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.
Рис. 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; |
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.
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.
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./