Содержание.
ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................9
ЧАСТЬ 1. ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК............................12
1. ВВЕДЕНИЕ......................................................12
1.1. Э1ГЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТА!ЮВКИ.................................13
1.2. Некоторые сведения из теории замкну гых газотурбинных установок. 15
2. ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЗАМКНУТЫХ ГАЗО -ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК.............................................18
2.1. Моделирование замкнутых газотурбинных установок...........18
2.2. Математическая модель нестационарных проіц-ссов в замкнутом газо - турбинном контуре..........................................19
2.2.1. Допущения, положенные в основу математической модели ЗГТК. 19
2.2.2. Принципиальные пневмогидравлические схемы ЗГТК.........20
2.2.3. Математическая модель течения газа в ЗІТК..............21
2.2.4. Математическая модель турбины..........................22
2.2.5. Математическая модель компрессора......................23
2.2.6. Решение системы уравнений..............................24
2.3. Разностные методы решения задач гидро и газодинамики......25
2.3.1. Понятие консервативности схемы. Пример влияния не консервативности............................................26
2.3.2. Разностная схема Дакса - Вендроффа.....................30
2.4. Некоторые замечания и результаты исследований системы регулирования замкнутым газо - турбинным контуром............31
2.4.1. Компенсация возмущений, влияющих па макс пиал ьный уровень электрической мощности вырабатываемой ЗГТК..................36
2.4.2. Достижение частичных режимов работы по уровню электрической мощности....................................................39
2.4.3. Дополнительные соображения по системе автоматического регулирования ЭУ............................................44
3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО СИСТЕМЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАМКНУТЫМ ГАЗО - ТУРБИННЫМ КОНТУРОМ..............................49
3.1. Проблемы диагностики ЗГТК.................................50
ЧАСТЬ 2. ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОСТИ В СИСТЕМЕ
ТРУБОЙРОВОДІІОГО ТРАНСПОРТА......................................52
4. ДИАГНОСТИКА УТЕЧЕК............................................52
2
4.1. Обзор основ««ых методов диапюстики утечек в трубопровод« 1ых СИСТЕМАХ...........................................................53
4.1.1. Физические процессы, протекающие при возникновении утечки.....53
4.1.2. Классификация методов диагностирования утечек................5 7
4.1.3. Краткое описание методов диагностики..........................58
4.1.4. Классификация причин вози икновения утечек в трубопроводных системах.........................................................70
4.1.5. Требования к характеристикам функционирования.................71
4.1.6. Выводы........................................................73
5. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ УТЕЧЕК............................................75
5.1. Физическая картина течения.......................................77
5.1.1. Свойства сплошной среды.......................................77
5.2. Метод диагностики утечек на основе изменения профиля давления вдоль трубы (метод 1)..............................................78
5.2.1. Математическая модель метода диагностики утечек...............78
5.2.2. Экспериментальные данные по изменению профиля давления вдоль трубопровода при возникновении утечки............................92
5.2.3. Метод диагностики............................................111
5.3. Метод диагностики утечек с исг юльзованием нестацио« «арной
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТРУБОПРОВОДА (МЕТОД 2).......................1 12
5.3.1. Математическая модель течения жидкости в разветвленной ПГС. .112
5.3.2. Расчет и моделирование нестационарных гцюцессов в нефтепроводах. 114
5.3.3. Экспериментальные данные по применению метода 2 при возникновении утечки на трубопроводе............................122
5.3.4. Анализ экспериментальных данных..............................129
5.4. Экспериментальные исследования..................................131
5.4.1. Испытательный полигон........................................131
5.4.2. Основные технологические операции, моделируемые на полигоне..131
5.4.3. Экспериментальная проверка системы определения утечек (СОУ)... 132
5.4.4. Объект проведен и я экспериментальных работ..................133
5.4.5. Обобщение экспериментальных данных...........................137
6. ПРОБЛЕМА ДОСТОВЕРНОСТИ ПРОВЕДЕННОГО АНАЛИЗА 143
6.1. Ложные срабатывания из-за Iиюхой настройки системы обнаружения УТЕЧЕК............................................................145
6.2. Ложные срабатывания системы обнаружения утечек из-за плохой
СИСТЕМЫ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ ИЛИ ПЛОХОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ, РАСХОДОМЕРЫ И Т.Д.).......................... 145
6.3. Ложные срабатывания алгоритмов системы обнаружения утечек,
ОСНОВАННЫХ ТОЛЬКО ПА ИЗМЕРЕНИИ ДАВЛЕНИЯ, ИЗ-ЗА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.
148
з
6.4. ЛОЖНЫЕ СРАБАТЫВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ИЗ-ЗА ОГРАНИЧЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ О СОС ТОЯНИИ ОБЪЕКТА...............148
6.5. Заключительные замечания..............................149
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ................................151
ЛИТЕРАТУРА..................................................155
4
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СИМВОЛОВ,
ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
САР Система Автоматического Регулирования;
ЭДУ - Энергетическая Двигательная Установка;
ЭУ - Энергетическая Установка;
СЭДУ Солнечная Энергетическая Двигательная Установка;
ЯЭДУ - Ядерная Энергетическая Двигательная Установка;
ЗГТК Замкнутый Газо - Турбинный Контур;
НТК - Программно-Технический Комплекс;
ПГС - ПневмоГидравлическая Система;
ПО - Программное Обеспечение;
ПК - Персональный Компьютер;
АЭ метод - Акусто-Эмиссионный метод ;
УЗ-дефектоскопия - Ультразвуковая - дефектоскопия;
НПС - Насосно Перекачивающая Станция;
АРМ - Автоматизированное Рабочее Место;
ИМ Г - Полевой Магистральный Трубопровод;
УЗР - УлыраЗвуковой Расходомер;
11СОУ - Параметрическая Система Обнаружения Утечек;
SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (программируемая распределенная система управления, контроля и сбора данных);
СДКУ - Система Диспегчсрского Контроля и Управления;
РДП - Районный Диспетчерский Пункт;
ИДИ - Центральный Диспетчерский Пункт;
УМ11 - Управление Магистральных Нефтепроводов;
РНУ - Районное Нефтеперекачивающее Управление;
JII1ДС - Линейная Производствен но-Диспетчерская Станция;
5
КП - Контролируемый I [ункт;
RTU - Remote Terminal Unit (удаленный терминал); н/п - нефтспроводод;
ПА - Подпорный Агрегат;
ILA - Насосный Агрегат;
КЯС - Калтасы - Языково - Салават;
К-У2 - Калтасы Уфа2;
УБКУА - Усть-Балык - Курган - Уфа - Альметьевск;
НКК - Нижневартовск - Курган - Куйбышев;
В-В - ВерхнеВолжское.
П-В -НижнеВартовское.
НПТН - Новополоцкое Предприятие по Транспорту Нефти.
НИОКР - Научно-Исследовательская Опытно-Конструкторская Работа; М - число Маха;
/ - время,
.V- координат по длине, и - скорость, р - давление, р- плотность,
Т - температура,
Е - внутренняя анергия, g - постоянная свободного паления, дЯ - перепад высот на участке трубы,
Ро>Ро'То ’ давление, плотность, температура при нормальных условиях, Тя - температура стенки, а -скорость звука,
£ - коэффициент сопротивления,
V - вязкость,
6
О -диаметр трубы,
о- абсолютная шероховатость стенок трубы, у - угол наклона трубы к горизонту, а - коэффициент теплопередачи.
Р - коэффициент расширения.
X - коэффициент сжимаемости, к - коэффициент термического расширения металла, е- накопление нефти в трубе.
()„ - средний объемный расход на входе в нефтепровод,
()л, - средний объемный расход на выходе нефтепровода,
АУ - изменение объема нефти в трубе.
»V,. - мощность, развиваемая турбиной;
I* - адиабатическая работа расширения газа; щ - КПД турбины;
Чк - К11Д компрессора;
мй, - адиабатическая скорость;
Рм - давление на входе в турбину, компрессор;
Ршх - давление на выходе из турбины, компрессора;
Р, - давление на срезе сопла;
Т„ - температура на входе в турбину, компрессор;
Тшх - температура на выходе из турбины, компрессора;
СР,СГ - теплоемкость;
относительное изменение электрической мощности; относительное изменение тепловой мощности нагревателя; относительное изменение температуры на входе в ту рбину; относительное изменение перепуска рабочею тела на регенераторе; относительное изменение заправки ЗГТК рабочим телом;
*К< -
8Рт . -
8М1 .
7
Рл - безразмерное давление за компрессором;
(і^ - безразмерный расход за нагревателем;
- безразмерный расход до нагревателя М\ - перепад давления на компрессоре,
О- объемный расход через компрессор (функция числа оборотов), И'," - уставка регулятора электрической мощности,
Т" - температура за нагревателем,
М^св^'вя ‘ проходное сечение дросселей сброса и вдупа газа,
_ уставка регулятора температуры газа за нагревателем, д/\“ - рассогласование давления за компрессором,
Р£ - уставка регулятора давления за компрессором,
- уставка регулятора частоты оборотов. п™ - частота оборотов,
ЛИ'- - рассогласование электрической мощности,
IVх' - электрическая мощность вырабатываемая ЗГТК.
8
Предисловие.
Диссертационная работа посвящена вопросам разработки, создания адаптивных математических моделей течения жидкости и газа, а также эффективных и надежных методов управления и диагностирования аварийных ситуаций в сложных разветвленных пневмогидравлмческих системах (11ГС).
Название «пневмогидравлические» подчеркивает общность подхода к анализу систем независимо от свойств рабочей среды.
Большая роль, которую играют ПГС в технике и природе, обусловлена широким кругом объектов, которые относятся к ПГС; системы питания и автоматики транспортных и энергетических установок, нефте- и газопроводы, химико-технологические установки, пневмогидроавтоматика, системы водоснабжения, вентиляции и т.д. - вплоть до систем кровообращения живых существ.
Общность всех этих разнообразных объектов определяется единством физических закономерностей гидродинамики, механики, термодинамики, связывающих параметры сплошной среды в системе.
Научно-технический прогресс в области создания технических систем (в состав которых входят ПГС) невозможен без поиска новых путей повышения их надежности. Поэтому весьма актуальным является поиск и разработка новых и эффективных систем управления и диагностики аварий ПГС.
Поскольку физическая и техническая основа процессов происходящих в ПГС аналогична процессам, происходящим во многих системах в промышленном производстве, то исследование и создание эффективных систем управления и диагностики ПГС делает их перспективными в использования для многих промышленных и научных объектов.
9
В последнее время большое внимание уделяется проблемам безопасности трубопроводного транспорта и защите окружающей среды от последствий возможных аварий, поэтому автор диссертационной работы, также попытался применить знания и опыт, накопленный в процессе создания систем управления, диагностики и аварийной зашиты ракетных и космических объектов (замкнутых газотурбинных контуров) [38], для конверсионных задач создания систем управления, диагностики и аварийной зашиты на магистральных нефтепроводах.
Целью данной работы является:
1. Разработка математических моделей течения жидкости в разветвленных пневмогидравлических системах энергетических установок (ЗГТК, нефте -газопроводах и т.д.), адаптивно подстраивающихся под реальный процесс течения жидкости.
2. Анализ и отработка систем управления и аварийной защиты замкнутых газо -турбинных контуров, которые являются составной частью энергетических двигательных установок (ЯЭДУ - ядерные энергетические двигательные установки, СЭДУ - солнечные энергетические двигательные установки).
3. Создание эффективных и надежных методов (использующих математические модели течения жидкости) обнаружения и диагностики аварий в разветвленных пневмогидравлических системах, основанных на анализе значений давления и расхода, измеренных по трубе и полученных из стандартной системы телемеханики установленной на трубе.
4. Использование математических моделей и системного подхода для уменьшения воздействия вредных последствий индустриальной деятельности человека на окружающую среду.
Математическая модель течения жидкости разработанная автором, основана на решении уравнений гидродинамики разносным методом Лакса-Вендроффа [76]. Она позволяет учитывать такие факторы как сжимаемость, вязкость, теплообмен, изменение свойств перекачиваемого продукта по длине трубы [3][4][9][ 10][ 18]. Математическая модель использовалась как для расчетов
ю
установившихся режимов, так и для моделирования динамических процессов, таких как начало перекачки [7][8][12][14][15][80], запуск и останов агрегатов (компрессор, турбина, насос, НГІС и т.д.) [ 1 ][28], функционирование системы управления[16][17][79], различного рода аварийных ситуаций [36], [37][46].
В математическую модель НПС также входит комплексная программа моделирования сигналов систем автоматики и телемеханики находящихся на НПС. Сложность поставленной автором работы задачи, легко проиллюстрировать на примере реальной схемы (рис. 1) нефтепроводов одного управления магистральными трубами.
Схема магистральных нефтепроводов ОАО "Верхневолжскнефгепровод" ♦*»* Общая протяжешюсп. на 01.10.01 г. • 2045 км о одномиточмом исчислении, 1744 км - трасса
Рис. 1.
11
Часть 1. Задача исследования и разработки энергетических двигательных установок.
1. Введение
Задачи исследования и разработки энергетических установок в первую очередь связаны с проблемой разработки и создания энергетических двигательных установок (ЭДУ) (75). Под названием «энергетическая двигательная установка» подразумевается весь комплекс агрегатов и узлов системы, обеспечивающей выбрасывание из космического корабля рабочего тела с целыо получения тяги высокоскоростного потока массы и использующей при этом для ускорения потока массы электрическую энергию. В настоящее время известно большое количество совершенно различных типов установок, но любую из них можно представить в виде схемы представленной на рис.2. Это связано, естественно, с общностью назначения таких установок и с действием их на общих основных физических законах и явлениях. При этом в отдельных конкретных типах установок некоторые узлы могут отсутствовать, а иногда в одном агрегате могут одновременно осуществляться два процесса и более.
Отвод тсплл в космос
ж
у
т
Система
подачи
Система регу лиринам и и
Система
регулирования
у Резервная нагрузка
Ьак -> рабочего тела
Т
Электрическое потребление кабины корабля
Ортам управлении режимом работы
Рис.2
12
Примечание: Сплотны ми линиями обозначены с гили с обязателы нами
системами, штриховыми линиями обозначены связи с системами, которые мот варьироваться в зависимости от конструкции космического корабля.
Таким обратом, двумя основными комплексами агрегатов в энергетической двигательной установке являются энергетическая установка - источник электрического тока - и двигатель, создающий тягу. Кроме того, эта же энергетическая установка должна обеспечить потребности в электроэнергии экипажа и оборудовании космического корабля, а также питания ратного рода резервных нагрузок. Для обеспечения нужных режимов работы всех этих углов возникает необходимость в системе регулирования и распределения электрической энергии.
/. /. Энергетические установки.
Вначале необходимо заметит ь что, энергетическая установка для длительной работы в космосе ввиду существенных ограничений ее массы принципиально может рассматриваться только на ядерной или солнечной энергии. В связи с этим возникает необходимость в эффективном преобразовании тепловой энергии в электрическую. В некоторой степени условно большое число схем преобразователей энергии можно разбить на две большие группы: машинные и прямого преобразования. Перечислим данные схемы:
1. ІІаротурбинньїе установки с рабочим циклом, называемым циклом Ренкина.
2. Г азотурбинные установки с рабочим циклом, называемым циклом Брайтона.
3. Установки с поршневой машиной Стирлинга.
4. Установки с термоэлектрическими преобразователями.
5. Установки с магнитогидродинамическими преобразователями.
6. Установки с магнитогазодинамическими преобразователями.
7. Установки с термоэмиссионными преобразователями.
13
8. Установки с фотоэлектрическими преобразователями.
9. Установки с непосредственным превращением энергии испускаемых радиоактивным изотопом заряженных частиц в электрический ток.
В преобразователях 1-3 установок тепловая энергия сначала преобразуется в механическую (в паро- или газотурбинном агрегате или даже в поршневой машине), которая затем электрогенератором превращается в электрическую.
Необходимо заметить что, в настоящее время одной из основных задач космической энергетики является обеспечение длительною (многолетнего) ресурса энергетических установок, а также увеличение их мощности [26].
Начиная с уровня мощности 15..20 кВт становится целесообразным рассмотреть преобразование энергии на основе замкнутых газотурбинных установок (ЗГТК).
Преимущест вами газотурбинных установок являются [40 |:
• Более высокий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую.
• Рост массового совершенства с ростом мощности.
• Генерирование электрическою тока с оптимальными параметрами (трехфазный, частотой 1000 Гц. напряжением 220 В), что даст экономию в массе системы преобразования электрического тока, когда на борту космического корабля появляются мощные потребители тока высокою напряжения.
• Возможность использования энергии от различных источников: солнечной, ядерной, химической.
Вообще в России работы по газотурбинным установкам начались в 1964 г. в рамках создания малоразмерного ядерного ракетного двигателя (ЯРД).
Дальнейшее развитие в области создания и отработки энергетических установок невозможен без развития эффективных и надежных систем управления и диагностики аварийных ситуаций.
На первом этапе создания сложных технических систем, экономически целесообразно сначала получить максимальную информацию о создаваемой
- Київ+380960830922