Методики анализа характеристик, выбора структуры и параметров системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Арзуманов, Андрей Юрьевич

• Арзуманов, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арзуманов, Андрей Юрьевич

Введение.

Глава 1. Основные задачи и алгоритм формирования системы.

1.1. Объект исследования и его особенности.

1.2. Подсистема регулирования температуры рабочего тела.

1.3. Подсистема регулирования давления.

1.4. Алгоритм формирования системы регулирования параметров газа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики анализа характеристик, выбора структуры и параметров системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза»

Анализ энергетики промышленно развитых стран показывает, что в топливно-энергетическом комплексе на современном этапе все большее значение в качестве энергоносителя приобретает природный газ. Это определяется рядом факторов:

- большими разведанными запасами природного газа, которые на два порядка превышают разведанные запасы нефти;

- более простой технологией добычи и переработки природного газа, а, следовательно, более низкой его стоимостью по сравнению с продуктами нефтепереработки;

- большей экологической безопасностью энергоустановок, работающих на природном газе.

Поэтому многие государства мира, включая Россию, стремятся целенаправленно перестроить структуру топливно-энергетического баланса, снижая долю нефти и заменяя ее газом. К этому следует добавить, что Россия обладает 40 % мировых запасов природного метана.

Одним из важных направлений использования природного газа является его применение в качестве моторного топлива транспортных средств. Газобаллонные автомобили в настоящее время распространены достаточно широко, и их число в мире постоянно увеличивается. Весьма перспективным представляется использование природного метана в качестве моторного топлива газотепловозов. Замена на транспорте жидкого топлива природным газом целесообразно как с технико-экономической, так и с экологической точки зрения. Например, замена одного маневрового дизельного тепловоза газотепловозом позволяет сэкономить в год около 70 тонн дефицитного дизельного топлива, которое замещается значительно более дешевым природным метаном. При этом значительно улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации газотепловоза, поскольку выбросы токсичных веществ по окислам углерода при применении природного газа уменьшаются в 1,4 раза, а по окислам азота в 2,5 раза.

Запас газообразного топлива располагается на транспортном средстве в газобаллонном источнике под высоким давлением. По мере расходования топлива давление, а также температура газа в источнике уменьшается. На вход энергетической установки должен быть подан газ определенных величин давления и температуры. Подача топлива от газобаллонного источника к энергетической установке транспортного средства осуществляется через систему газоснабжения. Такая система может иметь весьма развитую структуру и включать значительное число элементов газовой арматуры.

Достаточно сложной является система газоснабжения энергетической установки газотепловоза, которая по сути является многоступенчатой системой регулирования давления и температуры газа. Весьма своеобразной является последняя ступень регулирования давления, которая обеспечивает управление расходом газового метана, питающего энергоустановку в соответствии с ее энергетическими потребностями.

Одним из наиболее ответственных этапов разработки является начальное формирование системы, когда необходимо обоснованно выбрать структуру всей системы, сформулировать требования к ее подсистемам, рассчитать основные параметры ее элементов. Успешное выполнение данного этапа во многом определяет высокое качество создаваемого объекта, сокращает сроки его разработки. Представляемые в настоящей работе результаты исследований направлены на повышение качества реализации этапа начального формирования системы регулирования параметров газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза.

Объектом исследования настоящей диссертации является система регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергетическую установку газотепловоза. К настоящему времени опыт разработки таких устройств является ограниченным, фактически не существует отработанной системы их синтеза, отсутствуют рекомендации по формированию их структуры, не разработаны методы расчета, обеспечивающие выбор конструктивных параметров в соответствии с требованиями технического задания, незначителен опыт экспериментальной отработки этих систем.

Актуальность работы определяется экономической и экологической целесообразностью внедрения в технику железнодорожного транспорта газотепловозов, работающих на природном метане.

Целью исследования является создание системы начального формирования объекта исследования, которая обеспечит обоснованный выбор структуры построения объекта и расчет основных его параметров в соответствии с требованиями к его техническим характеристикам.

Возможности заимствования опыта разработки систем газоснабжения для других областей техники ограничены, поскольку объект исследования достаточно своеобразен. Назовем несколько наиболее характерных особенностей рассматриваемой системы:

1) система реализует одновременное регулирование давления и температуры газа;

2) регулирование давления и температуры является многоступенчатым и многоконтурным;

3) в системе предусмотрено управление расходом потребляемого газа;

4) диапазон изменения давления и температуры газа в газобаллонном источнике весьма широк (25,0-И,5 МПа, 223-7-323 К);

5) система функционирует на подвижном основании в условиях действия механических перегрузок.

Разработка методик выбора структуры и расчета параметров объекта исследования с учетом всех названных особенностей его устройства и условий эксплуатации составляет новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решение следующих задач:

- на основе анализа особенностей объекта исследования и условий эксплуатации сформулировать основные задачи его формирования;

-7- определить последовательность выполнения задач формирования объекта, создав таким образом алгоритм данного этапа разработки;

- построить математические модели, обеспечивающие решение отдельных задач анализа характеристик и выбора параметров объекта;

- разработать методики реализации процедур синтеза объекта;

- создать методики экспериментальных исследований и провести эксперименты по выявлению практической приемлемости разработанных методик анализа и синтеза элементов системы.

Предмет исследования, в соответствии с поставленной целью работы, составляют методики анализа и синтеза системы регулирования параметров газа, питающей энергетическую установку газотепловоза, математические модели, отражающие функционирование системы в различных условиях эксплуатации, статические и динамические характеристики подсистем объекта исследования, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие решение задач синтеза объекта.

Решение задач, поставленных в диссертации, основывается на теории систем пневмогазоавтоматики, построенной трудами многих отечественных и зарубежных авторов. Назовем здесь лишь те работы, которые в наибольшей мере явились теоретической базой настоящей работы.

Методы построения математических моделей устройств пневмогазоавтоматики, методики анализа их характеристик даются в работах Е. В. Герц, Г. В. Крейнина [16], Б. М. Подчуфарова [31, 32], Ю. Б. Подчуфарова [33], В. В. Саяпи-на [43], В. А. Чащина [49,36] и др. При построении математического описания процессов в теплообменных аппаратах использовались модели, разработанные в теории теплопередачи и представленные в известных учебных изданиях [22, 28], а также в работах Г. А. Дрейцера и В. А. Кузьминова [18]. Методы проектирования систем газоавтоматики и их элементов представлены в работах Ю. JI. Арзуманова, Е. М. Халатова и др. [1, 2].

Для решения задач настоящей диссертации потребовалось достижения теории устройств газоавтоматики применить к новому техническому объекту, доработать модели и методы, которая дает эта теория, в соответствии с названными выше особенностями объекта исследования, построить новые методики анализа и синтеза.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: построена методика выбора структуры и расчета основных параметров многоступенчатой системы регулирования давления и температуры природного газа, обеспечивающей газоснабжение энергоустановки газотепловоза, предложен алгоритм формирования объекта, построены математические модели, учитывающие особенности объекта исследования, разработаны методики реализации процедур синтеза объекта, выявлены особенности характеристик объекта исследования, которые следует учитывать при его разработке.

На защиту выносятся следующие результаты:

- алгоритм формирования объекта исследования;

- методика выбора структуры системы регулирования давления и температуры;

- методика расчета параметров подсистемы регулирования температуры, результаты сравнительного анализа различных схем реализации этой подсистемы;

- методика и результаты анализа характеристик, методика выбора параметров многоступенчатой подсистемы регулирования давления газа;

- методика анализа погрешностей многоступенчатой системы регулирования давления, связанные с динамическими перегрузками при движении газотепловоза.

Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:

- использованием при построении математических моделей и методов исследования фундаментальных физических законов, а также основных положений теории пневмоавтоматических систем;

- соответствием результатов разработки систем регулирования давления и температуры газообразного топлива на основе предложенного подхода результатам эксперимента и опытной отработки;

-9- положительным опытом внедрения разработанных систем регулирования параметров газа в систему газоснабжения газотепловоза.

Практическая полезность работы состоит в повышении качества проектирования систем газоснабжения газотепловозов, улучшении характеристик вновь создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.

Разработанные методики анализа и синтеза систем регулирования параметров природного газа, а также полученные в ходе разработки новые технические решения внедрены в процессе создания системы газоснабжения, обеспечивающей подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), на III международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2003-2005 г.г.), на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии (20032005 г.г.). По теме диссертации опубликованы 6 научных работ, выпущены 2 научно-технических отчета.

Диссертация содержит три главы.

В первой главе с учетом особенностей объекта исследования сформулированы основные задачи его формирования, определен порядок их решения и, таким образом, построен алгоритм синтеза системы на начальном этапе разработки, предложена методика выбора структуры объекта.

Во второй главе построена методика формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива. Проведен анализ функциональных возможностей двух различных схем построения данной подсистемы. Построены математические модели, отражающие характеристики основных элементов подсистемы, даны методики расчета характеристик и выбора параметров подсистемы.

- 10В третьей главе построена методика расчета характеристик подсистемы регулирования давления, имеющей многоступенчатую, характерную для рассматриваемого объекта, структуру. Даны математические модели и методики, позволяющие оценивать точность и устойчивость рабочих режимов подсистемы, выбирать конструктивные параметры в соответствии с техническими требованиями по точности и устойчивости, учитывать влияние динамических перегрузок, связанных с движением транспортного средства. Представлены результаты экспериментальных исследований, подтвердивших возможность принятия ряда упрощающих допущений при построении моделей и формировании расчетных методик.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации. л >

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ

СИСТЕМЫ.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Арзуманов, Андрей Юрьевич

Основные результаты работы.

1. На основе анализа особенностей системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза, определены основные задачи, подлежащие решению на начальной стадии разработки, и сформирован алгоритм, отражающий последовательность решения этих задач.

2. Предложена методика формирования структуры системы газоснабжения, определяющая число и последовательность включения ступеней регулирования давления и температуры газа, а также основные требования к характеристикам этих ступеней.

3. Определен порядок формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива; построена система математических моделей, на основе которых строятся расчеты характеристик подсистемы и определяются конструктивные параметры, обеспечивающие заданные свойства подсистемы; построены методики этих расчетов, иллюстрированные числовыми примерами.

4. Проведен сравнительный анализ двух альтернативных вариантов построения системы подогрева топлива, сформулирована система оценок этих вариантов, позволяющая произвести выбор варианта в соответствии с конкретными условиями технического давления.

5. Предложена методика формирования подсистемы регулирования давления газа; построена система математических моделей, обеспечивающая решение задач анализа характеристик и выбора параметров подсистемы; определена методика расчета статической характеристики многоступенчатой подсистемы регулирования давления; дана методика формирования подсистемы, обеспечивающая устойчивость рабочих режимов функционирования.

6. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие возможность тех упрощений, которые были приняты в методиках оценки точности и устойчивости подсистемы регулирования давления.

- 1437. Построена методика оценки влияния подвижности основания на точность функционирования многоступенчатой системы регулирования давления. Даны рекомендации по уменьшению степени этого влияния.

8. С использованием разработанных в диссертации алгоритмов и методик расчета были спроектированы и изготовлены регуляторы давления газа АР-218, АР-171, АР-171-01, АР-222, АР-058, а также теплообменники Т0-01, Т002. На базе их создана и внедрена в эксплуатацию система газоснабжения, включающая подсистемы регулирования давления и температуры. Система обеспечивает подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Представленные в диссертации результаты составляют теоретическую основу для решения задач выбора структуры и расчета основных параметров системы регулирования параметров газообразного топлива для энергоустановки газотепловоза на ранних стадиях разработки.

- 142-Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Арзуманов, Андрей Юрьевич, 2006 год

1. Арзуманов Ю. JL, Петров Р. А., Халатов Е. М. Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов. - М.: Машиностроение, 1997,464 с.

2. Арзуманов 10. Л., Халатов Е. М., Петров Р. А., Артемов В. П. Редукторы давления газовые. Методика расчета на ЭВМ. ОСТ 92-9184-79-1979.

3. Арзуманов А. Ю., Арзуманов Ю. Л., Халатов Е. М. Анализ функционирования устройств пневмоавтоматики. Сб. Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке. Санкт-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2003.

4. Арзуманов А. Ю., Чекмазов В. И., Халатов Е. М. Методика упрощенной оценки статической точности многоступенчатых систем регулирования давления. М. Деп. В ВИНИТИ № 1273-В-2004, 10 с.

5. Арзуманов А. Ю., Халатов Е. М., Чекмазов В. И. Анализ схем регулирования температуры газа в системе газоснабжения газотепловоза. В кн. Гидропневмоавтоматика и гидропривод 2005. Сб. научных трудов. Ковров: КГТА, 2005.

6. Арзуманов А. Ю., Чекмазов В. И., Халатов Е. М. Методика расчета и анализ характеристик трехступенчатой системы регулирования давления. М.: Деп. В ВИНИТИ № 371-В-2005,10 с.

7. Автомобильные материалы. Справочник инженера механика. М.: Транспорт, 1971,296 с.

8. Баясанов Д. Б., Ионин A. JI. Распределительные системы газоснабжения. М., Стройиздат, 1977,407 с.

9. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1975, 992 с.

10. Бугаенко В. Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. / Под ред. Акад. Будника В. С. М.: Машиностроение, 1979, 168 с.

11. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наук, 1972, 720 с.

12. Васильева JI. С. Автомобильные эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1986,256 с.

13. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1975, 272 с.

14. ГОСТ 30631-99 Межгосударственный стандарт. Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам при эксплуатации.

15. Дрейцер Г. А., Кузьминов В. А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. М.: Машиностроение, 1977, 128 с.

16. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987,440 с.

17. Ермилов В. А., Николаев 10. В., Яровой В. г. Некоторые вопросы проектирования газовых редукторов// пневмоавтоматика. -М.: Наука, 1978, с. 316-317.

18. Ермилов В. А., Нестеренко 10. В., Николаев в. Г. Газовые редукторы. JL: Машиностроение, 1981, 174 с.

19. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969,440 с.- 14623. Ионин A. JI. Газоснабжение: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1989,434 с.

20. Мамонтов М. А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М.: Оборонгиз., 1961, 148 с.

21. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в 3-х т. Т.1 / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000, 748 с.

22. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия,1973.

23. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1970, 487 с.

24. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М. Высшая школа, 1975, 496 с.

25. Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками / Под ред. Б. Н. Петрова. М.: Машиностроение, 1974, 380 с.

26. Основы построения математических моделей систем пневмоавтоматики. Учебное пособие /10. JI. Арзуманов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002, 128 с.

27. Подчуфаров Б. М., Подчуфаров 10. Б. Тепломеханика: Учеб. пособие / ТулПИ, Тула, 1985,104 с.

28. Подчуфаров Б. М. Тепломеханика: Учеб. пособие, ТулПИ, Тула, 1984,100 с.

29. Подчуфаров Ю. Б. Подобие функционирования пружинных редукторов давления в установившемся рабочем режиме. В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. - Тула: ТулПИ, 1973, вып. 4, с 147-150.

30. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов / В. А. Чащин, О. Г. Камладзе, А. Б. Кондратьев и др. М.: Машиностроение, 1987, 248 с.

31. Подчуфаров 10. Б., Мозжечков В. А. Физическое моделирование систем автоматического регулирования : Учеб.пособие. Тула: ТулПИ, 1984, 76 с.

32. Плотников В. М., Подрешетников В. А., Дроздов А. П., Гончаров В. У. Регуляторы давления газа. JL: Недра, 1982, 125 с.

33. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Под общей ред. Герц Е. В. М.: Машиностроение, 1981,408 с.

34. Подчуфаров Б. М., Чернова М. Б., Грязев М. В. Математические модели автоматических систем. Пневмомеханические системы. Учебное пособие. Тула, ТПИ, 1988, 80 с.

35. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976,424 с.

36. Саклаков Ю. П. Функционирование газового редуктора давления, корпус которого подвижен. В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. Тула, 1973, вып. 4, с 150-157.

37. Саяпин В. В. Пневматические приводы летательных аппаратов. М.: МАИ, 1984,51 с.

38. Стаскевич Н. JL, Северинец Г. Н., Выгдоргин Д. Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. JL: Недра, 1990, 762 с.

39. Седов JI. И. Методы подобия и размерности в механике. М., Наука, 1967, 428 с.

40. Теплообмен в энергетических установках космических аппаратов / Под ред. В. К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.

41. Чащин В. А. Элементы пневмоавтоматики. М.: МАИ, 1980, 54 с.

42. Чекмазов В. И., Пономарев В. JI. Сравнительная оценка погрешностей динамических моделей пневматического сервомеханизма. В кн.: Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов. Тула: ТулПИ, 1984, с 109-115.

43. Чекмазов В. И. Некоторые вопросы динамики пневматического редуктора давления. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1966, №8, с 115-119.

44. Чекмазов В. И. Методические основы разработки систем моделей тепломеханических устройств. // Газовые приводы и системы управления. Сборник научных трудов. Тула, ТПИ, 1983, с. 3-8.

45. Шорников Е. Е. Проектирование силовых систем управления. Тула: ТулПИ, 1970, 146 с.

46. Шорников Е. Е. К проектированию пневматических силовых систем. // Теория машин-автоматов и пневмо-гидроприводов. -М.: Машиностроение, 1970, с. 247-258.

47. Шпильрайн Э. Э., Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. М.: Энергия, 1977.

48. Эдельман А. И. Редукторы давления газа. М.: Машиностроение, 1980,167 с.