Modelling and optimization of airpreparation system for the gaz pumping unit

Abstract


Wide application of the automated program design complexes leaded to consideration of design and working procese of the airtanking camera optimization. In FEM automated workplace library the strength calculation of AC base and case was canried out, the parts, with the stress-stain state are defined.

Для повышения надежности и эффективности газотранспортного оборудо- вания в процессе эксплуатации необходимо решать задачи, связанные с усовер- шенствованием и модернизацией имеющегося оборудования. На сегодняшний день широко применяются комплексы автоматизированного программного про- ектирования, которые позволяют создавать модели сложного оборудования, Владимир Константинович Тян (д.т.н., проф.), заведующий кафедрой «Трубопро- водный транспорт». Рамиль Юнесович Абушаев, магистрант. Татьяна Евгеньевна Артеева, хим. лаборант, «Транснефть Сибирь». Светлана Анатольевна Гулина (к.т.н.), доцент кафедры «Трубопроводный транс- порт». Рустам Газинурович Нутфуллин, инженер по ремонту, «Газпром Трансгаз Югорск». Никита Дмитриевич Цыганенко, машинист ТК, «Газпром Трансгаз Сургут». Леонид Павлович Шелудько (к.т.н., доц.), доцент кафедры «Управление и системный анализ в теплоэнергетике». определять его прочностные и режимные характеристики и сопоставлять получа- емые данные с эксплуатационными замерами. На магистральных газопроводах более 80 % газоперекачивающих агрегатов (ГПА) имеют газотурбинный привод центробежных нагнетателей природного газа. Данные ГПА оборудуются возду- хозаборной камерой (ВЗК) с комплексными воздухоочистительными устрой- ствами. Перед подачей на вход осевого компрессора газотурбинного привода атмосферный воздух необходимо очистить от пыли для предохранения проточ- ной части двигателя от механического износа (эрозии), образования отложений и, как следствие, снижения ресурса лопаток осевого компрессора, ухудшения характеристик (КПД, мощности) компрессора и газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Воздухозаборные устройства должны обеспечить подачу необходимого ко- личества очищенного воздуха с минимальными потерями давления, исключить попадание в тракт двигателя атмосферных осадков, обеспечить шумоизоляцию (для глушения шума, возникающего от работы осевого компрессора), и иметь байпасный клапан в случае увеличения разряжения при обмерзании фильтров или их засорении [1]. Современные комплексные воздухоочистительные устройства оборудуют двухступенчатой системой очистки [2]. В качестве пер- вой ступени устанавливаются фильтры с элементами циклонно-инерционного типа, а в качестве второй ступени - фильтры, изготовленные из специальной ткани, что позволяет добиться большой степени очистки, простоты эксплуата- ции и стабильности их параметров в процессе работы. Воздухозаборное устрой- ство оборудуется еще системой подогрева всасывающего циклового воздуха, а также системой антиобледенения. На сегодняшний день ГПА типа ГТК-10-4 эксплуатируются воздухозабор- ные камеры (ВЗК), в которых не предусмотрены фильтрующие элементы для тонкой очистки циклового воздуха. Это влечет повышенное загрязнение проточ- ной части осевого компрессора и снижение КПД ГТУ. Следовательно, возникает задача разработки воздухозаборной камеры с установленными фильтрами тонкой очистки, с противообледенительной системой (ПОС) и с сохранением конструк- ции подвода подогретого воздуха из помещения аппаратов воздушного охлажде- ния (АВО) масла. Окна для подвода атмосферного воздуха расположены слева и справа ВЗК, режим работы изменятся при помощи жалюзи. После блока филь- трующих кассет предусмотрена установка штатных шумоглушителей. На первом этапе строится геометрическая модель ВЗК в системе автомати- зированного проектирования Компас-3D [3]. Воздухозаборная камера представ- ляет объект, сочетающий в себе твердые элементы заданной геометрической формы и набор поверхностей. Процесс построения 3D-модели основан на созда- нии элементарных геометрических примитивов, из которых собран каркас реаль- ной воздухозаборной камеры: уголки 75×75×7, 63×63×5 и 50×50×5, швеллер 10Э, лист стальной 1250×2500×3. Модель каркаса воздухозаборной камеры и далее модель самой ВЗК представлены на рис. 1 а, б. Созданная 3D-модель ВЗК содержит полное описание физических свойств реальной воздухозаборной камеры ГТК 10-4 (объем, масса, моменты инерции) и дает возможность работы в виртуальном 3D-пространстве. Построенная 3D- модель каркаса ВЗК рассчитана на прочность в библиотеке АРМ FЕМ системы автоматизированного проектирования Компас-3D. Для обшитого каркаса ВЗК проведено генерирование сеточной структуры с заданным размером элементов структуры и числом ячеек ≈ 1,2 млн. Граничным условием является давление разряжения на каждую стенку ВЗК, которое эмитирует режим разряжения в ВЗК при работе ГПА. По полученным результатам можно сделать вывод, что каркас ВЗК выдер- жит разряжение в 800 Па с минимальным коэффициентом по запасу текучести, равным 12,5. б а Рис. 1. 3D-модель каркаса (а) и воздухозаборной камеры (б) Для ВЗК основанием является укрытие маслоохладителей (АВО масла), по- этому необходимо провести расчет на прочность самого основания по аналогич- ному алгоритму. Построена геометрическая 3D-модель существующего основа- ния с расположенной на нем воздухозаборной камерой (рис. 2). К расчетной мо- дели основания была приложена эквивалентная нагрузка, соответствующая мас- се модернизированной ВЗК и равная 14 000 кг. На рис. 3 изображен каркас ВЗК по результатам прочностного расчета. При возросшей на основание нагрузке (в ВЗК установлены фильтрующие элементы) коэффициент запаса по текучести составил 8,68, но с учетом климатических факторов (дополнительной пиковой снеговой нагрузки) необходимо каркас основания усилить. В дальнейшем в программном комплексе Компас-3D можно будет коррек- тировать геометрию основания и ВЗК, компоновку в нем оборудования путем добавления (удаления) элементов либо изменения характерных параметров бло- ков. По рекомендациям авторов [4, 5, 6] для технических характеристик газопе- рекачивающего агрегата ГТК 10-4 был проведен гидравлический расчет воздухо- заборной камеры для определения числа стандартных фильтрующих элементов ФГ 3(4)052 592×592×48 ГОСТ Р 51251-99. По рекомендациям [4, 6] c учетом площади, через которую производится за- бор воздуха, и массового расхода воздуха через двигатель определена площадь сечения фильтрующего элемента и требуемое число фильтрующих кассет, кото- рое составило 89,2 штуки. Для достижения оптимальной удельной нагрузки и массового расхода через фильтр число фильтрующих кассет принято равным 100 шт. На рис. 4 изображена компоновка фильтрующих кассет в ВЗК. Фильтру- ющие кассеты расположены в 20 рядов (5 штук в ряду по высоте) с углом уста- новки между рядами 60º. Рис. 2. Геометрическая модель ВЗК и основания (помещение АВО масла) Рис. 3. Относительная деформация каркаса основания Рис. 4. Компоновка элементов ВЗК При эксплуатации ГПА на фильтрующих элементах необходимо контроли- ровать перепад давления и при увеличении его выше установленной нормы про- водить очистку фильтров. На следующем этапе возникла задача определения со- противления модернизированной ВЗК путем моделирования течения воздуха в камере методом вычислительной газодинамики. Для проведения расчета в CAD-пакете SolidWorks была построена трехмерная твердотельная модель ВЗК [7]. Геометрическая модель импортирована в расчетный САЕ-пакет STAR- CCM+, который позволяет выполнить газодинамический расчет турбулентных течений. В газодинамическом расчете решаются уже заданные в математическом аппарате CAD-пакета SolidWorks STAR-CCM+ уравнения неразрывности V  Vy  V  и уравнения движения: x  x y  z  0 z    P   Vx    Vx    Vx  VxVx  VxVy  VxVz          x y z x x x   y  y   z  z      P    Vy      Vy      Vy       VxVу  VуVy  VуVz     x y z y x    x y     y z z     P    Vz      Vz      Vz  VxVz  VуVz  VzVz          x y z z x x   y  y   z  z        где Vх , Vy , Vz - проекции скорости потока, м/с; P - давление воздуха, Па; ρ - плотность воздуха кг/ м3, μ - кинематическая вязкость воздуха, м2/с. Рис. 5. Изменение скоростей потока ВЗК: - - - скорость на входе в ВЗК; ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ скорость потока на выходе Для решения систем уравнений были выделены области для наложения гра- ничных условий и сгенерирована расчетная сетка. Граничные условия задавались с учетом сопротивления фильтров. С целью уменьшения вычислительных ресур- сов была взята половина расчетной модели, т. к. корпус ВЗК симметричен. Рас- чет с помощью САЕ-пакета проводился без учета влияния температуры окружа- ющего воздуха. Была произведена серия расчетов с различным заданием перепа- да давления на фильтрах (имитация степени загрязнения фильтров) и определены скорости потока на входе в ВЗК и на ее выходе. Результаты расчетов представ- лены на графике (рис. 5). По результатам расчета скорость на входе ВЗК для заданного перепада дав- лений на фильтрах составила 3,04 м/с. Скорость потока за фильтрами во всем объеме ВЗК составляет не более 12,6 м/с и при увеличении перепада давлений на фильтрах изменяется незначительно, менее 0,5 м/с. На рис. 6 приведены резуль- таты распределения в корпусе ВВЗК векторов скоростей потока. Распределение векторов скоростей, м/с 0,0 4,0 8,0 12,0 Δp=80 Пa Δp=460 Пa Рис. 6. Распределение векторов скоростей По полученным полям скоростей видно, что в камере имеются пристеночные зоны застоя и небольшие зоны турбулизации потока. На выходе из ВЗК (вход в тракт осевого компрессора) поток выравнивается, что очень важно для форми- рования в дальнейшем осевой и радиальной равномерности потока на входе в компрессор ГТД. Распределение давления в зависимости от перепада на филь- трах (моделирование эксплуатационных факторов) равномерно по всему объему ВЗК. На основании эксплуатационных данных у существующих воздухозабор- ных устройств ГТК-10-4 КЦ-2 Ужгородской компрессорной станции величина гидравлического сопротивления (разряжение во входном сечении компрессора) имеет среднее значение Δpξ≈100 мм вод. ст. (номинальное значение на основании [1] ΔРξ ≈ 50 мм вод. ст.), а гидравлическое сопротивление модернизированной ВЗК при загрязненных фильтрующих элементах не превышает установленных нормативов. Характер распределения полей скоростей и давления в установлен- ных фильтрах свидетельствует о том, что они не имеют зон застоя и не являются источниками турбулентности потока. В зимний период (октябрь - май) работы ГПА для предотвращения обледе- нения фильтров и проточной части осевого компрессора предусмотрена установ- ка противообледенительной системы (ПОС). Планируемая компоновка ПОС в разрезе представлена на рис. 7, а. Спроектированный коллектор ПОС с диамет- ром D = 100 мм (рис. 7, б) для подогрева воздуха присоединяется к имеющимся отводам от трубопроводов циклового воздуха после регенератора. а б Рис. 7. Геометрическая 3D-модель коллектора ПОС Противообледенительная система будет подключена к уже имеющейся си- стеме обогрева циклового воздуха посредством трубопровода с диаметром D = 100 мм и регулирующей арматуры. На коллекторе устанавливаются отсека- ющая задвижка и регулирующий клапан. Отобранный горячий воздух в коллек- торе с диаметром D = 200 мм делится на два потока с диаметром D = 250 мм (рис. 7, б) и далее выдувается через 200 отверстий диаметром D = 7 мм, располо- женных на 10 вертикальных трубах перед фильтрующими кассетами. Для управ- ления расходом рабочего тела используется регулирующий односедельный кла- пан (модель 25нж947нж) с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ). Управление противообледенительной системой производится с помощью датчи- ков влажности, температуры окружающего воздуха и температуры на входе осе- вого компрессора. Сигналы от датчиков поступают на преобразователь и далее на штатную систему автоматического управления (САУ) ГПА. САУ сравнивает полученные значения со значениями, включенными в алгоритм управления ПОС компрессора, и при необходимости дает сигнал на изменение положения регули- рующего клапана подачи теплого воздуха. ПОС включается в работу при температуре наружного воздуха tх = 0 °С. Рас- ход горячего воздуха через одно отверстие составляет 0,005 кг/с (100 отв. на кол- лектор выдува), температура воздуха после регенератора 400 °С (по эксплуата- ционным данным). Требуемая температура нагрева воздуха в ВЗК tн.тр = 5-7 °С достаточна для предотвращения образования льда. Максимальный расход возду- ха Gmax на обогрев через трубопровод при полностью открытом регулирующем клапане (РК) определен по зависимости, рекомендуемой авторами [8, 9] с учетом данных [10, 11, 12], и составил 3,8 кг кг/с. G  с  S  P   kM    k 1 2  k 1 мах   ZRT   k 1     где S - площадь сечения, м2; P - давление горячего воздуха, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кгК; С - расходный коэффициент РК; z - коэффициент сжимаемости; M - молярная масса воздуха, кг/кмоль; k - показатель адиабаты воздуха. Температура нагрева воздуха в ВЗК рассчитывалась по уравнению теплового баланса [13, 14] GгвсргвгвТгв  GхсрххТ х  GнсрннТн. расч и при минимальной температуре воздуха на входе в компрессор tх = 0 °С соста- вила tн.расч = 7,8 °С. Следовательно, диаметры трубопроводов ПОС и количество горячего воздуха обеспечивают температуру в ВЗК более 5 °С. Потери мощности ГПА при работе ПОС на данном режиме составляют не более 1,2 %. Это не явля- ется существенным, так как при снижении температуры окружающего воздуха мощность ГТУ пропорционально увеличивается [15]. Полученные данные для ПОС могут быть использованы для проведения термогазодинамического расчета с помощью соответствующего программного комплекса с целью оптимизации размещения отверстий выдува горячего воздуха на коллекторе ПОС. Проведенный газодинамический расчет воздухозаборной камеры методами вычислительной газовой динамики, основанный на численном решении системы уравнений Навье - Стокса и фундаментальных законах сохранения энергии, с минимальными допущениями дает результаты, близкие к эксплуатационным. Оптимизация конструкции воздухозаборной камеры с использованием про- граммных пакетов для прочностных расчетов ВЗК и противообледенительной системы позволила без построения натурного объекта провести модернизацию существующего неэффективного воздухозаборного устройства. Для повышения надежности и эффективности технологических процессов компрессорных стан- ций магистральных газопроводов возможно использовать разработанную мето- дику моделирования воздухозаборных устройств и для других газоперекачива- ющих агрегатов с целью получения исчерпывающей информации обо всех пара- метрах во всех точках рассматриваемого объема ВЗК.

Vladimer K Tyan

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation (Dr. Sci. (Techn.)), Professor

Ramil Y Abushaev

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation Graduate Student

Tatyana E Arteeva

Transneft Siberia-Surgutneftegas trunk oil pipelines

14, Grigory Kukuyevitskogo st., Surgut 628404, Russian Federation chemical lab assistant

Svetlana A Gulina

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor

Rustam G Nutfullin

Gazprom Transgaz Yugorsk -Komsomolskii LPUMG

15, Myra st., Yogorsk, 628260, Russian Federation repair engineer

Nikita D Tsyganenko

Gazprom Transgaz Surgut

51, Industriialnaya st., Surgut, Surgutsky LPUMG, 628422, Russian Federation TK engine operator

Leonid P Sheludko

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor

  1. СТО Газпром 2-2.1-226-2008. Стандарт организации. Технические требования к воздухоочистительным устройствам газоперекачивающих агрегатов.
  2. Ольховский Г.Г. Эффективное оборудование и новые технологии - в российскую тепловую энергетику // Сб. докладов. Под общ. ред. Г.Г. Ольховского. - М.: АООТ «ВТИ», 2001. - 231 с.
  3. Бочков А.Л. Трехмерное моделирование в системе Компас-3D (практическое руководство).- СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - 80 c.
  4. Калашников М.П. Вентиляция общественных зданий: Учеб. пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005. - 160 с.
  5. Козаченко А.Н., Никишин Б.Н., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта: Учеб. пособие. - М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001. - 400 с.
  6. Черемин А.В., Синицын Ю.Н., Корнеев В.И., Шуровский В.А., Степанов Г.С. Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных и газоперекачивающих агрегатов. - М.: ВНИИГАЗ, 1999. - 28 с.
  7. Сотников Н.Н., Козарь Д.М. Основы моделирования в SolidWorks: учеб. пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 129 с.
  8. Жохов В.Л., Леонов С.Н., Голов П.В. Входной контроль качества воздушных фильтров для КВОУ ГТУ в ПАО «МОСЭНЕРГО» // Газотурбинные технологии: специализированный информационно-аналитический журнал. - 2016. - № 7. - С. 14-18.
  9. Самарин О.Д. О режиме движения воздуха в стальных воздуховодах // СОК. - 2006. - № 7. - С. 90-91.
  10. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.
  11. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. В 2 т. - Энергоиздат, 1987. - 288 с.
  12. Справочник по теплоснабжению и вентиляции: В 2 кн. / Р.В. Щекин. 4-е изд., перераб. и доп. - Киев: Будивельник, 1976. - Кн. 1. 414 с. - Кн. 2. 351 с.
  13. Гулина С.А., Шелудько Л.П. Моделирование термодинамического цикла ГТД, работающего на газообразном топливе произвольного состава // Сборник трудов XXIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 29». Т. 12. - Саратов, 2016. - С. 67-73.
  14. Пиралишвили Ш.А., Каляева Н.А., Веретенников С.В. Термодинамика. Технические приложения. - Рыбинск: РГАТА, 2008. - 230 с.
  15. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д., Пряхин А.С. Теплотехника. - М.: Академкнига, 2006. - 456 с.
  16. Гулина С.А., Горюнова И.Ю. Газотурбинные установки: учеб. пособие. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. - 104 с.
  17. Гулина С.А., Фомичева М.С. Использование программного комплекса Аnsys для оптимизации системы вентиляции // Труды X Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения». - Туапсе, 2015. - Т. 1. - С. 355-358.
  18. Гулина С.А., Горюнова И.Ю. Эффективность снижения нерегенерируемых потоков теплоты в окружающую среду через ограждение рабочего пространства высокотемпературных теплотехнологических установок // Сборник статей к VI Международной научно-практической конференции «Культура, наука, образование: проблемы и перспективы». - Нижневартовск, 2017. - Ч. II. - С. 120-124.
  19. Bejan А., Tsatsaronics G., Moran M. Thermal design and optimization. New York: J. Wiley, 1996.

Views

Abstract - 8

PDF (Russian) - 3

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies