления ФА и ПКО, приведена на рис. 9, где 1 - резервуар с маслом; 2 - гидравлический насос с пневмоприводом; 3 - гидравлический регулятор давления; 4 - трубопровод подвода газа питания; 5 - регулятор давления газа; 6 - пневмораспределители, управляющий ФА и ПКО; 7 - пневмораспределитель, управляющий БЗ; 8 -пневмораспределитель ручного управления ПКО; 9 - пневмораспределитель ручного управления ЦЗ; 10 - пневмораспределитель ручного управления БЗ; 11
- гидравлический распределитель; 12 - шкаф управления; 13 - трубопровод, соединяющий гидравлическую систему шкафа управления 12 с гидроприводом ПКО; 14 - трубопровод, соединяющий пневматическую систему шкафа управления 12 с пневмоприводом ЦЗ; 15 - трубопровод, соединяющий пневматическую систему шкафа управления 12 с пневмоприводом БЗ; 16, 19, 21, 23, 24, 27
- трубопроводы; 17 - пружина с регулируемым усилием сжатия; 18, 25 - нормально закрытый пилот; 20 - нормально открытый пилот, установленный по линии управления БЗ; 22 - мембранный пневмогидравлический разделитель сред; 26 - нормально открытый пилот, установленный по линии управления ФА и ПКО; Б - полости приводов пилотов 18, 20, 25 и 26; В - канал в корпусе мембранного разделителя сред 22; Г - гидравлическая полость мембранного разделителя сред 22; Д - газовая полость мембранного разделителя сред 22.
Шкаф управления 12 содержит пневматическую и гидравлическую системы управления приводами ФА и ПКО соответственно, аналогичные системам управления станции фирмы «Cameron».
В пневматическую систему шкафа управления 12 входят регулятор давления газа 5, пневмораспределители 6, 7, 8, 9, 10.
В гидравлическую систему шкафа управления 12 входят резервуар с маслом 1, гидравлический насос с пневмоприводом 2, гидравлический регулятор давления 3 и гидравлический распределитель 11.
Для упрощения рисунков в шкафу управления 12 приведены только агрегаты, функционально связанные с пилотами 18, 20, 25, и 26. Все остальные агрегаты пневматической и гидравлической систем шкафа управления 12 не приведены.
Разделители сред 22 содержат гидравлическую полость Г и газовую полость Д. В корпусе разделителя сред выполнены каналы В, которыми соединены гидравлическая полость Г с полостью привода Б пилотов 18, 20, 25, и 26. Газовая полость Д разделителя сред 22, установленного по линии управления БЗ, сообщена трубопроводом 23 с выкидной линией скважины. Газовая полость Д разделителя сред 22, установленного по линии управления ФА и ПКО, сообщена трубопроводом 27 с фонтанной арматурой. Входная полость пилотов 20 и 25 сообщена трубопроводами 21с линией управления пневматической системы шкафа управления 12. Выходная полость пилота 20 сообщена трубопроводом 19 с входной полостью пилота 17. Выходная полость пилота 18 сообщена трубопроводом 16 с пневмораспределителем 7. Выходная полость пилота 25 сообщена трубопроводом 24 с пневмораспределителем 6. При установке в линию управления ФА и ПКО дополнительного нормально открытого трехлинейного двухпозиционного пилота 26 (см. рис. 9) его входная полость сообщена трубопроводом 21 с линией управления пневматической системы шкафа 12, а выходная - с линией входа пилота 25.
Принцип работы предлагаемой конструкции, использующей разрабатываемые пилотные устройства, заключается в следующем. При поступлении давления газа по трубопроводу 23 в газовую полость Д разделителя сред 22 одновременно появится такое же давление рабочей жидкости в его гидравлической полости Г и в полостях Б приводов пилотов 18 и 20. При достижении заданного давления газа в полости Д разделителя сред 22 гидропривод пилота 18, преодолевая усилие затяжки пружины 17, установит его в открытое положение. В этом положении его полость входа сообщается с полостью выхода, а полость дренажа герметично отделяется от полости выхода. При этом пилот 20 останется в открытом положении, так как усилие от его гидропривода меньше усилия пружины 17. Вследствие этого управляющий газ из шкафа управления 12 поступит по трубопроводам 16, 19 и 21 и через открытые пилоты 18 и 20 к пнев-мораспределителю 7.
Расчетные зависимости математической модели работы газораспределителя
Изменение давление газа в скважине сопровождается пульсациями широкого спектра. Работа газораспределителя при неудачно выбранных параметрах его конструкции может быть неустойчивой. При неустойчивой работе газораспределителя возможно возникновение колебаний с нарастающими во времени амплитудами физических величин, определяющих его состояние. Поэтому важно определить характеристики газораспределителя на стадии его разработки. Рассмотрим пневмогидравлическую схему газораспределителя, она представляет собой последовательно соединенные (см. рис. 12):
- импульсную трубку, передающую импульс давления газа от шлейфа после дросселя фонтанной арматуры к мембранному разделителю;
- мембранный разделитель, передающий импульс давления газа через гофрированную мембрану полиметилсилоксановой жидкости;
- трубку, передающую импульс давления полиметилсилоксановой жидкости пилоту;
- пилот, состоящий из поршня, на который с одной стороны действует давление полиметилсилоксановой жидкости, а с другой стороны - пружина.
Шток поршня пилота при повышении давления газа в шлейфе выше или ниже давления срабатывания смещается и передает воздействие через клапан на газовую линию, управляющую клапаном - отсекателем.
Для успешного конструирования газораспределителя необходимо исследовать расчетные зависимости между его основными параметрами. Получение простых зависимостей не представляется возможным вследствие сложности процессов, протекающих в нем. Поэтому для изучения связей основных параметров газораспределителя избран метод математического моделирования.
Импульс давления передается по цепочке: импульсная трубка - газовая полость мембранного разделителя - мембрана - жидкостная полость мембранного разделителя - цилиндрический канал - шток пилота.
Рассмотрим импульсную трубку. Поведение газа рассматриваем исходя из следующих допущений: параметры газа постоянны по сечению трубки. Движение газа принимается одномерным и неустановившимся, т.е. все местные скорости считаются равными средней скорости и зависят от времени. Давление также считается одинаковым во всех точках живого сечения и зависит от продольной координаты и от времени. Такое движение газа характеризуется возникновением волны повышенного и пониженного давления, которая распространяется от места изменения давления.
Будем считать, что величина изменения давления мала по сравнению с абсолютным давлением на исходном статическом режиме и что в силу этого можно вести расчет так, как если бы происходило движение упругой капельной жидкости. Примем, что потери на трение определяются теми же соотношениями, которые имеют место при установившемся движении газа в трубке.
Рассмотрим трубку с площадью проходного сечения S. Пусть давление на левом его конце меняется по времени, вследствие чего создается разность давлений по длине трубки, и возникает движение газа в ней. Выясним, под действием каких сил происходит движение массы газа, расположенной на участке с длиной dx, отстоящем на расстоянии х от левого конца канала. Обозначим граничные сечения этого участка цифрами 1 и 2. Для значений давления и скорости в момент времени t в сечении 1 примем обозначения Р и и. Тогда в тот же момент
На выделенный элемент действуют следующие силы: сила давления, определяемая разностью давлений на гранях 1 и 2, сила инерции и сила трения. Сила давления равна где ц0г - динамическая вязкость газа при температуре 20с, спз; Г- температура газа, К.
Вследствие больших изменений плотности и температуры, обусловленных сжатием или расширением газа при неустановившемся движении необходимо учесть уравнение состояния. Учитывая, что газ находится под значительным давлением, к нему нельзя применить уравнение Менделеева - Клапейрона. Для описания состояния реального газа под большим давлением в настоящее время наиболее часто используют уравнение Редлиха - Квонга [94, 98]:
Для вывода неразрывности рассмотрим условия, которыми определяется деформация выделенного элемента газа. При изменении давления на величину dP масса, сосредоточенная в объеме V, деформируется на величину dV и изменение объема характеризуется относительной величиной dV/V.
Коэффициентом сжимаемости является коэффициент пропорциональности между приращением давления и относительным изменением объема: s = - (dV/V)/dP.
Технология подготовки исходных данных для пакета прикладных программ
Для проведения численного эксперимента с помощью пакета прикладных программ необходимо сообщить модели исходные данные. Исходными данными являются:
номер варианта расчета;
размеры импульсной трубки;
объем газовой полости мембранного разделителя;
объем жидкостной полости мембранного разделителя;
размеры цилиндрического канала;
масса штока и жесткость пружины;
физические свойства газа и полиметилсилоксановой жидкости;
характеристики нарастания давления и его пульсаций в скважине;
время окончания расчета;
Исходные данные заносятся в базу данных и могут использоваться повторно. Ниже приведена структура базы данных.
Пакет прикладных программ имеет развитый интерфейс, позволяющий легко управлять им и оперировать с полученными результатами. Главное окно пакета, управляемое системой меню приведено на рис. 15.
Приведена форма заполнения исходных данных пакета.
1. Разработанная математическая модель реализована на ПЭВМ в виде пакета прикладных программ в среде программирования C++Builder 4.0.
2. Пакет прикладных программ обладает развитым интерфейсом с возможностью представления полученных результатов в графическом виде. Для хранения исходных данных и результатов расчетов используется база данных.
3. Программы пакета обладают хорошей скоростью вычислений. Глава 4. Моделирование работы газораспределителя при различных законах изменения давления в газовой скважине
Вычислительные эксперименты по моделированию работы газораспределителя производились по программе, разработанной в главе 3. Проводились расчеты работы газораспределителя при различных законах изменения давлениях, пульсациях, объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя, диаметре штока и жесткости пружины при следующих исходных данных: природного газа: кинематическая вязкость - 1,73-10" м /с; полиметилсилоксановой жидкости марки ПМС-20 [27]: плотность - 0,94 кг/м; кинематическая вязкость - 2-10 м2/с; импульсная трубка: диаметр - 70 мм; длина -200 мм; шероховатость - 0,02 мм; цилиндрический канал: диаметр - 4 мм; длина - 40 мм; шероховатость - 0,02 мм; Диапазон изменения настройки давления срабатывания газораспределителя: по снижению давления -3- 16 МПа и 6-к26 МПа; по повышению давления - 3-Я 6 МПа. Объем мембранного разделителя, заполненный газом, варьировался в пределах 50 -ь 250 CMJ и полиметилсилоксановой жидкостью 50 -ь 250 см3. Диаметр штока пилота- 5 -ь 15 мм. 4.1. Мгновенное и линейное изменение давления в газовой скважине
На рис. 20-22 приведены результаты расчетов работы газораспределителя при мгновенном скачке давления в скважине. Давление представлено как отношение текущего давления в скважине к давлению срабатывания газораспределителя и расход управляющего газа - как отношение текущего расхода к максимальному.
В начальный момент времени происходит мгновенный скачок давления в скважине с —=0,7 до —=1,3. Наблюдается переходный процесс с волнооб ср ср разным нарастанием давления в газораспределителе с —=0,7 до —=1,3. Дав ср ср ление газа в газовой полости газораспределителя нарастает быстрее, чем давление жидкости перед штоком. Мембранный разделитель работает в процессе передачи давления как двухкамерный гаситель пульсаций и гасит колебания переходного процесса. Давление в газовой полости мембранного разделителя и давление жидкости перед штоком в переходном процессе превышают 1,ЗРср. Происходит запаздывание роста давления в газовой полости мембранного раз Р делителя на 0,0075 с и перед штоком - на 0,0245 с при — = 1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя 50 см3; на 0,01 с и на 0,0245 с соответственно при —=1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранно ср го разделителя 150 см ; на 0,011 си на 0,025 с соответственно при —=1 и объ ср еме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя 250 см .
Мгновенное и линейное изменение давления в газовой скважине, «зашумленное» периодическим сигналом
На рис. 27,а приведены результаты расчетов работы газораспределителя при мгновенном скачке давления, «зашумленного» периодическим сигналом с амплитудой АрС=0,1Рср и периодом 0,02 с.
В начальный момент времени происходит мгновенный скачок среднего давления в скважине с —=0,85до —=1,15. В течение 0,06 с происходит Переходный процесс с волнообразным нарастанием давления в газораспределителе, после чего давления выходят на квазистационарный колебательный режим. Давление газа в газовой полости газораспределителя нарастает быстрее, чем давление жидкости перед штоком. Мембранный разделитель работает в процессе передачи давления как двухкамерный гаситель пульсаций и гасит колебания. Давление в газовой полости мембранного разделителя и давление жидкости перед штоком в переходном процессе не превышают максимального давления в скважине =1,2. Происходит запаздывание роста давления в газовой полости мембранного разделителя на 0,0071 с и перед штоком на 0,0125 с при —=1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя жидкостной полости мембранного разделителя 150 см3; на 0,0123 с и на 0,025 с
Изменение давлений в газораспределителе при «зашумленном» мгновенном скачке давления в скважине: объем газовой и жидкостной полости мембранного разделителя составляет 150 см ; 1 -давление в скважине; 2 -давление в газовой полости мембранного разделителя; 3 - давление перед штоком; б) относительный расход управляющего газа при диаметре штока: 1-5 мм; 2 -10 мм и 3 - 15 мм соответственно при —=1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранно разделителя 250 см3.
В квазистационарном колебательном режиме происходят колебания давления с периодом, близким к периоду колебаний давления в скважине. Амплитуда колебаний в газовой полости достигает 0,95АРС и в жидкостной полости -0,36.4рс при их объемах по 50 см ; 0,90АРС и 0,08АРС при объемах по 150 см ; 0,86АрС и 0,05АРС при объемах по 250 см . Задержка колебаний составляет 0,01с для газовой полости и 0,015 для давления жидкости перед штоком.
На рис. 27,6 приведено изменение во времени расхода управляющего газа. После срабатывания пилота шток перемещается, происходит закрытие отверстия и относительный расход управляющего газа снижается от 1 до 0. Расчеты, проведенные для различных диаметров штока, показывают, что быстродействие газораспределителя снижается с ростом диаметра штока.
На рис. 28,а приведены результаты расчетов работы газораспределителя при мгновенном падении давления, «зашумленном» периодическим сигналом с амплитудой Арс О, 1Рср и периодом 0,02 с.
В начальный момент времени происходит мгновенное падение среднего давления в скважине с — = 1,15 до —=8,5. В течение 0,06 с происходит переходный процесс с волнообразным снижением давления в газораспределителе, после чего давления выходят на квазистационарный колебательный режим. Давление газа в газовой полости газораспределителя снижается быстрее, чем давление жидкости перед штоком. Мембранный разделитель гасит колебания жидкости перед штоком в переходном процессе. Запаздывание снижения давления составляет в газовой полости мембранного разделителя а) Изменение давлений в газораспределителе при «зашумленном» мгновенном падении давления в скважине: объем газовой и жидкостной полости мембранного разделителя составляет 150 см3; 1 - давление в скважине; 2 -давление в газовой полости мембранного разделителя; 3 - давление перед штоком; б) относительный расход управляющего газа при диаметре штока: 1-5 мм; 2-10 мм и 3 - 15 мм. перед штоком на 0,0165 с при —=1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя 50 см ; на 0,012 с и на 0,021 с соответственно при и объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя см ; на 0,0182 с и на 0,0255 с соответственно при — = 1 и объеме газовой и жидкостной полости мембранного разделителя 250 см3.
В квазистационарном колебательном режиме происходят колебания давления с периодом, близким к периоду колебаний давления в скважине. Амплитуды колебаний давлений изменяются аналогично предыдущему случаю.
Наблюдается волнообразное нарастание давления. Давление газа в газовой полости газораспределителя нарастает быстрее, чем давление жидкости перед штоком. Мембранный разделитель работает в процессе передачи давления как двухкамерный гаситель пульсаций и гасит колебания.
В квазистационарном колебательном режиме происходят колебания давления с периодом, близким к периоду колебаний давления в скважине. Амплитуда колебаний в газовой полости достигает ,95АРС и в жидкостной полости -0,36АРС при их объемах по 50 см ; 0,90АРС и 0,08АРС при объемах по 150 см ; 0,&6Арс и 0,05АрС при объемах по 250 см . Задержка колебаний составляет 0,01с для газовой полости и 0,015 для давления жидкости перед штоком.
На рис. 29,6 приведено изменение во времени относительного расхода управляющего газа. После срабатывания пилота шток перемещается, происходит закрытие отверстия и относительный расход управляющего газа
Изменение давлений в газораспределителе при «зашумленном» линейном росте давления в скважине: объем газовой и жидкостной полости мем-бранного разделителя составляет 150 см ; 1 - давление в скважине; 2 - давление в газовой полости мембранного разделителя; 3 - давление перед штоком ; б) относительный расход управляющего газа при диаметре штока: 1 - 5 мм; 2 -10 мм и 3 - 15 мм снижается от 1 до 0. Как видно из рис. 29 закрытие клапана происходит с колебаниями. С ростом диаметра штока быстродействие газораспределителя снижается.
Вычислительные эксперименты по моделированию работы газораспределителя производилось также при различных периодах «зашумляющего» периодического сигнала различной ширины. Полученные результаты в целом аналогичны приведенным выше.
Таким образом, проведенные расчеты позволили исследовать работу газораспределителя в статическом и динамическом режимах при различных параметрах его конструкции.
При выборе параметров устройства использовались следующие критерии оптимальности: максимальное быстродействие, максимальное снижение пульсаций, минимальная масса и габаритные размеры.
Оптимальными параметрами конструкции являются: объем газовой по-лости мембранного разделителя - 150 см ; объем жидкостной полости мембранного разделителя - 150 CMJ; диаметр штока - 7 мм. При этом обеспечивается: максимальное быстродействие, эффективное гашение пульсаций в заданном диапазоне частот, необходимая точность и минимальная металлоемкость.
