Расчет гидромеханических характеристик задвижки магистрального трубопровода Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 622.692.4.053: 621. 646.001.5

РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАДВИЖКИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

Е.П. Богданов, С.В. Рикконен*

Томский политехнический университет *ООО «Система», г. Томск E-mail: [email protected]

Разработана методика расчета потерь давления и потерь мощности в элементе трубопровода (в клиновой задвижке) с учетом течения жидкости под клином и над клином задвижки. Методика позволяет определить потери энергии на перекачку жидкости разной плотности и вязкости при разном соотношении длины трубопровода и количества элементов арматуры, а также создать математический алгоритм управления задвижкой с учетом потерь мощности и тем самым в какой-то степени минимизировать потери мощности.

Ключевые слова:

Задвижка, потери, мощность, трубопровод, алгоритм.

Key words:

Pipe valve, loses, power, pipeline, algorithm.

Нормальная эксплуатация трубопровода невозможна без арматуры - неотъемлемой части любого трубопровода. Трубопроводная арматура представляет собой устройство, предназначенное для управления потоками жидкостей, транспортируемых по трубопроводу.

В трубопроводных системах технологических и энергетических установок на долю местных гидравлических сопротивлений (потери на арматуре) может приходиться до 50 % от общего гидравлического сопротивления системы. В таких трубопроводах линейные части невелики и потери на трение линейной части и местные потери соизмеримы.

В магистральных нефтепроводах местные гидравлические сопротивления считают «грубо» -2 % от потерь напора на трение. Такая оценка потерь является приближенной и не может быть информативной базой для процесса минимизации потерь перекачки.

Целью данной статьи является разработка приближенной методики расчета потерь мощности и потерь давления в клиновой задвижке, которая позволила бы конкретизировать эти потери и тем самым дала бы возможность более точно проектировать систему трубопровода.

Местные гидравлические сопротивления в трубопроводе присутствуют во всех элементах конструкции - это разного рода изменения живого сечения или конфигурации потока (когда происходит резкое изменение величин и направлений его скоростей), т. е. расширение или сужение потока, повороты, препятствия в виде диафрагм, конфузо-ров, кранов, задвижек и т. д. Такие сопротивления характеризуются образованием водоворотных зон при обтекании данного рода препятствий. Это и является основным источником местных потерь энергии. В турбулентном режиме движения потери энергии пропорциональны квадрату скорости:

, =

^МЕСТ ^ о к ’

где | - безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом местного сопротивления и определяемый опытным путем для каждого вида сопротивлений [1].

Для задвижки коэффициент местного сопротивления определяется также опытным путем и является функцией переменного диаметра трубопровода. С закрытием задвижки коэффициент местных гидравлических потерь резко возрастает, это ведет к увеличению гидравлических потерь непосредственно в задвижке (выделению энергии) в виде вихревых течений и кавитационного поля.

В публикации [2] представлены результаты экспериментальных исследований режима движения воды в трубопроводе, в ходе которых было установлено влияние сужения проходного сечения трубопровода на амплитудно-частотные характеристики гидроакустических шумов, возникающих при движении жидкости в трубе.

Воспользуемся данным экспериментом, чтобы рассчитать потери давления и мощности на клиновой задвижке по методике [3, 4]. Схема эксперимента представлена на рис. 1, расходная зависимость 2=/(0) показана на рис. 6.

Практически во всех трубопроводах для регулирования режимов широко используются клиновые задвижки, рис. 2.

Пути движения жидкости в клиновой задвижке представлены на рис. 3.

Анализ картины движения среды и разделения потока базируются на законе «неразрывности потока сплошной среды».

Для задвижки коэффициент местного сопротивления определяется обычно опытным путем и является функцией переменного диаметра трубопровода (рис. 4).

С закрытием задвижки коэффициент местных гидравлических потерь резко возрастает, это ведет к увеличению гидравлических потерь непосредственно в задвижке (выделению энергии) в виде вихревых течений и кавитационного поля.

Рис. 1. Физическая модель трубопровода для изучения гидромеханических сопротивлений задвижки. Плотность жидкости

р=1000 кг/М, динамическая вязкость жидкости /1=1-Ю~3Па-с. Насос БЦ-0,5-20 Ь = — ■ 100 % - переменный диа-

: Л

метр трубопровода в задвижке, в1 - диаметр проходного сечения трубопровода, С2 - диаметр открытия диафрагмы

Рис. 2. Клиновая задвижка: а) конструкция задвижки; б) характерные размеры задвижки

Ориентировочные геометрические параметры задвижки в зависимости от диаметра проходного сечения: й=0,012 м; !=1,25й; ЬПОС=(2/3)й;

ЯШс=(1/3№ Яш=(1/2)й; !нп=(1/5)й; Нш=(1/6) й;

НПЕР=^-НПОС-НПН.

Все местные потери энергии зависят от геометрических размеров проходных сечений каналов. Изменения площадей проходных сечений, в зависимости от степени открытия, представлены на рис. 5.

В зависимости от изменения площадей проходных сечений изменяются и расходы жидкости в каналах (рис. 6).

Проходное сечение задвижки:

Хшд=- ц ^4).

Расход жидкости в проходном сечении задвижки под клином задвижки £ШД и над клином задвижки 2над:

ІПОД

=е^, бнлд = а - а

51

ПОД •

Рис. 4. Проходное сечение задвижки

Рис. 5.

Скорость жидкости под клином задвижки:

бпод

V =■

'под

5

°под

Скорость жидкости в трубопроводе:

V =а

г ТРУБ 51 *

Как видно из рис. 3, в заслонке жидкость протекает по двум каналам - под клином задвижки и над клином задвижки.

Рис. 3. Картина движения жидкости по каналам в зоне клина задвижки, фнед " расход среды над клином задвижки; QПОД " расход среды под клином задвижки; Q - общий расход среды; Р— давление в канале над клином задвижки; С1, С2 - зоны сужения

Б,%

Рис. 6. Расход жидкости в системе в зависимости от степени открытия задвижки. <7ПОД - расход под клином задвижки, £>наД - расход над клином задвижки, Q=f(D) - расход жидкости в системе по источнику [2]

Расчет потерь давления под клином задвижки

Коэффициенты местных гидравлических потерь под клином задвижки при резком сужении и резком расширении канала вычисляется по формуле:

■ (, *^под ^ ( 51

■'С под

= 0,51 1 -

I1 - Я ), £р ™ =IХ„од -Ч

Суммарный коэффициент местных гидравлических под клином задвижки:

еЪ =£,

С под

р под •

-"под.

Зависимость коэффициента местных гидравлических потерь от открытия задвижки имеет максимальные значения при полном закрытии задвижки.

Силы сопротивления течению жидкости под клином задвижки:

Р =р —Ч V2 ■ Р =р ^ о |:/ -

■'с под ьспод ^ °под ПОД ’ -ГРПОД ч>под ^ ТРУБ •

Потери давления жидкости под клином задвижки в зоне сужения и зоне резкого расширения:

д%

Изменение площади каналов в зависимости от степени открытия задвижки. 5ПОД - площадь канала под клином (проходное сечение задвижки); 5С - площадь сечения канала над клином в зоне сужения С1; Б1 -площадь проходного сечения трубопровода

с под

С под

1 Р под

51

Потери давления под клином задвижки:

Из правила неразрывности потока жидкости считается, что потери давления под клином и над клином задвижки равны. Следовательно, расход жидкости над клином задвижки будет:

бнлд 5С р Риод •

Рис. 7. Коэффициент местных гидравлических потерь задвижки в зависимости от открытия

Зависимость коэффициента местных гидравлических потерь от открытия задвижки имеет максимальные значения при полном закрытии задвижки, рис. 7.

Расчет потерь давления над клином задвижки

Коэффициенты местных гидравлических потерь:

п/т 5И ^ (5Р1 Л2

Е„= 0,5 ^ ^ )^,1 =[ т- - 11 ;

е = 05 Г1 - ^С1^є =Г -^

Єс2 0,511 5р1 Г2 I 5Г 1

под

-"нлд

Сила сопротивления течению жидкости в зоне С1 (резкое сужение):

р (р5сЛЛ

Рс1 ^1 2 ^ •

Потери давления в зоне резкого сужения С1:

р - РС1 ''а с •

5С1

Потери мощности в зоне С1:

N = Р У

1УС1 1 сг С1*

Аналогичным образом рассчитываются скорости, потери давления и мощности в зонах Р1, С2, Р2.

Скорости жидкости в задвижке в зависимости от степени открытия имеют явно нелинейный характер, рис. 8.

Рис. 8. Скорости движения жидкости в задвижке: УПОД - скорость под клином задвижки; Vc1 - скорость в зоне сужения С1; VР1 - скорость жидкости в зоне резкого расширения Р1; Vp2 - скорость жидкости в зоне резкого расширения Р2

Потери давления над клином задвижки рассчитываются как сумма потерь давления в зонах С1, Р1, С2, Р2. Эти потери равны потерям давления под клином задвижки РПОД:

Р = Р =Р +Р +Р + Р

1 НАД 1 ПОД 1 С1 + С2 + Р2 + 1 Р1 •

Потери давления и мощности в остальной части состоят из потерь на трение, на повороты, на вход и выход жидкости из трубопровода.

Коэффициент сопротивления системы на трение:

0,3164

я=-

где Яе =

Осі р 6051м

коэффициент Рейнольдса.

Р = 2е 1 пов ^°пов

51р^

1 ТІ

51

р = ТР . е

. 1 тр ; спов

= 0,2;

51р^2

; р = Ртр .

. Рвх 51 ;

вых (1 3)

1. 513рКТ2

; Р =■

. вых =

2 ВЫХ 51

Потери давления в трубопроводе без потерь в задвижке будут складываться из потерь давления на трение, на повороты трубопровода, на потери входа-выхода:

Р =р +р +р +р

1 ТРУБ 1 ТР^ ВЫХ + ПОВ ВХ •

Суммарные потери давления всего трубопровода (рис. 9):

Р = р +р

1 ПОТ 1 ТРУБ 1 ПОД •

В зависимости от степени открытия задвижки потери давления в ней существенно уменьшаются и они практически не влияют на суммарные потери давления системы.

4

2

2

Общие потери мощности системы в ваттах:

-^под й

• р ■

под 1 под’

N = N + N + N + N '

’НАД '1ТС1 ’ Р1 ’ С2 + 1’ Р2 ■

N = Р N = Р

1\тр тр , -^>пов ± пов ,

60 60

N = Р ■ N = Р — ■

11 вх -1 вх гг. ■ ^’вых -1 вых ■

60 60

N = N + N

1т ЗАД 1'под +1'НАД•

За счет высоких скоростей жидкости над клином задвижки потери мощности в этой зоне выше, чем в зоне под клином. Потери давления над и под клином одинаковые, но потери мощности существенно отличаются, и это надо учитывать (рис. 10, 11):

N = -^под + -^НАД + -^тр + -^пов + -^вх + -^вых •

Рис. 9. Потери давления в системе: РПОД - под задвижкой; РТРУЬ - потери в системе на трение, повороты, потери на входе и выходе; РПОТ - общие потери давления в системе

Выводы

1. Разработана методика расчета потерь давления и потерь мощности в элементе трубопровода (в задвижке) с учетом течения жидкости под клином и над клином задвижки.

2. Максимальные потери давления и мощности на задвижке соответствуют 23 % открытия клина задвижки и определяются как 7...8 % (при данном соотношении длины трубы и количества задвижек) от потерь мощности и давления при 100 % открытии задвижки.

н

РР

20

40

60

АО 100

Рис. 10. Потери мощности в задвижке: NОД - под клином задвижки; ^дд - над клином задвижки; №АД - общие потери задвижки

РР

£

ИЮ

АП

40

20

//

АТ , //

// /У

[/ // Лгтр

А 1

20

40

КО

100

Я,%

Рис. 11. Потери мощности в трубопроводе в зависимости от открытия задвижки: №АД - потери на задвижке; N -потери на трение в трубе; N - потери суммарные в трубопроводе

3. При определении потерь мощности необходимо учитывать потери в зоне над клином задвижки, так как за счет высоких скоростей жидкости потери мощности в этой зоне выше, чем в зоне под клином.

4. Методика позволяет определить потери энергии на перекачку жидкости разной плотности и вязкости при разном соотношении длины трубопровода и количества элементов арматуры.

5. Данная методика позволяет создать математический алгоритм управления задвижкой с учетом потерь мощности и этим минимизировать потери мощности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины. - Харьков: ХГУ, 1970. - 396 с.

2. Пожитков А.П., Шлык Ю.К. Анализ влияния параметров системы «трубопровод-перекачивающая станция» на режим гидродинамического движения среды в трубопроводе (экспериментальные исследования) // Вестник Кибернетики. - 2006. -№ 5. - С. 47-53.

3. Антропов А.Т., Рикконен С.В. Гидромеханические характеристики регулирующей заслонки САР давления // ііесИ - журнал

интеллектуальных технологий. - 2009. - № 12. - С. 38-42.

4. Антропов А.Т., Рикконен С.В. Гидромеханические переходные процессы в системе «электропривод-регулирующая заслонка нефтепровода» // НееЬ - журнал интеллектуальных технологий. - 2009. - № 13. - С. 50-55.

Поступила 16.01.2013 г.