CC BY
11
3. Бердник В.М., Владимиров Б.Е. Основы теории технологического потока: учебно-методическое пособие для практических занятий/ Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2017. 90 с.
Петров Сергей Александрович, магистрант, sap71ru@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT AND SELECTION OF A RATIONAL TECHNOLOGICAL SYSTEM OF PRODUCTION TAKING INTO ACCOUNT ITS COMPLEXITY
S.A. Petrov
The article discusses development of operator models for different technological systems for food production on an example of apple concentrate production, an assessment of the complexity of these systems was carried out and the system with the best reliability, economic and operational characteristics among those considered was selected.
Key words: technological system, operator model, technological system complexity.
Petrov Sergey Aleksandrovich, master, sap71ru@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.22
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-59-65
НАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОРЕКУПЕРАЦИИ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
А.С. Черных, П.Ф. Сильницкий
Статья посвящена разработке концепции технологии рекуперации энергии в гидравлических системах посредством применения гидравлических и обратимых гидравлических машин - турбин и насосов, функционирующих в режиме турбины (с англ. pump as a turbine). В работе представлены результаты экспериментального исследования гидравлической системы с интегрированной гидравлической турбиной для потенциальной рекуперации энергии, затраченной циркуляционным центробежным насосом. В эксперименте использовался гидравлический агрегат (турбина) поперечно-струйного течения, циркуляционный центробежный насос, а также устройства, выступающие в качестве потребителей рекуперированной электроэнергии: светодиодные лампы номинальной мощностью 3,0 Вт, мотор-редуктор номинальной мощностью 8,0 Вт.
Ключевые слова: обратимая гидравлическая машина, гидравлическая турбина, гидравлическая энергия, центробежный насос, рекуперация, энергопотребители.
Применение гидравлических турбин либо насосов как турбин, функционирующих в реверсивном режиме, является достаточно распространённой практикой за рубежом в гидроэнергетической сфере. Этому способствует ряд преимуществ. Во-первых, с экономической точки зрения инвестиционные затраты при использовании насоса как турбины могут составлять менее 50% от стоимости сопоставимой специализированной турбины (особенно для небольших агрегатов мощностью менее 50 кВт) [4]. Это может быть важной проблемой для проектов с ограниченным бюджетом и финансовыми
59
возможностями. Во-вторых, с конструктивной точки зрения отсутствие устройства управления потоком (направляющего аппарата), которое обычно считается недостатком, является одновременно преимуществом, поскольку конструкция насоса обычно проста и прочна. В-третьих, разнообразие центробежных насосов и их широкое применение приводит к тому, что такие стандартные насосы легкодоступны, что способствует сокращению сроков поставки, а производители и их представители присутствуют во всем мире. В-четвертых, запасные части являются также легкодоступны, поскольку крупные производители насосов предлагают послепродажное обслуживание практически по всему миру. И в-пятых, техническое обслуживание при использовании насосов в качестве гидравлических турбин не требует специального оборудования и навыков слесарей.
Очевидно, что эффективность работы насоса в реверсивном режиме меньше, чем у специализированных гидравлических турбин среднего и высокого диапазона мощностей, КПД которых может достигать более 90%. В своё время насосы, работающие в качестве турбины, достигают эффективности сравнимой с эффективностью турбин поперечного потока - их КПД порядка 60%. В-третьих, наблюдается уменьшение эффективности при частичной нагрузке гидромашины - обычная гидравлическая турбина имеет эффективный гидравлический контроль потока в виде лопаток направляющего аппарата (регулирование потока в соответствии с требуемой производительностью). В случае если насос, используемый в качестве гидравлической турбины, вынужден работать не с расчётной производительностью, его КПД относительно резко снизится (в дополнение к гидравлическим потерям, вызванным регулированием потока по средствам регулирующего клапана на напорной линии). Недостатки использования центробежных насосов в качестве гидравлических турбин могут быть сведены к минимуму, если насос подобран очень тщательно и применяется только там, где это оправдано.
Таким образом, использование гидравлической энергии потока транспортируемой среды напорных линий, трубопроводов, её дальнейшая конвертация в электроэнергию и использование в качестве альтернативного, резервного источника электроснабжения необходимых электроприемников является перспективным направлением в гидроэнергетике и даже в некоторых сферах нефтяной промышленности, о чем свидетельствует внедрение 21 сентября 2018 года станции рекуперации энергии на Трансальпийском магистральном нефтепроводе, где основным решением по рационализации энергопотребления является использование радиально-осевой турбины Френсиса [1]. По итогам работы станция рекуперации достигла ожидаемой годовой выработки электроэнергии и составила 11,5 ГВт-ч, что эквивалентно 12% экономии энергии от ежегодных энергозатрат трубопровода на австрийском участке [3].
Цель исследования: экспериментально обосновать концепцию технологии рекуперации энергии в гидравлических системах посредством применения гидравлических и обратимых гидравлических машин - турбин и насосов, функционирующих в режиме турбины.
Материалы и методы. Для проведения лабораторного моделирования режимов рекуперации энергии в гидравлических системах был сооружён лабораторный стенд - установка (рис. 1), имеющий следующие составные элементы:
1. Циркуляционный центробежный насос, выполняющий роль магистрального
насоса;
2. Кинетическая машина - гидравлическая турбина поперечно - струйного течения, выполняющая роль рекуперативного устройства;
3. Потребители рекуперированной электроэнергии: светодиодные лампы - 2 шт. номинальной мощностью 3,0 Вт каждая, мотор-редуктор номинальной мощностью 8,0 Вт;
4. Литий - ионные аккумуляторные батареи - 4 шт. номинальной мощностью по 2,8 Вт каждая;
5. Шаровые полипропиленовые краны для регулирования режимов работы установки;
6. Полипропиленовый трубопровод наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 3,4 мм.
Рис. 1. Лабораторная установка гидравлической системы рекуперации энергии: 1 — насос магистральный; 2 — турбина гидравлическая; 3 — кран, регулирующий поток и выходную мощность турбины соответственно; 4, 5 — светодиодные лампы; 6 — электрический привод задвижки (крана); 7 — аккумуляторный блок; 8 — контроллер включения/переключения резервного питания; 9 — автоматический электрический выключатель питания насоса; 10 — расширительный бак для слива/налива жидкости; 11 — секущие задвижки (краны) основной нитки
трубопровода
Данная установка (стенд) имеет рециркуляционную схему исполнения. Это значит, что после того, как жидкость приобрела гидравлическую энергию и вышла из центробежного насоса (1), она, проходя через систему рекуперации или минуя её по основной нитке трубопровода (выделенной красным цветом), располагающейся как на основании стенда, так и под ним, попадает на линию всасывания насоса и далее процесс повторяется. С помощью секущих задвижек (кранов) (11) основной нитки трубопровода имеется возможность полностью перекрыть трубопровод и пустить весь поток жидкости через систему рекуперации, выделенную синим цветом, для восстановления части энергии, затраченной магистральным насосом и её использования нуждающимися потребителями (4, 5, 6). В таком случае вся производительность трубопровода стремится в двух направлениях - часть к гидравлической турбине (2), а другая часть - минуя её, через регулирующий кран (3), установленный параллельно турбине. С помощью регулирующего крана имеется возможность контролировать режим работы системы, а также регулировать производительность гидравлической турбины и её выходную мощность соответственно. В случае непреднамеренной остановки гидравлической турбины вся производительность стремится через регулирующий кран, и далее попадает снова в основную нитку трубопровода.
Такая установка способна функционировать в двух режимах - оперативном (рис. 2) и автономном (рис. 3). В первом случае выработанная (восстановленная) электроэнергия поступает напрямую к потенциально нуждающимся в ней потребителям в виде светодиодных ламп и электропривода задвижки (крана). В случае автономной работы системы выработанная (восстановленная) электроэнергия накапливается в аккумуляторных батареях (7) и используется по мере необходимости. Управлять данными режимами возможно по средствам контроллера включения (переключения) питания (8), также установленного на стенде.
Рис. 2. Режим оперативного восстановления энергии
Рис. 3. Режим накопления рекуперированной энергии (автономная работа
системы)
Для качественной оценки эффективности работы системы рекуперации был
произведен гидравлический расчёт [2] системы при работе циркуляционного насоса на
м3
третьем режиме при рабочей производительности Q = 0,0012— и напоре Я = 6м со-
ответсвтенно.
Режим течения в трубопроводе (1):
„ 4ф 4 0,0012
Ие = -
= 75482.
(1)
(2)
пйвнУЬ 3,14-0,0166-1,22-10_6
Так как выполняется условие (2):
10-< Яе< 560 — ;
4э V
Соответственно, режим течения - турбулентный, 2-я область. Тогда коэффициент гидравлического сопротивления определяется в соответствии с формулой Альтшу-ля (3):
А = 0,11 + ™\0,25 = 0,П (2,221 + = 0,0202; (3)
Яе; 4 16,6 75482/ 4 '
Скорость течения воды в трубопроводе (4):
у=_4^= 4-0,0012 м. (4)
геО|н 3,14 0,01662 с 4 '
Потери напора на трение по длине трубопровода и местные сопротивления до поступления жидкости к турбине (вся производительность проходит через турбину) определим согласно формуле Дарси-Вейсбаха (5):
л = — + — = (0,0202 • + 1,6^- ^^ = 3,558 м; (5)
V Аш ' 29 ^ 0,0166 / 2-9,81 4 '
Тогда, напор, воспринимаемый турбиной (6):
Ятур6 = Янас -Л = 6- 3,558 = 2,442 м; (6)
Потенциально возможная вырабатываемая мощность турбины с учетом гидравлических потерь на трение по длине трубопровода и местные сопротивления (7):
^полн 0,65 ,; К '
Занимаемая энергопотребителями суммарная номинальная мощность составляет 14,0 Вт, тогда остаточный запас мощности потока жидкости (8):
Мост = М - £ Мном = 44,23 - (3 + 3 + 8) = 30,23 Вт; (8)
Так как рассчитанный ранее режим течения является турбулентным (2-я область) эмпирические коэффициенты, необходимые для расчета совмещенной характеристики трубопровода и гидравлической турбины:
е о 004
т = 0,123; 0 = 0,0802 • ю0,127'^"0,627 = 0,0 8 0 2 • Ю0,12™5^"0,627 = 0,0066; Рассчитаем значения точек напора в трубопроводе на трех режимах работы по формуле (9):
Имеем:
tf = (9)
in* 0,00122_o,123-(l,22-10_6)O'123-0,36 n -nn
Я = 1,01 • 0,0066--0,01665-0.1^3 -= 0,708 м;
0,000882_o,123-(l,22-10_6)O'123-0,36 „
я = 1,01 •0,0066--001.65-o,123 -= 0,396 м;
0,000532"°'123-(1,22-10"6)°'123-0,36 0,01665
После построения напорно-расходной характеристики трубопровода (рис. 4) была определена напорно-расходная характеристика гидравлической турбины эмпирическим путем (рис. 5) при работе насоса также на трех режимах.
Я = 1,01 • 0,0066 • --n„::s-0123J-— = 0,152 м.
0,8 0,7 0,6 0,5 £ 0,4 с I 0,3 0,2 0,1 0 0
0,0005 0,001 0,0015
Рис. 4. Q-H—характеристика трубопровода
2,5 2 = 1,5 Q. О С £ 1 0,5 0
0,0005 0,001 0,0015
Рис. 5. Q-H—характеристика гидравлической турбины
При построении зависимостей в MS Excel методом экстраполяции графиков определяем рабочую точку системы на совмещенной характеристике работы трубопровода и гидравлической турбины (рис. 6).
По результатам гидравлического расчета рабочая точка системы «трубопровод-
турбина» имеет следующие координатные значения расхода и напора соответственно:
м3
Q = 0,00167—, Я = 1,21 м. Таким образом, при функционировании установки на режиме полной рекуперации (вся производительность проходила через турбину) наблю-
дался стабильный режим работы системы без срыва потока и возникновения кавитации на потенциально подверженных этим явлениям участках трубопровода - входа и выхода гидравлической турбины.
2,29 у-0,034^+0,142*-0,024 ..-
М (0,00167;1,21)
1.
0,703
0,152 0,396 ¥ » -0,0*51Г - Q.1Ä2X + 2,46б"
0,00053 0,COOES 0,0011 0,0016 0,0013
Расход, 0
Рис. 6. Совмещенная Q-H—характеристика трубопровода и гидравлической
турбины
Основываясь на опыте проведенного натурного моделирования по результатам которого удалось снабдить рекуперированной энергией требуемые электроприемники суммарной номинальной мощностью 14,0 Вт при этом не оказав существенного воздействия на установленный режим перекачки и стабильность потока жидкости, а также факте разработки и внедрения станции рекуперации энергии на Трансальпийском магистральном нефтепроводе можно сделать вывод о том, что рационализация энергопользования систем гидроэнергетической сферы и частных случаев в нефтепроводной инфраструктуре представляется возможным и перспективным направлением по повышению энергоэффективности таких систем.
Список литературы
1. Черных А.С., Рябков А.В. Система рекуперации энергии в магистральных нефтепроводах // Нефтегазовый терминал материалы Международной научно-технической конференции транспорт и хранение углеводородного сырья. Тюменский индустриальный университет. 2019. С. 126- 133.
2. Типовые расчеты процессов в системах транспорта и хранения нефти и газа [Текст]: учебное пособие для студентов нефтегазового профиля / ТюмГНГУ; ред. Ю.Д. Земенков. СПб.: Недра, 2007. 599 с.
3. Rother T. Energy Recovery in Crude Oil Pipelines [Электронный ресурс] URL: https://www.pipeline-conference.com/abstracts/energy-recoverycrude-oil-pipelines (дата обращения: 15.04.2022).
4. Chapallaz J., Eichenberger P., Fischer G. Manual on Pumps Used as Turbines [Электронный ресурс] URL: https://skat.ch/book/manual-on-pumps-used-as-turbines-volume-11 (дата обращения: 15.04.2022).
Черных Артём Сергеевич, старший оператор 4 роты (научной), chernyh199886@,gmail.com, Россия, Анапа, Военно инновационно технополис «ЭРА»,
Сильницкий Павел Фёдорович, канд. техн. наук, доцент, spf72@,yandex. ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
EXPERIMENTAL SIMULATION OF ENERGY RECOVERY MODES IN HYDRAULIC
SYSTEMS
A.S. Chernyh, P.F. Silnitsky
The article is devoted to the development of the concept of energy recovery technology in hydraulic systems by the use of hydraulic and reversible hydraulic machines - turbines and pumps operating in the turbine mode (pump as a turbine). The paper presents the results of an experimental study of a hydraulic system with an integrated hydraulic turbine for the potential recovery of energy spent by a circulating centrifugal pump. The experiment used a hydraulic unit (turbine) of cross-jet flow, a circulation centrifugal pump «CIRCUL 25/60», and devices used as consumers of recuperated electricity: LED lamps with a rated power of 3 W, a motor-reducer with a rated power of 8.0 W.
Keywords: reversible hydraulic machine, hydraulic turbine, hydraulic energy, centrifugal pump, recuperation, energy consumers.
Chernyh Artem Sergeevich, operator of the 4th scientific company, cher-nyh199886@,gmail.com, Russia, Anapa, Military Innovative Technopolis «ERA»,
Silnitsky Pavel Fedorovich, candidate of technical sciences, docent, spf72@yandex.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
УДК 621.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-65-70
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ДВУХСТОРОННЕГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Э.В. Дьякова, Е.В. Пантюхина
В статье были разработаны граничные условия на параметры захвата и ориентирования бункерного загрузочного устройства, которые позволяют спроектировать надежную конструкцию для загрузки и ориентирования полуфабрикатов двухстороннего выдавливания.
Ключевые слова: бункерное загрузочное устройство, захват, ориентирование, полуфабрикаты, производительность.
В настоящее время при производстве гильз для патронов спортивно-охотничьих целесообразно использовать современные технологии, например, двухстороннее полугорячее выдавливание. Применение такой технологии позволяет получать полуфабрикаты из прутка стали, что значительно снижает применение материала и позволяет получать их с высокими механическими свойствами. После изготовления полуфабрикаты в ориентированном положении необходимо с высокой производительностью отправить на операцию вытяжки.
