CC BY
8
УДК 004.02
Тихоненко К.А., Савицкая Т.В.
ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ПОДБОРА АРМАТУРЫ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
Тихоненко Ксения Александровна - магистрант 1-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; miss_kso@icloud.com.
Савицкая Татьяна Вадимовна - доктор технических наук, профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»,
Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены актуальность программы по подбору трубопроводной арматуры для нефте- и продуктопроводов, её аналоги, алгоритм работы программы, особенности реализации программы, апробация на нескольких типах нефтепроводной арматуры.
Ключевые слова: магистральный нефтепровод, трубопроводная арматура, программное приложение, база данных.
PRACTICAL APPROBATION OF THE SOFTWARE APPLICATION FOR THE SELECTION OF VALVES ON MAIN PIPELINES
K.A. Tikhonenko, T.V. Savitskaya
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the relevance of the program for the selection ofpipeline valves for oil and product pipelines, its analogues, the algorithm of the program, features of the program, testing on several types of oil pipeline valves. Key words: oil trunk pipeline, pipeline fittings, software application, database.
Введение
Вопрос автоматизированного проектирования равным образом, как и вопрос расчёта параметров с целью подбора арматуры магистральных трубопроводов представляется крайне важным. Это сопряжено с тем, что при проектировании, а также управлении сложными технологическими объектами, какими представляются магистральные трубопроводы, особые условия предъявляются к эксплуатационной надежности, а также их безопасности.
Достаточно много существует программных комплексов, которые тем или иным образом помогают подбирать арматуру для магистральных трубопроводов, например, ANSYS, разработчиком которой является американская компания Ansys ^ [1], использует метод конечных элементов (МКЭ), заключается он в том, что производится деление исследуемой области на совокупность подобластей. ANSYS позволяет моделировать физические процессы с использованием построенных в конструкторских программах трехмерных моделей, снимая необходимость передачи модели из одной программы в другую. Кроме ещё существует ProCAST, разработанная CSoft Москва / АО «СиСофт» [2] - профессиональная система компьютерного моделирования литейных процессов методом конечных элементов, обеспечивающая совместное решение температурной,
гидродинамической и деформационной задач вместе с уникальными металлургическими возможностями для всех процессов литья и литейных сплавов. Старт-Проф [3] -программа для проектирования, расчета прочности и жесткости трубопроводов различного назначения, она же является и самой
распространённой в России и странах СНГ, используется с нормативными документами, включает в себя интерфейсы для интеграции с рядом программ для расчета и проектирования таких как Гидросистема, CAESAR II, КОМПАС, AutoCAD и многие другие, также в ней уже есть множество встроенных баз данных параметров трубопроводов. Но у всех вышеперечисленных программ есть недостатки: их нет в свободном доступе и не все из них могут производить полный расчёт для подбора трубопроводной арматуры. Именно поэтому было разработано программное приложение «Подбор трубопроводной арматуры» по методике расчёта требуемых гидравлических и кавитационных характеристик регулирующей арматуры для выбора в системы автоматического регулирования [4]. Приложение обеспечивает решение следующих основных задач:
1. Расчёт гидравлических и кавитационных характеристик;
2. Реализацию методики [4] с помощью императивного, структурированного, объектно-ориентированного, высокоуровневого языка программирования со строгой статической типизацией переменных Delphi [5];
3. Внедрение базы данных арматуры для магистральных трубопроводов с помощью языка программирования структурированных запросов SQL [6] и системы управления базами данных под управлением Windows MS Access [7].
Экспериментальная часть
Приложение апробировано на типовых магистральных трубопроводах тремя разными случаями, первый (рис. 1-3) отражает изменение во
время расчёта номинального диаметра и условной пропускной способности, второй случай (рис. 4) показывает расчёт с меньшим абсолютным давлением на входе в конфузор, а третий случай (рис. 5-6)
отражает расчёт с меньшими значениями массовых расходов.
Случай первый:
Таблица 1. Исходные данные
Наименование параметра Значения параметров режимов эксплуатации
Наименование рабочей среды нефть
Абсолютное давление насыщенных паров рабочей среды при температуре на входе, МПа 0,1 (при температуре отбора пробы 38°С)
Плотность среды при рабочих условиях, кг/м3 886,7
Коэффициент кинематической вязкости при температуре среды на входе, м2/с 3,4 • 10-5
Массовый расход, кг/с 1300
Максимальный массовый расход по технологическому регламенту, кг/с 2854
Абсолютное давление на входе, МПа 5,1
Абсолютное давление на выходе, МПа 5,5
Минимальный перепад давления, МПа 0,4
Абсолютное давление, МПа 0,101325
Диаметр трубопровода, на котором устанавливается, м 1,22
Шероховатость внутренней стенки трубопровода, м 6 • 10-4
Номинальный диаметр арматуры, м 0,4
Условная пропускная способность, м3 /ч 2600
Необходимо выбрать тип регулирующей арматуры, в примере взят клапан регулирующий с плунжерным затвором для проверки. По каталогу для него необходимо определить значения коэффициента кавитации (Кс) и коэффициента критического перепада давления (Км) для того, чтобы использовать их как исходные данные[8] (рис. 1). Кс = 0,6;
Км = 0,8
Коэффициенты запаса по пропускной способности так же определяются по каталогу:
- для линейной пропускной характеристики: N1=0,6; N2=0,92 (взят для примера);
- для равнопроцентной пропускной характеристики: N1=0,22; N2=0,75.
После ввода исходных данных необходимо нажать на кнопку «Расчёт» (рис. 2).
■О' Подбор трубопроводной арматуры Файл О программе Доступ к Базе данных
Минин.перепад давления, МПа
ЁЕ ]
Коффициент кавитации
I" н
Массовый расход, кг/с 11300 |
Кофф. кинематич. вязкости, м2/с 10,000034 |
Центральный угол конфузора, град
И I
Диам, сеч.патрубка на вых. из конф.,н
1
Усл. пропускная способность, мЗ/ч
Расчёт
Требуемый коэффициент кавитации
Число Рейнольдса
Критичеекоре число Рейнольдса
Исходные данные
Абсдавл.на входе в конфузор, МПа
Кофф. критич.перепада давления
Диаметр трубопровода, м
Номинальный диаметр арматуры, м
Центральный угол диффузора, град
Диан, сеч,патрубка на вых. из диф.,м
Абсолютная шероховатость труб., м
Абс.давл.насыщенных паров, МПа
Абсолютное давление, МПа
Плотность рабочей среды, кг/мЗ
Макс, массовый расход среды, кг/с
2854_|
Коэфф,запаса по пропускной спос.{1)
Коэфф,запаса по пропускной спос.(2)
Далее (при прерывании) Расчётные данные
Перепад давления, МПа
I
Коэфф. гидравлицеского трения
Число Рейнольдса для цилиндр, труб
Пропускная способность, мЗ/ч
Квадратичный модуль
Уточнённая проп. способность, мЗ/ч
Рис.1. Исходные данные по таблице 1 (случай первый)
} Подбор трубопроводной арматуры |йл О программе Доступ ic Базе дан hi
Минин перепад давления, МПа
Коффициент кавитации
Массовый расход, кг/с
Кофф. 10,0000
Центральный угол конфузора, град
Диам, сеч.патрубка н „
Уел, пропускная способность, мЗ/ч |2600 |
Исходные данные
Абс.давл.на входе в конфузор, МПа
Кофф. критич.перепада давления |р,8 | Дианетр трубопровода, н
Номинальный дианетр арматуры, м |р,4 |
Центральный угол диффузора, град
Диам, сеч.патрубка на вых. из диф
Й = Абсолютная шероховатость труб.,
|0f0Q06 |
Абс.давл.насыщенных паров, МПа
ё1 : Абсолютное давление, МПа
Плотность рабочей среды, кг/мЗ
Требуемый коэффициент кавитации 0,080
Перепад давления, МПа 1,999
Резким течения рабочей среды - бескавитаиионный
режим
Число Рейнольдса 45025,468 Квадратичный модуль 0,000044 Пропускная способность, мЗ/ч 5372932,160
расход среды, кг/с
Подбор трубопроводной арматуры У
Ввведите новое [большее) значение условной пропускной способности и соответствующее емуз! »диаметра
Далее (при прерывании)
Требуемый коэффициент кавитации |0,080 |
Число Рейнольдса
Критическоре число Рейнольдса
Расчётные данные
Перепад давления, МПа
Коэфф. гидравлического трения
Число Рейнольдса для цилиндр, труб
Пропускная способность, мЗ/ч
Квадратичный модуль
0,000044
Уточнённая проп. способность, нЗ/ч
Рис.2. Запрос программы об изменении значений номинального диаметра арматуры и условной
пропускной способности После необходимо нажать на кнопку «Далее (при Случай второй:
прерывании)», чтобы досчитались остальные значения по данной ветке расчёта (рис. 3). Но кроме этого, значения номинального диаметра в исходных данных заменяются на новые 0,8 м после ввода.
Уточнённая пропускная способность оказалась равна 5402 м3/ч, программа выдаст окно с базой данных по арматуре, где можно будет по текущему номинальному диаметру найти все подходящие устройства (рис. 3), видно, что можно взять клапан запорно-регулирующий с номинальным диаметром 0,82 м или же подыскать какую-то другую арматуру.
Если взять все те же исходные данные (таблица 1), но заменить абсолютное давление на входе в конфузор с 5,1 Мпа на 0,5 Мпа, то требуемый коэффициет кавитации будет равен 1, что говорит о том, что программа выдаст выбор метода устранения кавитации, выбран метод с помощью дополнительной регулирующей арматуры, далее программа не считает, нужно выбрать новую арматуру (рис. 4).
•QI Подбор трубопроводной арматуры Файл О программе Доступ к Базе дан hi
Минин.перепад давления, МПа
Ё4 Z 3
Коффициент кавитации
Массовый расход, кг/с
Кофф, 10,000034
Центральный угол конфузора, град
Диан, сеч,патрубка н
g
Усл. пропускная способность, мЗ/ч
Расчёт
Требуемый коэффициент кавитации
Число Рейнольдса
Критическоре число Рейнольдса
1016666,667
Исходные данные
Абс.давл.на входе в конфузор, МПа
й
Кофф. критич,перепада давления |р,8 ~| Диаметр трубопровода, м
Номинальный диаметр арматуры, м
|р,8 ~|
Центральный угол диффузора, град
Диам, сеч.патрубка н;
Абсолютная шероховатость труб,, м |0,0006 ~|
Абс.давл.насыщенных паров, МПа
Абсолютное давление, МПа
0,101325_|
Плотность рабочей среды, кг/нЗ
Иакс.массовый расход среды, кг/с 2354
Коэфф.запаса по пропускной спос.{1)
Соэфф.запаса по пропускной спос.{2)
Далее (при прерывании)
Расчётные данные
Перепад давления, МПа Коэфф. гидравлического трения
I
Число Рейнольдса для цилиндр, труб
Пропускная способность, мЗ/ч
Квадратичный модуль 0,000044
Уточнённая проп. способность, мЗ/ч 15404,395
Ф База данных Запись - □ X
Поиск |о,8
Вид арматуры Тип арматуры Номинальный дианетр, м Пропускная способность, нЗ/ч а
Запорная Дисковой затвор 0,8 59324
Запорная Задвижка 0,8 150120
Запорно - регулирующая Затвор дисковой регулирующий 0,82 19200
► Запорно - регулирующая Клапан запорно - регулирующий 0,32 5500!
Регулирующая Клапан регулирования давления 0,8 2100
Требуемый коэффициент кавитации 0,080
Перепад давления, МПа 1,999
Режим течения рабочей среды - бескавитационный
режим
Число Рейнольдса 45025,468 Квадратичный модуль 0,000044 Пропускная способность, мЗ/ч 5372932,160 Установка регулирующей арматуры с помощью конфузора и диффузора Критическое число Рейнольдса 1016666,667 Число Рейнольдса для цилиндрических труб 3415,323 Коэффициент гидравлического трения 0,022 Уточнённая пропускная способность, мЗ/ч 5404,395 Выбор нового значения коэффициента кавитации по графикам зависимости из конструкторской документации
Рис.3. Рассчитанные значения с частью БД
Рис.4. Расчёт второго случая
Случай третий:
Если взять все те же исходные данные (таблица 1), но заменить массовый и максимальный массовые расходы на 200 кг/с и 500 кг/с, то число Рейнольдса окажется меньше 10000, из чего следует, что
программа должна выдать окно для ввода значений для расчёта квадратичного модуля (таблица 2). Выбираем значения для регулирующей арматуры других типов (рис. 5).
Таблица 2. Значения коэффициентов для расчета квадратичного модуля
Тип регулирующей арматуры Значение коэффициента
а В с
Дисковые затворы 276,0 0,07154 0,7679
Регулирующая арматура других типов 240,0 1,30600 1,0770
Подбор трубопроводной арматуры Файл О программе Доступ к Базе данных
Минин.перепад давления, МПа
Е4 I
Коффициент кавитации
Е I
Массовый расход, кг/с
Кофф. кинематич. вязкости, м2/с
Центральный угол конфузора, град
Диан. сеч.патрубка на вых. из конф,,м
Усл. пропускная способность, мЗ/ч
Расчёт
Требуемый коэффициент кавитации
Число Рейнольдса
Критическоре число Рейнольдса
Исходные данные
Абсдавл.на входе в конфузор, МПа
Кофф, критич.перепада давления
Диаметр трубопровода, м
Номинальный диаметр арматуры, м
Центральный угол диффузора, град
Диам. сеч.патрубка на вых, из диф.,м
Абсолютная шероховатость труб., м
Абс.давя,насыщенных паров, МПа
Абсолютное давление, МПа
Плотность рабочей среды, кг/мЗ
Маю:,массовый расход среды, кг/с
Коэфф.запаса по пропускной спос,(1)
Коэфф.запаса по пропускной спос,(2)
Требуемый коэффициент кавитации 0,080
Перепад давления, МПа 1,999
Режим течения рабочей среды - бескавитационный
режим
Число Рейнольдса 6926,995
Значения коэффициентов для расчёта квадратичного модуля, если Рейнольде<10000
Рй
Коэ4
Коэффициент "а*
Коэффициент Тэ"
Число Рейнольдса для цилиндр, труб
Сохранить
Уточнённая проп. способность, мЗ/ч
1
Коэффициент "с"
Рис.5. Выбор значений коэффициентов для расчёта квадратичного модуля
Далее программа просит ввести новые минимальные значения номинального диаметра арматуры и условной пропускной способности, выбираем по паспорту оборудования 0,35 м и 2000 м3/ч соответственно (исходные данные меняются на новые значения номинального диаметра 0,35 м и условной пропускной способности 2000 м3/ч) (рис.
Ф Подбор трубопроводной арматуры Файл О программе Доступ к Базе данных
Минин,перепад давления, МПа
Коффиииент кавитации
Массовый расход, кг /с
Кофф. 10,0000.
Центральный угол конфузора, град
Уел, пропускная способность, мЗ/ч
Расчёт
Требуемый коэффициент кавитации
Число Рейнольдса
6926,995
1016666,667
Исходные данные
Абс.давл.на входе в конфузор, МПа
Кофф, критич.перепада давления
Диаметр трубопровода, н
Номинальный диаметр арматуры, i
lo,35
Центральный угол диффузора, град
13 диф.,н
Абсолютная 10,0006
6). После нажимаем на кнопку «Далее (при прерывании)». Подбираем новое значение требуемого коэффициента кавитации, вводим в окно программы, оно оказалось меньше рассчитанного, программа говорит о том, что данная арматура не подходит, необходимо подобрать другую, то есть произвести расчёт заново (рис. 6).
Абс.давл,насыщенных паров, МПа
]
Абсолютное давление, МПа 10,101325 I
Плотность рабочей среды, кг/мЗ
I866,7
расход среды, кг/с
Коэфф,запаса по пропускной спос,(1)
¡о пропускной спос,{2)
Подбор трубопроводной арматуры Выбор другого типа арматуры (рао-
Требуемый коэффициент кавитации 0,080
Перепад давления, МПа 1,999
Режим течения рабочей среды - бескавитационный
режим
Число Рейнольдса 6926,995 Квадратичный модуль 354680000,000 Пропускная способность, мЗ/ч 1,892 Установка регулирующей арматуры с помощью конфузора и диффузора Критическое число Рейнольдса 1016666,667 Число Рейнольдса для цилиндрических труб 3415,323 Коэффициент гидравлического трения 0,034 Уточнённая пропускная способность, мЗ/ч 946,268 Выбор нового значения коэффициента кавитации по графикам зависимости из конструкторской документации
Установка регулирующей арматуры с помощью
конфузора и диффузора
Критическое число Рейнольдса 1016666,667
жпиндрических труб 3415,323 ческого трения 0,034 I способность, мЗ/ч 946,268 коэффициента кавитации по 13 конструкторской
ей арматуры с помощью
Перепад давления, МПа
1,999
Коэфф, гидравлииеского трения
0,034
Число Рейнольдса для цилиндр, труб
Пропускная способность, мЗ/ч
Квадратичный модуль
Уточнённая проп. способность, мЗ/ч
Е
Критическое число Рейнольдса 1016666,667 Число Рейнольдса для цилиндрических труб 3415,323 Коэффициент гидравлического трения 0,034 Уточнённая пропускная способность, мЗ/ч 946,268 Выбор нового значения коэффициента кавитации по графикам зависимости из конструкторской документации
Рис.6. Расчёт третьего случая
Заключение
Программное приложение апробировано на тестовых примерах подбора регулирующей арматуры магистральных нефтепроводов.
Планируется дальнейшее расширение базы данных программы и методов расчёта, а также более масштабная апробация на различных типах трубопроводной арматуры и различных средах с последующим включением данного программного приложения и результатов вычислительных экспериментов в систему поддержки принятия решений по выбору трубопроводной арматуры с учетом требований надежности и промышленной безопасности. Разработанное программное приложение, реализующее методику, может эффективно использоваться для обучения студентов решению инженерных задач и специалистами, занимающимися проектированием трубопроводной арматуры.
Список литературы
1. ANS YS: сайт. — URL: https://www.ansys.com/(Дата обращения: 05.05.2021).
2. Casting Simulation Software «Все о моделировании литейных процессов»: сайт. — URL: https://castsoft.ru/ (Дата обращения: 05.05.2021).
3. Научно-техническое предприятие «Трубопровод». Программное обеспечение. Инженерные расчеты и автоматизация проектирования: сайт. — URL: https://www.truboprovod.ru/software/ (Дата обращения: 06.05.2021).
4. ГОСТ Р 59126-2020. Методика расчета требуемых гидравлических и кавитационных характеристик арматуры регулирующей для выбора в системы автоматического регулирования: сайт. — URL: http://docs.cntd.ru/document/560994368 (Дата обращения: 05.05.2021).
5. Delphi. Embarcadero: сайт. — URL: https://www.embarcadero.com/ru/products/delphi (Дата обращения: 07.05.2021).
6. MySQL: сайт. — URL: https://www.mysql.com/ (Дата обращения: 07.05.2021).
7. MsAccess. Microsoft: сайт. — URL: https://www.microsoft.com/ru-ru/microsoft-365/access (Дата обращения: 07.05.2021).
8. Регулятор. Регулирующая и запорная арматура: сайт. — URL: http://www.emk.ru/images/CatalogiReg/Katalog-Regulator-2.pdf (Дата обращения: 08.05.2021).
