CC BY
52
УДК 662.694
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
В.Н. ШАРИФУЛЛИН*, А.В. ШАРИФУЛЛИН**
*Казанский государственный энергетический университет **Казанский национальный исследовательский технологический университет
Построена математическая модель нестационарного гидродинамического процесса в газопроводе, возникающего при закрывании задвижки. Проведено математическое моделирование переходного гидродинамического процесса для случаев полного и неполного закрытия задвижки. На основании результатов моделирования предложено в качестве признака степени перекрытия потока задвижкой использовать скорость роста давления в трубе перед задвижкой.
Ключевые слова: газопровод, задвижка, неисправность, математическое моделирование.
Запорная арматура в энергетической отрасли играет важную роль, поскольку она обеспечивает безопасные условия производства. Неисправности и внезапные отказы арматуры могут приводить не только к авариям, но и большим экономическим потерям. Наметившийся в последнее время переход от традиционного регламентного ремонтно-технического обслуживания запорной арматуры к эксплуатации по техническому состоянию предусматривает развитие системы диагностического обслуживания и разработку методов и методик оценки работоспособности оборудования для принятия решения о проведении выборочного ремонта. Для оценки неисправностей запорной арматуры используются разные методы диагностики для работающего или неработающего их состояний [1]. Например, в работе [2] предлагается проведение диагностирования электроприводной арматуры во время ее срабатывания в ходе технологического процесса. В качестве диагностических параметров предложены как акустические сигналы в ультразвуковом диапазоне, так и токовые сигналы в цепи питания электропривода. Однако авторы не учитывают влияния акустики самого потока, которое является существенным. Более того, изменяющиеся в процессе закрытия и открытия запорной арматуры параметры потока могут служить диагностическими признаками. Настоящая работа посвящена анализу гидродинамики потока в целях проверки работоспособности запорной арматуры на действующем паро-газопроводе.
Основная цель анализа - это установление способности запорной арматуры полностью перекрывать поток пара и газа. Запорная арматура действующего паро-газопровода находится в обычном состоянии в положении полного открытия. В науке существует методика, в соответствии с которой для получения информации о работе оборудования необходимо системе придать какое-то возмущение и затем проанализировать ее реакцию на это возмущение. Единственной возможной в данном случае формой возмущения является импульсное возмущение прямоугольной формы по расходу потока. Для этого необходимо вначале полностью закрыть задвижку и затем, через короткий промежуток времени, вернуть задвижку в исходное положение. Такое воздействие приводит к нестационарным гидродинамическим процессам, в которых происходят изменения расхода и напора транспортируемого потока, различающиеся для случаев полного и неполного закрытия задвижки. С учетом этого
© В.Н. Шарифуллин, А.В. Шарифуллин Проблемы энергетики, 2015, № 3-4
основная задача работы заключалась в анализе переходного и стационарного процессов, происходящих при закрывании запорной арматуры на действующем паро-газопроводе. Основными контролируемыми параметрами будут давления по обе стороны задвижки.
Рассмотрим, как изменяется перепад давления для случая полного и неполного закрытия задвижки. В случае резкого закрытия задвижки вначале возникает скачок давления с амплитудойА ре=рм0с, гдер - плотность газа; м0 - скорость газа перед закрытием задвижки; с - скорость звука в газопроводе [3-4]. Затем волна повышенного давления распространяется вверх по потоку, останавливая течение, пока она не отразится от перемычки и не вернется к задвижке уже волной разряжения. Повышение давления перед задвижкой происходит в пределах времени 0<?<1Ь/с. Максимальное превышение давления над первоначальным его значением Р0 при полностью закрытой задвижке будет рассчитываться по формуле
Ь М
АРтах = АР0 + АРС = + Р!0С , (1)
а 1
где X - коэффициент гидравлического сопротивления первоначального течения; Ь - длина газопровода от задвижки до перемычки; а - внутренний диаметр трубы; АР0 - потери напора на участке при полностью открытой задвижке; Дре - амплитуда гидравлического удара.
В реальности же задвижка на паро- газопроводе будет закрываться значительное время, и гидравлический удар будет небольшим. В стационарном режиме давление газа перед закрытой задвижкой будет равно Ру=Р0+ДР0. Если же задвижка закрыта не полностью и скорость газа в трубе равна !, то давление в этой точке паро- газопровода Рш будет меньше давления Рб на величину потерь давления АРш на участке паро-газопровода длиной Ь при данной скорости:
Ь 1
Рш = Рб-ЬРш; АРш . (1)
а 1
Путем сравнения перепадов давлений, измеренного АРш и первоначального А Р0, можно судить о степени закрытия задвижки. По формуле (3) можно рассчитать величину линейной скорости м и объемного расхода Q потока, прошедшего через задвижку, если измерена величина перепада давления АРш.
Для повышения информативности проводимого эксперимента можно использовать при анализе работоспособности задвижки также и перепады давления на обоих сторонах задвижки при полном и неполном ее закрытии. Перепад давления на задвижке при неполном ее закрытии АРг связан функциональной зависимостью с расходом проходящего газа. Если рассматривать задвижку как диафрагму, то эта связь для стационарного режима течения выражается формулой
Q = 1АР2 /р , (3)
где Q - объемный расход газа; а - коэффициент расхода, определяемый по таблицам [3]; - открытая площадь сечения задвижки.
По формуле (3) можно рассчитать величину открытой части сечения газопровода /0 при известных значениях расхода газа Q и перепаде давления на задвижке АРг. Таким образом, с помощью трех манометров, измеряющих давления у первой по ходу перемычки и по обе стороны задвижки можно будет идентифицировать величину потока через задвижку и открытую часть сечения паро- газопровода.
Большое значение для оценки работоспособности задвижки имеет переходный процесс, возникающий при закрывании задвижки. Во-первых, кривые переходного процесса могут быть более информативными, чем параметры стационарного состояния, © Проблемы энергетики, 2015, № 3-4
а с другой стороны, для предлагаемого эксперимента важно знать время переходного процесса. Поэтому ниже решается задача математического моделирования нестационарной гидродинамики в паро- газопроводе при закрывании задвижки. Поскольку нас интересует давление Р и скорость газа м> на малом участке газопровода в районе задвижки, то для анализа процесса можно использовать ячеечную схему, при которой параметры процесса (давление, скорость, плотность газа) по длине трубы изменяются ступенчатым образом и в пределах ячейки принимаются постоянными. Известные уравнения сохранения массы и количества движения в нестационарном процессе [5] для первой ячейки ячеечной модели, с учетом допущения о постоянстве плотности пара или газа, будут иметь следующий вид:
Р7 - Р
р— = -7--X-и (4)
dt I 2d
dP 2 w7 - »
-РРр • (5)
t = 0: Р = Ро; № = № • (6)
где I — длина участка трубы, соответствующей одной ячейке; Р7 и ч>7 - граничные условия, т.е. давление и скорость газа непосредственно у задвижки после ее закрытия; Р0 и №0 - давление и скорость на участке у задвижки до начала эксперимента.
Динамику роста давления у задвижки при полном перекрытии потока и работающем при этом компрессоре можно получить из уравнения материального баланса.
"РРР=м р=£• (7>
где М - производительность компрессора; V - объем трубы от компрессора до задвижки; Я - газовая постоянная; Т - температура газа.
В соответствии с решением уравнений (7) давление газа в полностью перекрытой трубе при условиях постоянства производительности компрессора и температуры будет расти по линейному закону. Следует также отметить, что уравнения (4-5,7) не учитывают явления гидравлического удара в начальный момент времени переходного процесса.
Рассмотрим следующий пример установления работоспособности задвижки. Через задвижку паро- газопровода внутренним диаметром -=1м проходит газ с линейной скоростью »0=15 м/с. На участке газопровода от перемычки до задвижки длиной £=5000 м перепад давления составляет Р0=11250 н/м2. После закрытия задвижки и установления стационарного состояния перепад давления на участке газопровода упал доД Р^=1125 н/м2, а на задвижке вырос доД Р7=100 н/м2. Расчет по формуле (2) показал, что скорость газа в трубопроводе стала при этом равной »=4,74 м/с, а свободная площадь сечения задвижки, в соответствии с формулой (3), составила /7=0,3 м2. Это значит, что задвижка перекрыла сечение газопровода только на 62%.
Анализ переходного процесса при скачкообразном изменении расхода газа и положения задвижки проводился по уравнениям (4-7). Относительный рост давления рассчитывался по формуле у=(Р-Р0)/Р0. В результате численного решения этих уравнений для нескольких случаев получены кривые роста давления в переходном процессе, представленные на рисунке. Следует отметить также, что уравнения (4-7) позволяют анализировать переходные процессы при любой скорости закрытия задвижки.
Время процесса, мин
Рис. Кривые изменения давления в переходном процессе при закрытии задвижки газопровода на: 1 - 100%; 2 - 90%; 3 - 64%
В соответствии с полученными результатами, давление до задвижки после возмущения по расходу монотонно возрастает до нового стационарного состояния, а скорость потока проходит через максимум, т.е. вначале резко возрастает, а затем падает до нового значения. Для рассмотренных примеров время переходного процесса находилось в пределах 2-3 минут. Скорость роста давления в переходном процессе зависит от степени прикрытия задвижки, при этом чем больше степень закрытия задвижки, тем выше скорость роста давления. На основании этого анализа можно принять скорость роста давления в переходном процессе в качестве признака степени закрытия задвижки. Таким образом, проверку работоспособности задвижки на действующем газопроводе можно проводить также и по кривым переходного процесса, вызванного временным закрытием задвижки.
Таким образом, проведенный математический анализ показал, что в принципе работоспособность задвижки на действующем паро- газопроводе можно установить путем кратковременного ее закрытия и открытия и анализе сопутствующих этому перепадов давлений во время переходного и стационарного состояний. Предложенный способ, в сочетании с виброакустическим методом, может служить основой для разработки рабочей методики проверки исправности запорной арматуры на действующем паро- газопроводе.
Summary
The mathematical model of non-stationary hydrodynamical process in a gas main, arising is constructed at closing a latch. Mathematical modelling transitive hydrodynamical process for cases of full and incomplete closing a latch is lead. On the basis of results of modelling it is offered, as an attribute of a degree of blocking of a stream a latch, to use growth rate of pressure in a pipe before a latch.
Keywords: a gas main, a latch, malfunction, mathematical modeling.
Литература
1. Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В. Арматура атомных станций. М.: Энергоатомиздат, 1982. 256 с.
2. Адаменков А.К., Веселова И.Н. Диагностика технического состояния электроприводной арматуры // Электрические станции. 2007. №2. С.53-56.
3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика М.: Стройиздат, 1975. 323с.
4. Арбузов Н.С. Влияние времени закрытия судовых задвижек на уровень максимального давления в трубопроводах нефтеналивных терминалов. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. №1. С.38-40.
5. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах М.: Недра, 1975.
296с.
Поступила в редакцию 21 января 2015 г.
Шарифуллин Вилен Насибович - д-р техн. наук, профессор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)236-45-62. E-mail: [email protected].
Шарифуллин Андрей Виленович - д-р техн. наук, профессор Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).
