авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка методик расчета нестационарной газодинамики теплоносителей в теплотехнических установках и системах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Василенко Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНОЙ

ГАЗОДИНАМИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И СИСТЕМАХ

Специальность 05.14.04 – «Помышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом

университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Трофимов Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Запорожец Евгений Петрович

кандидат технических наук

Куцев Владислав Анатольевич

Ведущая организация: ООО “НК ”Роснефть”-НТЦ” (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится 5 мая 2009 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в Кубанском государственном технологическом университете (350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская 88/4 аудитория С-410)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2


Автореферат разослан 2 апреля 2009 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.06,

кандидат технических наук, доцент Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных элементов ТЭУ и систем являются трубопроводы, по которым осуществляется движение энергоносителей. Такими энергоносителями являются жидкие (вода, нефть) и газообразные (пар, природный газ) среды.

Важным моментом процесса транспорта любых сплошных сред является нестационарность, и представление их расчетов в виде стационарных зависимостей, которые часто используются на практике, в большинстве случаев неоправданно. Нестационарные режимы работы трубопроводов могут привести к значительным изменениям параметров транспорта сплошных сред (энергоносителей), нарушающим их нормальную устойчивую работу, вызывающим увеличение затрат на транспорт, повышенный износ оборудования, в некоторых случаях разрушение. Такие режимы для оборудования ТЭУ весьма характерны.

Нестационарные процессы имеют место как в теплоэнергетическом оборудовании (промышленных котельных, тепловых электрических станциях, установках сжатого воздуха, системах теплоснабжения), так и в системах магистрального транспорта газа, газоперерабатывающих заводов и др.

Оперативное управление ТЭУ требует применения быстродействующих методик расчета со временем счета ниже, чем время переходных процессов при нестационарных режимах. Это дает возможность рассчитывать технологические альтернативы и принимать соответствующие управленческие решения в соответствии с анализом технологического режима. Для этого необходимо использовать быстродействующие методики расчета, основанные на применении инженерных формул, прошедших теоретическую и экспериментальную проверку [8, 19, 75, 107]. В настоящее время существуют частные методики для оперативного управления оборудованием, разработанные отдельными предприятиями, области применения которых для различных технологических ситуаций в большей части ограничены.

Динамика сплошных сред описывается линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных. Решение этих уравнений в полном объеме может быть выполнено только численными методами. Однако использование численных методов, особенно в сложных установках и в сетях является чрезвычайно трудной задачей из-за трудоемкости, громоздкости, и большого времени счета, что вызывает проблемы для их использования.

Знание механизма переноса массы дает возможность совершенствовать технологические процессы, безопасно варьировать нагрузкой и тем самым повышать надежность работы теплоэнергетических установок.

Методики расчета нестационарных процессов движения сжимаемых сплошных сред необходимы:

- для оценки условий работы действующего оборудования и проектирования нового;

- для разработки программ, используемых в АСУ объектов;

- для разработки тренажеров, используемых для обучения эксплуатационного персонала установок.

В настоящей работе приводятся результаты исследований инженерных методов расчета нестационарных процессов сжимаемых сред, которые позволили получить компактные методики расчета, имеющие достаточную для практики точность, обладающие высоким быстродействием, что позволяет выполнять расчеты систем достаточной сложности.

Разработанные методики расчета позволяют определять давления и расходы (объемные и массовые) на входе и выходе трубопроводов в зависимости от различных комбинаций граничных и начальных условий, возникающих на конечных участках трубопровода.

Цель исследования. Повышение эффективности и безопасности эксплуатации ТЭУ и систем путем разработки приближенных методик расчета нестационарных процессов транспорта сжимаемых сред в трубопроводах.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–Разработка и анализ методик расчета уравнений движения сжимаемой среды в трубопроводах теплоэнергетических установок, промышленных котельных, газоперерабатывающих заводов и систем магистрального транспорта газа (СТГ) для всех возможных типов граничных и начальных условий.

–Разработка методик расчета нестационарного изотермического движения сжимаемой среды в трубопроводе с учетом: ускорения потока, геометрического перепада высот концов трубопровода, расположения компрессорной станции, а также путевых отборов по длине трубопровода. Рассматриваются изотермические потоки в паро-газопроводах, которые имеют либо качественную теплоизоляцию, либо охлаждаются за счет естественной циркуляции окружающей среды, которая дает незначительные температурные осевые потоки и потерями в практических расчетах можно пренебречь. Оценки, проведенные в предыдущих работах, показали, что даже в случае контакта газопровода с грунтом это условие соблюдается.

–Апробация разработанных методик путем расчета типовых переходных режимов в элементах ЗАО «Кубаньтеплоэнерго» и объектов, проектируемых ОАО «НИПИгазпереработка».

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна заключается в следующем:

–Разработаны новые методики расчета неста­ционар­ного движения сжимаемой среды в трубопроводах ТЭУ и связанных с ними систем, отличающиеся компактностью, достаточной для практики точностью, быстродействием и минимальными требованиями к техническому обеспечению трубопровода, за счет перехода от распределенных задач к сосре­доточенным (метод эквивалентирования).

–Получены новые приближенные аналитические методики расчета, позволяющие рассчитывать трубопроводы как малой, так и большой протяженности с учетом ускорения потока, влияния сил тяжести, а также расположения компрессорных станций и путевых отборов в трубопроводах.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием методов операционного исчисления Лапласа, метода регуляризации, разложений в ряд Тейлора, метода коллокаций, метода Рунге-Кутта и анализа мнимочастотных характеристик.

Достоверность исследований. Разработанные приближенные решения задач сравнивались с известными результатами, полученными классическими и численными методами, проверенными на­турными экспериментами институтом ВНИИгаз. Достоверность исследований обеспечи­вается корректностью используемого математического аппарата. Основные по­ложения работы, полученные автором, не противоречат опубликованным мате­риалам в области разработанных методик расчета транспорта сжимаемых сред. По результатам исследований определялась погрешность разработанных решений.

Теоретическая значимость работы. Полученные научные результаты являются вкладом в теорию расчетов нестационарного движения сжимаемых сред в трубопроводах. Ра­бота выполнялась в рамках Г/Б НИР № 2.13.012 Ми­нобразования и науки РФ по теме: «Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов тепломассопереноса в газожидкостных потоках и теплопередающих элемен­тах», проводившейся в Кубанском государственном технологическом университете.

Практическая ценность работы. Полученные результаты и методики расчета могут быть использованы проектными, научно-исследовательскими и промышленными организациями при проектировании, эксплуата­ции, а также при разработке программ для систем оперативно - диспетчер­ского управления. От­дельные разделы работы целесообразно использовать в учебном процессе вузов при подготовке инженеров по специальностям 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 130501 «Проектирование, со­оружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», а также при подготовке технического персонала для управления транспортом сжимаемых сред. Практическая ценность работы подтверждается соответствующими ак­тами о внедрении результатов исследования.

Положения, выносимые на защиту:

–Методики аналитического решения нестационарных изотер­мических задач транспорта сжимаемых сред в элементах ТЭУ на основе метода коллокаций, разложения в ряд Тейлора, регуляризации, позволяющих с достаточной точностью рассчитывать переход­ные процессы в трубопроводах.

–Методики расчета нелинейных уравнений движе­ния сжимаемой среды в трубопроводах, позволяющих учитывать расположение компрессорных станций, ускорение потока в коротких трубах, силы тяжести и путевые отборы в трубопроводах.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы опубликованы в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК «Обозрение прикладной и промышленной мате­ма­тики», «Нефтегазовое дело», «Известия Высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион», а также в публикациях всероссийских конферен­ций и семинаров молодых специалистов.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:

–Ежегодных научных конференциях КубГТУ (2003-2005 гг.);

–Всероссийской конференции «XIV школа-семинар молодых ученых и спе­циалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 2003 г.);

–IV Международной конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, 2003 г.);

–Всероссийских симпозиумах по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, г. Петрозаводск, г. Кисловодск, 2002-2005 гг.);

Публикации: По теме диссертационной работы имеется 18 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 1 приложения. Общий объем диссертационной работы 142 страницы машинописного текста, включая 1 таблицу, 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ос­новные цели исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная и практическая ценность работы.

В первой главе на основании обзора имеющейся литературы дана классификация существующих методов решения уравнений нестационарного движения сжимаемой среды, и показана область их использования в расчетной практике. Рассмотрены широко используемые численные и аналитические методы расчета режимов ра­боты трубопроводов, их преимущества и недостатки, а также отмечено, что эти методы необходимо рационально сочетать при исследовании задач.

Анализ текущего положения в области разработки методик расчета газовой дина­мики сжимаемых сред показал, что поиск новых методов реше­ния системы уравнений нестационарного транспорта энергоносителей является востре­бованной задачей для расчета динамики трубопроводов.

Для разработки методов расчета в работе в основном используется общепринятая сис­тема дифференциальных уравнений движения сжимаемой среды в трубопроводе в совокупности с необходимыми вариантами краевых и начальных условий:

; , (1)

где q, p – объемный расход и давление среды; , - коэффициенты, зависящие от параметров трубопровода и транспортируемой среды; t – время; х – длина трубопровода.

В качестве критерия нестационарности принят:

, (2)

где - давление в начале линейного участка трубопровода в моменты времени ti,j в течение рассматриваемого периода [0, T]; - давле­ние в конце линейного участка в течение того же периода времени.

Использование таких оценок позволяет классифицировать эксплуатаци­онные режимы газопередачи для того, чтобы управление квази­стационарными (М 0,05), нестационарными (М 1), и существенно неста­ционарными режимами (М >1) транспорта сжимаемых сред осуществлялось с использо­ванием различных методик расчета, наиболее эффективных конкретно для исследуемого режима.

Во второй главе рассматриваются разработанные на основе решения линейных и нелинейных уравнений методики расчета движения сжимаемой среды в трубопроводе и проводится анализ их эффективности.

Разработаны методики аналитического реше­ния задач нестационарного транспорта сжимаемой среды в трубопроводах. Для удобства и обобщения результатов рассматривалась ли­неаризованная система уравнений газодинамики в отклонениях от устано­вившегося стационарного режима в безразмерном виде, которая с учетом инерционного члена и параметра гравитации выглядит следующим образом:

; , (3)

где - безразмерные отклонения давления и расхода от стацио­нарного значения; - безразмерное время; - безраз­мерная длина трубопровода; k - параметр, учитывающий влияние инерционного члена; z - параметр, учитывающий влияние сил гравитации (учитывает разность высот начала и конца трубопровода).

- параметр линеаризации.

Получено общее решение системы (3) в области изображения Лап­ласа. Для возможных вариантов краевых и граничных условий найдены опера­торные соотношения, характеризующие изменение объемного расхода и давления и позволяющие построить частотные характеристики в любой точке трубопровода, а после нахождения оригиналов передаточных функций рассчитать переходные процессы. Определена оценка допустимости принимаемых упрощающих предположений и показано, что для аварийных ситуаций требуется разработка специальных методов расчета.

Разработаны сосредоточенные методики расчета для k=0; z=0 путем интегрирования исходных распределенных уравнений по координате, с использованием разложения подынтегральных функций давления и расхода в ряд Тейлора (с двумя и тремя членами ряда) для четырех типов граничных условий. В результате, получили соотношения (4), позволяющие в случае необходимости проводить вручную расчеты нестационарных режимов работы трубопроводов при минимуме трудозатрат. Для двух членов ряда и граничных условий , :

, . (4)

Исследована и доказана эффективность применения как линейной, так и квадратичной линеаризации при использовании этой методики, позволяю­щая моделировать изменения давления и расхода на концах трубопровода, для режимов с М 0,5 при оценке по максимальной погрешности и с М 1 при оценке по средней погрешности. Доказана неоправданность использо­вания более чем двух членов ряда Тейлора разложения искомых функ­ций.

Разработана методика расчета трубопровода для k=0 на основе метода коллока­ций для всех четырех типов граничных условий. Искомая функция пред­ставлена в виде параболической зависимости по координате:

. (5)

Коэффициенты зависят от времени, они находятся из граничных усло­вий и из исходной системы уравнений. Например, для давления в начале и расхода в конце :

; (6)

. (7)

Удовлетворить исходным уравнениям во всех точках переменной 0 1 полиномом (5) невозможно, поэтому приближенное решение определяется из условия совпадения решения в некоторой заданной точке . Качество получен­ной методики расчета существенно зависит от выбора свобод­ных параметров и n. Возможные комбинации значений и n были изу­чены путем перебора вариантов и найдены их оптимальные значения.

Существенным достоинством всех предложенных методик расчета являются минимальные требования к техническому обеспечению трубопровода (необ­ходим контроль давления и расхода энергоносителей только в начале и конце линейных участков). При этом расчеты достаточно просты.

Качество полученных методик расчета и область их возможного при­менения оценивались сопоставлением решений с эталонными решениями исходной системы (1), полученными методом конечных разностей, подобно рисунку 1. Результаты показали, что время расчета по предложенным методикам с достаточной для прак­тики точностью меньше времени счета численной модели в 300 - 500 раз.

Pi- численное решение задачи; P3i- решение с двумя членами ряда Тейлора; P5i- решение методом коллокаций; ti-безразмерное время.

Рисунок 1 - Изменение давления в начале трубы при скачкообразном возмущении расхода на входе трубопровода

Разработаны методики расчета транспорта сжимаемых сред в трубопроводе, на основе решения системы (1), кроме того, получено аналитическое приближенное решение квазилинеаризованной системы дифференциальных уравнений транспорта сред на основе метода коллокаций. Задача решена с учетом пространственной зависимости параметра линеаризации в квазистационарном виде, т.е. при­нято, что в переходном режиме q/p зависит от x так же, как и в статике: , что заметно повышает точность расчета.

Для ; :

, (8)

где , а m – заданный коэффициент.

Найдены оптимальные значения переменных параметров уточняющих методику расчета. Этот метод позволяет рассчитывать переходные процессы с высокой степенью точности (95 – 99 %) для нестационарных режимов в широком диапазоне М от 0,05 до 1,1. Однако метод имеет достаточно сложную для практиче­ского использования форму.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.