Разработка гасителей пульсаций для систем регулирования давления природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Баляба Максим Владимирович

• Баляба Максим Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Баляба Максим Владимирович

Введение

1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Обзор конструкций регуляторов давления газа

1.1.1 Регуляторы давления газа типа РДПР

1.1.2 Регуляторы давления типа РДУ

1.1.3 Регуляторы давления типа РДПП

1.2 Результаты измерения уровней звукового давления на ГРС-2 и их анализ

1.3 Проблема повышенной вибрации выходной линии ГРС-19А

1.4 Обзор методов снижения низкочастотных динамических процессов при работе регуляторов давления газа

1.5 Обзор работ по исследованию устойчивости систем регулирования давления газа с учетом оптимальных виброакустических характеристик

1.6 Обзор методов и средств снижения пульсаций давления при работе регуляторов давления газа

1.6.1 Методы снижения высокочастотных пульсаций давления

1.6.2 Автономные гасители пульсаций давления

1.6.3 Встроенные гасители пульсаций давления

Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГАСИТЕЛЕЙ ПУЛЬСАЦИЙ ДЛЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

2.1 Обоснование конструкции гасителей пульсаций давления

2.2 Зависимости распределения отношения давления между ступенями гасителя пульсаций и регулятором давления газа

2.3 Сравнение зависимостей распределения отношения давления между регулятором и ступенями гасителя пульсаций

2.4 Разработка математической модели системы регулирования давления газа для расчета низкочастотных динамических процессов регулирования

2.4.1 Разработка расчетной схемы

2.4.2 Определение границ и области устойчивости системы регулирования давления газа при установке гасителя пульсаций

2.5 Алгоритм методики проектирования гасителей пульсаций для систем регулирования давления газа

Выводы по главе

3 РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ГАСИТЕЛЕЙ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ

3.1 Опытный образец встроенного гасителя пульсаций

3.1.1 Газодинамический расчет проточной части регулятора давления РДПП80-50М со встроенным гасителем пульсаций

3.1.2 Прочностной расчет встроенного гасителя пульсаций

3.1.3 Изготовление опытного образца встроенного гасителя пульсаций

3.2 Опытный образец автономного гасителя пульсаций

3.2.1 Газодинамический расчет автономного гасителя пульсаций

3.2.2 Прочностной расчет автономного гасителя пульсаций

3.2.3 Изготовление опытного образца автономного гасителя пульсаций

Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ГАСИТЕЛЕЙ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

4.1 Разработка экспериментального стенда

4.1.1 Пневматическая система стенда

4.1.2 Измерительный участок стенда

4.1.3 Измерение расхода газа

4.1.4 Измерение статических давлений

4.1.5 Измерение уровня звукового давления

4.1.6 Измерение пульсаций давления

4.1.7 Многоканальная система обработки сигналов

4.2 Экспериментальная отработка разработанных образцов гасителей пульсаций

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А Оценка неопределенности результата измерений и проверка адекватности разработанной математической модели

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт о внедрении научных положений и выводов кандидатской диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка гасителей пульсаций для систем регулирования давления природного газа»

Введение

Актуальность темы. В процессе поставки природного газа потребителям возникает необходимость его редуцирования, что осуществляется на газораспределительных станциях (ГРС). Работу ГРС сопровождают интенсивные высокочастотные пульсации давления рабочей среды, вызывающие вибрацию присоединенных трубопроводов и приводящие к сверхнормативному уровню звукового давления, излучаемого в окружающую среду через корпусные элементы конструкций. Из-за возбуждаемой вибрации разрушаются импульсные трубки, многократно возрастает погрешность измерительных приборов, происходит ослабление фланцевых соединений и их разгерметизация, разрушается изоляционное покрытие трубопроводов. Динамические напряжения, обусловленные повышенной вибрацией трубопроводов, способствуют образованию усталостных трещин трубопроводной арматуры ГРС, а также её разрушению, что приводит к вынужденным аварийным остановкам оборудования ГРС. При этом основными источниками высокочастотных пульсаций давления рабочей среды являются регуляторы давления газа, понижающие давление с 5....7 МПа в магистральном трубопроводе до 0,5....1 МПа в трубопроводных сетях потребителей. Такое глубокое редуцирование давления газа происходит в дроссельном узле регулятора и сопровождается сверхкритическими режимами течения газа и сверхзвуковыми скоростями потока, которые являются главным источником высокочастотных пульсаций давления в диапазоне частот от 0,5 до 20 кГц. В данном исследовании рассмотрены регуляторы давления газа, такие как РДУ, РДПП и схожие с ними, т.е. регуляторы, в которых сила, действующая от давления газа на запорный элемент, пренебрежимо мала по сравнению с силами, действующими на чувствительный элемент регулятора.

Анализ методов снижения высокочастотных пульсаций показал, что для решения данной проблемы необходимо устанавливать гасители пульсаций давления рабочей среды. Наиболее эффективными являются гасители, встроенные в корпус регулятора, так как они располагаются непосредственно в области

дроссельного узла и существенно влияют на его характеристики как источника газодинамических колебаний. Однако любой гаситель представляет собой определенное гидравлическое сопротивление и может существенно повлиять на динамику системы регулирования давления, т.е. на динамику процессов в низкочастотной области (до 40 Гц), где расположены собственные частоты подвижных элементов регуляторов.

Поэтому на сегодняшний день вопрос разработки гасителей пульсаций давления, обеспечивающих не только снижение динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления газа, но также устойчивость и показатели качества регулирования давления газа, является актуальным.

Степень разработанности темы. Проблеме снижения динамических и виброакустических нагрузок при работе регуляторов давления газа посвящены работы Халатова Е.М., Шорина В.П., Арзуманова Э.С., Гимадиева А.Г., Крючкова А.Н., Свербилова В.Я., Макарьянца Г.М., Илюхина В.Н., Стадника Д.М., Иголкина А.А., Шабанова К.Ю., C.J. Hös, A.R. Champneys, D. Bies, C. Hansen, L. Beranek, H. D. Baumann, V. A. Carucci, Denis G. Karczub, A.C. Fagerland и других отечественных и зарубежных исследователей, в которых рассмотрены различные методы повышения устойчивости систем регулирования давления газа, многоступенчатого дросселирования давления и деления потока гасителями пульсаций давления и отмечено, что трубопроводная арматура является потенциальным источником динамических и виброакустических нагрузок высокого уровня. Обзор выполненных исследований выявил недостаточную проработанность вопросов проектирования встроенных в регуляторы и автономных (выполненных в виде отдельных агрегатов) гасителей пульсаций давления для систем регулирования давления газа при обеспечении устойчивости и качества регулирования. В связи с этим были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель работы. Снижение динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления природного газа за счет создания гасителей пульсаций давления.

Задачами работы являются:

1 Обзор методов и средств снижения динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления природного газа.

2 Теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей распределения отношения давления между ступенями гасителя пульсаций и регулятором давления газа, влияющих на выбор параметров гасителя, позволяющего обеспечить требуемые виброакустические характеристики системы регулирования давления газа в целом.

3 Разработка математической модели системы регулирования давления газа для расчета низкочастотных динамических процессов регулирования, учитывающей установку регулятора давления, гасителя пульсаций и характеристики присоединенной системы.

4 Разработка методики проектирования гасителей пульсаций для систем регулирования давления газа, позволяющих снижать динамические и виброакустические нагрузки при обеспечении требуемых параметров регулирования.

5 Расчет, проектирование и создание опытных образцов автономного и встроенного в регулятор давления газа РДПП80-50М гасителей пульсаций.

6 Проведение экспериментальных исследований эффективности разработанных опытных образцов гасителей пульсаций давления по снижению динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления газа.

Научная новизна работы

1 Предложены и обоснованы зависимости распределения отношения давления между ступенями гасителя пульсаций и регулятором давления газа, определяющие параметры гасителя, позволяющего обеспечить требуемые

виброакустические характеристики системы регулирования давления газа в целом.

2 Разработана математическая модель системы регулирования давления газа, учитывающая установку регулятора давления, гасителя пульсаций, характеристики присоединенной системы и позволяющая прогнозировать влияние гасителя на низкочастотные динамические процессы регулирования давления.

3 Создана и апробирована методика проектирования гасителей пульсаций для систем регулирования давления газа, отличающаяся учётом влияния параметров гасителя на низкочастотную динамику системы, что позволяет обеспечить её требуемые динамические характеристики.

Теоретическая значимость работы. Выявленные зависимости распределения отношения давления между ступенями гасителя пульсаций и регулятором давления газа позволили разработать методику проектирования автономных и встроенных гасителей пульсаций давления, обеспечивающих снижение динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления газа.

Разработанные методика и модель направлены на решение важной научно-технической задачи - снижение динамических и виброакустических нагрузок в системах регулирования давления природного газа.

Практическая значимость работы. На основании предложенной методики спроектированы и изготовлены в АО «Агрегат» опытные образцы гасителя высокочастотных пульсаций давления, встроенного в регулятор РДПП80-50М, а также автономного гасителя, устанавливаемого после регуляторов давления газа.

Разработанные опытные образцы гасителей пульсаций давления позволяют значительно снизить уровни пульсаций давления рабочей среды, вибрацию трубопроводной арматуры, обеспечить выполнение санитарных норм по уровню звукового давления, а также обеспечить требуемые параметры регулирования давления газа.

Методология и методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, а также метод натурного моделирования на разработанной автором стендовой установке. Газодинамический расчёт характеристик регулятора со встроенным гасителем пульсаций давления выполнялся с применением программного комплекса ANSYS/Fluent на основе дискретизации уравнений газовой динамики с использованием метода контрольных объёмов. Прочностной расчет выполнялся с помощью ANSYS Mechanical. Математическое моделирование низкочастотных динамических процессов в системе регулирования давления газа с гасителем пульсаций давления и без него проводилось в программном комплексе Matlab Simulink.

На защиту выносятся:

1 Зависимости распределения отношения давления между ступенями гасителя пульсаций и регулятором давления газа, определяющие параметры гасителя, позволяющего обеспечить требуемые виброакустические характеристики системы регулирования давления газа в целом.

2 Математическая модель системы регулирования давления газа, учитывающая установку регулятора давления, гасителя пульсаций, характеристики присоединенной системы и позволяющая прогнозировать влияние гасителя на низкочастотные динамические процессы регулирования давления.

3 Методика проектирования гасителей пульсаций для систем регулирования давления газа, отличающаяся учётом влияния параметров гасителя на низкочастотную динамику системы, что позволяет обеспечить её требуемые динамические характеристики.

4 Разработанные с использованием созданной методики, экспериментально апробированные, защищённые патентами и внедрённые гасители пульсаций для систем регулирования давления природного газа.

Достоверность результатов математических исследований обеспечивается обоснованностью принятых допущений при получении газодинамических

уравнений для расчета параметров гасителя пульсаций давления. Снижение динамических и виброакустических нагрузок в системе регулирования давления газа с разработанными автономным и встроенным гасителями пульсаций давления подтверждено проведёнными экспериментами на стендовой установке, разработанной автором. Экспериментальные исследования проведены на поверенном оборудовании с использованием современных методик сбора и обработки информации.

1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Обзор конструкций регуляторов давления газа

Для поддержания давления на заданном уровне на ГРС устанавливают автоматические регуляторы. По способу действия они делятся на регуляторы прямого и непрямого действий.

Регуляторы состоят из регулирующего клапана, чувствительного и управляющего элементов. Конструкция регуляторов давления газа должна отвечать следующим требованиям [1]:

- регуляторы давления должны обеспечивать устойчивость процесса регулирования, при котором выходное давление совершает затухающие или незатухающие колебания с постоянной малой амплитудой, и обладать определенной степенью неравномерности (отношение разности между максимальным и минимальным выходным давлением к среднему), зависящей от конструктивных особенностей, определяющих их статическую характеристику;

- колебания регулируемого выходного давления газа (после регулятора) не должны превышать ±10% без перенастройки при изменении расхода газа на всем диапазоне регулирования, а колебания входного давления (до регулятора) - на ±25%;

- минимальный регулируемый расход газа для односедельных клапанов должен быть не более 2 % и для двухседельных клапанов не более 4 % максимального расхода;

- относительная нерегулируемая протечка газа через закрытые затворы двухседельных клапанов допускается не более 0,1% максимального расхода, для односедельного клапана протечка не допускается;

- регуляторы давления должны поставляться со сменными пружинами или грузами, обеспечивающими настройку выходного давления в пределах заданного

диапазона, и, по требованию заказчика, со сменными клапанами и седлами, допускающими изменение настройки регулятора по пропускной способности в пределах заданного диапазона;

- регуляторы должны быть по возможности просты и надежны в эксплуатации (указанным требованиям в основном отвечают регуляторы прямого действия, получившие наибольшее распространение, хотя по точности регулирования они уступают регуляторам непрямого действия).

Основной регулятор давления следует выбирать по максимальному расчетному расходу газа потребителями и требуемому перепаду давления при редуцировании. Пропускную способность регулятора давления следует принимать на 15-20% больше максимального расчетного расхода газа [2].

1.1.1 Регуляторы давления газа типа РДПР

Все большее распространение на ГРС получают прямоточные регуляторы типа РДПР-3 (рисунок 1.1). Регулирующий клапан состоит из фланцевых корпусов 2 и 4, соединенных между собой болтами, подвижного седла 5, мембраны 1, зажатой между дисками 14, трубопровода обвязки 3 и задающего устройства Б в виде герметичной емкости, снабженной перепускным запорным клапаном 7. В корпусе 2 имеется кольцевая полость А, через которую проходит управляющее давление. В выходном корпусе 13 крепится клапан 6 с уплотнительной прокладкой 15.

1 - мембрана; 2 и 4 - корпуса фланцевые; 3 - трубопровод импульсный;

5 - седло подвижное; 6 - клапан; 7 - клапан запорный; 8 - корпус;

9 - колпак; 10 - плунжер; 11 - манометр; 12 - рукоятка;

13 - корпус выходной; 14 - диски; 15 - прокладка уплотнительная;

А - полость кольцевая; Б - емкость герметичная

Рисунок 1.1 - Регулятор давления РДПР-3

Перепускной запорный клапан предназначен для впуска, выпуска и плотного запирания газа в емкости Б и полости перепускного клапана. Он состоит из корпуса 8, плунжера 10 с каналами для прохода газа, колпака 9, рукоятки 12 и манометра 11. Управление перепускным клапаном осуществляется с помощью рукоятки 12.

Принцип действия регулятора заключается в поддержании равновесия сил, действующих на мембрану привода регулятора. Изменение соотношения этих сил меняет положение регулирующего органа до восстановления их равновесия. Силы, действующие на мембрану регулятора, создаются давлением рзад газа из емкости задающего устройства и давлением рвых газа с выхода ГРС. При равенстве выходного и задающего давлений мембрана находится в среднем положении, регулирующий орган - в положении, обеспечивающем заданный расход газа.

В случае уменьшения выходного давления сила, действующая на мембрану со стороны давления задания, становится больше силы, действующей со стороны выходного давления, и регулирующий орган переместится в сторону камеры выходного давления, вследствие чего проходное сечение между клапаном 6 и седлом 5 увеличивается. Давление за регулятором повышается. При увеличении регулируемого давления выше заданного силы, действующие на мембрану со стороны камеры выходного давления, становятся больше силы, действующей со стороны давления задания, и седло перекрывает проходное сечение регулирующего органа [3].

1.1.2 Регуляторы давления типа РДУ

Данные регуляторы предназначены для автоматического регулирования давления газа "после себя" на объектах магистральных газопроводов высокого давления (газораспределительных станциях, установках очистки и осушки газа, газовых промыслах, компрессорных станциях и др.).

Регуляторы РДУ рассчитаны на условное давление 10 МПа с условным проходом Dу 50, 80 и 100 мм.

В состав регуляторов входит: исполнительное устройство с ответными фланцами и задающее устройство, соединенное с исполнительным устройством медными или латунными трубками (рисунок 1.2).

1 - исполнительное устройство; 2 - задающее устройство Рисунок 1.2 - Общий вид регулятора

В качестве задающего устройства могут быть либо блок управления, либо редуктор-задатчик, либо редуктор перепада с усилителем. Традиционно, регуляторы типа РДУ комплектуются редуктором-задатчиком.

Исполнительное устройство (рисунок 1.3) является конечным звеном системы автоматического регулирования. При перемещении затвора изменяется проходное сечение исполнительного устройства, а, следовательно, и количество проходящего газа. Это обеспечивает поддержание выходного давления на заданном значении при колебании газопотребления или входного давления. Перемещение затвора происходит за счет изменения управляющего давления, поступающего на привод исполнительного устройства от задающего устройства, для питания которого используется газ входного давления.

ди 7] б] \±_ 5

1 - корпус; 2 - затвор; 3 - возвратная пружина; 4 - мембранный привод; 5, 6 - шайбы; 7 - прижим прокладки; 8 - седло; 9 - выходной фланец; 10 - винт; 11 - прокладка; 12 - пилоны

Рисунок 1.3 - Исполнительное устройство регулятора давления РДУ

(3D модель)

В исходном положении затвор прижимается к седлу возвратной пружиной. В полость А привода через отверстие Б подается выходное давление, а в полость В через отверстие Г подается давление управления от задающего устройства.

Отверстие Д во фланце корпуса служит для подачи входного давления к задающему устройству.

Газ высокого давления из подводящего газопровода поступает на вход исполнительного устройства регулятора, проходит через зазор, образуемый затвором и седлом, и редуцируется. Величина выходного давления устанавливается настройкой задающего устройства. Управляющее давление с задающего устройства поступает в полость В исполнительного устройства, перемещает затвор влево, образует необходимый дросселирующий зазор между седлом и затвором. Поскольку полость А исполнительного устройства соединяется с выходной магистралью, давления в полостях А и В исполнительного устройства уравновешиваются, и затвор устанавливается в определенном равновесном положении при установившемся расходе газа и заданном выходном давлении.

При увеличении расхода газа давление в выходном коллекторе начинает уменьшаться, а следовательно, уменьшается давление и в полости А исполнительного устройства. При неизменном управляющем давлении, поступающем в полость В, равновесие системы внутри исполнительного устройства нарушается, затвор еще больше перемещается влево, увеличивая тем самым зазор между затвором и седлом и увеличивая снизившееся выходное давление до необходимого заданного. Регулирующая система внутри исполнительного устройства опять займет равновесное положение, но уже с большим зазором между затвором и седлом в соответствии с новым установившимся расходом газа.

При уменьшении расхода газа давление в выходном коллекторе увеличивается. Попадая в полость А исполнительного устройства, это давление вновь выведет регулирующую систему из равновесия и заставит затвор переместиться вправо, уменьшая зазор между затвором и седлом, тем самым уменьшая выходное давление до заданного.

В момент перемещения затвора вправо, поскольку полость В исполнительного устройства является замкнутой, а ее объем при перемещении

затвора вправо будет уменьшаться, давление в полости В будет несколько возрастать. Чтобы это превышение давления не препятствовало перемещению затвора, в любом из задающих устройств, которыми комплектуются регуляторы, существует сбросной клапан, который и сбрасывает это превышение давления либо на свечу, либо в коллектор низкого давления.

Таким образом, задающее давление является неизменным и регулятор в соответствии с ним поддерживает давление на выходе к потребителю автоматически, независимо от колебаний расхода газа.

Как правило, на регуляторах давления газа РДУ при их рабочем состоянии в месте редуцирования газа срабатывается сверхкритический перепад давлений. Это приводит к сверхзвуковым скоростям газа, а следовательно к повышенным уровням высокочастотных пульсаций рабочей среды [4].

На рисунке 1.4 показан смоделированный процесс течения газа в зоне редуцирования регулятора РДУ при перепаде 4 МПа [5, 6].

Как видно из рисунка, скорость в зоне редуцирования достигает 300 м/с, что близко к скорости звука в метане (430 м/с). Соответственно, работа такого регулятора будет сопровождаться высокими уровнями пульсаций давления газа за регулятором и высокими уровнями вибрации и звукового давления от выходного трубопровода.

Рисунок 1.4 - Распределение скорости потока в осевой плоскости РДУ

1.1.3 Регуляторы давления типа РДПП

Регулятор давления газа РДПП80-50М (рисунок 1.5) входит в систему автоматического регулирования давления газа магистральных газопроводов, он применяется на газораспределительных станциях для редуцирования и поддержания давления газа. Технические данные регулятора давления газа РДПП 80 приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.5 - Внешний вид регулятора давления газа РДПП 80-50М Таблица 1.1 - Технические данные регулятора давления газа РДПП80-50М

Название параметра Значение параметра

Диапазон изменения входного давления, МПа (кгс/см ) 7,5 (75)

Зона пропорциональности, не более, % 2,5

Зона нечувствительности, не более, % 2,5

Регулируемая среда природный газ, не содержащий механических примесей

Диапазон настройки выходного давления, МПа (кгс/см ) 0,3-5,5 (3-55)

На рисунке 1.6 представлен регулятор давления РДПП80-50М в разрезе.

Рисунок 1.6 - Регулятор давления РДПП80-50М

Регулятор РДПП80-50М состоит из редуктора основного и редуктора-задатчика (на рисунке не показан). Редуктор основной состоит из корпуса 1, в который вставлен сборный модуль, состоящий из вставки 2, к которой болтами крепятся гильза 3 и седло 3. Внутри гильзы 3 установлен затвор 5 с возможностью осевого перемещения. В центре поршня-затвора 5 проходит шток 6, прикрепленный к гильзе 3 при помощи гайки 8. С другого конца штока 6 концентрично установлена крышка 7. Во внутренней полости гильзы 3 установлены пружины 10, прижимающие поршень 11 и затвор 5 к седлу 3. Замкнутая полость А между поршнем 11, гильзой 3 и затвором 5 соединена с выходом редуктора-задатчика через радиальный и осевой каналы. Полость Б между поршнем 11, затвором 5 и крышкой 7 соединена через радиальное отверстие в гильзе и сверление во вставке 2 с магистралью на выходе из регулятора давления. В случае несанкционированного прекращения подачи управляющего (командного) давления от редуктора-задатчика падает давление в

полости А, в результате чего под действием усилия пружины и давления в полости Б затвор перекрывает поток газа через регулятор.

Недостатками регулятора являются: неустойчивая работа на определенных режимах и повышенный уровень звукового давления.

На рисунке 1.7 показан смоделированный процесс течения газа в зоне редуцирования регулятора РДПП при перепаде 4 МПа.

0.0125 0.0375

Рисунок 1.7 - Распределение скорости потока в осевой плоскости

регулятора РДПП

Как видно из рисунка, скорость в зоне редуцирования местами достигает 900 м/с, что в два раза выше скорости звука в метане (430 м/с). Соответственно, при работе данного регулятора реализуются сверхкритические режимы течения газа, которые сопровождаются высокими уровнями пульсаций давления газа в дозирующем сечении регулятора и за ним. Как и в случае с регулятором РДУ, уровни вибраций и звукового давления будут значительно выше нормируемых значений.

1.2 Результаты измерения уровней звукового давления на ГРС-2 и их анализ

Узел редуцирования ГРС-2 состоит из двух линий. Давление на входе и выходе первой линии ГРС составляло Рвх1=3,3 МПа, Рвых1=0,8 МПа, расход газа

3 0

56000 м /ч, температура газа на выходе 3 С. Давление на входе и выходе второй линии ГРС составляло Рвх1=3,3 МПа, Рвых1=1,2 МПа, расход газа 27000 м /ч, температура газа на выходе 30С.

Общий вид зала редуцирования показан на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Общий вид зала редуцирования

На рисунке 1.9 показаны план зала редуцирования, точки, в которых проводились измерения, и результаты этих измерений. Видно, что наибольший уровень звукового давления наблюдается в местах установки регуляторов давления.

и и А,

Рисунок 1.9 - Точки измерения звукового давления в здании ГРС-2

На рисунке 1.10 показан план территории ГРС с указанием номеров точек измерения шума и их результатов. Видно, что наибольший уровень звукового давления зарегистрирован в точках выхода трубопровода из зала редуцирования.

Рисунок 1.10 - Точки измерения звукового давления на территории ГРС-2

Для ГРС-2, на которой проводились измерения в наибольшем количестве точек - 29, были построены зоны уровней звукового давления в виде изолиний, находящихся в узких пределах изменения. Они показаны на рисунке 1.11.

Так как уровни звукового давления в помещении и на территории ГРС существенно отличаются, для помещения и территории выбраны разные шкалы изменения в выделенных зонах.

Рисунок 1.11 - Зоны уровней звукового давления ГРС-2

После проведения измерений общего уровня звукового давления проводилась цифровая обработка записей сигналов и находились уровни звукового давления в октавных полосах частот в дБ. Результаты анализа измерения звукового давления в точках 1-7 ( в этих точках наибольший уровень звукового давления) показаны на рисунках 1.12-1.18. Результаты замеров в остальных точках приведены в таблице 1.2.

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Частота, Гц

Рисунок 1.12 - Спектр звукового давления в точке №1

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Частота, Гц

Рисунок 1.13 - Спектр звукового давления в точке №2

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Частота, Гц

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Частота, Гц

Рисунок 1.15 - Спектр звукового давления в точке №4

Частота, Гц

Рисунок 1.16 - Спектр звукового давления в точке №5

Частота, Гц

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Частота, Гц

Рисунок 1.18 - Спектр звукового давления в точке №7

Результаты измерения общего уровня звукового давления в дБ(А), значения средних частот октавной полосы с максимальным уровнем звукового давления, а также максимальное значение уровня звукового давления в этой октавной полосе для каждой точки измерения приведены в таблице 1.2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баляба Максим Владимирович, 2019 год

Список литературы

1 Попов, Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем [Текст] / Д.Н. Попов. - М.: Машиностроение, 1974. - 424 с.

2 Чайцын, Г.А. Экплуатация газораспределительных станций магистральных газопроводов [Текст] / Г.А. Чайцын. - М.: Недра, 1971. - 168 с.

3 Данилов, А.А. Автоматизированные газораспределительные станции [Текст]: справочник / А.А. Данилов. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003. - 544 с.

4 Balyaba, M.V. Suppression of Gas-dynamic Self-oscillations in the Outflow Line of a Gas Control Valve [Text] / M.V. Balyaba, M.A. Ermilov, A.N. Kryuchkov // Procedia Engineering. - 2017. - V. 174. - P. 577-584.

5 Устранение газодинамических резонансных режимов вибронагружения трубопроводной арматуры газораспределительных станций [Текст] / К.Ю. Шабанов, А.Н. Крючков, М.А. Ермилов [и др.] // Вестник СГАУ. - 2014. -№ 4 (35). - С. 184-192.

6 Устранение газодинамических автоколебаний в выходном тракте регулятора давления газа [Текст] / К. Ю. Шабанов, А. Н. Крючков, М. А. Ермилов [и др.] // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2016. - № 3 (15). - С. 35-44. DOI: 10.18287/2541-7533-2016-153-35-44.

7 Эдельман, А.И. Редукторы давления газа [Текст] / А.И. Эдельман. - М.: Машиностроение, 1980. - 167 с.

8 Стадник, Д. М. Обеспечение устойчивости системы автоматического регулирования давления газа в топливных баках ракеты-носителя [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06 / Стадник Дмитрий Михайлович. - Самара, 2015. -194 с.

9 Арзуманов, Ю.Л. Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов [Текст] / Ю.Л. Арзуманов, Р.А. Петров, Е.М. Халатов. - М.: Машиностроение, 1997. - 464 с.

10 Арзуманов, Ю.Л. Математические модели систем пневмоавтоматики [Текст]/ Ю.Л. Арзуманов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 296 с. - ISBN 9785-7038-3196-0.

11 Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves connected to inlet piping: IV review and recommendations [Text] / C.J. Hos, A.R. Champneys, K. Paul [et al.] // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2017. - V. 48. -P. 270-288.

12 Hos, C. Grazing bifurcations and chatter in a pressure relief valve model [Text] / C. Hos, A.R. Champneys // Physica D: Nonlinear Phenomena. - 2012. - V. 241, №22. -P. 2068-2074.

13 Hos, C. Dynamic modelling of a pilot-operated pressure relief valve [Text] / C. Hos, L. Kullmann // Power Transmission and Motion Control, PTMC. - 2004. -P. 193.

14 Dynamic behavior of direct spring loaded pressure relief valves in gas service: Model development, measurements and instability mechanisms [Text] / C.J. Hos, A.R. Champneys, K. Paul [et al.] // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2013. - V. 31, № 1. - P. 70-81.

15 Bazso, C. An experimental study on the stability of a direct spring loaded poppet relief valve [Text] / C. Bazso, C.J. Hos // Journal of Fluids and Structures. - 2013. -V. 42. - P. 456-464.

16 Hos, C. Model reduction of a direct spring-loaded pressure relief valve with upstream pipe [Text] / C. Hos, C. Bazso, A. Champneys // IMA Journal of Applied Mathematics. - 2013. - P. 1-14. D0I:10.1093/imamat/hxu034.

17 Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves connected to inlet piping: II reduced order modeling [Text] / C.J. Hos, A.R. Champneys, K. Paul [et al.] // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2014. - V. 34. - P. 1-12.

18 Bazso, C. Bifurcation Analysis of a Simplified Model of a Pressure Relief Valve Attached to a Pipe [Text] / C. Bazso, A.R. Champneys, C.J. Hos // SIAM Journal on Applied Dynamical Systems. - 2013. - V. 13. - P. 704-721.

19 Sverbilov, V. Study on dynamic behavior of a gas pressure relief valve for a big flow rate [Text] / V. Sverbilov, D. Stadnik, G. Makaryants // ASME/BATH Symposium on Fluid Power and Motion Control, FPMC. - 2013. - P. 1-8.

20 Stadnik, D. Researches on self-ecxited oscillations and pressure accuracy in power plant automatic control systems [Text] / D. Stadnik, V. Sverbilov, A. Gimadiev // 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV 22. - 2014. - P.1-8.

21 Self-Oscillations of the poppet relief pneumatic valve due to instability of the airflow around an inlet port [Text] / G.M. Makaryants, A.B. Prokofiev, V.Y. Sverbilov [et al.] // 18th International Congress on Sound and Vibration, ICSV18. - 2011. -P. 2340-2348.

22 The tonal noise reduction of the proportional pilot-operated pneumatic valve [Text] / G.M. Makaryants, V.Y. Sverbilov, A.B. Prokofiev [et al.] // 19th International Congress on Sound and Vibration, ICSV 19. - 2012. - P. 689-697.

23 Makaryants, G.M. Fatigue failure mechanisms of a pressure relief valve [Text] / G.M. Makaryants // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2017. -V. 48. - P. 1-13.

24 Гимадиев, А.Г. Определение параметров регулятора давления газа непрямого действия для топливных баков ракеты-носителя с учётом обеспечения запаса устойчивости [Текст] / А.Г. Гимадиев, В.Я. Свербилов, Д.М. Стадник // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2014. - Т.14. - № 3. - С. 33-44. DOI: 10.18287/2541-7533-201615-4-33-46.

25 Modelling of a pressure regulator [Text] / E.G. Rami, J.J. Bezian, B. Delenne [et al.] // International Journal of Pressure Vessels and Piping. - 2007. - V. 83. -P. 234-243.

26 Research of an Influence of Throttle Element Perforation on Hydrodynamic Noise in Control Valves of Hydraulic Systems [Text] / E.G. Berestovitskiy, M.A. Ermilov, P.I. Kizilov [et al.] // Procedia Engineering. - 2014. - V. 104. - P. 284-294.

27 Development of a Pressure Pulsation Damper for Gas Pressure Regulators with Account of Operation Parameters [Text] / M.A. Ermilov, A.N. Kryuchkov, M.V. Balyaba [et al.] // Procedia Engineering. - 2014. - V. 104. - P. 277-283.

28 Balyaba, M.V. Development Methodology for a Pulsation Damper of Gas Control Valves [Text] / M.V. Balyaba, M.A. Ermilov, A.N. Kryuchkov // Procedia Engineering. - 2017. - V. 174. - P. 586-594.

29 The experimental development of the pulsation damper in a gas reduction line [Text] / M.A. Ermilov, M.V. Balyaba, A.N. Kryuchkov [et al.] // 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV22. - 2014. - P. 1-8.

30 Pressure reducing valve noise reduction [Text] / A. Igolkin, A. Koh, A. Kryuchkov [et al.] // 19th International Congress on Sound and Vibration, ICSV19. - 2012. -P. 2458-2464.

31 Silencer optimization for the pressure reducing valve [Text] / A. Igolkin, A. Kryuchkov, A. Safin [et al.] // 20th International Congress on Sound and Vibration, ICSV20. - 2013. - P. 1009-1017.

32 Hydrodynamic noise dampener with metal rubber [Text] / A.I. Safin, M.A. Ermilov, A.A. Igolkin [et al.] // 21st International Congress on Sound and Vibration, ICSV21. - 2013. - P. 4211-4218.

33 Study on dynamics of air pressure reducing valve with focus on the noise attenuation problem [Text] / L. Badykova, D. Stadnik, K. Afanasev [et al.] // 8th FPNI Ph.D Symposium on Fluid Power. - 2013. - P. 1-3.

34 The study of muffler parameters influence on pressure regulator dynamics and acoustic characteristics [Text] / A.A. Igolkin, K.M. Afanasev, E.V. Shakhmatov [et al.] // 23th International Congress on Sound and Vibration, ICSV23. - 2014. -P. 2531-2540.

35 The Muffler Performance Effect on Pressure Reducing Valve Dynamics [Text] / D.M. Stadnik, A.A. Igolkin, V.Y. Sverbilov [et al.] // Procedia Engineering. - 2017. -V. 174. - P. 706-717.

36 Илюхин, В.Н. Динамика регуляторов давления газораспределительных станций [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06 / Илюхин Владимир Николаевич. - Самара, 2006. - 145 с.

37 Макарьянц, Г.М. Разработка методов и средств снижения динамических нагрузок в пневматических и гидромеханических системах [Текст]: дис. ... д-ра техн. наук: 01.02.06 / Макарьянц Георгий Михайлович. - Самара, 2014. - 225 с.

38 Шабанов, К.Ю. Разработка методики проектирования и конструкции комбинированного гасителя пульсаций давления для регуляторов газораспределительных станций [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06 / Шабанов Константин Юрьевич. - Самара, 2016. - 158 с.

39 Musaakhunova, L.F. The Vibroacoustic Characteristics Research of the Gas Pipeline [Text] / L.F. Musaakhunova, A.A. Igolkin, K.Y. Shabanov // Procedia Engineering. - 2014. - V. 104. - P. 316-323.

40 Igolkin, A.A. Method Development of the Vibroacoustic Characteristics Calculation of the Gas Distribution Stations Elements [Text] / L.F. Musaakhunova,

A.A. Igolkin, K.Y. Shabanov // Procedia Engineering. - 2014. - V. 104. - P. 309-314.

41 Арзуманов, Э.С. Снижение шума и вибрации в регулирующих органах клапанов для высоких перепадов давлений [Текст] / Э.С. Арзуманов,

B.Г. Скрипченко, Л.Н. Нисман. - М.: ЦИНТИ химнефтемаш, 1974. - Серия ХМ-10. - 48 с.

42 Monsen, J. Valve Noise Reduction Strategies [Электронный ресурс] /Jon Monsen // Valin Corporation, July 25, 2011: http://valin.com/index.php/blog/14-fluid-management-/311-valve-noise-reduction-strategies.

43 Пятидверный, А.П. Снижение уровня шума при использовании сжатого воздуха / А.П. Пятидверный // Вестник машиностроения. - 1982. - № 11. -

C. 15-17.

44 Fagerlund, А. Use of Pipewall Vibrations to Measure Valve Noise [Text] / А. Fagerlund // Fisher Controls Technical Monograph 33. - 1973.- 8 p.

45 ANSI/ISA-S74.17-1989. Control Valve Aerodynamic Noise Prediction -Approved 19-06-1991. - USA: ISA, 1989. - ISBN 1-55617-207-9.

46 Beranek, L.L. Noise and Vibration Control Engineering: Principles and Applications [Text] / L.L. Beranek // Second Edition, Istvan, 2006.

47 Dickey, N. S. The effect of high - amplitude sound on the attenuation of perforated tube silensers [Text] / N. S. Dickey, A. Selament, J. M. Novak // J. Acoustical Society of America. -2000. - V. 108, No 3. - P. 1068-1080.

48 Pedersen, R.C. Quantification of acoustic and hydrodynamic fields in flow duct systems [Text] / R.C. Pedersen, M. P. Norton // Aplied Acoustics. -1997. - V. 50, No 3.

- Р. 205-230.

49 Bies, D.A. Engineering noise control [Text] / D.A. Bies, C.H. Hansen. - London and New York.: Spoon Press, 2003. - 745 p.

50 Снижение вибрации и шума гидравлических приборов систем управления техническими средствами [Текст] / Э.Г. Берестовицкий, Ю.А. Гладилин, В.И. Голованов [и др.]. - СПб.: Астерион, 2008. - 316 с.

51 Eisinger, F. Acoustically induced structural fatigue of piping systems [Text] / F. Eisinger, J. Francis // Journal of pressure vessel technology. - 1999. - 121(4). -Р. 438-443.

52 Igolkin, A.A. Vibroacoustic loads reduction in pipe systems of gas distribution stations [Electronic resource] / A.A. Igolkin // Journal of Dynamics and Vibroacoustics.

- 2013. - 1 (1).

53 Jury, F.D. Fundamentals of aerodynamic noise in control valves [Text] / F.D. Jury // Technical monograph. - 1999. - 23 p.

54 Norton, M. Fundamentals of Noise and Vibration Analysis for Engineers [Text] / M. Norton and D. Karczub // Second Edition. - Cambridge University Press. - 2003. -631 p.

55 Артемов, Е.А. Коэффициент расхода клапана [Текст] / Е.А. Артемов, А.А. Богданов // Вестник машиностроения. - 1970. - № 11. - С. 49-50.

56 Герц, Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет [Текст] / Е.В.Герц. -М.: Машиностроение, 1969. - 359 с.

57 Ермилов, М. А. Разработка гасителя пульсаций давления газа для регуляторов давления с учётом их режимов работы [Текст] / М. А. Ермилов, А. Н.

Крючков, К. Ю. Шабанов // Вторая международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин», 2014. - С. 325-329.

58 Ермилов, М. А. Разработка эффективных устройств снижения виброакустических нагрузок в линиях редуцирования газораспределительных станций [Текст] / М. А. Ермилов, А. Н. Крючков, К. Ю. Шабанов // Известия СНЦ РАН. - 2014. - Т. 16. - №6. - С. 300-303.

59 Сулейманов, М.М. Шум и вибрация в нефтяной промышленности [Текст]: справ.пособие / М.М. Сулейманов, Л.И. Вечхайзер. - М.: Недра, 1990. - 160 с.

60 Дейч, М.Е. Техническая газодинамика [Текст] / М.Е. Дейч. - М.: Энергия, 1973. - 592 с.

61 Иванов, Н.И. Основы виброакустики [Текст] / Н.И. Иванов, А.С. Никифоров. - СПб.: Политехник, 2000. - 428 с.

62 FLUENT, A. 4.3. Theory Manual. 2004. [Electronic resource] / Fluent Inc. Central Source Park, 10 Cavendish Court, Lebanon, NH 03766, USA. -http://www.fluent.com.

63 Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ [Текст] / П.П. Кремлевский. - СПб.: Политехника, 2002. - Кн. 1. - 409 с.

64 Шорин, В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах [Текст] / В.П. Шорин. - М.: Машиностроение, 1980. - 156 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Оценка неопределенности результата измерений и проверка адекватности разработанной математической модели

Согласно ГОСТ 50.2.038-2004 ГСИ "Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений", рекомендации которого распространяются на нормативные, конструкторские, технические и другие документы, стандартная неопределённость результата измерения, выраженная в виде среднеквадратического отклонения, может быть определена по следующей зависимости (А.1):

и =

1

1 ^ - ,2

X - х) , (А.1)

п -11=1

где п - число экспериментальных данных; х1 - значение измеряемого параметра

- 1 п

в результате проведения ¡-го опыта; х = — • ^ х - среднее арифметическое

п i=1

экспериментальных данных, полученных при измерении.

Оценка неопределённости результатов измерений проводилась по трём параметрам: давлению перед регулятором, давлению после ГПД и расходу газа. Для получения экспериментальных данных на разработанном стенде было проведено пять одинаковых замеров, в результате которых измеряемые параметры регистрировались при максимальном значении давления 10 МПа, подаваемого из системы.

В результате было установлено, что максимальное значение стандартной неопределённости составляет иА = 5%.

Адекватность разработанной математической модели оценивалась путём сравнения расчётных и экспериментальных данных с использованием критерия Фишера, значение которого определяется по следующей формуле (А.2):

5 2

F = -Цг. (А.2)

5 у

Здесь Saq - дисперсия расчётной величины параметра, определяемая по формуле (А.3):

1 п _

S2aq =— (РР] - Рр)2, (А.3)

п - 1 ■=1 у

п

I РР1

•• _ j=1 где р ■ - расчётное значение параметра, рР = -- - среднее значение

м р п

расчётной величины, п - число опытов.

Дисперсия экспериментальной величины параметра определяется по формуле (А.4):

s; = —г-Е (Р] - р/, (А.4)

у п -1 ■=1 ■

п

I р>

~ ■=1

где р - экспериментальное значение параметра; р = ---среднее значение

п

экспериментальной величины.

В случае, если полученное значение критерия F меньше критического для определённого уровня значимости и соответствующих чисел степеней свободы для числителя и знаменателя, то дисперсии считаются одинаковыми. Тогда говорят о равенстве дисперсий экспериментальных и теоретических значений и, соответственно, об адекватности модели.

В результате сравнения расчётных и экспериментальных данных, полученных при определении статической ошибки регулирования, было установлено, что рассчитанные значения критерия Фишера FCX=1 и FЧX=0,75 не превышают соответствующих табличных значений FCXтабл=2,69 и FЧxтабл=3,44 для уровня значимости q=0,05.

Полученные результаты свидетельствуют об адекватности разработанной математической модели.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Акт о внедрении научных положений и выводов кандидатской диссертации

АКТ

О внедрении научных положений и выводов кандидатской диссертации Баляба Максима Владимировича на тему "Разработка гасителей пульсаций для систем регулирования давления природного газа"

в АО «Агрегат», г. Самара.

Разработанные Баляба М. В. гасители пульсаций для систем регулирования давления природного газа использованы при создании поршневых прямоточных регуляторов давления газа РДПП 80-50М-16. Применение таких гасителей пульсаций позволило обеспечить устойчивую работу данных регуляторов и снизить уровни звукового давления, излучаемого регуляторами, до установленных санитарных норм СанПиН 2.2.4.3359-16.

Разработанные гасители пульсаций внедрены в производство регуляторов давления газа в АО «Агрегат», г. Самара.