ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
() - объемный расход К - коэффициент жесткости Ь - акустическая индуктивность N - сила Р - давление
К - гидравлическое сопротивление, газовая постоянная Яе - число Рейнольдса Т - температура Р - площадь V - объем
А - приращение, ошибка
с - скорость распространения звука с1 - диаметр / -’длина
у - жесткость пружины // - коэффициент расхода, динамическая вязкость р - плотность рабочей среды л* - деформация на один виток пружины к - перемещение ( - время
ИНДЕКСЫ
Я - относится к расходу
Ар - относится к перепаду
давления
в - виток
вн - вносимый
вх - вход
вых - выход
г - газ
гс - гаситель д - демпфер деф - деформация доп - допустимый ж - жидкость
ОСНОВНЫЕ СОКРЛЩЕІШЯ
ТЭС - теплоэнергетическая станция ЭПЗ - электропневмозаслонка ЭПК - электропневмоклапан ФВЧ - фильтр высоких частот ФНЧ - фильтр нижних частот ФЧХ - фазочастотная характеристика.
3 - задержка к - конечная кп - колпак // - насос
ид - начало движения пб - наибольший пп - предварительно поджатый пр - пружина, приведенный гп - торец
тр - трубопровод, требуемый уп - упор щ - щелевой
2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЯХ ТЕХ1ЮЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.1 Анализ динамических процессов в трубопроводных магистралях технологических установок
1.2 Характеристики элементов трубопроводных магистралей при псустановившемся движении жидкости
1.3 Методы и средства снижения интенсивности динамических процессов в трубопроводных магистралях
1.3.1 Гасители энергии ускоренного потока жидкости
1.3.2 Средства гашения гидравлического удара в трубопроводных магистралях
1.4 Постановка задач исследований
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТРУБОПРОВОДНОЙ МАГИСТРАЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Математическая модель и методика расчета неустановившегося движения жидкости в трубопроводной магистрали
2.2 Разработка алгоритма и программы расчета на ПК скорости и сил реакции потока жидкости в уголковых соединениях трубопровода
2.3 Методика пользования программой расчета гидродинамических параметров на ПК
2.4 Снижение интенсивности динамических процессов в трубопроводной магистрали технологической установки ТЭЦ
2.5 Основные результаты и выводы
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЯХ
3.1 Разработка конструктивной схемы и методики расчета характеристик гасителя энергии ускоренного потока жидкости
3.2 Методика проектировочного расчета гасителя
3.3 Инструкция по пользованию программой проектировочного расчета гасителя на ПК
3.4 Проектировочный расчет гасителя для стендовой п невм о гидравл и чес ко й уста и о в к и
3.5 Проектировочный расчет гасителя для технологической установки ТЭЦ
3.6 Разработка демпфера гидравлического удара для системы управления прокатного стана
3.7 Основные результаты и выводы
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
4.1 Экспериментальное исследование динамических процессов в трубопроводной магистрали технологической установки ТЭ11,
4.1.1 Измерительно-обрабатывающий комплекс для натурных экспериментальных исследований
4.1.2 Анализ результатов экспериментальных исследований динамических процессов в трубопроводной магистрали технологической установки
4.2 Экспериментальное исследование эффективности действия гасителя энергии ускоренного потока жидкости
4.2.1 Оборудование, измерительно-обрабатывающий комплекс и методика экспериментальных исследований гасителя
4.2.2 Анализ результатов экспериментальных исследований эффективности действия гасителя
4.3 Экспериментальное исследование работоспособности запорно-регулирующей арматуры технологических установок ТЭЦ
4.4 Анализ погрешности результатов экспериментальных исследований
4.5 Основные результаты и выводы
146
Основные результаты и выводы по работе 148
Список литературы 150
Приложение 111 - Схемы трубопроводной обвязки баков НКФ химического цеха ТЭЦ 157
Приложение П2 - Блок-схема программы расчета характеристик трубопроводной магистрали при нсустаиовившемся движении жидкости 161
Приложение ПЗ - Программа расчета гидродинамических характеристик трубопроводной магистрали при неустановившемся движении жидкости 164
Приложение П4 - Блок-схема программы расчета гасителя кинетической энергии потока жидкости 174
Приложение П5 - Программа проектировочного расчета гасителя энергии ускоренного потока жидкости 177
Приложение ГІ6 - Основные характеристики электронной платы
L-264 L -Card и вибропреобразователя 181
Приложение П7 - Таблицы результатов испытаний запорно-регулирующей арматуры 181
5
ВВЕДЕНИЕ
Важной проблемой, возникающей при эксплуатации технологических установок на предприятиях энергетики, химической,
нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в водоканале, является обеспечение их надежности в условиях повышенных гидродинамических нагрузок, действующих на трубопроводы. Ресурс трубопроводной обвязки технологического оборудования определяется в основном их коррозионной стойкостью. Применение трубопроводов из коррозионно-стойких сталей обходится весьма дорого, поэтому начали применяться трубопроводы из полимерных материалов. Малый опыт эксплуатации пластмассовых труб и арматуры не позволяет учесть многие их особенности при проектировании трубопроводных систем. Поэтому в процессе эксплуатации пластмассовых груб могут возникать задачи, связанные с обеспечением их надежности. Гидродинамические процессы, возникающие в процессе эксплуатации технологических аппаратов из-за открытия (закрытия) запорно-регулирующей арматуры при ручном и автоматическом управлении, могут приводить к увеличению скорости движения жидкости больше нормативных величин и, как следствие, к чрезмерно большим нагрузкам на трубопроводы и арматуру. Такие нагрузки могут привести к разгерметизации стыков трубопроводов, к поломке арматуры и стать причиной аварийных ситуаций.
Такой случай наблюдался в процессе опытной эксплуатации 6-го блока фильтров в химическом цехе Самарской ТЭЦ. При опорожнении фильтра НКФ №3 произошло нештатное срабатывание электропневмозаслонки, что привело к ускорению потока жидкости и возникновению повышенных гидродинамических сил и, как следствие, разрушению сливного участка трубопровода из ПВХ. В химических цехах крупных ТЭЦ эксплуатируются до 90 баков-фильтров химводоочистки емкостью 30 м3 с сотнями метров трубопроводной магистрали Эу150, в которых наблюдается неустановившееся движение жидкости.
6
Поэтому весьма важным является создание трубопроводной обвязки из пластмассовых труб с учетом комплекса факторов, без учета которых нельзя эксплуатировать трубопроводную систему длительный срок. Для этого необходимо разработать математическую модель трубопроводной обвязки и исследовать процессы возникновения повышенных гидродинамических нагрузок на трубопроводы при открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры.
Для исключения в технологической установке потока жидкости с повышенной скоростью необходимо разработать специальные устройства. Простейшим таким устройством является диафрагма, устанавливаемая в трубопроводе на пути движения жидкости. Однако при этом необходимо определить место установки диафрагмы и диаметр его проходного сечения, что возможно, если имеется математическая модель трубопроводной магистрали и программа расчета ес характеристик. Для случаев, когда не удается решить задачу с помощью диафрагмы, необходимо разрабатывать специальные гасители кинетической энергии потока жидкости.
Одним из распространенных случаев возникновения повышенных нагрузок на трубопроводы и арматуру является гидравлический удар. Несмотря на многочисленные научные исследования по созданию методов и средств снижения интенсивности гидравлического удара часто возникают задачи, решение которых связано с динамическими особенностями конкретной гидравлической системы. Поэтому возникает необходимость в разработке демпферов гидравлического удара исходя из структуры, последовательности действия органов управления и особенностей защищаемой от повышенных давлений системы. Указанные выше задачи решены в данной диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований и приложений. Общий объем диссертации 186 страниц, 94 рисунка и 20 таблиц.
7
Методологической базой теоретических исследований явились труды отечественных и зарубежных ученых, исследовавших динамические процессы, происходящие в трубопроводных магистралях. Теоретические исследования основаны на законах физики, механики, математических хмоделях гидродинамических процессов в трубопроводах. Исследования проведены с применением компьютерного моделирования и постановкой модельных и натурных экспериментов.
В первой главе дается анализ гидродинамических процессов, протекающих в трубопроводных магистралях технологических установок ТЭЦ, в гидравлической системе прокатного стана, рассмотрены математические модели неустановившегося движения жидкости в местных сопротивлениях, приведен обзор методов и средств снижения интенсивности динамических процессов в трубопроводных магистралях технологических установок.
Во второй главе разработана математическая модель типовой трубопроводной магистрали технологической установки, включающей емкость, трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру, разработаны алгоритм и программа проектировочного расчета на ПК параметров потока жидкости в трубопроводе при открытии заслонки, проведено исследование гидродинамических нагрузок, действующих в уголковых соединениях трубопровода, и предложены методы снижения этих нагрузок.
В третьей главе предложена схема, разработана математическая модель и методика выбора параметров гасителя энергии ускоренного потока жидкости при скоростях, превышающих допустимые по технологическому циклу нормы. Разработана конструкция гасителя для стендовой магистрали, позволяющего снизить скорость потока жидкости и, тем самым, динамические нагрузки на трубопроводы.
В четвертой главе дано описание разработанного автором стендового оборудования, измерительно-обрабатывающего комплекса и методики экспериментальных исследований эффективности гасителя по снижению
8
скорости жидкостной пробки в стендовой пневмогидравлической магистрали при неустановившемся движении жидкости. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик гасителя и гидродинамических процессов в трубопроводной магистрали технологической установки ТЭЦ. Приведены результаты экспериментальных исследований запорно-регулирующей аппаратуры различных фирм в динамическом режиме и даны рекомендации по обеспечению их работоспособности.
Научная новизна выполненных исследований: разработана и
экспериментально подтверждена математическая модель типовой трубопроводной магистрали технологической установки с движущейся жидкостной пробкой, позволяющая рассчитывать динамические нагрузки в уголковых соединениях трубопровода с учетом давления в емкости, быстродействия запорно-регулирующей арматуры, места установки и параметров диафрагмы и гасителя энергии ускоренного потока жидкости; впервые предложена схема, разработаны методика и программа проектировочного расчета, конструкция гасителя энергии ускоренного потока жидкости; разработана методика расчета демпфера гидравлического удара для трубопроводной магистрали прокатного стана.
Практическая ценность: полученные теоретические и
экспериментальные результаты, программную продукцию рекомендуется использовать при доводке и разработке новых трубопроводных магистралей технологических установок с учетом динамических процессов; рекомендации, сформулированные в результате экспериментальных исследований запорно-регулирующей арматуры, обеспечат их работоспособность; методика и программа расчета динамических параметров технологической установки внедрены на Самарской ТЭЦ, в учебный процесс СГАУ, а демпфер гидравлического удара - в ООО «Мегаком».
Достоверность научных исследований подтверждается использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам,
9
удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, опытом использования предложенных рекомендаций при доводке трубопроводной магистрали технологической установки ТЭЦ.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 5-и Международных, 3-х Всероссийских и 3-х региональных конференциях, на НТС предприятия ОАО «Агрегат» и кафедры автоматических систем энергетических установок СГАУ.
По теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 8 статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК; 3 тезисов доклада на научно-технических конференциях и 2 патента на полезную модель.
10
ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.1 Анализ динамических процессов в трубопроводных магистралях технологических установок
Разработка мероприятий но обеспечению надежности трубопроводной арматуры и самих трубопроводов должна начинаться с анализа динамических процессов, возникающих при штатном и нештатном срабатывании исполнительных элементов систем автоматического и ручного управления [15, 43, 46, 52]. В качестве примера такого анализа, можно рассмотреть процессы, происходящие в водопроводных магистралях из ПВХ одного из блоков фильтров в химическом цехе ТЭЦ [69]. В основу анализа гидродинамических процессов в водопроводных магистралях фильтров химводоочистки (ХВО) заложена оценка условий, при которых резкое ускорение или замедление потока жидкости приводит к появлению повышенных реактивных сил в изгибах трубопроводов или к возникновению гидравлического удара. Ускоренное или замедленное движение жидкости может происходить при резком открытии или закрытии зпетропневмозаслонок (ЭПЗ) [14, 17, 22, 23]. Об этом свидетельствует случай разрушения трубопровода из материала ПВХ при опорожнении бака-фильтра НкЗ блока химводоочистки (ХВО) химического цеха Самарской ТЭЦ при резком открытии ЭПЗ №3 и закрытии ЭПЗ №6 (рисунок 1.1.1 и рисунок 1.1.2). Резкое открытие ЭПЗ №3 привело к ускорению потока жидкости и возникновению повышенных гидродинамических сил и разрушению сливного участка трубопровода Ду150 из ПВХ.
Эксплуатация катионного фильтра сопровождается периодическим исполнением четырех операций: взрыхления, регенерация, отмывки и фильтрования. При использовании для взрыхления кислой воды одновременно с взрыхлением происходит процесс регенерации и для этого случая цикл состоит из трех операций: взрыхления - регенерации, отмывки и
И
фильтрования. Взрыхление осуществляется водой, протекающей через фильтр снизу вверх (рисунки 1.1.3 и 1.1.4).
Рисунок 1.1.1 - Иллюстрация положения вентилей и заслонок блока ХВО в режиме взрыхления в баке Нк 1: ^ - открытый кран; ■Л' -закрытый кран
Остальные виды на арматуру баков приведены в приложениях на
рисунках П1.1 П1.6.
Порядок взрыхления со сбросом воды в бак сбора стоков определяется выполнением следующих технологических операций:
1. Перекрытие всей арматуры фильтра.
2. Ручное открытие задвижки 2Д-6.
3. Ручное открытие задвижки 6С-6.
4. Автоматическое открытие ЭГ13 №6.
5. Автоматическое открытие ЭПЗ №3.
6. Ручное открытие «воздушника» фильтра.
12
7. Ручное открытие крана КЗ-6 до установления расхода воды 60 т/ч, что соответствует скорости потока жидкости в трубе Ду 150 - 0,95 м/с.
8. Ручное закрытие «воздушника» при появлении воды из сливной труб 1*1 бака.
9. При отсутствии выноса частиц размером 0,2 мм увеличение расхода воды до 80... 100 т/ч, что соответствует скорости потока жидкости в трубе Ду 150 - до 1,26 - 1,58 м/с.
10. После окончания взрыхления - ручное закрытие крана КЗ-6.
11. Автоматическое закрытие ЭПЗ №6.
12. Автоматическое закрытие ЭПЗ №3.
Рисунок 1.1.2 - Вид на заслонку ЭПЗ №3
трубопроводной обвязки фильтра НкЗ шестого блока ХВО химического цеха
13
Рисунок 1.1.3. - Иллюстрация положения вентилей и заслонок в баке Нк2 блока ХВО в режиме взрыхления: - открытый кран; ^ - закрытый кран
Рисунок 1.1.4 - Вид на заслонку ЭПЗ №6 трубопроводной обвязки фильтра НкЗ шестого блока ХВО химического цеха
При соблюдении указанного штатного технологического цикла открытие ЭПЗ №3 и закрытие ЭПЗ №6 не приводят к резкому ускорению или к резкому замедлению потока воды в трубопроводах.
Опасными язляются нештатные технологические операции, сопровождающиеся резким открытием ЭПЗ №3 или закрытием ЭПЗ №6. Причем опасность разрушения трубопроводов возникает только при определенных условиях. При резком закрытии ЭПЗ №6 таким условием является наличие сплошного потока жидкости через заслонку. Резкое
закрытие ЭПЗ №6 (при длительности закрытия тз < 0,05 с) приводит к
гидравлическому удару на входе в заслонку. Величина давления гидравлического удара Ргу определяется по формуле [19, 40, 41, 68]:
где Рсщ - статическое давление в трубопроводе на входе в заслонку; р -плотность жидкости; с - скорость звука в трубопроводе с жидкостью; -V -скорость потока жидкости в трубопроводе на входе в заслонку. Скорость потока жидкости определяется расходом, а скорость звука в трубопроводе с жидкостью по формуле Н.Е. Жуковского [43]
где с.„ =1425 м/с - скорость звука в воде (или в трубопроводе с абсолютно жесткими стенками); О, сі - наружный и внутренний диаметры трубопровода; Еж = рс2ж - модуль упругости воды; Етр - модуль упругости
звука в трубопроводе из ПВХ Ду 150 с толщиной стенки 5 = 7,7 мм, в соответствии с формулой (1.1.2), равна с = 387,2 м/с.
Рп = Рсш + Рс,’>
С
(1.1.2)
С =
материала трубы. Для трубопровода из ГІВХ Етр = 3,2 • 109 Па. Скорость
15
Если статическое давление в трубопроводе равно /^=5-10"* ГГа, то давление гидравлического удара при наибольшей для данного режима скорости потока жидкости у = 1,58 м/с равно (см. формулу (1.1.1))
Рсу = 11,2-105 Па, что в 3,7 раза меньше предельного допустимого значения
давления в трубопроводах из ПВХ 42 • 105 Па.
Если по каким либо причинам, например при наличии воздушных пробок па входе в заслонку происходит увеличение скорости потока жидкости выше скорости по штатным условиям, то давление гидравлического удара может иметь значительную величину. Например, для тех же рассмотренных условий предельная скорость потока жидкости, резкий останов которой
приводит к предельно допустимому давлению 42-10"* Па, равна
рсу - ра„ 42 ■ I О5 -5-105 А_ ,
V = — г-------------------= 9,;> м/с.
РС 10-5 - 389,9
При резком открытии ЭПЗ №3 нештатными условиями, приводящими к ускорению жидкости в трубопроводах и, как следствие, к появлению повышенных гидродинамических сил являются: наличие в баке воздушной подушки, отсутствие воды в трубопроводе за заслонкой. При этом в местах изгиба труб возникает реактивная сила потока жидкости, которая может превысить допустимую силу по изгибному напряжению.
Исходя из проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:
- при соблюдении штатного технологического цикла на фильтрах не могут возникать повышенные гидродинамические силы, действующие на трубопроводы при резком открытии или резком закрытии ЭПЗ;
- разрушение трубопровода может произойти в результате нештатного резкого открытия ЭПЗ №3, приводящему к ускорению жидкости, возникновению повышенных сил реакции потока, что может стать причиной возникновения чрезмерных изгибных моментов;
- для защиты трубопроводов от действия повышенных сил реакции потока жидкости можно рекомендовать применять ЭПЗ, имеющие
16
- Київ+380960830922