CC BY
32
УДК 622.691.4:628.517
Оптимизация конструкции линии редуцирования на газораспределительной станции для снижения интенсивности пульсаций давления высокоскоростного потока
ПА Кузьбожев1*, И.В. Шишкин1
1 Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта, Российская Федерация, 169330, Республика Коми, г. Ухта, ул. Севастопольская, д. 1-а * E-mail: p.kuzbozhev@sng.vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. В качестве примера в статье приводятся результаты расчетного моделирования процесса перетока сжатого газа через участок линии редуцирования газа, включающий трубопроводы, конические переходы, а также клапан-регулятор.
Оценка параметров высокоскоростного потока газа в цилиндрическом канале переменного диаметра выполняется с помощью расчетного комплекса Ansys CFX, подготовка расчетной модели -графического редактора Design Modeler. Моделируется поток сжатого газа, истекающего из области высокого в область низкого давления через клапан-регулятор РДУ-100-64 и расширяющийся канал.
Результаты расчетного моделирования показывают, что газовый поток имеет сложную структуру со значительной неоднородностью по скорости, давлению и температуре. Для стабилизации потока предложены два технических решения: 1) изменение конструкции затвора; 2) установка в проточной части клапана-регулятора разделяющих стенок. Расчетная оценка эффективности решений по стабилизации потока показывает снижение интенсивности пульсаций давления газа и полное или частичное устранение вихревых зон.
При невозможности изменения конструкции линии редуцирования газа для снижения вибрации трубопроводов используют следующие решения: ремонт поврежденных опор трубопроводов; изменение схем размещения опор; использование демпфирующих материалов; изменение режимов работы трубопроводов.
Для проверки эффективности предлагаемых решений используются расчетные комплексы, определяющие параметры отклика трубопроводной линии на динамическое воздействие.
Ключевые слова:
газораспределительная станция, линия
редуцирования,
поток,
давление,
клапан-регулятор,
пульсация.
В ряде случаев при эксплуатации газораспределительных станций (ГРС) в процессе снижения давления газа (редуцирования) наблюдаются высокий уровень шумов и вибрация трубопроводов. В настоящее время для уменьшения пульсаций давления газа, а также снижения уровня шумов выполняют стабилизацию высокоскоростного потока газа в сетчатых или лабиринтных разделителях, разделительных решетках или перфорированных плунжерах. Для перечисленных решений характерны следующие недостатки: снижение пропускной способности регулирующих устройств разделителями; пропускная способность разделителей не регулируется; существует возможность засорения или обледенения разделителей.
Разработка новых решений по снижению уровня пульсации давления газа, а также ограничению интенсивности акустического воздействия может быть выполнена по результатам физического или расчетного моделирования. Физическое моделирование выполняется на экспериментальных стендах или на существующих линиях редуцирования ГРС. К недостаткам метода относятся: повышенная опасность процесса; невозможность оперативного изменения параметров трубопроводной системы; сложность оценки параметров потока. Расчетное моделирование, выполняемое с помощью программных комплексов, является наиболее рациональным методом и позволяет с высокой достоверностью воспроизводить технологические процессы ГРС; определять эффективность новых технических решений.
Динамическое нагружение трубопроводов является следствием комплексного воздействия внутреннего рабочего давления перекачиваемой среды и вибраций,
вызванных пульсирующим потоком среды. В качестве источников пульсаций среды в трубопроводах могут быть насосы, компрессоры, реактивные двигатели. Однако существует большой класс газотранспортных объектов, которые, не имея вращающихся элементов, тем не менее имеют возмущения потока среды, способствующие возникновению опасных уровней вибрации и шума. В частности, высокоскоростной поток газа на выходе клапана-регулятора на ГРС вызывает существенное увеличение уровня шума и вибраций, превышающих в ряде случаев нормативно установленные значения.
В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 № 116-ФЗ ГРС являются опасными промышленными объектами, которых в России насчитывается более 3500 с суточной подачей газа потребителям более 1200 млн м3.
По сравнению с магистральными газопроводами, характеризующимися преимущественно статическим нагружением от внутреннего давления транспортируемого газа, ситуация на ГРС осложняется воздействием на газопроводы динамического нагружения и вибраций, возникающих на участках после автоматических регуляторов давления, в которых происходит снижение давления газа.
Таким образом, с точки зрения обеспечения надежности и безопасности эксплуатации ГРС исследования по оценке и поддержанию работоспособности технологических трубопроводов газораспределительных станций с целью уменьшения параметров их динамического вибрационного нагружения являются, безусловно, актуальными.
Несмотря на большое число научных работ и существенный прогресс в достижении высоких качественных показателей устойчивости трубопроводов, подверженных динамическому нагружению, проблема уменьшения уровня их вибрационного состояния остается нерешенной. Анализ последних работ этого направления [1, 2] показывает, что снижение интенсивности генерируемых при дросселировании газообразных сред, акустических колебаний высокой мощности, а также пульсаций давления в потоке преимущественно достигается разделением высокоскоростного потока газа с помощью сетчатых или лабиринтных делителей потока, перфорированных плунжеров или
диффузоров. Для приведенных решений характерны следующие недостатки:
• разделительные решетки, диафрагмы, картриджи ограничивают пропускную способность регулирующих устройств;
• геометрические размеры разделителей потока неизменны, и конструкция не предусматривает какой-либо регулировки их пропускной способности, соответственно, можно предположить, что они наиболее эффективны в условиях постоянного расхода или для некоторого узкого диапазона расходов;
• пропускная способность разделителей может снижаться вследствие засорения или обледенения.
Также следует отметить, что вопросы, касающиеся влияния динамического нагруже-ния газа на состояние металла трубной обвязки ГРС, в научно-технической литературе отражены слабо и практически не исследованы.
Оценка параметров потока в трубопроводах линий редуцирования газа ГРС, а также особенностей отклика трубопроводной линии на динамическое нагружение (высокочастотные колебания внутреннего давления) может быть выполнена как в результате физического, так и расчетного моделирования.
Физическое моделирование выполняется на специализированных экспериментальных стендах или непосредственно на существующей линии редуцирования, при этом к недостаткам данного метода следует отнести:
• повышенную опасность процесса, обусловленную высоким давлением газа;
• невозможность оперативного изменения параметров трубопроводной системы (введения в линию новых устройств, изменения диаметров труб);
• невозможность оценки параметров потока газа по всему объему линии редуцирования.
Очевидно, что при разработке технических решений, направленных на снижение интенсивности динамических нагрузок на трубопроводы линии редуцирования газа, наиболее рациональным является использование современных программных комплексов, которые позволяют с достаточно высокой достоверностью выполнять расчетное моделирование технологического процесса ГРС, а также определять эффективность тех или иных решений по снижению интенсивности пульсации давления потока.
Ниже приведен пример выполнения расчетного моделирования процесса перетока
сжатого газа из области высокого в область низкого давления через участок линии редуцирования газа, включающий трубопроводы различного диаметра, конические переходы (диффузоры), а также клапан-регулятор.
Оценка параметров высокоскоростного потока газа в цилиндрическом канале переменного диаметра выполняется с помощью расчетного комплекса Ansys CFX. При подготовке расчетной модели используется графический редактор Design Modeler, входящий в комплекс программ Ansys Workbench. Моделируется поток сжатого газа, истекающего из области высокого в область низкого давления через клапан-
регулятор РДУ -100-64 и расширяющийся канал, состоящий из двух патрубков, соединенных двумя последовательно установленными диффузорами (рис. 1).
Рассматриваются два случая:
1) ширина зазора между затвором и седлом затвора клапана-регулятора - 3,5 мм, объемный расход - 28 103 м3/ч; скорость потока на выходе канала - 19 м/с;
2) ширина зазора - 4,5 мм, расход -40 103 м3/ч; скорость потока - 27 м/с.
По результатам расчетного моделирования установлено, что в пределах расчетной области присутствуют три области завихрения,
б
Рис. 1. Геометрические размеры расчетной области: а - проточная часть клапана-регулятора; б - начальная часть газопровода
низкого давления
Рис. 2. Структура высокоскоростного потока при объемном расходе газа 40-103 м3/ч: а - проточная часть клапана регулятора; б - начальная часть газопровода низкого давления
б
Рис. 3. Поле распределения давления в продольном сечении расчетной области: а - объемный расход газа 28-103 м3/ч; б - объемный расход газа 40-103 м3/ч
две из которых расположены в проточной части клапана-регулятора и одна - в диффузоре и начальной части второго прямолинейного участка канала (рис. 2). Формирование областей завихрения обусловлено особенностями геометрии проточной части клапана регулятора и расширяющегося канала. Размеры первой области, расположенной в пределах застойной зоны между внешней границей проточной части клапана-регулятора и затвором, стабильны и не зависят от скорости потока. Вторая область завихрения, обусловленная поворотом высокоскоростного потока газа, при увеличении скорости истечения уменьшается.
Третья область завихрения, расположенная в диффузоре, при малых скоростях потока имеет достаточно сложную структуру. Основной вихрь располагается на выходе
второго диффузора, малое завихрение, располагающееся в начале первого диффузора, переходит в завихрение большего размера, сформированное в начале второго диффузора, которое в свою очередь переходит в основной вихрь. При увеличении скорости потока малые вихри исчезают, основной увеличивается в длину (по оси канала, в направлении потока).
На выходе из дросселирующего зазора давление в газовом потоке составляет 0,85...1,10 МПа при объемном расходе 28103 м3/ч и 0,9.1,3 МПа при 40103 м3/ч (рис. 3). В месте поворота потока (у стенки проточной области клапана-регулятора) давление снижается до 0,6.0,8 МПа. После поворота потока происходит снижение давления до 0,2.0,3 МПа и далее - постепенный рост по длине канала до 0,65 МПа.
Зоны пониженного давления (до 0,15 МПа) зафиксированы в центральной части первой и второй областей завихрения.
Продольная составляющая скорости противотока во второй области завихрения составляет 120...300 м/с при объемном расходе 28 1 03 м3/ч и 200.450 м/с при 40 1 03 м3/ч (рис. 4).
Таким образом, газовый поток в пределах расчетной модели имеет сложную структуру, характеризующуюся значительной неоднородностью по скорости и давлению.
Для стабилизации потока предложено два технических решения:
1) изменение конструкции затвора для стабилизации потока за счет его разделения при дросселировании;
2) изменение геометрии проточной части клапана-регулятора с вводом разделяющих
стенок и профилирующих лопаток, обеспечивающих оптимальную траекторию и смешение формируемых отдельных высокоскоростных слоев потока.
Результаты оценки эффективности решений по снижению пульсаций высокоскоростного потока газа в линии редуцирования следующие:
• предложенные технические решения по оптимизации конструкции клапана-регулятора обеспечивают снижение интенсивности пульсаций давления газа в потоке. В используемой расчетной модели максимальные по амплитуде колебания (до 0,1 МПа, с периодом до 0,01 с) давления зафиксированы в пределах контрольного сечения, расположенного между первым и вторым диффузорами (рис. 5);
• отмечается значительное снижение интенсивности колебаний давления в пределах проточной части клапана-регулятора;
о а о и о
826.5
683.6
540.8
397.9 255,1 112,3 -30,58 -173,4 -316,3 -459,1
Область противотока /
350.450 м/с
350.250 м/с
/
Область противотока
Рис. 4. Поле продольной составляющей скорости потока газа в проточной части клапана-регулятора: а - объемный расход газа 28-103 м3/ч; б - объемный расход газа 40-103 м3/ч
б
Рис. 5. Структура газового потока в оптимизированной конструкции затвора прямоточного клапана-регулятора на газопроводах ГРС: а - проточная часть клапана-регулятора; б - начальная часть газопровода
низкого давления
• температура газа в потоке составляет 17.19 °С. В пределах клапана, в областях противотока, температура газа достигает отрицательных значений;
• продольная составляющая скорости потока на выходе из клапана-регулятора составляет 310.350 м/с, при этом распределение скорости в пределах поперечного сечения
достаточно равномерное.
***
По результатам проведенного расчетного моделирования сделаны следующие выводы.
1. Вибрации объяснены появлением пульсаций давления в проточной части клапана-регулятора и патрубке между клапаном-регулятором и диффузором с частотой более 100 Гц при расходе 28 1 03 м3/ч и более 200 Гц и амплитудой 0,3.0,4 МПа при расходе 40 103 м3/ч. Поток в пределах расчетной области имеет три области завихрения.
2. Предложенные технические решения по стабилизации высокоскоростного потока газа с помощью разделительных стенок, размещаемых в проточной части клапана-регулятора
и диффузоре, а также за счет разделения потока при дросселировании через несколько регулируемых зазоров обеспечивают:
• снижение пульсации давления в 3,0.3,5 раза;
• полное устранение областей завихрения в клапане-регуляторе;
• снижение размеров областей завихрения в диффузоре.
Следующий (второй) этап расчетного моделирования направлен на определение параметров отклика линии редуцирования на высокочастотные периодические изменения давления газа. Данный вид расчетного моделирования позволит установить степень влияния на интенсивность колебаний линии редуцирования:
• схем размещения опор трубопроводов;
• параметров труб (диаметра, толщины стенки, физико-механических характеристик стали);
• схем размещения сосредоточенных масс (кранов, клапанов);
• схем закрепления трубопроводов на опорах.
Необходимо отметить, что первый этап расчетного моделирования высокоскоростного потока сжатого газа будет достаточен при условии, что предлагаемые решения физически реализуемы на рассматриваемом объекте.
В том случае, если трубопроводная линия требует значительного изменения конструкции, что в некоторых случаях может быть
нецелесообразным, для снижения вибрации трубопроводов в условиях действия возбуждающих переменных нагрузок используют решения, направленные на изменение параметров закрепления трубопроводов (ремонт поврежденных опор, изменение схем размещения опор, использование демпфирующих материалов) или изменение режимов работы трубопроводов.
Список литературы
1. Иголкин А. А. Разработка глушителей аэродинамического шума пневматических и газотранспортных систем: дис. ... д.т.н.: 01.04.06: защищена 24.12.2015: утв. 04.02.2016 / А.А. Иголкин. - Самара, 2015. -271 с. - Библиогр.: с. 254-270.
2. Заяц И.Б. Снижение шума при эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов: дис. ... к.т.н.: 05.26.03: защищена 23.08.2015: утв. 06.03.2016 / И.Б. Заяц. - Уфа, 2015. - 118 с. -Библиогр.: с. 108-117.
Optimizing construction of a reduction line at a gas-distributing station to reduce intensity of a high-speed gas flow pressure pulsation
P.A. Kuzbozhev1*, IV. Shishkin1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC Ukhta Subsidiary, Bld. 1-a, Sevastopolskaya street, Ukhta, Komy Republic, 169330, Russian Federation
* E-mail: p.kuzbozhev@sng.vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Sometimes, on operating gas-distributing stations a high level of noise and vibration of pipelines are observed during reduction of gas pressure. Nowadays, to decrease gas pressure pulsations, and to reduce noise a high-speed gas flow is stabilized in reticular or labyrinth dividers, spacing frames, or perforated plungers. These solutions have following disadvantages: reduction of transfer capacity of control valves by dividers; transfer capacity of dividers is not regulated; dividers can be logged or iced.
New ways to reduce gas pressure pulsation and to limit intensity of acoustic exposition can be found by means of physical or computational modelling. Physical modelling is done at test stands or working reduction lines of gas-distributing stations. This method has several disadvantages, namely: higher danger; impossibility to change parameters of a pipeline in real time; complicated procedure for estimation of flow parameters. Computational modelling is the most rational and reliable method. It provides accurate reproduction of technological processes at gas-distributing stations and determination of efficacy of new technical solutions. For example, the paper gives simulation of a compressed gas transition through a section of a pressure reduction line including pipelines, conic links and a control valve. Parameters of a high-speed gas flow in a cylinder channel of varying diameter are assessed by means of Ansys CFX. A model is prepared in Design Modeler.
Results of simulation show that the gas flow has complex structure and considerable speed, pressure and temperature heterogeneity. To stabilize this flow two ways are suggested: 1) to change construction of a lock; 2) to install dividing walls in a lotic part of the control valve. Calculated efficiency of these technologies says that gas pressure pulsations are reduced and eddy zones are completely or partially removed.
If it is impossible to change construction of the reduction line, it is recommended to apply the following technologies for reduction of pipeline vibrations: to repair defected pipeline bearings; to change dislocation of the bearings; to use damping materials; to change working regimes of the pipelines.
Efficiency of the suggested technologies is checked using program complexes, which can determine parameters of the pipeline answer to dynamic exposures.
Keywords: gas-distributing station, reduction line, flow, pressure, control valve, pulsation. References
1. IGOLKIN, A.A. Development of a silencer for aerodynamic noise of pneumatic and gas-transport systems [Razrabotka glushiteley aerodinamicheskogo shuma pnevmaticheskikh i gazotransportnykh sistem]: Dr. thesis (engineering). Peter The Great St.-Petersburg Polytechnic University. Samara, 2015. (Russ.).
2. ZAYATS, I.B. Reduction of noise at operating gas-distributing stations of gas mains [Snizheniye shuma pri ekspluatatsii gazoraspredelitelnykh stantsiy magistralnykh gazoprovodov]: Candidate thesis (engineering). Institute of Energy Resources Transportation. Ufa, 2015. (Russ.).
