Оценка влияния температуры окружающего воздуха на производительность мобильной газодобывающей станции Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 66.071.62 ГРНТИ 31.15.21

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МОБИЛЬНОЙ ГАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ

И.А. КАЗЬМИН

Электрогазовая служба командования Военно-воздушных сил Главного командования Воздушно-космических сил (г. Москва)

А.В. ИВАНОВ, кандидат технических наук

ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) А.А. ВОРОБЬЕВ, кандидат технических наук

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Повышение производительности и модернизация мобильных газодобывающих станций являются актуальными вопросами современной авиации. В работе проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование с использованием экспериментальных данных для исследования влияния изменения температуры окружающего воздуха на производительность станции. Составлено уравнение энергетического баланса для участка схемы. Установлена зависимость влияния на производительность воздухоразделительной установки в жидкостном азотном режиме температуры окружающего воздуха, величины детандерного потока воздуха, теплопритоков из окружающей среды, недорекуперации теплоты в ожижителе и потерь холода в блоке комплексной очистки. Сделаны выводы о том, что изменение температуры окружающего воздуха оказывает существенное влияние на производительность установки.

Ключевые слова: воздухоразделительные установки, холодопроизводительность, цикл, энтальпия, метод линейной аппроксимации.

THE AIR ENVIRONMENT TEMPERATURE EFFECT ESTIMATION ON THE MOBILE GAS-DRIVING STATION PRODUCTIVITY

I.A. KAZ'MIN

The Air Force command electrogas service of the Aerospace Forces Main command (Moscow)

A.V. IVANOV, Candidate of Technical Sciences

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

A.A. VOROB'EV, Candidate of Technical Sciences

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

Increasing productivity and modernization of mobile gas production stations are topical issues of modern aviation. The paper presents experimental studies and mathematical modeling using experimental data to study the effect of changes in ambient temperature on the station performance. The energy balance equation for the circuit section is compiled. The dependence of the influence on the performance of the air separation unit in the liquid nitrogen mode of the ambient temperature, the value of the expander air flow, heat from the environment, the under-recovery of heat in the liquefier and the loss of cold in the complex cleaning unit. It is concluded that the change in ambient temperature has a significant impact on the performance of the installation.

Keywords: air separation unit, refrigeration cycle, enthalpy, method of linear approximation, cooling capacity.

W g

U

Введение. Станция кислородоазотодобывающая транспортабельная ТКДС-100В предназначена для получения жидкого медицинского кислорода, газообразного медицинского кислорода, жидкого и газообразного азота сорта 2 и сухого очищенного воздуха высокого давления до 40 МПа (400 кг/см2). Оборудование станции должно обеспечивать работоспособность при работе на открытой площадке (под навесом) с температурой от минус 50 до плюс 50 °С и относительной влажностью 90 %. В основу работы положен метод глубокого охлаждения воздуха по циклу высокого давления с поршневым детандером и колонной двукратной ректификации. Воздух переводится в жидкое состояние сжатием его в компрессорах, расширением и охлаждением в дроссельном вентиле и поршневом детандере, а затем разделяется на составные части вследствие разности температур кипения жидких кислорода и азота. При испарении жидкого воздуха сначала испаряется азот, обладающий более низкой температурой кипения, а по мере улетучивания азота жидкость обогащается кислородом. Повторяя процесс многократного испарения жидкости на тарелках ректификационной колонны, достигается желаемая степень разделения воздуха на кислород и азот требуемой чистоты [1].

Актуальность. Современное состояние развития средств аэродромно-технического обеспечения полётов государственной авиации в наши дни с каждым годом возрастает. И связано это, в первую очередь, со значительным скачком в развитии авиационных комплексов, имеющих в своей конструкции системы с повышенным качеством выдаваемых параметров и точностных характеристик и необходимости иметь в составе военно-воздушных сил современные наземные средства для их обслуживания. В связи с этим повышение производительности возду-хоразделительной установки ТКДС-100В является актуальным вопросом для современной авиации [2].

Максимальная возможная величина отбора продукционного азота Б, кг при работе ВРУ на жидкостном режиме определяется соотношением [3, С. 262]:

Б = Ох = О-

Чх

к1 - к,

(1)

где О - расход рабочего вещества, кг/с; х - коэффициент ожижения, кг/кг; дх - полезная удельная холодопроизводительность, кДж/кг; к1 - энтальпия газа при температуре окружающей среды, кДж/кг, кf - энтальпия жидкости, кДж/кг.

На рисунках 1 и 2 представлены упрощенная технологическая схема ТКДС-100В на режиме производства жидкого азота и соответствующая ей схема рабочих процессов в координатах Т-я.

ы

К - компрессор, X - холодильник, ОТ - основной теплообменник, БКО - блок комплексной очистки и осушки воздуха, ОЖ - ожижитель, ДТ - детандерный теплообменник, РК 1 и РК 2 - ректификационные колонны № 1 и № 2, РВ - регулировочный вентиль

Рисунок 1 - Технологическая схема станции ТКДС-100В на режиме производства жидкого азота

Уравнение энергетического баланса для участка схемы ограниченного контуром I на рисунке 1 будет иметь вид:

к2 + к3'+ \ Рд + €С = кгх + к' Рд + к1'(1 - х)+ к3

(2)

где к, - энтальпия потока отбросного газа на выходе ожижителя в точке 1, кДж/кг; к2 - энтальпия потока воздуха высокого давления в точке 2 перед ожижителем, кДж/кг; к3 - энтальпия воздуха высокого давления на выходе ожижителя перед блоком комплексной очистки и осушки воздуха (БКО) в точке 3, кДж/кг; к3, - энтальпия детандерного потока в точке 3 после

БКО и перед детандерным агрегатом в точке 3, кДж/кг; к4^ - энтальпия детандерного потока воздуха в точке 4д после его расширения в детандере до давления Р1, кДж/кг; к-[ - энтальпия отбираемого жидкого азота в точке/ кДж/кг; - доля детандерного потока воздуха, кг/кг; д°°с -

удельные притоки теплоты из окружающей среды в блок разделения воздуха, кДж/кг; х - доля жидкого азота отбираемой из цикла ВРУ, кг/кг.

ы

Рисунок 2 - Схема рабочих процессов цикла ВРУ ТКДС-100В на режиме производства жидкого азота

в координатах

Введем обозначения и выразим переменные в уравнении (5):

дБпКО = К - К,, (3)

К, = К - СрАТ = к - Ср(Т - Т') = К - сРЕК, (4)

И' - И4д =(И3' - К )Пи.Л , (5)

где дЩКО - удельные потери холодопроизводительности в результате нагревания газа в БКО, кДж/кг; дрЕК - удельные потери холодопроизводительности в результате недорекуперации теплоты в ожижителе, кДж/кг; ср - теплоемкость отбросного газа на выходе ожижителя, кДж/(кгК); АТ- недорекуперация теплоты в ожижителе, К; ИАд - энтальпия детандерного потока в точке 4дц в случае изоэнтропного расширения воздуха в детандере до давления Рд кДж/кг; пиз - изоэнтропный КПД детандера.

С учетом (2) - (5) запишем выражение для определения коэффициента ожижения цикла

ВРУ:

х =

К - К а )изРд + К - К - дГ - сГ - дОС

+ И,- И2 -< И - Иг- с

РЕК

(6)

Ы

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВООРУЖЕНИЯ И ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ, ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

В

Полученное выражение (6) устанавливает зависимость влияния на производительность воздухоразделительной установки по жидкому азоту температуры окружающего воздуха, величины детандерного потока воздуха Бд, теплопритоков из окружающей среды, недорекуперации теплоты в ожижителе и потерь холода в БКО.

На рисунках 3 и 4 представлены зависимости изменения температуры потока воздуха на входе в технологическое отделение (точка 2 на диаграмме в соответствии с рисунком 2) и температуры окружающего воздуха (точка 1 на диаграмме в соответствии с рисунком 2) за периоды эксплуатации станции ТКДС-100В с 01.08.2016 г. по 06.08.2016 г. и с 05.09.2016 г. по 10.09.2016 г.

л •• • -

ч. • ё ч V У

»«__* 4 ■■■■ •

• • •

• » • • •

• • * • • • • • • •

• • • • ••••• • •. * *

01.08.16 16:00

02.08.16 16:00

03.08.16 16:00 04.08.16 16:00

Астрономическое время, ДД.ММ.ГГ ч:мм

Температура воздуха на входе в технологического отделение (точка 2 на диаграмме) Температура окружающего воздуха (точка 1 на диаграмме)

05.08.16 16:00

06.08.16 16:00

Рисунок 3 - Зависимости измерения температуры потока воздуха на входе в технологическое отделение и температуры окружающего воздуха в период эксплуатации станции ТКДС-100В с 01.08.2016 г. по 06.08.2016 г.

50 45

? 35

л

■и • •

• • • • - ( • •

• • • • • • • • • 1 1 • •

1 • • • • • «

05.09.1612:00 06.09.16 0:00 06.09.1612:00 07.09.16 0:00 07.09.1612:00 08.09.16 0:00 08.09.1612:00 09.09.16 0:00 09.09.1612:00 10.09.16 0:00 10.09.1612:00

Астрономическое время, ДД.ММ.ГГ ч:мм

• Температура воздуха на входе в технологического отделение (точка 2 на диаграмме)

• Температура окружающего воздуха (точка 1 на диаграмме)

Рисунок 4 - Зависимости измерения температуры потока воздуха на входе в технологическое отделение и температуры окружающего воздуха в период эксплуатации станции ТКДС-100В с 05.09.2016 г. по 10.09.2016 г.

Анализ графиков показывает, что температура потока воздуха на входе в технологическое отделение закономерно изменяется в течении суток вместе с изменением температуры окружающего воздуха, что объясняется использованием в качестве стока теплоты в системе охлаждения компрессорных агрегатов атмосферного воздуха. При этом средняя разность температур, на которую недоохлаждается воздух при сжатии в компрессорном отделении, составляет 23.. .25 °С.

Средняя температура окружающего воздуха при эксплуатации станции в первый период составила 22,6 °С, во второй период - 17,1 °С. В течение суток же температура воздуха, поступающего в технологическое отделение, изменяется в пределах от 10 до 13 °С.

Для анализа влияния этих факторов на производительность воздухоразделительной установки в соответствии с уравнением (6) возникла необходимость в определении исходных

ы

данных для моделирования (энтальпии потоков в точках 1, 2 и 1 ). С этой целью данные по температуре потоков воздуха на входе в технологическое отделение и отбросного газа на выходе из технологического отделения при заданных значениях температуры окружающего воздуха были нанесены на одну координатную плоскость, изображение которой представлено на рисунке 5. Методом линейной аппроксимации были получены зависимости для определения температур потоков воздуха на входе в технологическое отделение в точке 2 и отбросного газа на выходе из технологического отделения в точке 1:

Т2 = 0,757; + 29,3, 7 = 0,677 + 21,0,

(7)

(8)

где Т} - температура окружающего воздуха в точке 1, °С; Т2 - температура воздуха на входе в технологическое отделение в точке 2, °С; Т1/ - температура отбросного газа на выходе из технологического отделения в точке 1, °С.

в • «, • М--- • - —-- у = 0,75* + 29,27

|__--- • 1 # •

« _ % ^ • • • ___ .-- " у = 0,67х + 20,9(

-. •. * • * > --- •

» —ч*— • •

- • • •

я 45 то

о.

£ 35

10 15 20 25 30 35

Температура окружающего воздуха,°С

Температура отбросного газа на выходе из технологического отделения (точка 1 на диаграмме в период эксплуатации станции с 01.08.2016 г. по 06.08,2016 г.| Температура отбросного газа на выходе из технологичекого отделения (точка 1 на диаграмме в период эксплуатации станции с 05.09.2016 г. по 10.09.2016 г.)

• Температура воздуха на входе в технологическое отделение (точка 1 на диаграмме в период эксплуатации станции с 01.08.2016 г. по 06.08.2016 г.)

• Температура воздуха на входе в технологическое отделение (точка 1 на диаграмме в период эксплуатации станции с 05.09.2016 г. по 10.09.2016 г.) -Линейная аппроксимация изменения температуры воздуха на входе в технологическое отделение

^—Линейная аппроксимация изменения температуры отбросного газа на выходе из технологического отделения

Рисунок 5 - Экспериментальные данные по температурам потоков воздуха на входе в технологическое отделение и отбросного газа на выходе из технологического отделения

Остальные исходные данные, необходимые для проведения моделирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для моделирования

Наименование параметра и размерность Значение

Диапазон изменения среднесуточной температуры окружающего воздуха, °С 15...35 10...25

Объемная производительность компрессорных агрегатов при нормальных условиях, м3/ч 500

Давление воздуха на входе в технологическое отделение Ртд, МПа 20

Давление в ректификационной колонне № 1 Р}, МПа 0,5

Давление в ректификационной колонне № 2 Р2, МПа 0,07

Изоэнтропный КПД детандера п 0,7

Удельные потери в БКО, кДж/кг 4,0

Удельные притоки теплоты из окружающей среды, кДж/кг 6,0

Температура воздуха на выходе из БКО, °С 12

Доля детандерного потока Гд 0,5

При моделировании не учитывалось влияние на производительность таких факторов, как проведение параллельной работы блока комплексной очистки и осушки воздуха и наличие потерь вследствие продувки влагомаслоотделителей компрессорных агрегатов. Принималось допущение о постоянстве атмосферного давления равного 760 мм.рт.ст. Результаты моделирования представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Зависимость изменения производительности воздухоразделительной установки по жидкому азоту от температуры окружающего воздуха

Кривая полученных расчетных значений производительности воздухоразделительной установки имеет практически прямолинейный характер. При этом производительность в течении суток для выбранных временных интервалов изменяется от 88 до 100 % при эксплуатации в начале августа 2016 г., когда средняя температура была в пределах 22,6 °С и от 89 до 100 % при эксплуатации станции в начале сентября 2016 г., когда средняя температура была в пределах 17,1 °С. Средняя производительность ВРУ во второй, более холодный период эксплуатации, выросла в сравнении с первым на 6 % при снижении средней температуры окружающего воздуха на 5,5 °С.

Выводы. Изменение температуры окружающего воздуха оказывает существенное влияние на изменение производительности воздухоразделительной установки. Метод математического моделирования, построенный на основе экспериментальных данных, показал, что средняя производительность воздухоразделительной установки во второй, более холодный период эксплуатации, выросла на 6 % при изменении средней температуры окружающего воздуха на 5,5 °С. Получена зависимость влияния на производительность воздухоразделительной установки по жидкому азоту от температуры окружающего воздуха, величины детандерного потока воздуха, теплопритоков из окружающей среды, недорекуперации теплоты в ожижителе и потерь холода в блоке комплексной очистки. Полученные данные необходимо учитывать при эксплуатации воздухоразделительных установок и организации бесперебойного обеспечения газами.

м и

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методическое пособие по эксплуатации кислородазотдобывающей станции ТКДС-100В: учеб. пособие / А.В. Козлов, А.В. Иванов, А.М. Кокарев, А.Ю. Щепелев, О.Р. Балабан, П.Б. Масленников. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2015. 214 с.

2. Казьмин И.А. Современное состояние развития средств аэродромно-технического обеспечения полетов государственной авиации // Приоритетные направления и актуальные проблемы развития средств технического обслуживания летательных аппаратов. Сб. науч. тр. ст. по материалам III Всероссийской науч.-техн. конф. (13-14 марта 2018 г.) / Воронеж: ООО «КВАЛИС», 2018. 259 с.

3. Криогенные системы: Учебник для вузов, Т. 1. Основы теории и расчета / А.М. Архаров и др., 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1996. 576 c.

REFERENCES

1. Metodicheskoe posobie po 'ekspluatacii kislorodazotdobyvayuschej stancii TKDS-100V: ucheb. posobie / A.V. Kozlov, A.V. Ivanov, A.M. Kokarev, A.Yu. Schepelev, O.R. Balaban, P.B. Maslennikov. Voronezh: VUNC VVS «VVA», 2015. 214 p.

2. Kaz'min I.A. Sovremennoe sostoyanie razvitiya sredstv aerodromno-tehnicheskogo obespecheniya poletov gosudarstvennoj aviacii // Prioritetnye napravleniya i aktual'nye problemy razvitiya sredstv tehnicheskogo obsluzhivaniya letatel'nyh apparatov. Sb. nauch. tr. st. po materialam III Vserossijskoj nauch.-tehn. konf. (13-14 marta 2018 g.) / Voronezh: OOO «KVALIS», 2018. 259 p.

3. Kriogennye sistemy: Uchebnik dlya vuzov, T. 1. Osnovy teorii i rascheta / A.M. Arharov i dr., 3-e izd., pererab. i dop. M.: Mashinostroenie, 1996. 576 p.

© Казьмин И.А., Иванов А.В., Воробьев А.А., 2018

Казьмин Игорь Александрович, начальник электрогазовой службы командования Военно-воздушных сил Главного командования Воздушно-космических сил, Россия, 119160, г. Москва, в/ч 94108-К, [email protected].

Иванов Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, начальник 2 научно-исследовательского управления научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].

Воробьев Александр Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель 24 кафедры криогенных машин, установок и электрогазовой техники, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].

W U