автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Исследование пульсации потока в технологических трубопроводах компрессорных станций магистральных газопроводов

РОССЦИ^СКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ______________

. с, НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

^ Ж' г - л

^ " ОЪ

На правах рукописи УДК 622.691.4.01:532.517.6

БУТУСОВ ДМИТРИЙ СТАНИСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИИ ПОТОКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ.

Специальность 05.15.13 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 1999

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Писаревский В.М., Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Поляков В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Зарицкий С.П.

- кандидат технических наук Соколова А.Г.

Ведущая организация - ООО «ВОЛГОТРАНСГАЗ»

Защита состоитсяо(йлгйг/эТс< Лее г. в/Г час в ауд. на заседании диссертационного совета Д 053.27.02 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу : 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

Автореферат разослан ^уо^сЛ' г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент — В.В. Орехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Развитие газовой промышленности в значительной степени зависит от состояния и дальнейшего совершенствования систем тру-Зопроводного транспорта природных газов, и, в частности, технологического оборудования компрессорных станций (КС). Однако, в последние годы, основные фонды газовой промышленности значительно износились. При этом, сто-ïMocTb технического обслуживания и ремонта технологического оборудования ЕСС постоянно растет по мере износа. Реконструкция ограничивается заменой устаревших газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Трубопроводная обвязка <омпрессорной станции не изменяется, а, в то же время, большое число обвя-юк уже имеет срок службы более 25-30 лет. Между тем, статистика отказов оборудования КС, по данным ИТЦ «ОРГТЕХДИАШОСТИКА» (рис. 1), пока-¡ывает, что на долю технологических трубопроводов приходится 47 % выяв-1енных дефектов. Поэтому, вопросы, связанные с надёжностью работы техно-югических трубопроводов КС, имеют большое значение для повышения на-1СЖНОСТИ работы всей газотранспортной системы.

Практика эксплуатации КС показывает, что технологические трубопроводы, эассчитанныс только на статические нагрузки, без учёта динамических нагру-юк, не обеспечивают работу без разрушений. Результаты паспортизации тех-гологических трубопроводов КС, проведённой ИТЦ «ОРГТЕХДИАГНОСТИ-<А», свидетельствуют о том, что на 1/3 обследованных трубопроводных обвя-юк обнаружены повышенные деформации. Такие деформации приводят к статическим напряжениям, близким к пределам текучести, а в ряде случаев и пре-1ышают их. Учитывая износ отводов технологических трубопроводов КС (до 3 лм на 1/3 обследованных обвязок), значительное число неработающих опор и :езонные подвижки грунтов, появление динамических напряжений связанных ; повышенной вибрацией может привести к аварийной сшуации (рис. 1).

Вибрация трубопроводных систем КС обусловлена, прежде всего, пульсацией транспортируемого потока и процессами пуска-остановки нагнетателей. 1ри этом, с ростом диаметра трубопроводов, пульсации с минимальной ам-глитудой, вызванные, например, турбулентным характером потока, приводят к юявлению больших вынуждающих сил, вызывающих вибрацию.

Вопросы, связанные с анализом и гашением пульсации газа в трубопровод-пых системах поршневых машин рассматривались в работах С.А. Хачатуряна, {.А. Козобкова, В.М. Писаревского, В.П. Шорина, Р.П. Старобинского и ряда [р. авторов. Однако, в этих работах основным источником возмущения являл-я рабочий процесс в цилиндре поршневого компрессора. Частотный и ампли-удный состав генерируемых источником колебаний определялся кинематикой :вижения поршня и режимными параметрами; диаметры трубопроводной об-язки не превышали 300...400 мм. Поэтому, для снижения интенсивности ко-ебаний широко использовались гасители пульсации.

а) Распределение дефектов по узлам технологического оборудования КС.

Коррозия,износ 11%.

б) Факторы, влияющие на отказы оборудования КС.

'РИС. 1 Статистика отказов по типам оборудования КС и факторов,

влияющих на отказ оборудования (по данным ИТЦ «ОРГТЕХДИАГ-НОСТИКА»).

Полученные результаты не могут быть использованы для анализа пульсации •рубопроводах с центробежными нагнетателями (ЦБН) в связи с принципи-ьными различиями в рабочем процессе компрессорных машин и увеличени-диаметров трубопроводов. Работы, связанные с анализом пульсации в тех-логических трубопроводах с ЦБН, появившиеся в последнее время, решали стные технические задачи и не имели достаточного экспериментального основания.

Лежду тем в газовой промышленности центробежные нагнетатели природ-го газа являются основным типом технологического оборудования, а их на-жность и эффективность определяют показатели работы всей отрасли. Тоэтому, для нормальной эксплуатации ЦБН, оказывается необходимым не гсько более обстоятельное изучение рабочего процесса и использование про-зссивных конструктивных решений, но и обеспечение надежной работы всех гментов установки, что, прежде всего, относится к трубопроводным систем, и, соответственно, определяет актуальность работы. Это подтверждается, оводимой в последнее время, технической политикой РАО «ГАЗПРОМ», правленной на паспортизацию технологических трубопроводов КС. Задача вышения надёжности работы трубопроводных систем и снижения уровней брации обуславливает необходимость снижения интенсивности пульсации ювого потока в технологических трубопроводах КС.

(ель работы. Целью диссертационной работы является исследование и ана-з колебательных газодинамических процессов в технологических трубопро-цах компрессорных станций с ЦБН, и разработка методов снижения их ин-

1СИВНОСТИ.

Основные задачи исследования :

. Измерение и анализ амплитудно-частотного состава пульсации давления ¡а, выявление характерных частотных и амплитудных диапазонов. I. Оценка влияния геометрических размеров обвязки, режимов работы ГПА и мпрессорпой станции на параметры пульсации и их распределение по длине /бопроводной системы.

3. Определение основных источников пульсации и режимов работы, при ко-зых происходит рост амплитуды колебаний.

I. Выбор математических моделей для расчёта амплитудно-частотной (АЧХ) эазовой характеристик типовых трубопроводных систем и отдельных участ-з обвязки ЦБН.

. Разработка методологии снижения амплитуды пульсации газа в техноло-геских трубопроводах КС как на стадии проектирования, так и на стадии яшуатации в широком диапазоне частот. 1аучная новизна работы заключается в том, что :

. Определён амплитудно-частотный состав пульсации газа в технологиче-и трубопроводах КС с ЦБН, в том числе и в коллекторной системе. . Установлепо, что основными источниками пульсации являются центро-кный нагнетатель и вихреобразование в турбулентном потоке на местных фотивлениях; рассмотрено влияние каждого источника на амплитуды и час-

тоты динамического давления газа. Разработан метод определения местоположения источника в трубопроводной системе.

3. Разработана методика оценки затухания колебаний газа в системе, состоящей из участков с потоком и безрасходных участков трубопроводов.

4. Установлено, что для разделения частотного диапазона пульсации на области низких и высоких частот может использоваться частота первого поперечного резонанса трубопровода; обоснован выбор математических моделей для расчёта параметров пульсации газа в трубопроводной обвязке КС с ЦБН. Рассчитаны амплитудно-частотные и фазовые характеристики пульсации газа типовых трубопроводных системах КС и в отдельных элементах этих систем.

Практическая ценность состойт в том, что:

1. Разработаны методы решения задач снижения уровней пульсации газа в технологических трубопроводах КС на стадии проектирования.

2. Разработаны рекомендации по снижению интенсивности пульсации газа в трубопроводной обвязке эксплуатируемой КС. В результате снижение ypoBHei вибрации составило до 5. ..10 дБ (до 10...20 раз).

3. Разработаная методология снижения интенсивности газодинамических ко лебаний в технологических трубопроводах КС включена в методику проведения паспортизации трубопроводной обвязки на компрессорных станциях ООС «ВОЛГОТРАНСГАЗ».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XVII международном тематическом семинаре «Диагно стика оборудования и трубопроводов» (1997 г.), Второй международной конференции «Энергодиагностика» (1998), VIII- IX Международных деловых встречах «Диагностика» (1998-1999 г.г.), XIX Международном тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС» (1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных pá6oT.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуалькость темы, сформулированы цель и основные направления исследования, дана краткая характеристика диссертационно] работы. -

Первая глава посвящена анализу имеющейся информации о пульсации потока и вибрации технологических трубопроводов КС с ЦБН и обзору исследований, связанных с газодинамическими колебательными процессами в трубопроводных системах.

Колебания рабочей среды (природного газа) в трубопроводной обвязке ЦБН могут быть связаны с рабочим процессом нагнетателя, вихреобразованием в потоке газа, автоколебательными процессами в системах регулирования рабочего процесса ГПА, неравномерностью процессов горения и т.п.

Обзор исследований по анализу газодинамических колебаний в трубопро-)дных системах показал, что определение основных причин появления от-:льных составляющих спектра и оценка зависимости величин амплитуд и ютот от параметров транспортируемого потока, конструкции и размеров тру->проводной обвязки является основным этапом в решении задачи снижения шлитуд колебаний.

Для эффективного гашения колебаний рабочей среды необходимо чёткое фи-1ческое представление о динамических процессах в трубопроводной системе связях между её элементами. Однако, до последнего времени, большинство ¡следователей рассматривали только низкочастотный диапазон пульсаций этока.

Увеличение единичных мощностей ГПА и диаметров присоединённой тру-)проводной системы приводят к росту интенсивности пульсации (а, в боль-инстве случаев, и нагрузок от вибрации) не только в низкочастотной, но и в лсокочастотной области, когда существенное влияние на передачу колебаний 1бочей среды оказывает неодномерность полей динамических составляющих этока.

В существующих методах проектирования трубопроводных систем компрес->рных станций, используемых при экспертизе типовых проектов или проек->в реконструкции КС, анализируется только низкочастотная область (едини->1-десятки Герц). Основное внимание уделяется гашению колебаний газа в «расходных участках обвязки (тупиках). Однако, и в этом случае, имеется 1д задач, связанных с влиянием расположения источников колебаний, а также затуханием колебаний для участков трубопроводов с потоком и безрасход-•IX участков (тупиков), которые требуют определения амплитуды пульсации. Таким образом существующие методы расчёта параметров пульсации потока технологических трубопроводах имеют ряд недостатков, которые ограничи-нот область их применения, а именно :

- ограничение анализа низкочастотной областью пульсации газа;

- пренебрежение влиянием затухания колебаний, либо представление дисси-щии как гадравлического сопротивления;

- не разработаны методы определения координат источников колебаний в »ллекторной системе, оценки взаимного влияния источников и влияния на ¡х режимов работы КС.

Во второй главе рассмотрены результаты измерений параметров пульсации жжа в технологических трубопроводах КС.

Для выявления основных особенностей, взаимосвязей и количественных за-»номерностей изменения параметров пульсации газа были проведены изме-:ния в различных трубопроводных системах с различными типами приводах ГПА:

- в компрессорном цехе с 7-ю электроприводными агрегатами ЭГПА-235;

- в компрессорном цехе с 3-мя газотурбинными агрегатами ГПА-16М, уста-тленными в результате реконструкции в обвязку, ранее используемую с аг-татами ГТН-25НЗЛ;

- в компрессорном цехе с 5-ю газотурбинными агрегатами ГПУ-16, при этом ГПА ст. № 3 имеет более высокоскоростной нагаетатель, чем все остальные агрегаты, с меньшим числом лопаток (15 вместр 17).

Кроме этого, были проведены измерения пульсации в кольцевых коллектора всасывания и нагнетания компрессорного цеха, на входе-выходе КС, вблизи охранных кранов на линейной части и в трубопроводной обвязке замерного узла на магистральном газопроводе.

При измерениях были использованы датчики динамического давления и виб рации фирмы. PSB (США). Для записи вибрационных сигналов и сигналов пульсации давления использовался цифровой магнитограф SONY 216А (Япония) и коллектор «Микролог» CMVA-40 (США). Обработка результатов исследования производилась на анализаторе динамических сигналов CSI-2400 (США). Примеры спектров пульсации давления представлены на рис. 2 и 3.

Основные выводы, полученные в результате экспериментальных исследований, следующие:

- амплитуды пульсации газа в технологических трубопроводах КС невелики и, как правило, не превышают 0,2.. .0,3 % от рабочего давления; при этом, пульсация является широкополосным колебательным процессом с частотным диапазоном от долей Герца до 4-5 кГц и выше. Поэтому ограничение анализа низкочастотной областью оказывается неправомерным, и необходимо рассматривать распространение колебаний jsie только вдоль, но и поперёк трубы.

- анализ результатов измерений, выполненных на разных типах приводов ГПА, при различных режима* работы ЦБН и при различном порядке работающих ГПА на КС, позволяет считать, что газодинамические колебательные процессы, происходящие в технологических трубопроводах, определяются геометрической конфигурацией трубопроводной обвязки, термодинамическими параметрами (температурой, давлением, скоростью звука и т.п.), режимными и конструктивными параметрами нагнетателя (объёмным расходом, оборотами, числом лопаток, числом ступеней, и т.д.).

При этом, разработка эффективных мероприятий по снижению амплитуд пульсации связана с необходимостью выявления источника и механизма появления пульсации. Поэтому требуется оценить влияние различных источников на параметры пульсации в технологических трубопроводах КС. ;

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию источников пульсации в технологических трубопроводах КС. j • ■

В результате проведённых измерений установлено, что основными источниками пульсации являются : в области низких частот - центробежный нагнетатель и тройники в коллекторной системе; при этом, нагнетатель является источником колебаний с частотой вращения рабочего колеса (оборотная гармоника нагнетателя); в области высоких частот - центробежный нагнетатель и срыв вихрей на малоразмерных местных сопротивлениях; нагнетатель являете: источником колебаний с лопаточными частотами.

Амплитуда оборотной гармоники, как правило, ниже амплитуд лопаточных составляющих, и при исправном пакете нагнетателя, редко превышает 0,02 %

Р(0,1МПа) 0.012000"

ОиЕКАЬЬ: 0.05342

1091 □

1646

гм

КСБ 510.5

72.67 Г

Р(Гц)

РИС. 2 Спектр пульсации газа в трубопроводе нагнетания агрегата типа ГПУ-16.

>(0,1 МПа)

0.0080001 здП

1Ш 7 АГМ

РИС. 3 Спектр пульсации газа в коллекторе нагнетания цеха с агрегатами типаГПА-16М.

от рабочего давления, так как в технологических трубопроводах современных КС не возникают условия для резонанса оборотной гармоники с одной из парциальных частот тупиковых участков.

Источниками пульсации вихревого происхождения может являться какое-либо местное сопротивление в технологической трубопроводной обвязке, например, тройники или участки резкого расширения диаметра трубопровода. При этом, основная кинетическая энергия турбулентного потока сосредоточен в крупномасштабных пульсациях, затухающих на расстояниях порядка величины размеров вихревой области.

Следовательно, характеристическая длина вихревой области определяет воз можный частотный диапазон резонансных газодинамических колебаний.

Используя экспериментальные данные о том, что при обтекании турбулентным потоком местных сопротивлений числа Струхаля кратны 0,5, и зная максимальную скорость (Кпих) на оси трубопровода, можно приближённо рассчитать частоты возможных автоколебаний (/) и оценить характеристический масштаб неоднородности (с/о):

/»Я/иКти/Ж . (1)

Так, при Кшх= 10...12 м/с, 57г« 0,5 и ¿/о = 0,5...1,0 м, частоты гидродинамиче ского возмущения/= 4...12 Гц; для 5й « 1,0 /= 8...24 Гц и т.д. Колебания с та кими частотами экспериментально зафиксированы и являются одними из основных составляющих низкочастотной области спектра.

Следует также отметить, что порядок пульсации давления при турбулентно»

движении связывается с пульсациями скорости как

2

Ар~р*(Аи) (2)

Поэтому, одним их признаков того, что пульсация обусловлена колебаниям] срывного происхождения, может являться нелинейный характер зависимости динамического давления от скорости (объёмного расхода) газового потока, б£ прямой зависимости частоты колебаний от изменения оборотов ЦБН в колле! торной обвязке КС (рис. 4 и 5).

В связи с этим, при проектировании и эксплуатации технологических трубо проводов КС необходимо учитывать влияние источников вихревого происхождения, взаимодействие которых с трубопроводной системой может привест] к увеличению амплитуды пульсации на резонансных частотах.

При большом количестве источников, для расчёта параметров и снижения интенсивности пульсации необходимо определять местоположение основноп (основных) источника в системе. Местоположение источника определяется н основании измерения амплитуд и фаз колебаний давления на местном сопротивлении для нахождения комплексного коэффициента передачи. В результат удаётся определить положение источника относительно точек измерения давления. Расчётная схема определения местоположения источника приведена

| ♦ Р«5) I

! Полиномиальный (Р[0))'

500 700 900 1000 1100 1200 1300 НОО 1600 Р#жимы О (мЗ/с|

РИС. 4 Зависимость амплитуды низкочастотной пульсации давления в коллекторе всасывания от расхода КС.

КО)

-«со

-Полиномиальньй (КО))

1000 1100 1200 Расход О (ыЗ/с)

1300

1400

1500

РИС. 5 Зависимость частоты низкочастотной пульсации в коллекторе всасывания от расхода КС.

и

на рис. 6 (начало координат совмещено с сечением, где находится сопротивление).

Направление на источник определяется по положению вектора комплексного коэффициента передачи между точками измерения давления КЦсо) =р\/р2 в плоскости К(/а>) = Ке К + г 1ш К. Реальные и мнимые части коэффициента передачи получаются их экспериментальных данных :

В.сК= (рг/рС) * СО$(Аф)

(3) ■

1т К = (рг/рО * 8т(Аф)

Как следует из рис. 7 (где приведено разбиение комплексной плоскости для трубопровода нагнетания), вектор К4 , соответствующий пульсации давления с частотой 4 Гц, лежит в области I, т.е. источник колебания с этой частотой лежит дальше по ходу газа от обратного клапана на нагнетании, что подтверждает существование источника колебания в тройнике при врезке трубопровода нагнетания в коллектор. Другой вектор К\ 2, соответствующий пульсации давления с частотой 13 Гц, лежит в области II. Соответственно, и источник расположен перед обратным клапаном по ходу газа. Это означает, что источником колебаний может быть либо нагнетатель, либо тройник на рециркуляции.

В высокочастотном диапазоне основными источниками пульсации также являются ЦБН и вихреобразование в потоке на местных сопротивлениях.

Амплитуда лопаточных гармоник нагнетателя, примерно, в 10 раз больше амплитуды оборотной гармоники. Эти гармоники являются одними из основных составляющих высокочастотной области спектра (рис. 2 и 3).

Анализ результатов измерений показал, что лопаточные гармоники представляют опасность только в случае, когда оболочечная вибрация трубопровода обусловлена газодинамическим резонансом в поперечном направлении (рис. 8 и 9). При этом, наиболее опасен двойной резонанс, т.е. совпадение лопаточных частот с частотами поперечных резонансов по газу и собственными частотами оболочки трубопровода.

Высокочастотные пульсации вихревого происхождения обладают теми же свойствами, что и низкочастотные, а высокие частоты (порядка нескольких кГц) определяются малыми размерами вихревой области.

Таким образом, в результате проведённых исследований установлено, что основными источниками являются : в области низких частот - оборотная гармоника центробежного нагнетателя и тройники в коллекторной системе; в области высоких частот - лопаточные гармоники ЦБН и срыв вихрей на малоразмерных местных сопротивлениях.

Особенно следует отметить факт существования пульсации газа в линейной части магистрального газопровода, которая имеет тот же вихревой механизм возбуждения, что и в источниках в тройниках трубопроводной обвязки компрессорной станции. Эти колебания могут оказывать влияние на процессы

ДЭ на ОК или РК Р1

А

Р2

-А

->

к коллектору

х — — и

х = 0

2

х = 1г

РИС. 6 Расчётная схема для определения местоположения источника низкочастотных колебаний.

РИС. 7 Разбиение комплексной плоскости К для определения места расположения источника колебаний.

-ГПА»3 -ГПЛГ»«

1100 1125 1150 1175 1200 122$ 1290 1275 1300 1330 1310 1300 1415 1445 1475 1500 Чмтота 1ч>< попеточмоЯ гараокпи <гм)

РИС. 8 Зависимость амплитуды 1-ой лопаточной гармоники пульсации от частоты в трубопроводе нагнетания ГПУ-16.

-ГПАМаЗ -ПИ »4

2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2660 г720 2780 2830 2890 2950 3000 Частота 2-ой лопаточной гармоники (в Гц)

РИС. 9 Зависимость амплитуды 2-ой лопаточной гармоники пульсации от частоты в трубопроводе нагнетания ГПУ-16.

коррозионной и стресс-коррозионной прочности магистрального газопровода,

эпределяющих долговечность. -----------------------------------------------

В четвёртой главе изложены результаты расчёта параметров пульсации потока в технологических трубопроводах КС. ■ -

Пульсация газа в технологических трубопроводах компрессорной станции с ЦЕН происходит в широком диапазоне частот (от 0,1 Гц до 4-5 кГц и выше). При исследовании низкочастотных продольных колебаний используется одномерное математическое описание (плоская волна), а расчёт параметров высокочастотных колебаний должен производиться на основе многомерных математических моделей. Использование различных математических моделей ко-небательных процессов делает необходимым разграничение частотных областей, в которых они применяются.

Согласно теории распространения звука в цилиндрических трубах, при условии, что на оси трубы, (г = 0) давление конечно, а нормальная составляющая жорости частиц на стенке трубы (г = Я) исчезает (стенки трубы абсолютно жёсткие), решение волнового уравнения для давления в трубе имеет вид:

р=ро дн-<ры) *Ма™ г/К)*ехр(±]к (4),

где (р, г и I - цилиндрические координаты точки внутри трубы; /ш - функция Бесселя т-го порядка; СХтп = "/та/? - корни функции Jm(ymr¡R) = 0; (1=1,2,.... Волновое число

Г 2 2 Г 2 2 С 2

*'»=>/*- у™ =>/*-( СЕ-/Д) тя//),

(5)

/тп= (а™, *с/2лЯ),

-де с - скорость звука в газе.

Решение (4) описывает нормальную волну или моду номера ш. Если в трубе возбуждается спектр частот, то распространяются по трубе только те незатухающие колебания, частота которых/>/™. Следует, однако, отметить, что при этом всегда может возбудиться плоская волна с волновым числом к, соответст-

зующим моде (0,0). Следующее по величине значение к 'становится действи-гельным при частоте, определяемой соотношением

к 1» = аи/Е = 1,84/2? или /ю=0,293с/й, (6)

т.е. при 2Я =У2, (первый радиальный резонанс трубы); тогда к плоской вол-*е добавляется волна, распространяющаяся в радиальном направлении.

ТАБЛИЦА 1. Зависимость частоты первого поперечного резонанса от диаметра трубопровода.

Диаметр тр-да (мм) Нагнетание Всасывание Рециркуляция

1000 256 Гц 246 Гц -

700 368 Гц 351 Гц -

500 - - 539 Гц

400 - - 674 Гц

300 - - 900 Гц

Таким образом, первый радиальный резонанс трубопровода и является той граничной частотой, которая разделяет области применения низкочастотной (одномерной) и высокочастотной (многомерной) математических моделей.

В Табл. 1 приведена зависимость частот первого поперечного резонанса от диаметра трубы в типовых технологических трубопроводах ЦБН (для трубопроводов нагнетания средняя скорость звука в газе - 440 м/с, для рециркуляции - 460 м/с, а для всасывания - 420 м/с).

При анализе низкочастотных продольных колебаний, трубопровод может быть представлен линией с распределёнными параметрами, а нагнетатель и местные сопротивления, линейный размер которых намного меньше длины волны наибольшей гармоники, элементами с сосредоточенными параметрами.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что основной причиной повышения амплитуд пульсации в таких системах является резонанс. Поэтому основной задачей расчёта параметров пульсации в низкочастотной области является определение резонансных частот системы и оценка влияния геометрических размеров элементов системы на частоту резонанса.

При расчётах использовалась линеаризованная система уравнений неустановившегося движения, для которой принимаются следующие граничные условия :

1) источниками колебаний являются тройниковые элементы системы или резкое расширения диаметра трубопровода;

2) нагнетатель считается акустически закрытым концом 2« = со, импеданс входа в коллектор - 7л - X* (где 2л - волновое сопротивление ).

Амплитудно-частотная характеристика и фаза колебаний вычисляются, в основном, для тупиковых участков технологических трубопроводов.

Динамические давления определяются через составляющие комплексного давления от отдельных источников как

N

Р'™. (7)

л=1

;е рш - комплексное динамическое давление в тупике т^р™ -"комплексная со-гааляющая динамического давления в тупике т от источника, расположенно) в тройнике п.

АЧХ определяется модулем комплексного динамического давления

Фазовая характеристика - аргументом комплексного динамического давления

Численный расчёт низкочастотных резонансов в трубопроводной системе эоизводится по разработанному алгоритму.

Целью расчётов параметров пульсации в высокочастотной области также явится определение резонансных частот трубопроводной системы, но уже в эперечных направлениях. Это связано с тем, что высокочастотные колебания ютространяются как в продольном, так и в поперечном направлениях и вы-.твают вибрацию трубопровода на частотах, близких к оболочечным. Расчёт высокочастотных колебаний основан на представлении трубопроводам обвязки КС как системы связанных акустических волноводов, поэтому, 1я расчёта параметров высокочастотной пульсации используется волновое равнение в цилиндрических координатах для распространения звука в трубе. Считается, что в обвязке, как в волноводе, распространяются только волны

распределением радиальных форм по одной из функций Бесселя ^ (утп г) 1-го порядка, которые называются нормальными.

При возбуждении колебаний в трубопроводе каким-либо источником пуль-щии, по волноводу распространяется набор нормальных волн, на которые вкладывается исходное колебание. Форма нормальной волны зависит от спо->ба возбуждения и места расположения источника.

Следовательно, методика расчёта высокочастотных колебаний в технологи-;ских трубопроводах КС, должна быть основана на определении поперечных ¡зонансных частот трубы для рабочих режимов ЦБИ. При этом, значения час->т радиальных резонансов газа в трубопроводе с радиусом Л (собственных ютот волновода) задаются соотношением (5).

Однако, для разработки методологии снижения уровней пульсации необхо-мо оценить не только частоты, но и амплитуды колебаний. Основным пара-гхром, определяющим амплитуду пульсации, является декремент затухания шебаний (обратно пропорциональный добротности колебательной системы), ючёт декремента колебаний в линейных системах является хорошо разрабо-нной процедурой, однако, в отличие от ранее рассмотренных случаев, необ-

Г г

А(рь = атсЩфп рхшУ/?е р™)

(9)

ходимо исследовать систему, состоящую из трубопроводов с потоком и безрасходных участков, в которых учитывается как гидравлическое сопротивление, так и акустическое затухание.

Таким образом, разработка методологии снижения интенсивности пульсации должна быть основана на расчёте геометрических размеров (длин и диаметров] технологических трубопроводов, условий и режимов работы ГПА, исключающих возможность появления резонансной пульсации и существенно снижающих добротность системы за счёт увеличения диссипации.

Пятая глава посвящена разработке и внедрению методологии снижения интенсивности пульсации потока в технологических трубопроводах КС, и приводятся примеры её реализации.

Задача снижения интенсивности пульсации газа, прежде всего, связана с уменьшением вероятности появления резонансных условий - основной причины увеличения амплитуды динамических составляющих потока. Расчёт резонансных характеристик трубопроводной обвязки позволяет подобрать геометрические размеры трубопроводной системы, увеличить диссипацию и, тем самым, полностью подавить автоколебания или значительно уменьшить их амплитуду.

Мерой диссипативности системы является декремент затухания колебаний. Опыт эксплуатации компрессорных станций с мощными центробежными нагнетателями свидетельствует о том, что оценка затухания особенно важна для безрасходных тупиковых участках трубопроводной обвязки КС, где происходит возбуждение интенсивных резонансных пульсаций, и необходимо иметь возможность определять амплитуды колебаний.

В настоящее время принято считаеть, что диссипация в системе тупики-коллектор определяется присоединёнными полубесконечными участками трубопроводов коллектора. Затуханием в самой системе пренебрегается.

Однако, результаты измерений пульсации в технологических трубопроводах КС и результаты расчётов АЧХ такой системы показывают, что влияние собственного затухания в системе тупик-коллектор на добротность газодинамических колебаний, в особенности при условиях близких к резонансу, весьма существенно. Добротность системы, также, зависит от трёх основных геометрических параметров: длин тупиковых участков (/), длин участков трубопровода коллектора между тупиками (/«) и соотношения диаметров тупика и трубопровода коллектора.

Таким образом, критерием оценки амплитуд колебаний является добротност колебательной системы. Поэтому методология гашения пульсации в низкочастотной области заключается в расчёте добротности динамической системы с учётом акустического затухания и гидравлического сопротивления в трубопроводе с потоком, оценке зависимости добротности от соотношения длин, диаметров трубопроводов и расхода цеха и выборе параметров системы, обеспечивающей минимальные амплитуды пульсации.

В качестве примера приводится решение задачи гашения пульсации в систе-:е тупик-коллектор, выполненную при реконструкции КС-21 «АРСКАЯ». Ос-овные причины повышенной пульсации были связаны с резонансными коле-аниями, вызванными срывом вихрей в тройникеу тупика. В процессе прове-ения расчётов были установлены параметры системы, при которых амплитуда ульсации резко снижается. В результате увеличения, после реконструкции, лины тупика на 4 м, амплитуда пульсации снизилась более чем в 20 раз. Анализ результатов экспериментальных исследований высокочастотной ульсации показывает, что высокие уровни вибраций (десятки мм/с СКЗ) вы-ываются пульсацией давления в единицы кПа, что объясняется высокой ди-амической кольцевой податливостью на высоких частотах (порядка несколь-их сотен мм/с/Па). Соответственно, необходим расчёт геометрических пара-етров трубопроводной системы с целью исключения условий для поперечно-э резонанса.

Следовательно, методология снижения интенсивности высокочастотной ульсации основывается на анализе возможности совпадения нормальных мод рубопровода и колебаний оболочки трубы в диапазоне изменения частот ло-аточных гармоник на рабочих режимах ГПА.

Однако, вибрации технологических трубопроводов могут быть связаны не элько с радиальными резонансами лопаточных гармоник, но и с высокочас-этнымй автоколебаниями, снижение интенсивности которых возможно толь-о на основании результатов промышленных экспериментов, поскольку усло-ия возбуждения таких автоколебаний ещё недостаточно изучены. Характерным примером таких работ, являются исследования интенсивных ысокочастотных автоколебаний, возбуждаемых в обратных клапанах (ОК) на ециркуляции. Основной причиной появления повышенных амплитуд пульса-ии явились автоколебания, связанные с резким уменьшением проходного се-ения, вызванного установкой нового регулирующего клапана. В результате езкого увеличения скорости потока, ОК стал основным источником пульса-ии. При этом, амплитуда вибрации на частоте-3 кГц достигала 50 мм/с. Реконструкция системы состояла в замене обратных клапанов Ду400 в тру-опроводпой обвязке каждого ГПА на один обратный клапан Ду700 в коллек-эре рециркуляции. В настоящее время, после реконструкции системы техно-эгических трубопроводов КС, амплитуда вибрации трубопровода рециркуля-ии не превышает 5... 7 мм/с.

К этому же классу задач относятся работы по снижению интенсивности ульсации потока в трубопроводной обвязке ГТК-25ИР, источник которой на-одится в тройнике люк-лаза. Пульсация с частотой 182... 185 Гц вызывала золоченную вибрацию трубопроводов с амплитудами до 70 мм/с. Проведённые исследования показали, что возбуждение колебаний происхо-ит за счёт вихреобразования на дальней по потоку кромке сопряжения труб в эойнике с характеристической длиной вихревой зоны несколько сантиметров. Поэтому, для воздействия на источник пульсации необходимо уменьшить арактеристическую длину вихревой зоны, т.е. существенно увеличить частоту

колебаний. Для этого использована вставка в люк-лаз, оставляющая зазор между кромкой сопряжения трубопроводов и поверхностью вставки не более 5...10 мм. В результате в 20. ..30 раз снизилась интенсивность пульсации в трубопроводе за счёт внесения рассогласования между частотой возбуждения и акустическим резонатором.

В предшествующих работах считалось, что вибрация возбуждается низкочастотной пульсацией в тупике люк-лаза. Однако, использование вставок различной геометрии, изолирующих тупик люк-лаза от основного трубопровода, но оставляющих зазор, соизмеримый с размером вихревой зоны, не позволило -снизить амплитуду пульсации.

Таким образом, разработанная методология снижения интенсивности газодинамических колебаний позволяет повысить качество проектирования и эксплуатации трубопроводных систем, т.е. выбрать геометрические размеры обвязки, соотношение диаметров труб и технологических аппаратов, условий и режимов эксплуатации ГПА, исключающих возможность появления пульсации, вызывающей повышенные уровни вибрации.

Предложенный метод снижения вибрации технологических трубопроводов связанный с воздействием, как на присоединённую трубопроводную систему, так и на источник пульсации, позволяет устранить вибрацию во всём исследованном диапазоне изменения рабочих режимов. Такой метод снижения вибрации, для рассматриваемых систем, является единственно возможным, поскольку большие диаметры технологических трубопроводов, широкий диапазон изменения режимных параметров и сезонные изменения условий закрепления опор не позволяют эффективно снижать вибрацию воздействием на механическую систему.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате экспериментальных исследований пульсации газа в системе технологических трубопроводов КС с ЦБН установлено, что :

а) пульсация газа в надземной обвязке, подземных коллекторах и узле подключения КС является широкополосным колебательным процессом с частотным диапазоном от долей Герца до нескольких килогерц;

б) основные источники пульсации связаны с рабочим процессом нагнетателя и вихреобразованием при срыве потока на местных сопротивлениях.

2. Амплитуды и частоты пульсации определяются, в основном, геометрической конфигурацией трубопроводов и скоростями потока в трубопроводной системе, а также, комбинацией работающих ГПА, термодинамическими параметрами (температурой, давлением, скоростью звука и т.п.) и режимными и конструктивными параметрами нагнетателя ( оборотами, числом лопаток, числом ступеней и т.д.).

3. На основании результатов экспериментального исследования предложены методики расчёта резонансных частот в низкочастотной и высокочастотной областях.

I. Расчёт резонансных параметров газодинамических систем, в широком

[аназоне частот подтверждён результатами экспериментальных измерений,------------

о позволяет использовать расчётную модель для разработки рекомендаций ■ снижению амплитуд пульсации газа в технологических трубопроводах КС

5. Разработана методология снижения интенсивности газодинамических ко-баний, которая может быть использована при проектировании и эксплуата-:и технологической обвязки КС с ЦБН. Разработанная методология, в на-оящее время, применяется при проведении паспортизации трубопроводных вязок компрессорных станций предприятия «ВОЛГОТРАНСГАЗ».

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ :

!) Бутусов Д.С., Стрельцов С. А., Якубович В А., «Радиальные газодинамиче-ие резонансы в трубопроводах высокорасходных центробежных нагнетате-й», М., материалы XVD-ro международного семинара «Диагностика обору-вания и трубопроводов»,1997.

!) Беляев Е.А., Бутусов Д.С., Щёголев И.Л., «Источники возникновения и ме-цы устранения низкочастотных колебаний потока в коммуникациях на вхо--выходе КС и в линейной части магистральных трубопроводов», М., мате-алы XVII-ro международного семинара «Диагностика оборудования и тру-проводов»,1997.

I) Бутусов Д.С., Соколинский Л.И. "Возникновение высокочастотных коле-ний газа в обратных клапанах", М., "Газовая промышленность", N 11, 1997,

) Акимов C.B., Бутусов Д.С. «Количественный критерий разграничения об-;тей низко- и высокочастотной пульсации газа в трубопроводных системах с >Н», М., материалы 8-ой международной деловой встречи «Диагностика-98», , «Диагностика энергомеханического оборудования...», 1998. ;) Бутусов Д.С., Дегтярёва Н.Г., Якубович В.А. "Исследование высокочас-гных автоколебаний газового потока в обвязках высокорасходных нагнета-юй", М., материалы 2-ой международной конференции нергодиапюстика", т. 2, ч,2, "Диагностика и надёжность", 1998. ) Бутусов Д.С., Писаревский В.М., Поляков В.А. «Оценка влияния диссипа-и на геометрические параметры обвязки при проектировании компрессор-х цехов», М., материалы 9-ой международной деловой встречи «Диагности-99», т.1, «Диагностика энергомеханического оборудования...», 1999.

ДБН.

з. 44-45.

Соискатель

ВВЕДЕНИЕ.стр.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ, СВЯЗАННЫХ С АНАЛИЗОМ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КС.

1.1 Основные уравнения газодинамических колебательных процессов в трубопроводных системах.стр.

1.2 Динамические характеристики элементов трубопроводных систем.стр.

1.3 Математические модели граничных условий и источников колебаний газа в трубопроводных системах.стр.

1.4 Возбуждение автоколебаний потоком газа в трубопроводных системах.стр.

1.5 Выбор математической модели колебательных газодинамических процессов в трубопроводных системах . стр.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КС.

2.1 Характеристика спектрального состава пульсации газа в обвязке ЦБН.

2.2 Спектральный состав низкочастотной пульсации в обвязке ЦБН.

2.3 Спектральный состав высокочастотной пульсации в обвязке ЦБН.

2.4 Характеристика спектрального состава пульсации в коллекторной системе компрессорного цеха.

2.5 Пульсация газа на выходе КС и в линейной части магистрального газопровода.

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПУЛЬСАЦИЙ ГАЗА

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КС.

3.1 Нагнетатель как источник пульсации.стр.

3.2 Источники пульсации вихревого происхождения в технологических трубопроводах КС и линейной части магистрального газопровода.стр. стр. 41 стр.48 стр.59 стр.75 стр.

3.3 Определение местоположения источника пульсации в трубопроводной системе.стр.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ.

4.1 Определение расчётных моделей колебательного процесса. Критерий разделения низкочастотной и высокочастотной областей пульсации газа.стр.

4.2 Расчёт частотных и фазовых характеристик низкочастотных колебаний газа в трубопроводной обвязке ЦБН .стр.

4.3 Расчёт частотных и фазовых характеристик низкочастотных колебаний газа в коллекторной системе компрессорного цеха.стр.

4.4 Расчёт характеристик высокочастотных колебаний газа в трубопроводной обвязке ЦБН и коллекторной системе компрессорного цеха.стр.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ.

5.1 Основные положения методики расчётов параметров пульсации газового потока в трубопроводной обвязке типовой компрессорной станции в широком диапазоне частот возмущения.стр.

5.2 Методология снижения интенсивности колебаний на стадии проектирования технологической обвязки КС . стр.

5.3 Методология снижения интенсивности газодинамических колебаний в процессе эксплуатации КС.стр.

Развитие газовой промышленности в значительной степени зависит от состояния и дальнейшего совершенствования работы систем трубопроводного транспорта природных газов. Увеличение объёмов перекачки и рост стоимости дальнего транспорта газа значительно повысили требования к надёжности работы всех элементов системы и, особенно, перекачивающих станций.

Однако, в последние годы, основные фонды газовой промышленности значительно постарели. Несмотря на поступление новых газоперекачивающих агрегатов (ГПА), в эксплуатации находятся ГПА с наработкой более 120 ООО часов. При этом, стоимость технического обслуживания и ремонта технологического оборудования компрессорной станции (КС) постоянно растет по мере износа; постоянным явлением стали трудности с получением запасных частей, заменой выработавших ресурс узлов и деталей; все это требует дополнительных затрат времени и ресурсов.

Ещё более сложное положение с трубопроводными системами компрессорной станции, - процесс реконструкции компрессорных цехов ограничивается только заменой устаревших ГПА на более совершенные. Трубопроводная обвязка компрессорной станции не меняется, а, между тем, большое число обвязок уже имеет срок службы более 25-30 лет. При этом, статистика отказов оборудования КС (по данным ИТЦ «ОРГТЕХДИАГНОСТИКА») показывает, что на долю технологических трубопроводов приходится 47 % выявленных дефектов. Поэтому, вопросы, связанные с надёжностью работы технологических трубопроводов КС, имеют большое значение для повышения надёжности работы всей газотранспортной системы.

Старение оборудования и трубопроводной обвязки происходит с различной скоростью. Ускоренная выработка ресурса связана с нерасчётными режимами работы, низким качеством монтажа и плохой подготовкой рабочих сред (газа, масла, воды). Но если в предыдущие годы опасные дефекты технологических трубопроводов КС возникали только в единичных случаях, подвергшихся комплексу неблагоприятных воздействий, то теперь имеется существенная группа ГПА, положение с обвязкой которых не является удовлетворительным [13, 14,38,39,47].

Если дефекты либо неблагоприятные воздействия своевременно обнаруживаются и устраняются, то оборудование можно эксплуатировать ещё долгие годы (естественно, при условии проведения периодического контроля или, точнее, диагностики). Особенно важен контроль элементов и оборудования КС, не имеющих резервирования, что, прежде всего, относится к трубопроводным обвязкам компрессорных станций.

Поэтому, в последние годы техническая диагностика приобретает все более важное значение, в особенности, для отраслей, использующих энергомеханическое и технологическое оборудование, существенно различающиеся по наработке. В условиях интенсивного старения систем трубопроводной обвязки, обуславливающего необходимость их реконструкции, практически единственным средством, обеспечения высоконадежного и эффективного транспорта газа становится переход от традиционного регламентного обслуживания к системе обслуживания "по состоянию".

При этом, одной из наиболее актуальных, представляется задача обеспечения надежности технологических трубопроводов КС. Сложность конструктивной схемы, многообразие видов нагружения, характерных для трубопроводных обвязок, как объекта диагностирования, предопределили то, что до настоящего времени задача прогнозирования остаточного ресурса осталась нерешенной.

Одна из основных причин этого заключается в том, что в трубопроводных обвязках компрессорных машин происходят, наряду с учитываемым при расчётах нагружением давлением и температурным перепадом, динамические процессы, оценка влияния которых затрудняется наличием ряда случайных факторов. Технология трубопроводного транспорта и работа нагнетательных машин обуславливает появление динамических процессов, которые, совместно с внешними динамическими нагрузками, приводят к вибрации и повышению уровня напряжённо-деформированного состояния материала стенки трубы, что, в свою очередь, может привести к потере геометрической формы и разрушению трубопровода.

Результаты паспортизации технологических обвязок КС, проведённой ИТЦ «ОРГТЕХДИАГНОСТИКА», показали, что на 1/3 обследованных трубопроводных обвязок обнаружены повышенные деформации трубопроводов [13]. Такие деформации приводят к возникновению больших статических напряжений. Их значения близки к пределам текучести, а в ряде случаев и превышают их. Такие напряжения уже могут сопровождаться пластическими деформациями.

Учитывая эрозионный износ отводов технологических трубопроводов КС (до 3 мм на 1/3 обследованных обвязок), значительное число неработающих опор и сезонные подвижки грунтов [13], появление динамических напряжений, связанных с повышенной вибрацией, может привести к серьёзной аварийной ситуации [14].

Динамические процессы в трубопроводных обвязках КС обусловлены, прежде всего, пульсацией транспортируемого потока и процессами пуска-остановки нагнетателей. При этом, с ростом диаметра трубопроводов, пульсации с минимальной амплитудой, связанные, например, с турбулентным характером потока, вызывают появление больших вынуждающих сил.

Вообще же, причинами появления таких сил могут быть : воздействие на систему внешней нагрузки; самостоятельное перемещение опор трубопровода и присоединённого оборудования; динамическое взаимодействие трубопроводной системы с характеристиками транспортируемого потока.

Анализ современного состояния проблемы [32] показал, что определяющим оказывается воздействие пульсации транспортируемого потока. Пульсация потока является следствием технологического процесса и наличия гидравлических сопротивлений в трубопроводной системе.

Вопросы, связанные с анализом и гашением пульсации газа в трубопроводных системах поршневых машин рассматривались в работах С.А. Хачатуряна, А.А. Козобкова, В.М. Писаревского, В.П. Шорина, Р.П. Старобинского и ряда др. авторов. Однако, в этих работах основным источником возмущения являлся рабочий процесс в цилиндре поршневого компрессора. Частотный и амплитудный состав генерируемых источником колебаний определялся кинематикой движения поршня и режимными параметрами; диаметры трубопроводной обвязки не превышали 300. .400 мм. Поэтому, для снижения интенсивности колебаний широко использовались гасители пульсации.

Полученные результаты не могут быть использованы для анализа пульсации в трубопроводах с центробежными нагнетателями (ЦБН) в связи с принципиальными различиями в рабочем процессе компрессорных машин и увеличением диаметров трубопроводов. Работы, связанные с анализом пульсации в технологических трубопроводах с ЦБН, появившиеся в последнее время, решали частные технические задачи и не имели достаточного экспериментального обоснования.

Между тем, центробежные нагнетатели природного газа являются основным типом технологического оборудования магистральных газопроводов, а их надежность и эффективность определяют показатели работы всей отрасли.

При этом, с увеличением диаметра трубопроводов и мощности ЦБН растут требования к надежности и эффективности их работы. Поэтому, для нормальной эксплуатации ЦБН большой мощности, оказывается необходимым не только более обстоятельное изучение их рабочего процесса и использование прогрессивных конструктивных решений, но и обеспечение надежной работы всех элементов установки, что, прежде всего, относится к трубопроводным системам, и, соответственно, определяет актуальность темы. Это подтверждается прово. димой в последнее время технической политикой ОАО «ГАЗПРОМ», направленной на паспортизацию технологических трубопроводов КС

38, 39].

По результатам паспортизации определяются :

- срок безопасной эксплуатации обвязки;

- дефекты, возникшие в процессе эксплуатации;

- перечень мероприятий по устранению дефектов.

При этом установлено, что техническое состояние трубопроводной обвязки определяется эрозионным износом отводов, просадками кол лектора, работоспособностью опор и, самое главное, уровнем вибра ции трубопроводов. В результате вибрации происходит разрушение сварных стыков, нарушение герметичности соединений, разрушение опор и креплений. Последствием разрушения трубопроводных систем иногда является взрыв, приводящий к большим материальным убыт. кам и человеческим жертвам.

Попытки уменьшить вибрацию трубопроводных систем на стадии проектирования приводят к увеличению сроков проектирования и оказываются малоэффективными в связи с несовершенством расчет, ных методов. Поэтому рекомендации по снижению вибрации разра батывают в процессе пуско-наладочных работ, что увеличивает их продолжительность и задерживает ввод в эксплуатацию производст. венных мощностей. Кроме этого, вибрация появляется уже в процессе эксплуатации ЦБН при изменении режимов работы нагнетателей и характеристик трубопровода как колебательной системы. При этом^ даже кратковременная остановка производственных мощностей для устранения аварийной ситуации, приводит к большим экономическим потерям.

Однако, если при малой мощности ЦБН вибрацию удавалось сни зить с помощью традиционных средств, то с увеличением мощности ЦБН и ростом диаметра трубопроводов, эти средства оказались мало, пригодными. Более того, применение некоторых методов и средств борьбы с вибрацией, типа установки хомутов или дополнительных опор, может вызвать ухудшение напряжённо-деформированного со стояния трубопровода, а то и привести к аварийной ситуации.

Одновременное воздействие значительных статических нагрузок в обвязке (вследствие подвижек свайных фундаментов и просадок кол. лектора) и динамических нагрузок (из-за повышенных вибраций) вы. зывает повышенные напряжения в локальных узлах трубопроводной обвязки [14]. При этом, координаты расположения повышенных на. пряжений в узле трубопроводной обвязки изменяются , в зависимости от величины и направления статических нагрузок и частоты динами. ческих нагрузок, достаточно произвольно, иногда попадая на сварные стыки.

Различие эквивалентных напряжений (минимального и максимального), располагающихся достаточно близко друг от друга (расстояние меньше диаметра трубы), может достигать 10-ти раз. Такое напряжённо-деформированное состояние может приводить к появлению трещин в сварных стыках. Особенно опасно в этом отношении распределение напряжений, возникающее на одном из наиболее распространённых типовом тройниковом узле «трубопровод нагнетания -трубопровод рециркуляции» 720x426.

Наряду с низкочастотной вибрацией, возникающей вследствие резонансных колебаний газа, в трубопроводной обвязке КС существует и высокочастотная вибрация, частота которой определяется, обычно, частотой пульсации газового потока на «лопаточных частотах», кратных произведению числа оборотов вала нагнетателя на число лопаток колеса, и частотой резонансных высокочастотных пульсаций газового потока в трубопроводе, вызванных как работой лопаточного аппарата нагнетателя, так и автогенерацией колебаний газового потока в элементах трубопроводной обвязки КС [54]. Эти составляющие могут приводить к появлению вибрации трубопроводов на «оболочечных частотах» трубы.

Следовательно, можно утверждать, что с увеличением мощности ЦБН и ростом диаметра трубопроводов, повышенные уровни вибрации трубопроводов вызываются не только просадкой опор и подвижкой фундаментов, приводящих к снижению жёсткостных и диссипа-тивных свойств трубопроводной обвязки и появлению низкочастотных вибраций, но и высокими уровнями высокочастотной вибрации.

При этом, с изменением режимов работы ЦБН, порядка работающих машин, времени года и т.д., уровни вибрации существенно изменяются, причём не только в сторону понижения.

Поэтому для повышения надежности и эффективности работы КС необходимо снижение до допустимых пределов уровней вибрации трубопроводных систем, которая, определяется интенсивностью колебаний (пульсаций) потока транспортируемого газа.

Трубопроводные системы центробежных нагнетателей природного газа состоят из прямолинейных участков труб, между которыми расположены местные сопротивления и технологические аппараты -элементы, изменяющие эффективный диаметр, направление движения потока, либо то и другое одновременно.

В таких элементах происходит изменение амплитуд колебаний газа, в результате чего энергия колебаний переходит в механическую. Возникающие динамические усилия имеют периодический характер и вызывают вибрацию всей системы.

То есть, в большинстве случаев, амплитуды и частоты сил, вызывающих вибрацию, определяются амплитудами и частотами колебаний газа.

Тем не менее, даже сегодня, при проведении базовой паспортизации трубопроводных обвязок технологического оборудования компрессорных станций типовые инструкции [23, 30], не предусматривают измерение и анализ газодинамических процессов в трубопроводных системах ЦБН.

Максимальные амплитуды вибрации возникают при совпадении (резонансе) частот гармонических составляющих колебаний газа с собственными частотами колебаний трубопровода как механической системы. В этом случае, для снижения вибрации, необходимо либо уменьшение общего уровня колебаний газа и, в особенности, амплитуды резонирующей гармонической составляющей, либо изменение частоты собственных колебаний трубопровода как механической системы.

Следовательно, снижение амплитуды колебаний газа до допустимых пределов позволяет снизить уровни вибрации, и соответственно, исключить воздействие вибрации на трубопроводные системы и технологические аппараты, улучшить условия труда эксплуатационного персонала, т.е. повысить надёжность работы систем трубопроводной обвязки КС.

Таким образом, инженерная (техническая) задача повышения надёжности работы трубопроводных систем КС и снижения уровней вибрации трубопроводов обуславливает необходимость снижения интенсивности пульсации газового потока в технологических трубопроводах КС. Для этого необходимо изучение и последующий анализ колебательных газодинамических процессов в трубопроводных системах ЦБН.

Научная новизна работы заключается в том, что :

1. Определён амплитудно-частотный состав пульсации газа в технологических трубопроводах КС с ЦБН, в том числе и в коллекторной системе.

2. Установлено, что основными источниками пульсации являются центробежный нагнетатель и вихреобразование в турбулентном потоке на местных сопротивлениях; рассмотрено влияние каждого источника на амплитуды и частоты динамического давления газа. Разработан метод определения местоположения источника в трубопроводной системе.

3. Разработана методика оценки затухания колебаний газа в системе, состоящей из участков с потоком и безрасходных участков трубопроводов.

4. Установлено, что для разделения частотного диапазона пульсации на области низких и высоких частот может использоваться частота первого поперечного резонанса трубопровода; обоснован выбор математических моделей для расчёта параметров пульсации газа в трубопроводной КС с ЦБН. Рассчитаны амплитудно-частотные и фазовые характеристики пульсации газа в типовых трубопроводных системах КС и отдельных элементах этих систем.

Практическая ценность состоит в том, что:

1. Разработаны методы решения задач снижения уровней пульсации газа в технологических трубопроводах КС на стадии проектирования.

2. Разработаны рекомендации по снижению интенсивности пульсации газа в трубопроводной обвязке эксплуатируемой КС. В результате снижение уровней вибрации составило до 5.10 дБ (до 10.20 раз).

3. Разработанная методология снижения интенсивности газодинамических колебаний в технологических трубопроводах КС включена в методику проведения паспортизации трубопроводной обвязки на компрессорных станциях ООО «ВОЛГОТРАНСГАЗ».

В процессе исследования были получены и защищаются следующие основные результаты:

1. Определены параметры пульсации газа и проведён анализ зависимости параметров пульсации от геометрических размеров трубопроводных обвязок и режимов работы компрессорного цеха (числа, порядка включения и режимов работы ГПА);

2. Определены основные источники пульсации и условия работы компрессорного цеха, при которых происходит рост интенсивности колебаний;

3. Выбраны, на основании обоснованного критерия, соответствующие математические модели расчёта параметров пульсации в различных частотных диапазонах.

4. Разработан алгоритм расчёта, по выбранным математическим моделям, амлитудно-частотных и фазовых характеристик типовых трубопроводных обвязок КС.

5. Установлены основные методы снижения уровней пульсации газа в технологической обвязке КС как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

1. XVII международном тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов», Одесса, 1997.

2. VIII Международной деловой встрече «Диагностика-98», Сочи, 1998.

3. Второй международной конференции «Энергодиагностика», Москва, 1998.

4. IX Международной деловой встрече «Диагностика-99», Сочи, 1999.

5. XIX Международном тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», Калининград, 1999.

6. Научно-техническом совете предприятия «ВОЛГОТРАНС-ГАЗ», Н. Новгород, 1999.

7. Заседании кафедры «Транспорта и хранения нефти и газа» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 1999.

Результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа результатов экспериментальных исследований пульсации газа в системе технологических трубопроводов КС с ЦБН установлено, что : а)пульсация газа в надземной обвязке, подземных коллекторах и узле подключения КС является широкополосным колебательным процессом с частотным диапазоном от долей Герца до нескольких килогерц; б) основные источники пульсации связаны с рабочим процессом нагнетателя и вихреобразования при срыве потока на местных сопротивлениях.

2. Амплитуды и частоты пульсации определяются, в основном, геометрической конфигурацией трубопроводов обвязки и скоростями потока в трубопроводной системе, а также, комбинацией работающих ГПА, термодинамическими параметрами (температурой, давлением, скоростью звука и т.п.) и режимными и конструктивными параметрами нагнетателя (оборотами, числом лопаток, числом ступеней и т.д.).

3. На основании результатов экспериментального исследования предложены методики расчёта резонансных частот в низкочастотной и высокочастотной областях.

4. Расчёт резонансных параметров газодинамических систем, в широком диапазоне частот, подтверждён результатами экспериментальных измерений, что позволяет использовать расчётную модель для разработки рекомендаций по снижению амплитуд пульсации газа в технологических трубопроводах КС с ЦБН.

5. Разработана методология снижения интенсивности газодинамических колебаний, которая может быть использована при проектировании и эксплуатации технологической обвязки КС с ЦБН. Разработанная методология, в настоящее время, применяется при проведении паспортизации трубопроводных обвязок компрессорных станций предприятия «ВОЛГОТРАНСГАЗ».

1. Алиев P.A., Белоусов А.Г. и др. «Трубопроводный транспорт нефти и газа» Учеб. для вузов, М., «НЕДРА», 1988.

2. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин A.A. "Теория колебаний", ФМ, 1959.

3. Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. "Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости", JL, "СУДОСТРОЕНИЕ", 1989.

4. Блохинцев Д.И. "Акустика неоднородной движущейся среды", М., "НАУКА", 1981.

5. Болдуин, Симмонс «Вибрация предохранительных клапанов, возбуждаемая потоком», Теоретические основы инженерных расчётов, 1986, №3, стр. 111-120

6. Бутусов Д.С., Соколинский Л.И. "Возникновение высокочастотных колебаний газа в обратных клапанах", М., "Газовая промышленность", N 11, 1997, стр. 44-45.

7. Бутусов Д.С., Стрельцов С.А., Якубович В.А., «Радиальные газодинамические резонансы в трубопроводах высокорасходных центробежных нагнетателей», М., материалы XVII-ro международного семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов», 1997.

8. Васильев A.B. "Снижение пульсаций давления и шума всасывания поршневых машин с использованием низкочастотных глушителей", М., МАДИ, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1994.

9. Власов C.B., Зарицкий С.П., Якубович В.А., Степаненко А.И. «Рекомендации по снижению высокочастотной вибрации трубопроводных обвязок нагнетателей ГПА-Ц-16», М., материалы XVII-ro международного семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов», 1997.

10. Засецкий В.Г., Пономаренко Ю.Б., Соколинский Л.И., Тихвинский А.Н. и др. "Расчёт на динамическую устойчивость трубопроводов технологической обвязки ГТК-10 для Заволжской КС газопровода УРЕНГОЙ-ЦЕНТР-1", М, СОЮЗГАЗИФИКАЦИЯ, отчёт по теме №1-95, 1995.

11. Идельчик И.Е. "Аэродинамика технологических аппаратов", М., "МАШИНОСТРОЕНИЕ", 1983.

12. Идельчик И.Е. "Справочник по гидравлическим сопротивлениям", М, "МАШИНОСТРОЕНИЕ", 1975.

13. Иевлев В.М. "Численное моделирование турбулентных течений", М., "НАУКА", 1990.

14. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. "Методы теории функций комплексного переменного", М., ГИФМЛ, 1958.

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. "Теоретическая физика", т. VI, "Гидродинамика", М., "НАУКА", 1986.

16. Лебединский Е.В., Мосолов C.B., Никифоров М.В. «Экспериментальное исследование динамических свойств потока в тракте периодической структуры», М., Известия АН СССР «Энергетика и транспорт», № 3, 1989, стр. 126-134.

17. Лившиц С.П. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин», Л., «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1966.

18. Лозовский В.Н., Шелихов Г.С., Розов В.Н., Зарицкий С.П. "Повышение надёжности и эффективности контроля трубопроводов", М., "Газовая промышленность", N 8,1995, стр 18-19.

19. Писаревский В.М. " Гасители колебаний газа", М., "НЕДРА", 1986.

20. Пономаренко Ю.Б. «Оптимизация коллекторных систем при проектировании компрессорных цехов», М., материалы 2-ой международной конференции "Энергодиагностика", т. 2, ч.2, "Диагностика и надёжность", 1998.

21. Пономаренко Ю.Б. «О нелинейной суперпозиции расходов ГПА в кольцевых коллекторах КС», М., материалы 2-ой международной конференции "Энергодиагностика", т. 2, ч.2, "Диагностика и надёжность", 1998.

22. Пономаренко Ю.Б. «Расчётные методы устранения низкочастотных колебаний потока в коммуникациях эксплуатируемых и проектируемых КС», М., материалы 1-ой международной конференции "Энергодиагностика", т. 2, "Диагностика и надёжность", 1995.

23. Пустовойт Б.В. "Механика движения жидкостей в трубах", М., "НЕДРА", 1971.

24. Письмо УПРТРАНСГАЗа № 04-1/380 от 1 июля 1996 г.

25. Приказ РАО «ГАЗПРОМ» № 101 от 24 декабря 1990 г.

26. Ржевкин С.Н. «Курс лекций по теории звука», М., Изд. МГУ, 1960.

27. Рис В.Ф. «Центробежные компрессорные машины», JL, «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1981.

28. Седов Л.И. "Механика сплошной среды", том 1 и 2, М., "НАУКА", 1984.

29. Селезнёв К.П., Галеркин Ю.Б. «Центробежные компрессоры», Л., «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1982.

30. Скучик Е. "Основы акустики", перевод с немецкого под редакцией Сухаревского Ю.М., М., Изд. иностр. лит., 1958.

31. Соколинский Л.И. и др. "Виброобследование трубопроводов реконструированного цеха УМГ Шеморданское" отчёт по теме № У-95-280, 1997.

32. Соколинский Л.И. "Экспериментальные исследования причин недопустимой вибрации трубопроводов на эксплуатируемых КС с нагнетателями типа НЦ-16/76", М., материалы 1-ой международной конференции "Энергодиагностика", т. 2, "Диагностика и надёжность", 1995.

33. Старобинский Р.Н. "Теория и синтез глушителей шума для систем впуска и выпуска газов двигателей внутреннего сгорания", -диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Тольяттинский политехнический инт-т, 1982.

34. Хачатурян С.А. «Волновые процессы в компрессорных установках», М., «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1983.

35. Чистяков Ф.М., Игнатенко В.В., Романенко Н.Т., Фролов Е.С. "Центробежные компрессорные машины", М., "МАШИНОСТРОЕНИЕ", 1969.

36. Чугаев P.P. "Гидравлика", Л., "ЭНЕРГОИЗДАТ", 1982

37. Шорин П.В. "Устранение колебаний в авиационных трубопроводах", М., "МАШИНОСТРОЕНИЕ",1980.

38. Якубович В.А. « Вибрационная диагностика технологического оборудования и трубопроводов компрессорных станций», ч. 1 «Вибрация трубопроводов центробежных нагнетателей в области низких частот», М., ДАО «Оргэнергогаз» ИТЦ «Оргтехдиагностика», 1999.

39. Якубович В.А. "Исследование высокочастотных колебаний газа и вибрации оболочки трубопроводов КС, разработка методов их устранения", М., материалы 1-ой международной конференции "Энергодиагностика", т. 2, "Диагностика и надёжность", 1995.

40. Damenwood G., "SGA-PCRC Seminar on controlling the effects on pulsation and fluid transients in industrial plants", SGA, Dallas, Texas, 1983.

41. East L.F., «Aerodynamically Induced Resonance in Rectangular Cavities», ASME Journal of Vibration, Vol. 3,1966, pp. 277-287.

42. Elder S.A., «Forced Oscillations of Separated Shear Layer with Application to Cavity Flow-Tone Effects», Journal of Acoustic Society of America, Vol. 67(3), Mar., 1980, pp. 774-781.

43. Elder S.A., «Self-Excited Depth-Mode Resonance for a Was-Mo-unted Cavity in Turbulent Flow», Journal of Acoustic Society of America, № 3, Sept, 1978, pp. 877-890.

44. Heller H.H., Bliss D.B. «The Physical Mechanism of Flow Inducted Pressure Fluctuations in Cavities in Consepts for Their Suppression», AIAA Paper 75-491, Mar., 1975.

45. Inagava M., Nakamura K., «Reducting Exhaust System Noise of Heavy Truks», ISAE Review, 1980, p. 41-52.

46. Jungowski W.M., Botros K.K. and Studzinski W., «Cylindrical Side-Branch as Tone Generator», Journal of Sound and Vibration, 131(2), 1989, pp. 265-285.

47. Rokwell D., Naudasher E. « Review Selfsustaining Oscillations of Flow Past Cavities», Transactions of ASME, 1978, Vol.100, No 2, June, pp. 152-165.