|
Сумський державний університет
Калашников Олександр Миколайович
УДК 622.691
Особливості газодинаміки та ефективність прямоточних
краплевловлювачів компресорних станцій
05.05.15 – Вакуумна та компресорна техніка
автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Суми – 2003
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в ВАТ “Сумське машинобудівне НВО ім. М.В. Фрунзе”.
Захист відбудеться “ 23 ” жовтня 2003 р. о 10 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К55.051.03 при Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, (корп. А, ауд. 215).
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Сумського державного університету (40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).
Автореферат розіслано “ 19 ” вересня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Савченко Е.M.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Однією з актуальних проблем, що стоїть перед нафтогазовою промисловістю України на сучасному етапі, є вдосконалення техніки і технології транспортування газу. Вирішення цієї задачі пов‘язане з успіхами в галузі очищення газу від рідинних та механічних домішок. Процес очистки побіжного нафтового і природного газів в умовах різних за технологічним призначенням компресорних станцій істотно відрізняється від процесу очищення газів в сумісних областях промисловості і тому є спеціальною областю газотранспортної техніки.
При середньому терміні експлуатації 15–20 років, парк основного обладнання компресорних станцій, збудованих в 1970-1980 роках є матеріально зношеним і технічно застарілим. Враховуючи те що частка сепараційного обладнання в загальному об‘ємі компресорної станції складає 20-30%, переобладнання останніх потребує великих капітальних витрат. Нові технологічні апарати повинні бути по ефективності на рівні найкращих зразків світової очистної техніки.
Результати досліджень останніх років свідчать, що в даний час одним з найефективніших методів відокремлення крапель рідини від газового потоку з метою підвищення якості і технологічних властивостей останнього для наступної переробки, чи подальшого транспортування, є використання апаратів з закрученими течіями. В закручених течіях виникають значні відцентрові сили, які перевищують силу тяжіння, інколи, на 1-2 порядки. Таким чином апарати для краплевловлювання, в основу яких покладені закручені течії, мають відносно малі габаритні розміри, прості в експлуатації та виготовленні і можуть бути запропонованими для впровадження в складі об‘єктів нафтогазової промисловості.
Разом з тим, проведений аналіз робіт вітчизняних і закордонних дослідників свідчить, що на цей час недостатньо розглянуті питання методів розрахунку і конструювання краплевловлювачів відцентрового типу з стаціонарними завихрювачами потоку, та прогнозуванню їх енергетичних показників (опір при проходженні газів, раціональні витрати та ін.) та ефективності краплевловлювання на різних режимах експлуатування.
В роботі вирішуються важливі проблеми експериментального та теоретичного дослідження аеродинаміки прямоточних краплевловлювачів, в першу чергу – задачі розрахунку полів швидкості за заданими вхідними параметрами. З використанням одержаних залежностей розрахунку полів швидкості вирішуються задачі розрахунку опору краплевловлювачів і їх фракційної і загальної ефективності.
Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов‘язана з дослідженнями і розробками, проведеними у відповідності з Національною програмою “Нафта і газ України до 2010 року”. В наступному робота виконувалась згідно з тематичними планами НДР і ДКР спеціального конструкторського бюро ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе”.
Мета і задачі досліджень. Метою є проведення експериментальних і теоретичних досліджень для встановлення особливостей гідродинаміки руху газу в зоні сепарації прямоточних краплевловлювачів, узагальнення закономірностей течії для встановлення впливу вхідних параметрів потоку та геометричних параметрів завихрювачів на формування полів швидкості. Узагальнені характеристики газодинаміки течій газів були основою теоретичних досліджень при розробці математичної моделі розрахунку полів швидкостей, яка сама є основою теоретичних розрахунків опору апаратів для краплевловлення та рівнянь прогнозування сепараційної ефективності апаратів очищення газів, а також їх загальної ефективності по існуючому дисперсному складу забруднень.
Об‘єктом дослідження є процес транспортування природного газу компресорними станціями.
Предмет дослідження. Засоби очищення газів, що базуються на використанні гідродинамічних процесів, виникаючих у потоках що обертаються.
Методи дослідження. Задачі удосконалення методів розрахунку відцентрових краплевловлювачів вирішувались шляхом математичного і фізичного моделювання процесу гідродинамічної очистки газу в прямоточних краплевловлювачах з закрученими потоками. Математичне моделювання здійснювалось на підставі класичних положень гідродинаміки та теоретичної механіки. Фізичне моделювання здійснювалось шляхом стендових випробувань натурних зразків стаціонарних завихрювачів потоку.
Фізичний експеримент – дослідження ефективності краплевловлення базувався на вивченні дисперсного складу крапель рідини на промащених плівках за допомогою мікроскопа.
Порівняння результатів експериментальних та теоретичних досліджень проводились за допомогою статистичних методів розрахунку похибок експериментальних та теоретичних параметрів.
Побудова теоретичних залежностей проводилась за допомогою диференціальних методів математичного аналізу та інтегрального обчислення.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі:
- експериментальними дослідженнями отримані залежності локальних полів швидкості в осесиметричному каналі прямоточного краплевловлювача від вхідних параметрів потоку і геометричних параметрів закручуючих пристроїв;
- одержані теоретичні залежності для розрахунку полів швидкостей в сепараційному об`ємі прямоточних краплевловлювачів з відхиленнями експериментальних значень від розрахункових осьових швидкостей в середньому 15-20%, тангенційних 20-25%, радіальних 30-35%;
- отримані залежності розрахунку опору прямоточних апаратів з закрученими течіями, які дозволяють з точністю до 90-98% прогнозувати витрати тиску, як серійних так і нових апаратів;
- на основі залежностей розрахунку полів швидкості одержані рівняння для розрахунків сепараційної ефективності прямоточних краплевловлювачів;
- на основі експериментальних і теоретичних досліджень розроблені основи методики теоретичного розрахунку газодинамічних характеристик та ефективності прямоточних краплевловлювачів.
Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на підставі експериментальних і теоретичних досліджень одержані результати які дають можливість:
- узагальнення показників формування структури потоків в сепараційній зоні з різними закручуючими пристроями, які дозволяють дати практичні рекомендації по вибору закручувачів, що формують задану структуру потоку;
- одержані експериментальні дані по опору і ефективності сепарації капель в прямоточних краплевловлювачах які дають можливість теоретично прогнозувати ці показники для різноманітних апаратів з закрученими потоками;
- проведений теоретичний аналіз роботи прямоточних краплевловлювачів на основі експериментальних досліджень дозволив одержати основні залежності розрахунку газодинамічних параметрів апаратів які є основою методики проектування і розрахунку всіх показників роботи апаратів;
- з використанням матеріалів дисертаційної роботи розроблені модернізовані конструкції сепараційних апаратів очистки технологічного газу для компресорних станцій.
Особистий внесок здобувача. У наукових працях, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному:
- у роботах [1, 2] автором проведені розрахунки сил, діючих в сепараторах, складені таблиці величин, проведений їх аналіз;
- у роботах [3, 6] автор прийняв участь в складанні математичних моделей, проведенні розрахунків швидкості і співставлення теоретичних і експериментальних досліджень;
- у роботах [4, 5] використані теоретичні залежності В. Барта для розрахунку опору краплевловлювачів, проведені розрахунки опору дослідних зразків, співставлення експериментальних і розрахункових даних.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи заслуховувались й обговорювались на засіданнях кафедри холодильних і компресорних машин, та кафедри технічної теплофізики Сумського державного університету і науково-технічної ради ВАТ “Сумське НВО ім.
М.В. Фрунзе” (м. Суми, 1997 р.), на II Українській науково-технічній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці в черкаському інженерно-технічному інституті (м. Черкаси, Україна, 1998 р.), на 11 міжнародній конференції по компресорній техніці в Казанському інженерно-технічному інституті (м. Казань, Росія, 1998 г.), на VI науково-технічній конференції молодих спеціалістів “Дослідження, конструювання та технологія виготовлення компресорних машин” в ЗАО “Науково-дослідний і конструкторський інститут відцентрових і роторних компресорів ім. В.Б. Шнеппа” (м. Казань, Росія, 2002 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано шість статей [1-6], у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 194 сторінки, у тому числі 143 сторінки основного тексту, 6 таблиць, 56 ілюстрацій.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації; формулюється наукова задача; розкривається сутність і стан цієї задачі; показаний зв‘язок роботи з програмами, планами і темами НДР та ДКР; формулюється мета і наукові задачі дослідження, вирішення яких забезпечує досягнення поставленої мети; висвітлюється обґрунтованість, вірогідність, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів; відмічається особистий внесок здобувача в проведених дослідженнях; дана інформація щодо апробації результатів досліджень і публікацій за темою дисертації.
Перший розділ присвячено аналізу стану досліджень осесиметричних закручених течій та принципів конструювання відцентрових сепараторів. Проведений порівняльний аналіз найбільш поширених типів пристроїв для видалення твердих та рідинних домішок із газового потоку в умовах компресорних станцій, а також існуючих методів розрахунку їх показників.
Аналіз існуючих конструкцій сепараторів і краплевловлювачів компресорних станцій побіжного нафтового і природного газу показує, що найбільш ефективним принципом сепарації дисперсної фази є її видалення за допомогою відцентрових сил, виникаючих у закрученому потоці. Інтенсивність сил відцентрового поля, може в декілька разів перевищувати інтенсивність гравітаційного та інерційного полів.
Менший опір прямоточних апаратів з закручуючими пристроями робить їх більш кращими в порівнянні з протитечними апаратами.
Таким чином, відцентрові апарати, які використовують прямоточно-вихровий принцип руху двохфазного потоку в зоні сепарації мають просту конструкцію, низьку металоємність та гідравлічний опір, високу технологічність виготовлення, незначні експлуатаційні витрати і можуть бути рекомендованими для застосування їх в технології компресорних станцій.
Після проведеного аналізу існуючих в промисловості різновидів закручуючих пристроїв для подальших досліджень були обрані найбільш досконалі закручувачі потоку: тангенційно-щільовий, тангенційно-лопатевий, аксіально-лопатевий та аксіально-тангенційний.
Як правило опис руху дисперсіонного (рідина, газ) середовища проводять на основі класичних рівнянь руху Ейлера та нерозривності потоку. Аналітичне рішення цих рівнянь можливе лише в деяких випадках. Більш прийнятними є полуемпіричні методи, вирішення яких дозволяє отримати аналітичні залежності поля швидкостей в сепараційній зоні при наявності коефіцієнтів, які вибираються із порівняльних розрахунків між теоретичними і експериментальними показниками.
На підставі результатів огляду літератури сформульовані висновки про актуальність теми досліджень, визначена мета роботи і поставлені задачі дослідження.
У другому розділі висвітлені результати проведених досліджень структури потоків у вихровому прямоточному краплевловлювачі. Для проведення досліджень був спроектований стенд до складу якого входили система подачі повітря, крапельної рідини і вимірюючи пристрої з точністю виміру швидкості 1м/с, перепаду тиску 20 Па, максимальні витрати 0,11 м3/с. Використаний стенд дозволяє з належною точністю проводити виміри осьової і тангенційної складових швидкості.
Рис. 1. Схема дослідного стенду
1 – відцентровий вентилятор; 2 – сепаратор; 3 – вузли виміру тиску газу;
4 – форсуночна камера; 5 – витратна ємність; 6 – прийомний бак; 7 – дренажний бак; 8 – засувка; 9 – газопроводи; 10 – рідинні трубопроводи; 11 – форсунка.
В процесі досліджень застосовані чотири закручуючих пристрої (рис. 2.) для перетворення поступального руху газу в осесиметричний потік з наявністю осьової, тангенційної і радіальної складових швидкості і досліджені їх характеристики.
Рис. 2. Завихрювачі потоку
1 – тангенційно-щільовий; 2 – тангенційно-лопатевий;
3 – аксіально-лопатевий; 4 – аксіально-тангенційний.
Тангенційно-щільовий завихрювач забезпечує максимальну відносну тангенційну швидкість обертання (сягає 3ч4,5), але має максимальний опір (до 3000Па) і мінімальні витрати 0,18ч0,025 м3/с. В зоні сепарації має місце значне відхилення осьової швидкості від середньо-витратної (від –2 до +5), що свідчить про наявність зворотних течій, які негативно впливають на процес сепарації.
Тангенційно-лопатевий завихрювач забезпечує помірно-високу відносну тангенційу швидкість обертання (1,2÷2,6), але має максимальний опір (до 3000Па), достатньо високі витрати 0,03÷0,052 м3/с, коливання осьової швидкості в зоні сепарації дорівнюють 0,3÷1,6. Зворотні течії в потоці не утворюються.
Аксіально-лопатевий завихрювач забезпечує невелику відносну тангенційу швидкість (0,6÷2,0), має порівняно низький опір (до 1800Па) та відносно великі витрати (0,036÷0,057 м3/с). Коливання відносної швидкості в зоні сепарації 0,4÷1,8. Зворотні течії не утворюються.
Аксіально-тангенційний завихрювач створює найбільш низьку відносну тангенційу швидкість (-0,6÷2,0), має найбільші витрати (0,045÷0,1 м3/с). В зоні сепарації утворюються зворотні течії в окружному напрямку які негативно впливають на процес сепарації. Відносна осьова швидкість має сильне затухання в радіальному напрямку, від максимуму в центрі 1,2ч1,6 до 0,25ч0,6 на периферії, що свідчить про наближення характеристик заданої течії до звичайного однопараметричного руху рідини в трубі при турбулізації.
Закон зміни тангенційної швидкості по радіусу апарату для тангенційно-щільового, тангенційно-лопатевого і аксіально-лопатевого завихрювачей близький до закону обертання твердого тіла в центральній зоні ( ). В периферійній зоні всі досліджені завихрювачі забезпечують закон руху близький до потенційного обертання.
Тангенційно-лопатевий завихрювач має закон розподілення осьової швидкості близький до рівномірного. В інших типах завихрювачей цей закон має місце лише в центральній зоні.
а б в
Рис. 3. Залежність осьової (а), тангенційної (б) і радіальної (в) складових
швидкості від радіусу каналу в апараті з (L=0,025-0,045м3/с і z=0,7ч0,8)
Опір краплевловлювачів з обраними типами завихрювачей пропорційний моменту кількості руху обертаючогося потоку створюваного завихрювачем.
Ефективність очистки від крапельної рідини в апаратах с різними типами завихрювачей потоку знаходиться в прямій залежності від кута закрутки потоку на вході в сепараційну зону і опору апарату, який підвищується із зростанням витрат газу. Більшу ефективність мають апарати з закручуючими пристроями, які забезпечують відтік уловленої рідини з лопастей завихрювача до стінок сепараційної труби.
У третьому розділі міститься аналіз руху газового потоку в прямоточному краплевловлювачі з закрученними течіями. За основу розрахунків прийняте значення вхідного моменту кількості руху. В потоці виділена зона розділення зовнішнього шару, що обертається за законом обертання твердого тіла, у вигляді циліндричної поверхні з радіусом r*. Принятий закон рівномірного розподілення осьової швидкості по перетину.
На рис. 4 представлено схему краплевловлювача з окремими складовими загального потоку (L3): L10, L20 – витрати відповідно внутрішнього і періферійного потоків в начальному перетині; L1, L2 – поточні витрати потоків у вибраному перетині; r0 – радіус апарату.
Розділення течій відбувається на поверхні радіусом r*, який приблизно дорівнює r4 (діаметру вихідного патрубка).
Із рівняння нерозривності потоку отримані залежності для розрахунків осьової складової швидкості. Із поняття дивергенції отримані рівняння для розрахунку радіальної складової швидкості. Із баланса моменту кількості руху отримані залежності для розрахунку тангенційної швидкості. В якості визначних прийняті кутові швидкості обертання потоку у вихідній трубі і на вісі апарату (ω1(z)).
Рис. 4. Схема краплевловлювача
Осьові складові швидкості потоку для внутрішнього (индекс 1) і зовнішнього (індекс 2) шарів:
 ;  .
Тангенційні складові швидкості потоку:
 ;  ,
де  ;  .
Радіальні складові швидкості потоку:
 ;  .
Визначення радіальних складових швидкості виконано розрахунковим шляхом за існуючими експериментальними даними осьової і тангенційної складових швидкості. Рівняння перерахунку отримане із відомої функції тока, яка пов‘язує ψ з Vr і Vz, і отриманого авторами раніше зв‘язку Vφ з функцією току:
 .
На підставі закону ізотермічного процесу стиснення газу в полі відцентровых сил закручених потоків отримана залежність розрахунку радіусу кордону розділення зовнішнього і внутрішнього шарів. Наведене рівняння отримане лише для визначення r* на вихідній ділянці руху (z=0).
Проведений аналіз і оцінка сил, діючих на тверді частинки та краплі рідини в прямоточному краплевловлювачі з закрученим потоком. Встановлено, що інерційні сили сепарації на ділянці нестаціонарного руху на декілька порядків вище за відцентрові, однак в наслідок короткочасності їх дії вони можуть лише визивати несприятливі зміщення частинок до вихідної труби. В зоні сталого руху сили гальмування, що діють на дрібні частинки можуть не враховуватися із-за їх малої велічини; для крупних частинок, розміром (20-100)·10-6м вищевказані сили істотно більші, але можуть бути враховані введенням дослідних коефіцієнтів. Вплив пульсацій швидкості прийнято доцільним також враховувати дослідними коефіцієнтами.
Аналіз рівнянь радіального зміщення крапель рідини і твердих частинок з використанням постулату, що при досягненні стінок краплевловлювача частинка вважається вловленою, дав можливість привести рівняння до вигляду геометричної ймовірності досягнення частинками стінок корпусу або поверхні розділення потоків. Ця ймовірність названа ефективністю краплевловлення у зовнішньому та внутрішньому шарі.
Ефективність краплевловлення у внутрішньому шарі:
 , де  .
Ефективність краплевловлення у зовнішньому шарі:
  .
| 
