Отечественный опыт: исследование динамики безрасходных магистралей со стабилизаторами давления

Авторы: В.Х. Галюк, Х.Н. Низамов, В.Н. Применко, А.Г.Чукаев; НУК "Энергомашиностроение" МГТУ им. Н.Э. Баумана


ВНИИОЭНГ – Нефтяная и газовая промышленность,
Экспресс-информация: серия «Транспорт и хранение нефти», выпуск №10, 1990г.


Значительную роль в обеспечении надежной, экономичной и безаварийной работы трубопроводных систем играют пре­дупреждение и устранение колебаний давления и расхода ра­бочей среды, возникающих главным образом в результате пе­риодического характера работы насосных установок.


Основные возмущения, возникающие при эксплуатации тру­бопроводов, работающих в режиме из насоса в насос, связаны со следующими причинами:

  • включение и выключение насосных станций (НС) или одно­го из насосов станции;
  • внезапное возникновение или устранение попутного сброса (или подкачки) из магистрального трубопровода;
  • автоматический ввод резерва основного насосного агрегата;
  • перевод с одного режима перекачки на другой.

В результате возмущений в магистральных трубопроводах (особенно на входе и выходе НС) могут возникать:

  • повышение давления выше допустимого;
  • понижение давления на входе НС, приводящее к кавитации основных насосных агрегатов;
  • возникновение относительно продолжительного обратного потока, вызывающего закрытие обратных клапанов.

Эти обстоятельства обусловливают особые требования к систе­ме управления режимами работы НС и магистрального трубо­провода, а также к системам аварийной защиты насосных аг­регатов и к линиям контрольно-измерительных систем.

Известно, что возникающие в магистральном трубопроводе волновые процессы ухудшают качество съема информации от контрольно-измерительных приборов (КИП), что иногда может приводить к срабатыванию автоматики защиты НС при давлени­ях, превышающих минимально или максимально допустимые.

Одним из эффективных способов защиты от них является применение микростабилизаторов давления (микроСД), действие которых ос­новано на изменении параметров трубопроводной системы (по­датливости и приведенного гидравлического сопротивления).

Принципиальная схема безрасходной магистрали дана на рис. 1.

Принципиальная схема безрасходной магистралиРис. 1. Принципиальная схема безрасходной магистрали:

1 - импульсная трубка; 2 - стабилизатор давления; 3 - из­мерительная система; 4 - основная магистраль.

Собственная частота колебаний импульсной трубки (ИТ), в предположении одного открытого и другого закрытого ее кон­цов, определяется соотношением:

f = c/4l

(1)

где c - скорость звука в жидкости;
l - длина импульсной трубки.

При наличии податливости (сильфона, пузырьков газа и т.п.) сечение сочленения с манометром может оказаться акустичес­ки открытым и собственная частота будет определяться из со­отношения:

f = c/2l

(2)

Таким образом, резонансные явления могут происходить на частотах, определяемых соотношениями (1) или (2).

Установка в импульсные трубки (ИТ) в непосредственной близости от измерительной системы (ИС) демпфирующего устройства (микростабили­затора давления) обеспечивает расстройку частот и фильтра­цию колебаний, проникающих в ИТ из основной магистрали (ОМ). Изменение основных проектно-конструкторских параметров стабилизаторов задает уровень расстройки частот и определяет величину Fg для конкретных параметров гидросистемы.

Ниже в таблице приведены результаты расчета параметров микростабилизатора давления, выполненные при следующих исходных данных: квазистатический уровень давления в расходной магистрали P=0,9МПа, величина колебаний давления в безрасходной магистрали ΔP=0,4МПа, длина соединительной трубки l=10м, диаметр проходного сечения соединительной трубки составляет 10мм, скорость звука в жидкости c=1000м/с, уровень расстройки частот F/Fg=50.

Давление в газовой полости, МПа

Податливость микростабилизатора давления, см.кв.

Минимальный объем газовой полости, см.куб.

Суммарная площадь пер­форации, см.кв.

0,4

0,02

112

0,1

0,6

168

1,0

280

Конструкция опытных образцов микростабилизаторов давления представлена на рис. 2 и рис. 3.

Пневмомикростабилизатор с упругой газовой полостью Рис. 2. Пневмомикростабилизатор с упругой газовой полостью

Микростабилизатор, приведенный на рис. 2, выполнен по пневмо-гидравлической схеме и представляет собой центральный тру­бопровод цилиндрического сечения 1, соединяющийся через рас­пределенную перфорацию 2 с упругой газовой полостью 5 через разделительный элемент 3. Газовая полость корпуса 4 через штуцер соединяется с аккумулятором давления.

Микростабилизатор работает следующим образом: при установив­шемся режиме жидкость через перфорацию 2 заполняет по­лость между трубопроводом 1 и упругим элементом 3, а по­лость между корпусом 4 и упругим элементом 3 заполнена газом того же давления, что и в основной магистрали.

В момент возникновения колебаний давления давление в полости, заполненной жидкостью, отличается от давления в газовой полости и упругий элемент перемещается под воздей­ствием перепада давлений. За счет большой податливости га­зовой полости происходит увеличение скорости на сосредо­точенных сопротивлениях (перфорация), что приводит к дис­сипации энергии колебаний давления.

Микростабилизатор с упругой камерой Рис. 3. Микростабилизатор с упругой камерой

На рис. 3 приведена конструкция микростабилизатора давления с упругой камерой. Основными элементами которой явля­ются корпус 4, участок трубопровода 1 с перфорацией 2 и упругая камера 3. Упругая камера представляет собой тон­костенную трубу из ст.ЗОХГСА, обладающую хорошими уп­ругими свойствами, центральная часть которой имеет эллип­тическое сечение.

Микростабилизатор, работает следующим образом: при квази­статическом режиме течения жидкость заполняет через пер­форацию упругую камеру. При возникновении колебаний дав­ления происходит мгновенное линейное перемещение стенок упругого элемента микростабилизатора, вследствие чего происхо­дит гашение колебаний за счет большой податливости упру­гих стенок камеры и диссипации энергии на сосредоточен­ных сопротивлениях перфоставки.

В результате исследований разработана инженерная методика расчета динамических характеристик безрасходных магистралей с микростабилизаторами давления, а также определения проектных параметров для двух конструктивных схем микростабилизаторов.

Экспериментальные исследования показали, что при давлении на приеме НС 0,9МПа, амплитуда пульсации на импульсной трубке составляет не менее 0,4МПа. При установке пневмомикростабилизатора с давлением наддува полостей 0,4МПа в импульсной трубке и линии самопишущих приборов амплитуда пульсаций давления снизилась до 0,01МПа. Установка микростабилизатора давления с упругой камерой позволила снизить пульсации до 0,04МПа.

/02.07.1990г./