CC BY
33
3. Винокур А.Е., Халиф А.Л., Гуревский Е.Н. Подготовка к транспорту газа с малым конденсатным фактором // Подготовка и переработка газового конденсата: ОИ. -М., 1982. -Вып. 8-46 с.
4. Билюшов В.М. Математическая модель образования гидратов при течении влажного газа в трубах. Инженерно-физический журнал, 1984, №1, с.57-64
5. Бондарев Э.А. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа. Новосибирск: Наука, 1988. -272 с.
6. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч.2.-М.:Наука,1987.- 360 с.
7. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.- М.: Энергоиздат, 1984. 150с.
8. Бендерский Б.Я., Тененев В.А.Экспериментально-численное исследование течений в осесимметрич-ных каналах сложной формы с вдувом Изв.РАН МЖГ, №2, 2001.с.24-2 8.
665.723, 621.593 Краснов А.Н.
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБАХ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
В статье описана модель течения газа, исследованы траектории движения газа и поле давления в различных системах теплооб-менных труб аппаратов воздушного охлаждения. Предложены пути предотвращения гидратообразования в области высокой скорости течения газа.
Ключевые слова
Аппараты воздушного охлаждения, АВО, гидраты, гидратообразование, охлаждение газа, моделирование течения газа.
Теплообменные трубы, выстроенные в 6 вертикальных рядов в каждой секции аппаратов воздушного охлаждения (АВО), соединяются при помощи двух камер - сборной и распределительной, их можно расценивать как своего рода коллекторы для отбора и подачи природного газа при снижении его температуры. В работе [1] представлено несколько схем (рисунок 1) присоединения коллекторов к потоку.
Тип смены давления в выходном (Ъ) и входном (и) коллекторах, представленный на рисунке 1, основан на одномерных предположениях об особенностях течения. Рассмотрим свойства двумерного характера течения, предположив для примера, что ряд труб заменен плоской трубой, которая эквивалентна в плане расхода природного газа.
Изучаются уравнения, которые описывают перемещение вязкого теплопроводного природного газа, но не учитывают влияние сжимаемости. Эти стационарные уравнения фиксируются в двумерной постановке:
(р X + (р), = О,
[рии )х +(риу) у =-рх +(мих )х + (лиу ) + (Лхих + ЛуУх ) ,
(puv)x +(pw) ^ = - Py + (/Vx )x + [ßVy ^ + /uy + Lyvy ) !
(uT )x +(vT) y ={^TX 1 + [/Ту
(1)
(uK)x + (vK) y = |/ Kxl+l-f Kyl +p(B— s)
/ l | / l CtB - C2 S
(us)x +(vs) y =\JTSx l +|Lsy l +PS C
K
где р - плотность природного газа; р - давление; и, V - составляющие вектора скорости на осях к, у; ¡1 - коэффициент динамической вязкости; Т -
температура природного газа; <тт , <тк , <7 -
числа Прандтля; Яс
газовая постоянная. Пока-p выводится из уравнения состояния
p = pI (RcT ) •
затель
k р
iL
U «Q
i
iL р
U
U
Q
L
б)
L в)
Ь а)
Рисунок 1 - Типы коллекторных схем «П» (а), (б) и «Н» (в)
номер ответвления между коллекторами, и - распределительный коллектор и изменение статического давления по длине коллектора, Ъ - собирающий коллектор и изменение статического давления по длине коллектора
1...П
Уравнения движения принимаются во внимание вместе с уравнениями переноса кинетической энергии К и скорости диссипации в . Коэффициент вязкости Л вычисляется по формуле ¡1= ¡лт+¡лт , в
которой /лт , турбулентной
Lt
коэффициенты молекулярной и
вязкости,
енты, выведенные в [2]
B Cl= C2'C/ K2
lt = c/p—
коэффици-
На входной границе коллектора при х = 0 определены начальные характеристики потока
и0 = Q|яЯ2, V0 = О, Г0, Кс , в . На стенках трубопровода для и, v, к, в - условия прилипания, для тем-
дГ ( х, Я )
ду "
пературы
X-
) (T — T) • На выходе опреде-
L
1
n
n
лены «мягкие» условия, они соответствуют равенству нулю вторых производных для всех переменных величин.
Систему уравнений (1) можно решить, используя метод Патанкара SIMPLE [2].
Результаты вычислений можно увидеть на изображениях ниже. На рисунке 2 проиллюстрирована структура течения в коллекторах, которые соединены 6 рядами труб. В коллектора:': поле течения
значительно неравномерное. Присутствуют области возвратного течения, о чем говорит и схема распределения давления в аппарате воздушного охлаждения (рисунок 3). Однородным давление остается лишь ниже по потоку, тогда как в месте прикрепления труб во входном коллекторе имеют место существенные перепады давления. Как оно меняется в среднем сечении выходного и входного коллекторов, можно увидеть на рисунке 4.
Рисунок 2 - Поле течения по схеме соединения «П»
Рисунок 3 - Линии равных значений давления (схема «П»)
4.5
4 -3.5
3 -2.5 2 -1.5 -1 -0.5 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Рисунок 4 - Изменение давления по высоте коллекторов (схема «П»)
На оси абсцисс обозначена высота коллектора от нижнего уровня, на оси ординат отмечается давление, которое относится к скоростному напору. Если сравнить картину с представленной на рисунке 1, можно увидеть, что перемены давления в выходном коллекторе схожи. На рисунке 4 давление во входном
коллекторе немонотонное, оно не напоминает одномерное распределение. Причиной тому - значительное влияние подводящих и теплообменных труб.
На рисунках 5-8 оказаны результаты вычислений для схем <й» и «И».
Рисунок 5 - Поле течения, соответствующее схеме <^»
5
4.5 -
4 -
3.5 -
3 -
2.5 -
2 -
1.5 -
1 -
0.5 -
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Рисунок 6 - Изменение давления по высоте коллекторов (схема <^»)
Рисунок 7 - Поле течения, соответствующее схеме соединения «И»
1
4.5
4 -
3.5 -
3 -
2.5 -
2 -
1.5 -
1 -
0.5 -
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рисунок 8 - Изменение давления по высоте коллекторов (схема «Н»)
В случае со схемой «7» качественный показатель перемены давления в выходном коллекторе напоминает одномерный (рисунок 1б). Что касается входного, здесь давление по направлению к нижней трубе монотонно возрастает лишь внизу (рисунок 6).
При сравнении рисунков 4 и 6 становится очевидно, что перемена давления во входных коллекторах по схемам соединения «7» и «П» схожа.
В коллекторах, которые соединяются по схеме «Н», течение приближается к симметричному (рисунок 7).
и, м/с
50
45 40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Давление в коллекторах распределяется более однородно (рисунок 1) и напоминает одномерное (рисунок 1в).
Полученные результаты говорят о том, что максимальная скорость в трубах наблюдается в тех рядах, которые расположены ближе к входной трубе. Максимумы скоростей в средней части труб показаны на рисунке 9, учитываются разные схемы подключения коллекторов. Первый номер (п = 1 ) -п = 6
ерхний ряд,
нижний.
N Ч
П
ч Z ■ч X ш/
н — ____
п
1
1-1-Г
2 3 4 5 6
Рисунок 9 - Максимальные скорости течения в трубах при разных схемах подключения
охлаждаемый газ в нижних
По сравнению с остальными схемами, в «П» и «7» скорости в верхних трубах значительно больше. Рост скорости в нижней трубе в случае со схемой «7», если сравнивать с «П», составляет 5,7 м/с, в итоге скорость равна 28,2 м/с. Благодаря этому обеспечиваются неблагоприятные условия для гидратообразования. Эта схема хороша и в плане торможения процесса образования гидратов, и в плане обеспечения быстрого выведения зарождающихся гидратов из нижних труб благодаря высокой скорости потока газа.
Если опираться на данные рисунка 9, можно сделать вывод, что максимальная скорость, равная 43,5 м/с, наблюдается в верхней трубе в схеме «П». А значит, схему можно использовать в перевернутом
виде, отводя и подводя зонах коллекторов.
Ознакомимся с вариантом подачи ингибитора в область, где вероятность образования гидратов наибольшая (нижний ряд) [3]. Здесь необходимо наладить циркуляцию ингибитора через функционирующий аппарат: подавать метанол в распределительную камеру, забирать его из собирающей камеры, затем он должен накапливаться в буферной емкости, а оттуда с помощью насоса забираться и отправляться на рециркуляцию.
Плюсы метода:
Лед и гидраты подвергаются разрушению и в нижних теплообменных, и в собирающих трубах, а также в распределительных камерах.
0
Нижние трубы освобождаются от жидких углеводородов, влаги, механических примесей, благодаря чему не происходит гидратообразования.
Ингибитор поступает прямо в область образования гидратов в нужном количестве.
С помощью данного метода удается создать дополнительное температурное сопротивление передаче тепла от фронтального воздействия холодного воздуха.
Рисунок 10 - Поле течения, соответствующее схеме «П1»
4 3.5
3 -2.5 -2 -1.5 1 1 0.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рисунок 11 - Изменение давления по высоте коллекторов (схема «П1»)
Рисунок 12 - Линии равных значений давления (схема «П1»)
0
Процедуру можно проводить как постоянно, так и временно.
Способ обеспечивает минимальную потерю ингибитора с газом.
Чтобы принудительно подавать ингибитор, допустим монтаж вспомогательных Г-образных труб с торца теплообменных труб. Внутренний диаметр этих вспомогательных труб должен составлять 2-3 мм. Благодаря эжектирующему перепаду давления в природном газе ингибитор будет попадать в трубы из распределительной камеры. Эжекционная часть вспомогательной трубы должна находиться внизу основной трубы. Это необходимо, чтобы количество ингибитора не оказалось чрезмерным.
Изучим вариант подачи ингибитора в перевернутой схеме «П». Чтобы добиться постоянной и равномерной перемены эжектирующего давления, место входа газа должно быть передвинуто от места присутствия ингибитора внизу распределительной камеры. Схема соединения «П1» и характер течения проиллюстрированы на рисунке 10.
Давление в области входного торца нижней части достаточно однородное (рисунки 11 и 12).
Перепад между выходным коллектором и входным в нижней части максимален, благодаря чему в нижней трубе отмечается скорость 33,5 м/с.
Судя по результатам численного моделирования, можно снизить образование гидратов в АВО путем
внесения изменений в конструктивные схемы подключения коллекторов и подачи ингибитора непосредственно в область с наибольшей вероятностью гидратообразования.
Выводы
1. На основе уравнений гидродинамики и теплообмена в осесимметричной формулировке была составлена модель гидратообразования при движении по каналам влажного природного газа.
2. Благодаря учету двумерных эффектов гидратообразования удается более точно установить момент начала формирования гидратов в трубах. При этом относительное отклонение одномерного вычисления от усредненного двумерного расчета доходит до 100%.
3. Была составлена методика анализа выделения конденсата из потока газа, требующая применения результатов решения уравнений для обеих фаз в двумерной формулировке.
4. Вычисление траекторий движения частиц в разных аппаратах демонстрирует вероятность абразивного износа элементов конструкции либо налипания и скопления конденсата.
5. Из-за местного переохлаждения природного газа в нижнем ряду труб на их внутренней стенке складываются условия для образования гидратов и льда, для перекрытия сечения трубопровода гидратами и последующей поломки аппаратов воздушного охлаждения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев В.В. Комплексная технология глубокой очистки и разделения природного газа Оренбургского месторождения, РАО «ГАЗПРОМ», М., - 1998.
2. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.- М.: Энергоиздат, 1984. 150с.
3. Гриценко А.И., Истомин В.А. и др. «Сбор и промысловая подготовка газа на Северных месторождениях России». - М.: ОАО «Издательство «Недра», 1999. - 473 с.
4. Добыча, подготовка и транспорт природного газа и конденсата. Справочное руководство в 2-х томах. Том 1. Под ред. Ю.П. Коротаева, Р.Д. Маргулова. - М.: «Недра», 1984, 360 с. (стр. 60).
5. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. - М.: Химия, 1980 - 407 с.
УДК 681.121.89
Гудков К.В., Пискаев К.Ю.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КИБЕРФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ
Рассмотрен ряд вопросов, связанных с построением модулей сбора данных для киберфизической системы контроля расхода жидкостей с использованием кориолисовых расходомеров. Предложен вариант структуры аппаратной части подобного модуля, использующий современные модельно-ориентированные средства проектирования.
Ключевые слова:
киберфизическая система, модуль сбора данных, технически сложные объекты, кориолисов расходомер, ЕД-АЦП, модельно-ориентированное проектирование, весовое интегрирование
При проектировании технически сложных объектов (ТСО), таких как системы массового контроля расхода жидкостей с использованием кориолисовых расходомеров, важную роль играет процесс отладки и верификации. При этом зачастую приходится использовать макетные образцы и натурные эксперименты, что значительно увеличивает время проектирования и стоимость разработки, а имеющиеся недостатки и ошибки выявляются только на конечных этапах. Использование современных математических пакетов позволяет проводить имитационное моделирование еще на стадии проектирования отдельных узлов ТСО и объединять модели между собой для отладки их взаимодействия. Подобный подход к решению задач проектирования ТСО применяется в модельно-ориентированном проектировании.
При реализации модельно-ориентированного подхода при проектировании элементов киберфизиче-ской системы контроля расхода жидкостей предлагается провести имитационное моделирование механической и электронно-вычислительной частей расходомера и объединить эти модели путем дополнительного моделирования датчиковой аппаратуры и аналого-цифровых преобразователей. Это позволит получить полную модель системы на которой возможна отработка алгоритмов цифровой фильтрации и управления. Отлаженные модели, реализующие алгоритмы, автоматически конвертируются в программный код программируемой логической инте-
гральной схемы (ПЛИС). Также целесообразно реализовать на ПЛИС функции элементов цифровой обработки ранее проводимых в аналого-цифровом преобразователе.
Для этого используем возможности среды имитационного моделирования Matlab/Simulink. Спроектированную ранее [1] CAD/CAE модель расходомера экспортируем в среду Matlab/Simulink (SimMechanics). После установления параметров связей между телами и введения всех действующих сил (сила Кориолиса, сила тяжести, сила упругости) и моментов инерции, получим модель, представленную на рисунке 1.
В модели КР смоделирована труба, с заданными физическими параметрами (геометрические размеры, масса, момент инерции) и взаимодействующие с ней тензометрические датчики. Физические параметры задаются в настройках блоков Body и позволяют проводить моделирование динамических процессов с учетом инерциальной составляющей движения.
Данные об изменении возникающих в модели сил и моментов можно снимать внутренними средствами пакета SimMechaniks, но это не позволяет учитывать чувствительность, быстродействие и точность конкретных моделей датчиков. Для моделирования работы системы с учетом указанных параметров реализованы модели тензометрических датчиков в подсистемах Subsystem 1-4 которые имеют действующие прототипы Honeywell FSS1500ST.
