Исследование рабочих процессов в автомате аварийного перекрытия газопроводов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Crowe С. et al. Multiphase Flows with Droplets ar>d Particles. CRC Press.. 1998.

2. Дик И.Г. и др. Моделирование гидродинамики и сепарации в гидроциклоне II Теор. основы хим. технол. 20С0. Т. 34. № 5.

3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.. 1974.

4. Островсх/.й Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. СПб., 2000.

5. Клячко Л.С. Уравнение движения пылевых частиц в пылеприемных устройствах II Отопление и вентиляция. 1934 № 4

6. NeeSe Th., Schuberl Н.. Modellierung und verfahrenstechnische Dimensionierung der turbulenten Querstromklassierung. Т. III Chem. Techn. 1975. Bd 27. № 9

7. Neefie Th., Schubert H Modellierung und verfahrenstechnische... T. Ill II Chem. Tectin. 1976. Bd. 28. № 5.

8 Schubert H., Neesse Th. A hydrocyclone separation model in consideration of the turbulent multi-phase flow II Proc Ini Conf on HydrocycJones. Cambridge, 1980.

9. Ungarish M. Hydrodynamics of suspension. Sprir.ger-Verlag Berlin. 1993.

УДК 622.691

В.Л. Архипов*, В.Д. Котов**, Л.С. Ткаченко*, Н.С. Третьяков*, Г.Р. Шригер***

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В АВТОМАТЕ АВАРИЙНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ГАЗОПРОВОДОВ

• Томский государственный педагогический университет ** ООО «Томсктрансгаз»

*“* Томский государственный университет

Трубопроводы широко используются при транспортировке газов во многих типах производств - химических, нефтехимических, энергетических и др. При аварийном вытекании в атмосферу большого объема газа может возникнуть опасность крупномасштабной катастрофы вследствие взрыва газовоздушной смеси. Утечка токсичных газов может привести к отравлению людей в производственных помещениях и на прилегающей территории. Поэтому актуальной является разработка надежных быстродействующих автономных устройств, запирающих трубопровод при его аварийном разрыве, - автоматов закрытия крана (АЗК). Особенно актуальна эта проблема для магистральных газопроводов (МГ).

В настоящее время отечественной промышленностью и рядом зарубежных фирм освоен промышленный выпуск различных конструкций АЗК для МГ [I. 2]. Опыт эксплуатации данных АЗК, в частности входящих в комплектацию шаровых кранов производства Чехии, в подразделениях ООО «Томсктрансгаз», показал их низкую надежность и сложность в обслуживании и эксплуатации для условий Западной Сибири, особенно в зимний период.

В настоящей работе рассмотрена новая конструк-ция автономного устройства для отключения участков линейной части МГ при их разрыве - АЗК-Т [3-

5].

Для конструирования опытного образца АЗК-'!' необходимо знать характер изменения давления в га-

зопроводе p(t) при возникновении аварийной ситуации (например разрыве газопровода). Рассмотрим модель одномерного нестационарного течения идеального газа в горизонтальной трубе с учетом трения и теплообмена с окружающей средой. При этом исходная система дифференциальных уравнений имеет вид

[5]

^3^4=0. (о

dt дх

£(р«) д / 2\ V I j

_г+_(р+ри)=__риН,

а

dt

( 1\ и~ д ( р и2 ^

р е + — + — рм «? + - + —

V. ^ > дх V Р 2,

(2)

(3)

где р, Т. и - плотность, температура и скорость газа; Ф - коэффициент сопротивления; О - диаметр газопровода; е - удельная внутренняя энергия; а-коэффициент теплоотдачи; Тт - начальная температура газа, равная температуре окружающей среды.

Замыкает систему уравнений (1) - (3) уравнение состояния

р=рнт, (4>

где /? - газовая постоянная.

Для решения системы уравнений использовались следующие граничные условия. При х=0 ставится

В.А. Архипов, В.Д. Котов. А.С. Ткаченко, И.С. Третьяков. Г.Р. Шрагер. Исследование рабочих..

граничное условие твердой стенки; при х = Ь (место разрыва) задается давление, равное атмосферному. Для численного решения задачи динамики газа на основе уравнений (I) - (4) использовался метод Годунова [6].

Расчеты режимов течения газа при внезапном разрушении газопровода проводились при следующих значениях исходных параметров. Длина газопровода -20 /си, диаметр трубы £ = 1.02 м. коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитанный в соответствии с [6] У = 0.01006, коэффициент теплоотдачи а = I .72 Вт/(м:К), температура окружающей среды 298 К. я = 520 Дж/(кг*К), теплоемкость газа ср= 2 303 Дж/(кт-К). Предполагалось, что до момента разгерметизации газ в трубе находится в покое при заданном давлении.

Приведены зависимости давления газа на концах трубопровода от времени при начальном давлении рн =3.5 МПа (рис. 1). Из анализа расчетных и опытных данных можно считать, »гто изменение давления в газопроводе при его разрыве соответствует экспоненциальной зависимости

р( 0 = р.е

-ы

(5)

где Ь - размерный коэффициент, зависящий от темпа сброса давления (ф/. Значение коэффициента/) рассчитывалось по формуле

Ь = —1п К

\Рс)

где рс - давление в момент срабатывания автомата, 1С.

Рис.1. Зависимость р(<) на закрытом (а) и открытом (б) концах газопровода длиной 20 км при аварийном разрыве (р,= 3.5 МПа)

Автомат (рис. 2) состоит из распределителя, собранно»^ в цилиндрическом корпусе 7, закрытом верхней 2 и нижней 3 крышками. Внутри корпуса 1 расположен золотник, состоящий из поршня 4, в котором выполнено калиброванное отверстие 5 диаметром (1 и двух штоков - верхнего б и нижнего 7. Золотник может перемещаться вдоль корпуса 1 в направляющих втулках 8 и 9 с уплотнителями, расположенными соответственно в перегородке 10, расположенной внугри корпуса I, и в нижней крышке 9. Верхний шток 6 имеет конусообразный насадок 11, диаметр которого больше диаметра штока 6. Между верхним торцом корпуса 1 и верхней крышкой 2 за-

ата тонкая металлическая мембрана 12. В верхней крышке 2 выполнено вертикальное дренажное отверстие 13 с шаровым запорным элементом.

В объеме распределителя образованы три камеры: первая управляющая камера 14 расположена между нижней крышкой 5 и нижним торцом поршня 4: вторая управляющая камера 15 расположена между верхним торцом поршня 4 и нижним торцом перегородки 10: выходная камера включает две полости - верхнюю 16. расположенную между верхним торцом мембраны 12 и верхней крышкой 2. и нижнюю полость 17, расположенную между нижним торцом мембраны 12 и верхним торцом перегородки 10.

Первая управляющая камера 14 через штуцер 18 соединена с балластной емкостью 19, которая через обратный клапан 20 связана с газопроводом 21. Вторая управляющая камера 15 через штуцер 22 связана с газопроводом 21. Нижняя полость 17 выходной камеры через штуцер 23 связана с емкостью 24 аварийного запаса газа, которая через обратный клапан 25 соединена с газопроводом 21. Верхняя полость 16 выходной камеры через штуцер 26 связана с полостью управления гидропривода 27запорного элемента 28 (шарового крана) газопровода 21. В нижней крышке 3 выполнено дренажное отверстие 29. сообщающее полость под нижним торцом штока 7 с атмосферой. При подключении автомата к газопроводу 21 газ через обрат ные клапаны 20,25 заполняет емкости 19. 24 и через штуцеры 18,22,23 поступает в управляющие камеры 14,15 и в нижнюю полость 17 выходной камеры. При этом давление в камерах 14, 15. 17 выравнивается и равно давлению в газопроводе 21. Сила, действующая на поршень 4, направлена вниз и приводит золотник в исходное (нижнее) положение. Величина этой силы равна

(6)

где 5- площадь поперечного сечения штока 7, Я2 площадь поперечного сечения штока б.

Рис. 2. Принципиальная схема АЗК-Т

11ри работе АЗК-Т в эксплутационном режиме, когда давление в газопроводе 21 постоянно или медленно изменяется (повышается или понижается за счет подключения потребителей газа или за счет неравномерности работы компрессорных станций). При этом в камерах 14,15, 17 давление также постоянно или медленно изменяется, однако остается одинаковым для каждой из камер благодаря медленному перетоку газа через калиброванное отверегие 5 в поршень 4, разделяющем первую и вторую управляющие камеры. При этом золотник находится в исходном состоянии (нижнем). При наличии медленного перетока в процессе длительной эксплуатации через уплотнение 9, газ стравливается в атмосферу через дренажное отверстие 29 в нижней крышке 3. Для предотвращения накопления газа в верхней полости 16 выходной камеры вследствие перетока через мембранный узел (при возможном нарушении его герметичности вследствие коррозии, например) используется дренажное отверстие 13 в верхней крышке 2. Через это отверстие скопившийся газ, преодолевая силу тяжести шарового запорного элемента, поднимает шарик и через образовавшийся кольцевой зазор стравливается в атмосферу.

При повреждении (разрыве) газопровода 21 давление в нем начинает резко падать, причем градиент сброса в несколько раз выше, чем в случае колебаний давления в эксплутационном режиме. При этом обратные клапаны 20,25 закрываются, изолируя емкости 19, 24 от газопровода 21, обеспечивая тем самым сохранение постоянного давления рн, соответствующего давлению в газопроводе 21 перед аварией. Давление р во второй управляющей камере 15, напрямую связанной через штуцер 22 с газопроводом 21 также начинает резко падать в соответствии с палением давления в газопроводе 21. Гидравлическое сопротивление калиброванного отверстия 5 в поршне 4 препятствует быстрому падению давления рк в первой управляющей камере 14. В результате этого появ.тяется сила Т**,, действующая вверх, и приводящая в движение поршень 4. Величина этой силы равна

л; = йр(5г-5,)-р(^-5)), (7)

где Ар = р^-р>0- перепад давления на поршне 4,

- площадь поперечного сечения поршня 4.

Под действием силы ^ поршень -/движется вверх, при этом конусообразный насадок 11 прорывает мембрану 12. Газ из емкости 24 через штуцер 23 проходит в верхнюю полост ь выходной камеры 16 и через штуцер 26 поступает в полость управления гидропривода 27, обеспечивая закрытие запорного элемента 28 газопровода 21. Дренажное от верегие 29 препятствует образованию силы, препятствующей движению вверх поршня 4 вследствие образования разрежения в полости между нижней крышкой 3 и нижним торцом штока 7. Под воздействием давления р

в верхней полости 16 выходной камеры шариковый запорный элемент перекрывав дренажное отверстие 13 в верхней крышке 2, предотвращая сброс газа в атмосферу. Наст ройка АЗК-Т осуществляется подбором диаметров калиброванных отверстий 5 в поршне 4 и величиной свободного объема балластной емкости 24.

Эквивалентная схема АЗК-Т включает три элемеша: балластную емкость со свободным объемом V, выходное сопло с площадью поперечного сечения Г и газопровод, давление в котором р(г) при аварии изменяется но известному закону (5). Найдем изменение давления в балластной емкости рк (/). которое будет соответствовать изменению давления в первой управляющей камере.

При разрыве газопровода давление в нем падает и начинается переток газа из балластной емкости через калиброванное отверстие в газопровод.

Запишем уравнение сохранения массы в балластной емкости

<М/(/) = -<7(/)<*, (8)

где М(1) - текущая масса газа в балластной емкости, 0(1) массовый секундный расход газа.

Истечение газа будет дозвуковым, поскольку начальное значение относительного давления к= р! рк будет больше кри тического [7]:

(9)

где к - показатель адиабаты газа.

Тогда для расхода используется зависимость (8)

Ч>Ерк(0

0(1) =

2к

К -К

(Ю)

Щ V*-".

где ф < 1 - коэффициент расхода (р = 0.7 - 0.9), 7’ абсолютная температура в балластной емкости.

В предположении адиабатичности процесса система уравнений для расчета />,(*)• (/) имеет вид

Л *А(0'

71=71

фЯ:

2кЯТ

к-1

*оГ_ ' № )

Ы») <рЛ‘))

<Рш)

= 0, (11)

(12)

Эта система решалась численно при начальных условиях:

( = 0: Р = Р. = Р,, т, = Т* ■

В расчетах предполагалось, чт о падение давления в МГ происходило по закону (5), в котором параметр Ь определялся расчетным путем или обработкой экспериментальных данных. Сила Рг действующая на поршень, рассчитывается по формуле (7). Во всех

В.А. Архипов, В.Д. Котов, А.С. Ткаченко, Н.С. Третьяков. Г.Р. Шрагер. Исследование рабочих... а 6

Рис.З Динамика зависимости перепада давления на поршне (а) и силы, действующей на поршень (б), от времени. Рабочее тело - воздух. Пунктир - Т = 40 ’С. сплошная линия - Т = - 40 ’С

р-105МПа

1* ,*9.8 1 II

0.0 40.0 80.0 120.0 160.0 200.0

Рис. 4. Динамика зависимости перепада давления на поршне (а) и силы, действующей на поршень (б), от времени Рабочее тело - метан. Пунктир - Т = 40 ’С. сплошная линия - Т = - 40 *С

К приводу шарового кран^

В атмосферу

мз®-4-ОД2

и-г

Магистраль Кот

Магистраль компрессор

Рис. 5. Схема стенда для испытаний опытного образца АЗК-Т

расчетах величина балластной емкости У= 0.1 м\ средний градиент сброса давления в магистрали (фЛА)^ = 0.15 МПа/мин, начальное давлениерм = 5 МПа.

Получены зависимости Ар(1) и Е{(1) для воздуха при варьировании диаметра калиброванного отверстия в поршне (</=2 мм. 2.5 мм. 3 мм) для двух типов рабочих тел (воздух и метан) (рис. 3,4). Анализ расчетных данных показал, что существенное влияние на рабочие характеристики АЗК-Т оказывают тип газа, начальная температура, а также объем балластной емкости и диаметр калиброванного отверстия в поршне.

По результатам численного моделирования были выбраны основные геометрические и конструкгнвные параметры АЗК-Т.

На схеме стенда для испытаний опытного образна автомата (рис. 5) условно обозначены: 1 - корпус, 2 -мембранный узел, 3 - нижний шток, 4 - поршень, 5 калиброванное сопло (жиклер), 6 - верхний шток. 7 -мембрана, 8 - диафрагма.

6

Г,-9.8\Н

Рис. 6 Динамика силы для двух различных условий экспериментов

Камера I соединена через вентиль В1 и редукгор Р1 с баллоном аварийного запаса газа. Камера II соединена через вентиль В2 с гидроприводом шарового крана (при стендовых испытаниях эта камера имеет выход в атмосферу). Камера 111 соединена через вентиль ВЗ с батареей баллонов, моделирующих газопровод. Камера IV через вентиль В4 и редуктор Р4 соединена с балластной емкостью.

Для запитки стенда сжатым воздухом используется стационарный компрессор, соединенный через вентиль В7 с батареей баллонов (магистраль).

Моделирование аварийной ситуации осуществляется сбросом воздуха из магистрали в атмосферу через вентиль В5. Для варьирования скорости сброса дав.тения используются сменные диафрагмы 8 разных диаметров. В местах измерений давления установлены датчики Д1 - ДЗ и контрольные манометры М1 - М5.

Батарея баллонов, моделирующая магистраль, состоит из пяти баллонов с суммарной емкосгыо I м\ Баллон аварийного запаса газа имеет объем 2-10 2 м\ а балластная емкость включает батарею баллонов емкостью 410'2 каждый с возможностью отключения каждого баллона для варьирования величины балластной емкости.

Лабораторные и стендовые испытания отдельных узлов и опытного образца в целом проводились на рассмотренном выше оборудовании. Всего проведено более 150 испытаний разного типа в диапазоне рабочих давлений р0 = (20 - 90)-10 5 МПа и градиентах падения давления в магистрали от 0.5-10 5 МПа в минуту до 10“* МПа в минуту. Отдельные испытания проводились при значенияхрн = (90 - 100)-10 5 МПа ф/<* * (15 -25)• 10 5 МПа в минуту.

В результаге проведенной серии подобраны параметры АЗК-Т (два калиброванных отверстия диаметром с/ = 0.8 мм и V = 160-10 5 м3), обеспечивающие срабатывание АЗК-Т при критическом традиенте сброса давления в магистрали ф/А »1 *10'5 МПа в минуту. Задержка времени срабатывания АЗК-Т от начала сброса давления составляла 2-6 мин в зависимости от величинырн.

Варьированием с1 н V возможно обеспечить срабатывание АЗК-Т при с1р1Ж > 0.7 • 10*5 МПа в минуту.

С целью проверки адекватности физико-математической модели, описывающей переходные процессы в АЗК-Т, было проведено сравнение расчетных и опытных данных по моменту срабатывания автомата при сбросе давления в магистрали, исходя из расчетов зависимости ^ (/) для двух различных условий экспериментов (рис. 6).

Абсцисса точки пересечения горизонтальной прямой = 25 • 9.8 Н с трафиком дает момент вре-

мени срабатывания автомата.

Расхождение в измеренном и рассчитанном значении /с (рис. 6) не превышает 5 %, что свидетельствует об адекватности предложенной математичес-

С. В. Тимченко. Исследование химически неравновесного вязкого ударного слоя..

кой модели. Отрицательные значения /г| в начальный период сброса давления обусловлены тем. что диаметры штоков 7, 6 (рис. 5) различны. При одинаковом давлении рн в управляющих камерах АЗК-Т сила У7,, действующая на поршень, направлена вниз, что предотвращает случайный прокол мембраны.

Опытный образец автомата прошел стендовую отработку на сжат ом воздухе и натурные испытания на то-проводе. С учетом простоты в эксплуатации, отсутствия настраиваемых элементов и надежности и работе данная конструкция АЗК-Т может быть рекомендована дзя внедрения в сети магистральных газопроводов.

Литература

1. Андреев Г.С. Запорная арматура магистральных нефтепроводов. Л.. 1968.

2. Гуревич Д.Ф. Запорно-предупредительные устройства нефтегазового оборудования: Справ, рук Л.. 1991.

3. Архипов В.А.. Зубрилин А.С., Котов В.Д. и др. Автомат аварийного закрытия крана на магистральных газопроводах. Патент РФ № 2208730 по заявке № 2001100237 (Приоритет от 3.01 2001 г.) II Бюл. изобр. 2003. № 20.

4. Архипов В.А.. Зубрилин А.С., Котов В.Д. и др. Автомат аварийного отключения участкоз магистрального газопровода II Изв. вузов. Нефть и газ. 2003. № 2.

5. Бондарев Э.А., Васильев В.И.. Воеводин А.Ф. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа Новосибирск. 1988

6. Годунов С.К. Численное решение задач газовой динамики М, 1976

7. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирования РДТТ. М., 1991.

УДК 519.6. 533.6.011.6

С.В. Тимченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИ НЕРАВНОВЕСНОГО ВЯЗКОГО УДАРНОГО СЛОЯ НА КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Рассматривается течение многокомпонентного химически реагирующего газа в окрест ности критической точки тела, движущейся вдоль траектории входа в атмосферу Земли перспективного аппарата NASA Х38. Уравнения вязкого ударного слоя решаются совместно с уравнениями теплопроводности внутри покрытия и с учетом гетерогенных реакций на поверхности тела. Исследование вязкого ударного слоя в данной постановке на теплоизолированной поверхности рассматривалось в [1-3], в сопряженной постановке - в [4-6]. При этом во всех вышеперечисленных случаях рассматривалась траектории летательных аппаратов (J1A) предыдущего поколения (Space Shuttle) [7]. В данной работе рассматривается траектория перспекшвного ЛА NASA Х38 [8]. которая обладает значительными особенностями, связанными с возможностью использования современных теплозащитных покрытий, позволяющих осуществлять торможение ЛА на более низких высотах полета. Приводится температура поверхности в зависимости от высоты (времени) полета для различных каталитических активностей поверхности и различных теплофизических свойств покрытия. Показано, что необходимость учега влияния сопряженного теплообмена на температуру поверхности зависит o r характеристик покрытия ЛА.

1. Постановка задачи

При изучении движения ЛА на верхнем участке траектории входа в плотные слои атмосферы, где характерные числа Рейнольдса относительно невелики, а эффекты молекулярного переноса оказываются существенными во всей области течения между ударной волной и поверхностью тела, широкое применение нашла теория тонкого вязкого ударного слоя (ТВУС). Как следует из проведенного в литературе [9] анализа многочисленных сравнений решений уравнений ТВУС с данными эксперимента и с расчетами, выполненными в более полной математической постановке, теория ТВУС дает хорошую точность получаемых решений всякий раз, когда вязкий ударный слой является тонким.

Рассмотрим обтекание гладкого зату пленного тс-лагиперзвуковым потоком многокомпонентного вязкого газа в рамках модели ТВУС. В криволинейной системе координат, нормально связанной с поверхностью тела, эти уравнения имеют следующий безразмерный вид [3]:

Ц(ри'а',:а;^) = О, О.Р = -рЛ>°»в, р фи* + V) = -а*а£,0,Р + О,(и Яе'1 А“°).