автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Математическая модель воздушного поршневого компрессора среднего давления для решения задач энергоаудита

4859392

Котлов Андрей Аркадьевич

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДУШНОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЭНЕРГОАУДИТА

Специальность: 05.04.06 - вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

1 0 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

4859392

Работа выполнена на кафедре «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

кандидат технических наук Ведущая организация:

Хрусталев Борис Сергеевич

Захаренко Валентин Петрович Здалинский Владимир Борисович ГК «ЛЕННИИХИММАШ»

Защита состоится «29» ноября 2011 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, ауд. 225 главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « J? » октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09 доктор технических наук, профессор

Хрусталев Б.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рассматриваемой проблемы. Несмотря на возрастающую тенденцию к использованию в области низкого давления винтовых компрессоров, основными преимуществами поршневых компрессоров остаются экономичность и их использование в области среднего и высокого давления. Компрессоры потребляют до 30 % электроэнергии на предприятиях, поэтому повышение их экономичности является актуальной задачей.

При проведении энергоаудита большую помощь для выработки рекомендаций, особенно при оценке работы компрессоров на нерасчетных режимах, оказывают математические модели (ММ) и компьютерные программы на их основе.

Применение хорошо обоснованных ММ дает возможность: сократить время проведения энергоаудита; удешевить и сократить объемы экспериментальных работ при инструментальном обследовании; восполнить отсутствующую информацию при статистическом анализе.

Цель диссертационного исследования. Работа посвящена решению важной проблемы: повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов промышленных предприятий с помощью применения научно обоснованных и экспериментально проверенных ММ. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- разработать математическую модель, предназначенную для анализа работы поршневого компрессора (ПК) (с числом ступеней до четырех);

- на основании разработанной модели создать диалоговую систему и компьютерную программу, предназначенных для использования при проведении энергоаудита предприятий;

- создать измерительный комплекс для индицирования поршневого компрессора на современной элементной базе;

- проверить разработанную ММ на адекватность.

Научная новизна, выполненной работы заключается:

- в разработке математической модели для анализа поршневого компрессора (с числом ступеней до четырех);

- в разработке диалоговой системы, используемой при проведении энергоаудита компрессорного оборудования;

- в обосновании применимости ММ при энергетическом обследовании промышленных предприятий.

Достоверность результатов научных положений и полученных в работе результатов базируется на применении фундаментальных законов физики и экспериментальной проверке используемой методики, результаты которой показали удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных, полученных в ходе исследований компрессора ВУ-3/8 на кафедре компрессорной вакуумной и холодильной техники (КВХТ) Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ); в ходе экспериментальных проверок при проведении энергоаудита.

Практическая значимость работы обусловливается тем, что:

Разработанные ММ и компьютерная программа используются при анализе поршневых компрессоров при энергетическом обследовании промышленных предприятий, проводимых ООО «Городским центром экспертиз - энергетика», г. Санкт-Петербург («Воркутинский механический завод», ОАО «Славнефть-ЯНОС», «Ловозерский ГОК», ООО «Тобольск-нефтехим», ОАО «Южно-Уральский криолитовый завод»). Результаты работы также используются в ходе дипломного и курсового проектирования на кафедре КВХТ СПбГПУ по специальностям 150801 и 140504.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XXXVIII и XXXIX Неделях науки в СПбГПУ; на XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, г. Казань, 19-20 июля 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ (в журналах из Перечня ВАК две работы).

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель многоступенчатого (с числом ступеней до 4) поршневого компрессора;

- диалоговая система и компьютерная программа;

- результаты экспериментальной проверки разработанной ММ на адекватность;

-результаты применения ММ в ходе проведения энергоаудита промышленных предприятий.

Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 49 наименований. Работа изложена на 138 страницах, содержит 88 рисунков и 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении рассмотрено значение проблемы проведения энергоаудита промышленных предприятий, трудности с которыми можно при этом столкнуться. Показана актуальность рассматриваемой проблемы, приведена структура работы и задачи исследования. В рамках работы с ООО «Городской центр экспертиз - энергетика» основной упор делается на сбережение электроэнергии.

В главе 1 приводятся цели и методы эпергоаудита, а также обзор существующих работ по математическому моделированию ПК.

Комплексное энергетическое обследование предприятий выполняется с целью:

- оценки эффективности использования электроэнергии в системе производства и применения сжатых газов;

- разработки предложений и мероприятий, направленных на повышение эффективности использования электроэнергии в компрессорных установках.

При проведении энергоаудита применяются статистическое и инструментальное обследование, а также исследование и анализ эффективности работы компрессоров с применением методов математического моделирования. Математическое моделирование рабочих процессов компрессоров, позволяет: оценить работу компрессоров на нерасчетных режимах, проверить эффективность работы при изменении конструктивных параметров компрессоров, предлагать в ряде случаев рациональные параметры геометрии проточной части компрессоров для более экономичной работы.

Моделирование многоступенчатых поршневых компрессоров, до сих пор, по существу, проводится как расчет отдельных ступеней (П. И. Пластинин, И. Б. Пирумов, И. К. Прилуцкий, Б. С. Фотин и др)

Существуют математические модели рабочих процессов двухступенчатых поршневых компрессоров на основе введения связи ступеней, учитывающей физическую картину процессов, протекающих в межступенчатой коммуникации и в промежуточном холодильнике. Однако, такие модели разработаны для конкретных компрессоров с известной геометрией. Поэтому основным их недостатком является то, что даже незначительное изменение конструкции (не говоря уж о расчете с большим числом ступеней) приводит к необходимости заново разрабатывать модель.

Таким образом, оценивая сложившуюся ситуацию на данном этапе развития машинных методов проектирования объемных компрессоров, можно отметить, что математическое моделирование дает ответы на многие вопросы, возникающие при проектировании новых или модернизации старых компрессорных машин. На ЭВМ можно смоделировать различные условия и режимы работы компрессоров, в том числе и нерасчетные. Применение ММ позволяет сократить расходы, связанные с проведением эксперимента. К тому же, это единственный источник информации, в тех случаях, когда проведение эксперимента невозможно либо отсутствует техническая документация. Следует отметить, что математическое моделирование является эффективным и недорогим методом анализа, в тех случаях, если она достоверно описывает исследуемый объект. Поэтому любая ММ должна быть проверена экспериментально.

В главе 2 рассмотрены принципы и методика построения математической модели рабочих процессов поршневого компрессора с числом ступеней до четырех. На рисунке 1 приведена структура модели компрессора.

Термодинамическая подмодель компрессора и подмодель динамики клапана базируются на основе моделей второго уровня рабочих процессов в ступени ПК разработанных на кафедре КВХТ. Подмодели кинематики и динамики механизма движения, расчета прочности деталей базируются на методиках, принятых при проектировании в поршневом компрессоростроешш.

Рисунок 1 - Структура модели компрессора

Для определения промежуточного давления используется методика Б.С. Хрусталева. Основное допущение данной методики в том, что объем коммуникаций много больше объема предыдущей ступени. Промежуточное давление определяется из условия периодичности, которое требует равенства массовых производнтелыюстсй смежных ступеней. Для предыдущей ступени промежуточное давление будет давлением нагнетания, а для последующей -давлением всасывания. Расчет осуществляется методом последовательного приближения. Отличием разработанной методики от методики Б. С. Хрусталева является использование нового выражения для корректировки промежуточного давления. Первый шаг расчета включает в себя задание предварительных значений давления между ступенями (/?,"). Промежуточные давления на всех ступенях задаются из условия минимума индикаторной работы при теоретическом цикле многоступенчатого компрессора

где Р„ - начальное давление; п - число ступеней; IIк - отношение давлений в компрессоре; / - номер ступени.

На втором шаге производится расчет массовой производительности при заданных Р,„. На третьем шаге осуществляется корректировка Р„„ с помощью следующего соотношения

ш

р\ _ ро "Чкш """¡пи/

гДе Щтх ~ массовая производительность на выходе из предыдущей ступени, Щ+]вх - массовая производительность на входе в следующую ступень.

7

В главе 3 приводится описание экспериментального стенда и системы индицирования ПК. Приведены результаты экспериментальной проверки результатов работы на адекватность. В работе использовалось две методики экспериментальных исследований.

Первая методика была реализована на кафедре КВХТ СПбГПУ, которая заключалась в разработке измерительного комплекса для индицирования ПК. Вторая методика заключается в проведении экспериментальных исследований с использованием штатных приборов промышленных предприятий при проведении энергоаудита.

Для измерения мгновенных давлений в цилиндрах ступеней используется разработанный на кафедре КВХТ информационно-измерительный комплекс, который состоит из датчика давления в цилиндре, усилителя сигнала, блока согласования (сбор и обработка данных) и устройства вывода.

Программа ЮгарИ II позволяет в режиме реального времени регистрировать и выводить на экран компьютера данные с двух каналов давления и канала частоты вращения вала. Дальнейшая обработка осуществляется с помощью разработанной программы.

Анализ показал, что расчетные данные удовлетворительно согласуются с экспериментальными. На рисунках 2 и 3 приведена часть результатов сравнения.

При обследовании ОАО «Южно-Уральского криолитового завода» данные полученные в ходе инструментального обследования были использованы для проверки разработанной ММ на адекватность. На рисунке 4 приведена временная диаграмма давления, полученная на штатном оборудовании компрессорной станции.

При расчете по ММ промежуточное давление получилось равным 0,24 (0,26) МПа, температура на выходе из первой ступени - 102 (80) С° (в скобках приведены значения, полученные в промышленном эксперименте). Мощность, потребляемая компрессором, равна 130,4 кВт (механический КПД принят равным 0,85). Это значение удовлетворительно совпадает со среднемесячной мощностью 136,2 кВт. Полученные результаты можно признать удовлетворительными, т.е. модель достаточно корректна.

г? Л

\ : : Ч;

\ Г^д

» 45 50 60 79 80 100 5

- эксперимент ............. Расчет

'Эксперимент .............. Расчет

Рисунок 2 - Сравнение индикаторных диаграмм I и II ступеней компрессора ВУ-3/8

Р„, МГ.а 0,35

03 0,275 0.25

Л',, кВт 12

600 650 700 750 80(1 850 900 ГС, об/мин 0 2 ---Эксперимент -расчет

0:3 в.* 0.5 (1,6 Р„„я, МПз ---Эксперимент -Расчет

Рисунок 3 - Сравнение промежуточного давления (при изменении числа оборотов) и мощности компрессора (при изменении конечного давления)

л1А ; мда й || 4 ' а# • I Л Л Н М 1 »а у|,Й ,! И: II

4 \riiAfi -<г р' *

? 9 о о с; о с: ;

Обследуемый период -Диаграмма » Манометр то журналу .

Рисунок 4 - Временная диаграмма давления

В главе 4 приводится описание диалоговой системы и компьютерной программы. Приведены возможности программы, ограничения и перспективы ее усовершенствования в будущем.

Программа представляет собой развивающийся продукт. Функционирование программы не требует дополнительной математической и программной поддержки. Программа была протестирована при расчете компрессоров с известными характеристиками и в ходе дипломного

проектирования. На рисунке 5 приведены структура и окно программы при расчете характеристик компрессора.

Программа позволяет провести оценку влияния различных факторов на эффективность работы компрессора и дать, по возможности, полную информацию (термодинамические, динамические, прочностные характеристики) о качестве обследуемого оборудования.

Программа применялась для анализа компрессорного оборудования при энергетическом обследовании промышленных предприятий, проводимых ООО «Городским центром экспертиз - энергетика» и хорошо себя зарекомендовала.

| Создание рабочего каталога |

| Ввод исходных данных у С'юйаак! рабочего газа

| Контроль исходных данных

_1_

Тфлюдннами чес ки й рас чет (расчетный режим)

Тфмодгтам« чески и рас чет ¡нерасчетные режимы)

_I_

Кинематический и оинлмнад скиА расчеты

| Прочностной расчет

Рисунок 5 - Структура и окно программы в режиме расчета характеристик компрессора

В главе 5 приведены примеры применения программы при проведении энергоаудита промышленных предприятий.

Компрессор 305ВП-16/70 используется в технологическом процессе на ОАО «Славнефть-ЯНОС» для подачи воздуха в воздухоразделительную установку (ВРУ) А-0,6. По паспортной характеристике, в зависимости от режима работы ВРУ, конечное давление меняется от 4 до 7 МПа. В ходе проведения энергоаудита была проанализирована работа данного компрессора на нерасчетных режимах.

На рисунке 6 приведены внешние характеристики компрессора, полученные с помощью математического моделирования.

Производительность компрессора практически не изменяется, т.к. компрессор является четырехступенчатым и влияние конечного давления на

первую ступень, которой определяется производительность, невелико. Мощность, потребляемая компрессором, при снижении давления до 4 МПа уменьшается всего на 12%. Поэтому для статистического анализа системы воздухообеспечения ВРУ при отсутствии данных по продолжительности работы компрессора па переменных режимах можно использовать с достаточной точностью расчетные значения мощности. Изотермический КПД компрессора так же изменяется незначительно.

Для оценки надежности работы компрессора на нерасчетных режимах использовались подмодели: кинематики, динамики и прочности. На рисунке 7 приведены некоторые результаты. Можно отметить существенное отличие в значениях противодействующего момента и напряжений при определенных положениях угла поворота коленчатого вала. Для разных значений конечного давления значения отличаются в несколько раз.

Рисунок 6 - Внешние характеристики компрессора (мощность и производительность)

к

\

К у V %

\ щ \ 1

\ /

'"•• \ \

V/

О 30 60 90 120 150 МО .0 210 2?0 300 3*0 ч>,град О 60 9{1 120 150 ¡80 210 240 270 300 330 360Ч-. П>»Д

Рисунок 7 - Механические характеристики (суммарный противодействующий момент и напряжение изгиба в центральном сечении шатунной шейки): 1 - 4 МПа; 2 - 5 МПа; 5-6 МПа; 4-1 МПа

На многих воздушных компрессорных станциях общего назначения применяются наиболее экономичные поршневые компрессоры типа 4ВМ10-100/8 и 2ВМ10-60/8. Такие станции характерны для небольших производств: нефтеперерабатывающие заводы, производство бетона, шахтные станции. Доля потребления компрессорами электроэнергии составляет до 50 % от общего потребления на производстве. Для компрессоров характерна ступенчатая система регулирования методом отключения рабочих полостей: 100, 75, 50, 25 %. Последние 15 лет эти компрессоры или аналогичные им практически не производятся. Работы по разработке более совершенных систем регулирования также не производятся. В результате длительной эксплуатации к настоящему времени у большинства компрессоров полностью отсутствует какая-либо система регулирования. Излишек сжатого воздуха сбрасывается в атмосферу. Потери электроэнергии для станции составляют 20 и более процентов.

В большинстве случаях в качестве привода компрессоров любых типов применяются электродвигатели переменного тока. При всех очевидных достоинствах такого электропривода, основным недостатком остается ограничение частоты вращения ротора. Применение частотно-регулируемого привода позволяет применить теоретически наиболее экономичный способ регулирования: метод изменения частоты вращения вала компрессора.

С использованием ММ был проведен анализ работы компрессора типа 2ВМ10-60/8 при изменении частоты вращения в пределах 300...600 об/мин. Компрессор оборудован прямоточными клапанами.

Как показали расчеты по математической модели, эффективность (удельная мощность) определяется работой клапанов. На рисунке 8 приведены диаграммы движения пластин клапанов первой ступени.

Аналогичные результаты и для второй ступени. При уменьшении цикличности возникает флаттер, возрастают скорости удара о седло и ограничитель, изменяются углы закрытия клапанов.

Наличие автоколебаний увеличивает скорость при посадке на седло до недопустимых пределов: более 2 м/с. Это привело к тому, что в данном случае уменьшить производительность ниже 40 % нельзя без настройки параметров клапанов. Влияние флаттера сказывается и на показателях эффективности

работы компрессоров. Изменение частоты вращения вала компрессора оказывает большое влияние на механические показатели работы механизма движения. В первую очередь, это касается сил инерции возвратно-поступательного и вращательного движений, которые пропорциональны квадрату частоты вращения (см. рисунок 9). Изменение сил ведет к изменению диаграмм протоводействующего момента и напряжений в деталях механизма. Причем эти изменения достигают значительных величин.

Г- s ч V

4 к

2?0

¡60 над О

*60 град

Рисунок 8 - Диаграммы движения пластин клапанов при 600 и 307 об/мин

/У,„, кВгДмУмин)__¡¡.хн

5,955.85 5,75 -5,65 ■

X \ \ / /

Л 1

ч 7

—

75 Е, % О 60 ПО J SO 240 300 <р,'

Рисунок 9 - Удельная мощность компрессора и силы инерции при разной степени регулирования частоты вращения: 1 - 307 об/мин; 2 - 600 об/мин

Заключение. В заключении представлены основные результаты работы.

В целом, по результатам работы можно сделать следующие выводы:

1) Разработана математическая модель для расчета поршневого компрессора с числом ступеней до четырех. Полная модель состоит из трех моделей: состояния газа, кинематического состояния, механического состояния.

2) На основе разработанной модели разработана диалоговая система и

компьютерная программа, которая может применяться при энергетическом

обследовании предприятий. Программа позволяет определить как

термодинамические, так и механические показатели эффективности работы

компрессора. Кроме этого существует возможность анализа компрессора на

13

нерасчетных режимах при изменении четырех основных параметров: число оборотов коленчатого вала, конечное давление, начальное давление, начальная температура. Применение программы позволит сократить стоимость и сроки проведения энергоаудита ПК.

3) Результаты экспериментальных исследований позволяют судить о достаточной адекватности предлагаемой методики. Разработанная система для индицирования поршневого компрессора применяется при проведении лабораторных работ на кафедре КВХТ СПбГПУ. Кроме системы сбора экспериментальных данных была разработана система обработки данных.

4) Приведенные примеры показывают, что ввиду особенностей работы компрессорных станций разных предприятий практически не бывает стандартных решений при разработке мероприятий по энергосбережению.

5) Результаты обследования предприятий систем сжатого воздуха и газов показывают, что, как правило, основные потери связаны с работой компрессоров на нерасчетных режимах и неэкономичными способами изменения производительности для поддержания постоянства давления в сети.

6) В работе предложен способ определения утечек в сети с использованием диаграмм мощности, потребляемой компрессором, и математического моделирования.

7) Анализ работы компрессоров показал, что при всех плюсах работы на режиме регулирования частотой вращения вала (изменение производительности происходит практически пропорционально изменению частоты вращения; удельная мощность значительно ниже, чем при других способах регулирования; суммарные потери уменьшаются с уменьшением цикличности и т.д.) к применению частотно-регулируемого привода следует относиться с осторожностью.

8) Разработанная система индицирования ПК может быть полезна при инструментальном обследовании предприятий.

9) Выработаны рекомендации для обследованных объектов по повышению энергоэффективности:

- компрессор ВП-50/8 («Воркутииский механическом завод») - было выявлено, что утечки в сети составляют до 60% от производительности

компрессора, рекомендуется заменить пневмоаппаратуру и отремонтировать пневмооборудование;

-компрессор 305ВП-16/70 (ОАО «Славнефть-ЯНОС») - компрессор может работать на двух режимах;

-компрессор 2ВМ10-60/8 («Ловозерский ГОК») - установка частотного регулирования не рекомендуется из-за неудовлетворительной работы клапанов.

- компрессор 2ВМ4-15/25 (ООО «Тобольск-нефтехим») - для обеспечения работы компрессора на двух режимах (основной режим - 0,4 МПа, рабочий режим - 2,5 МПа) рекомендуется установить программируемый частотный преобразователь. При этом экономия составит до 50% электроэнергии.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах Перечня ВАК

1. Козаченко, Л. И. Анализ и оценка эффективности компрессорного оборудования при проведении энергоаудита систем воздухоснабжения предприятий. Часть 1 (центробежные компрессоры) [текст] / Л. И. Козаченко, А. А. Котлов, Б. С. Хрусталев, И. В. Хрусталева, Д. В. Тулеев, С. А. Кульджимбаев // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. №2, - С. 41-46.

2. Котлов, А. А. Анализ и оценка эффективности компрессорного оборудования при проведении энергоаудита систем воздухоснабжения предприятий. Часть 2 (поршневые компрессоры) [текст] / А. А. Котлов, О. Ю. Устюшенкова, Б. С. Хрусталев, Д. В. Тулеев, И. В. Ворошилов // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. №4. - С. 37-42.

Учебные пособия

3. Хрусталев, Б. С. Машины низкотемпературной техники. Методы определения показателей эффективности работы объемных компрессоров [текст]: учебное пособие / Б. С. Хрусталев [и др.] - СПб. : Изд-во Политехи, унта, 2010.- 150 с.

Статьи в научных изданиях

4. Анфимов, М. В. Энергоаудит компрессорного оборудования ООО «Тобольск нефтехим» [текст] / М. В. Анфимов, А. А. Котлов, Л. И. Козаченко // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-

практической конференции. Ч. HI. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 143 с.

- С. 77-78.

5. Кизейков, А. П. Учет реальности газов при моделировании процессов в объемных компрессорах [текст] / А. П. Кизейков, А. А. Котлов, Б. С. Хрусталев // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.

- 172 с. - С. 80-82.

6. Козаченко, J1. И. Опыт проведения энергоаудита систем воздухоснабжения предприятий [текст] / J1. И. Козаченко, Б. С. Хрусталев, А. А. Котлов, О. Ю. Устюшенкова, И. В. Хрусталева // Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Том II / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа». - Казань: Изд-во «Слово», 2011. -342с.-С. 291-300.

7. Котлов, А. А. Индицирование объемных компрессоров [текст] / А. А. Котлов, Д. В. Ляпцев, Ю. Д. Акулышш // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - 172 с. - С. 82-84.

8. Котлов, А. А. Индицирование поршневых компрессоров [текст] / А. А. Котлов, Д. В. Ляпцев, Ю. Д. Акулышш // XXXIX международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - 330 с. - С. 11-14.

9. Хрусталев, Б. С. Математическая модель поршневого компрессора, сжимающего идеальный газ, с числом ступеней до 4 [текст] / Б. С. Хрусталев, А. А. Котлов, О. Ю. Устюшенкова // Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Том I / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа». - Казань: Изд-во «Слово», 2011. -432 с. - С. 37-47.

Подписано в печать 18.10.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8203b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

1 Обзор литературы.'

2 Математическая модель.

2.1 Термодинамическая подмодель, подмодель динамики клапана, подмодель промежуточных коммуникаций.

2.2 Подмодели кинематики и динамики механизма движения.

2.3 Подмодель прочности деталей.

3 Методики экспериментальных исследований.

3.1 Измерительный комплекс для индицирования поршневого компрессора.

3.2 Экспериментальные исследования с использованием штатных приборов промышленных предприятий.

4 Программная реализация математической модели.

5 Анализ и оценка эффективности компрессорного оборудования при проведении энергоаудита.

5.1 Компрессор ВП-50/8 на механическом заводе (г. Воркута).

5.2 Компрессор 305ВП-16/70 ОАО «Славнефть-ЯНОС» г. Ярославль).

5.3 Компрессор 2ВМ4-15/25 ООО «Тобольск-нефтехим» г. Тобольск).

5.4 Компрессор 2ВМ10-60/8 «Ловозерский ГОК» (г. Ревда).

Общеизвестно, что эффективность функционирования энергетического комплекса промышленного предприятия (ЭКП) определяется, прежде всего, долей энергетических затрат в себестоимости продукции. Чем ниже'доля, тем выше эффективность использования топливно-энергетических ресурсов и, соответственно, выше прибыль предприятия. Низкая конкурентная способность отечественной- продукции является следствием высокой доли затрат на энергоресурсы российской промышленности. Основная причина этого явления связана с устаревшим представлением о- доступности и дешевизне энергоресурсов и отсутствием на промышленных предприятиях современного уровня энергообеспечения и эффективного управления их ЭКП. Компрессоры потребляют до 30 % электроэнергии на предприятиях, поэтому повышение их экономичности является актуальной«задачей.

Необходимо детальное изучение состояния уровня энергетической эффективности промышленных предприятий. Основными инструментами такого изучения и анализа являются энергетический мониторинг и энергетическое обследование — энергоаудит предприятий.

В» последние годы возникли новые проблемы, с которыми можно столкнуться при проведении энергоаудита станций с воздушными поршневыми компрессорами (ПК) как общего назначения с конечным давлением до 1 МПа, так и с давлением до 10 МПа и более.

Такие станции имеют ряд особенностей:

- возраст компрессоров, особенно общего назначения, весьма преклонный, но большинство находятся в хорошем состоянии и могут работать еще продолжительное время;

- отсутствует аппаратура для изменения производительности компрессоров либо применяются неэффективные методы регулирования (сброс в атмосферу, перепуск на всасывание и т.д.);

- в паспортных данных отсутствует информация при работе компрессоров на нерасчетных режимах (другое конечное давление, частота вращения коленчатого вала и т.д.). При этом возникают вопросы, связанные с работой компрессора: какие будут характеристики компрессора, в частности, каким будет потребление электроэнергии, распределение давлений и температур по ступеням и т. д. Это приводит к необходимости рассчитывать параметры компрессора на новом режиме.

В таблице 1 приведен перечень компрессоров, которые были обследованы с применением разработанной, математической модели (ММ) и программы расчета. Обследования проводились совместно с «Городским центром экспертиз - энергетика». Данная' таблица^ подтверждает то, о чем было сказано выше (результаты обследования приведены в главе 5).

Таблица 1 - Перечень обследованных компрессоров

Обследуемый объект Число ступеней Год ввода Данные по объекту

Компрессор ВП-50/8 на механическом заводе (г. Воркута). 2 1968 Регулирование — перепуск на всасывание. При" обследовании были, обнаружены значительные утечки, в сети.

Компрессор 305ВП-16/70 ОАО «Славнефть-ЯНОС» (г. Ярославль). 4 1983 Работа на- воздухоразделительную установку. Режим при- пуске 7 МПа, рабочий режим 4 МПа.

Компрессор 2ВМ10-60/8 «Ловозерский ГОК» (г. Ревда) 2 Регулирование - сброс в атмосферу

Компрессор 2ВМ4-15/25 ООО «Тобольск-нефтехим» (г. Тобольск). 3 Противоаварийная система (вытеснение хлора). Непрерывная работа СО' сбросом в атмосферу. Основной' режим — 0,4 МПа, рабочий режим - 2,5 МПа.

Компрессор 305ВП-30/8 ОАО «Южно-Уральский криолитовый завод» (г. Кувандык). 2 1978 Расчетный режим - 0,9 МПа, рабочий режим - 0,3.0,4 МПа.

Большую помощь для выработки рекомендаций, особенно при оценке работы компрессоров на нерасчетных режимах, оказывают математические модели и компьютерные программы на их основе, подстроенные под задачи энергоаудита.

Применение хорошо обоснованных ММ дает возможность: сократить проведение энергоаудита; проанализировать, несколько вариантов программ энергосбережения и предложить наиболее рациональный; удешевить и сократить, объемы, экспериментальных работ при инструментальном обследовании; восполнить отсутствующую информацию при статистическом анализе.

В * связи с этим, целью диссертационной работы является: повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов промышленных предприятий'с помощью применения, научно? обоснованных и экспериментально проверенных математических.моделей.

Научная новизна, выполненной работы заключается: в разработке математической» модели для- анализа поршневого- компрессора1 с- числом* ступеней до четырех; в разработке диалоговой системы» ш компьютерной программы, используемой при проведении- энергоаудита! компрессорного оборудования; в обосновании применимости ММ« при энергетическом обследовании промышленных предприятий.

На защиту выносятся следующие положения: математическая? модель, многоступенчатого^ (с числом ступеней до 4) поршневого компрессора; диалоговая система, и проект программы; результаты экспериментальной проверки разработанной ММ на адекватность; результаты.применения!ММ в ходе проведения энергоаудита промышленных предприятий:

В первой главе приводятся цели и методы, энергоаудита, а также обзор существующих работ по математическому моделированию ПК. Во второй главе рассмотрены принципы и методика построения математической модели рабочих процессов ПК с числом ступеней до четырех. Рассмотрены подмодели термодинамики, динамики клапана, подмодели кинематики и динамики механизма движения, подмодель расчета на прочность узлов компрессора. В третьей главе приводится описание экспериментального стенда и системы индицирования ПК. Приведены результаты экспериментальной проверки результатов работы на адекватность. В четвертой главе приводится описание диалоговой системы и компьютерной программы. Приведены возможности программы, ограничения и перспективы ее усовершенствования. В пятой главе приведены примеры применения программы при проведении энергоаудита промышленных предприятий.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на XXXVIII и XXXIX Неделях науки в СПбГПУ; на XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, г. Казань, 1920 июля 2011 г.

1 Обзор литературы

В 2009 году Государственной думой РФ был принят нормативно-правовой документ по проблеме повышения эффективности использования энергоресурсов (Федеральный, закон № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности)).

В соответствии с требованиями этого Закона, становится обязательной разработка и реализация региональных и* муниципальных производственных и инвестиционных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности.'

В связи с этим встала необходимость комплексного энергетического обследования предприятий. Такое обследование выполняется с целью:

- оценки эффективности использования электроэнергии- в системе производства и применения сжатых газов;

- разработки предложений' и. мероприятий, направленных на повышение эффективности1 использования* электроэнергии в компрессорных установках.

Содержание и методика выполнения обследования систем воздухоснабжения предприятия включает в себя:

1) Составление базы данных по составу потребителей энергетических ресурсов на> территории обследуемого предприятия.

2) Компоновка массива данных, отражающего объемы потребления энергетических ресурсов как по предприятию в целом, так и по отдельным его объектам.

3) Обобщение сведений об энергетических системах предприятия, обеспечивающих его потребителей энергетическими ресурсами и составление схематического отображения структуры энергетического обеспечения на его территории.

4) Проведение необходимого визуального и инструментального обследования значимых энергетических объектов предприятия.

5)Выполнение системного анализа собранной базы данных, в результате которого:

-оценивается временное изменение режимных параметров (по годам, сезонам года и по времени суток - при наличии исходной информации);

- выполняются расчетные энергетические балансы по сжатому воздуху.

6) Оценка состояния системы управления энергетическим обеспечением предприятия.

7) Выявление основных, энергосберегающих мероприятий с экспертной (упрощенной) оценкой их технико-экономических показателей, с определением предпочтительности их реализации.

В связи с тем, что структура и параметры промышленных предприятий^ различны, то в процессе его энергетического1 обследования должны применяться различные подходы и методики.

В процессе проведения энергоаудита применяются' статистическое и инструментальное обследование; а также исследование и анализ эффективности работы компрессоров с применением методов1 математического моделирования.

Статистическое обследование предусматривает сбор,, обработку и анализ следующих статистических данных:

1) Состав газов, используемых в компрессорных и холодильных установках;

2) Паспортные данные и паспортные характеристики компрессоров и холодильного оборудования (как правило, эти данные приводятся только для расчетных режимов);

3) Данные по работе оборудования: ежемесячная наработка оборудования за последние три года, ежемесячное потребление электроэнергии за последние три года, ежемесячная выработка сжатых газов, нормы расхода электроэнергии на холодильных и компрессорных установках предприятия, данные по давлениям у потребителей сжатых газов, данные по среднемесячным температурам окружающего воздуха.

Инструментальное обследование проводится с целью:

- восполнения отсутствующей информации, необходимой для оценки эффективности использования энергии потребителями;

- определения фактических характеристик работы энергетических установок;

- выявления соответствия фактических режимов работы оборудования их регламентированным значениям;

- выявления и локализация причин снижения показателей эффективности работы обследуемого оборудования.

Зачастую при проведении энергоаудита отсутствует возможность записать диаграммы изменения1 давления и температуры газа в полостях компрессора, записать диаграммы перемещения запирающих элементов? -клапанов, измерить скорости и расход газа в, коммуникациях [46]. Как правило, это связано с ограниченностью времени» аудита^ и непрерывной работой компрессоров. При испытаниях компрессора» для сжатия^природного газа, по соображениям пожаробезопасности проведение комплексных исследований представляет сложную* и дорогостоящую исследовательскую работу. В связи с этим, для анализа используются данные, полученные при проведении замеров мощности электродвигателей, показания, штатных приборов и показания, зафиксированные в вахтенных журналах.

Большую помощь для выработки рекомендаций, особенно при оценке работы компрессоров на нерасчетных режимах, оказывают математические модели рабочих процессов.

Математическое моделирование рабочих процессов^ компрессоров, позволяет: оценить работу компрессоров на нерасчетных режимах, проверить эффективность работы при изменении конструктивных параметров компрессоров, предлагать в ряде случаев рациональные параметры геометрии проточной части компрессоров для более экономичной работы.

В данной работе речь пойдет о математическом моделировании рабочих процессов для решения задач энергоаудита компрессорных станций.

Понятие «математическое моделирование» в последние годы является едва ли не самым распространенным понятием в технической литературе. Сегодня трудно представить проектную или конструкторскую организацию, не использующую в своей практике математические модели. Все более распространенным и эффективным становится применение математического моделирования в научных исследованиях. Подавляющее большинство диссертационных работ по специальностям инженерно-технических направлений связано с разработкой и использованием соответствующих ММ. Однако, общеупотребительного понятия- ММ до- сих пор нет. Поэтому необходимо дать пояснение, что понимается под термином «математическая модель».

В- данной работе под математической« моделью понимается совокупность уравнений, формул, определений, таблиц, соотношений и данных, которые описывают состояние' объекта; ситуацию или явление, а также их динамику развития [47].

В работе рассматривается ММ поршневого компрессора. Это связано с тем, что в последнее время ПК уделяется мало внимания. Однако, на многих предприятиях они все еще остаются и хотя возраст компрессоров, особенно общего назначения, весьма преклонный, большинство находятся в хорошем состоянии и могут работать еще продолжительное время. Несмотря на возрастающую тенденцию к использованию в области низкого давления винтовых компрессоров, основными преимуществами ПК остаются экономичность и использование в области среднего и высокого давления.

Методы математического моделирования в области исследования и расчетов рабочих процессов применительно к, компрессорам объемного сжатия используются около полувека. К началу 90-х годов в России сложились две научные школы [47]: в МВТУ под руководством профессора П. И. Пластинина и в ЛПИ (ныне СПбГПУ) под руководством профессоров

Б. С. Фотина и И. К. Прилуцкого. Особо следует отметить научную школу профессора И. Б. Пирумова (СПбГТУ), которая широко применяла методы моделирования при исследовании работы самодействующих клапанов поршневых компрессоров.

Начиная с 1940 года, когда была осуществлена первая ММ реального процесса, протекающего в ПК Н. А. Доллежалем [28] было опубликовано огромное количество работ. Не останавливаясь на обзоре и анализе этих работ (для более подробного- ознакомления автор рекомендует познакомиться с обзорами» литератур следующих работ [24,. 29, 33, 42, 47]), можно отметить некоторые особенности существующих ММ.

Любая математическая модель*, описывает реальный' процесс, приближенно, т.к. при их разработке вводятся различные допущения и предположения. В качестве наглядного примера можно привести часто' встречающееся^ допущение о том, что сжимаемый газ является идеальным. Кроме этого, во всех моделях используются» коэффициенты или эмпирические зависимости, полученные на основе- экспериментальных данных. Как правило; полученные таким образом эмпирические коэффициенты или зависимости обеспечивают точность характеристик лишь в тех случаях, когда рассматриваемый объект мало отличается! от ранее испытанного. В качестве примера можно привести, известную формулу для определения-объемной производительности компрессора [10, 41, 43]: где коэффициент производительности X определяется по формуле где Х0 - объемный коэффициент, который учитывает расширение газа из мертвого пространства; А,д - коэффициент давления, учитывает влияние газодинамических сопротивлений линии всасывания; -температурный коэффициент, учитывает подогрев1 всасываемого газа; А.г -коэффициент герметичности, учитывает утечки газа через неплотности; А.пл -коэффициент влажности, учитывающий изменение массы газа за счет конденсации водяных паров. Все эти коэффициенты определяются с помощью эмпирических зависимостей полученных по экспериментальным данным. Кроме этого, при определении данных коэффициентов, появляются разногласия среди авторов моделей. Это еще одна особенность, которая привела к большому количеству моделей описывающих одни и те же процессы, но с различными подходами и методами к определению величин. В работе1 [47] показана необходимость применения общих подходов и методов при математическом, моделировании.

К тому же в зависимости, от наличия^ экспериментальных данных применяются различные схематизации протекающих процессов. На рисунке 1- представлены две схематизации, индикаторных, диаграмм: схематизация по методике ЛЕННИИХИММАШа (см. рисунок 1а) и

Рисунок 1 - Примеры схематизации индикаторных диаграмм: а) - схематизация по методике ЛЕННИИХИММАШа; б) - схематизация по методике ЛПИ им: М.И< Калинина

По методике ЛЕННИИХИММАШа индикаторную диаграмму разбивают на три части линиями номинальных давлений Рн (начальное) и Рк (конечное). Индикаторную работу находят как сумму номинальной работы (площадь ограниченная точками 1-2-3-4) и работ затрачиваемых вследствие сопротивлений на всасывании (ДРН) и на нагнетании (ДРК). Процессы сжатия и расширения считаются адиабатными. По методике ЛПИ линия всасывания газа (4-1) идет ниже номинального давления всасывания, а линия нагнетания выше номинального давления нагнетания. Индикаторная работа определяется площадью 1-2-3-4. Сжатие и расширение газа происходит по эквивалентным политропам пс и пр (политропы, получаемые из условия равенства площадей индикаторных диаграмм: полученной! в результате эксперимента и теоретической).

Из приведенных схематизаций видно, что, во-первых, необходимо иметь большое количество данных которые определяются из эксперимента (АР„(К), иС(Р) и т.д.), во-вторых, для различных схематизаций- необходимы различные экспериментальные данные и, в-третьих, расчеты проводимые по данной методике дают приемлемые результаты только в* томд случае если' близки условия .работы у рассматриваемой и испытываемой машин.

Сегодня ММ принято классифицировать на три уровня [47]: модели мета-, макро- и микроуровней. В каждом* случае такаят классификация позволяет выделить уравнения определенного» типа« для» связи между параметрами системы. В первом случае составляются^ и используются для анализа системы алгебраические уравнения; во втором - системы обыкновенных дифференциальных уравнений; а в третьем - уравнения в частных производных.

Модели первого уровня, в основном, ориентированы на получение интегральных показателей эффективности и связывают входные и*выходные параметры.

Модели второго уровня, позволяют проанализировать динамические (временные) процессы изменения внутренних и выходных параметров системы при известной или стохастической временной зависимости» входных параметров.

Модели третьего уровня предполагают непрерывное распределение параметров по всему пространству параметров и дают возможность анализировать изменение внутренних и выходных параметров в каждой точке рассматриваемого пространства с учетом упругих свойств среды.

Следующей особенностью ММ является полнота описания происходящих процессов. Зачастую, разработчики ММ стремятся учитывать только основные, наиболее существенные факторы, которые, по их мнению, оказывают наибольшее влияние. Либо при* моделировании процессов происходящих в цилиндре предполагается, что давление в полостях всасывания и нагнетания- остаются постоянными. Например, в работе [37] при моделировании движения пластины прямоточного клапана автор принимает следующие допущения: газ идеальный; теплообмен со стенками цилиндра во время процессов всасываниями нагнетания^ отсутствует; емкости на входе и выходе принимаются* неограниченно большими. Таким образом, упрощение ММ с одной стороны упрощает ее применение и реализацию, но с другой стороны это» приводит к ограничению» на применение модели, что обусловливается отбрасыванием второстепенных факторов и принятыми допущениями. Грубое упрощение может привести кутому, что модель,будет бесполезной. Однако, желание учесть по возможности* большего числа факторов может привести к тому, что модель станет чересчур сложной и ее реализация будет невозможной.

Еще одной важной особенностью развития ММ было связано с появлением и развитием ЭВМ. Зачастую, именно» уровень ЭВМ влиял на сложность описания процессов и учет тех или иных параметрові И порой приходилось умышленно упрощать модель для того, чтобы ее можно было реализовать на ЭВМ.

Современные ЭВМ заметно упростили разработку ММ, но при этом появились новые особенности, связанные с их реализацией. Одной из таких особенностей применительно к реализации ММ на ЭВМ является то обстоятельство, что многие авторы моделей пользовались и продолжают пользоваться разными алгоритмическими языками (VISUAL BASIC, DELPHI, ФОРТРАН и т.д.) и операционными системами (WINDOWS,

MACINTOSH и т.д.). Это требует дополнительных подпрограмм для совмещения с другими системами, либо переписывание программ на другой язык. В последнее время уровень программных продуктов по программированию заметно вырос. Появилась возможность представления информации в визуальной форме. Имеется возможность создания обширных баз данных и т.д. Все это весьма полезно при моделировании, но требует дополнительной подготовки от разработчика.

Следующая особенность связана с моделированием компрессоров без учета специфики машинных методов проектирования. Среди этих причин, которые затрудняли внедрение машинных методов проектирования, можно выделить следующие [47]:

- разработку большого числа так называемых «упрощенных» и «неупрощенных» математических моделей для одних и тех же процессов;

- все модели базируются, в основном, на четырех-пяти уравнениях термодинамики открытых систем, которые, в свою очередь являются частными случаями более общих уравнений термо- и газодинамики;

- в большинстве работ не приводится исследование устойчивости и сходимости применяемых для решения численных методов, а также возможные ограничения.

До сих пор расчет многоступенчатых машин, по существу, проводится как расчет отдельных ступеней. Отсутствие связи ступеней на основании физически обоснованных зависимостей не соответствует действительной картине происходящих явлений. Существует несколько методов определения промежуточного давления. Один из методов основан на использовании условия периодичности, которое требует равенства массовых расходов обеих ступеней. Отсюда возникает необходимость иметь зависимости производительности ступени, как от давления нагнетания, так и от давления всасывания. При этом способы расчета по данной методике у разных авторов различны. Так, например, в [10, 41, 43] приводятся численный и графический способы расчета. Существует метод с использованием номограмм, которые представляют в логарифмических координатах зависимость произведения объемного и температурного коэффициентов производительности от отношения давления [43].

Однако, у этих методов есть недостаток, они все основаны на использовании коэффициентов* производительности, которые берутся либо из экспериментальных данных, либо определяются по эмпирическим формулам или задаются исходя из рекомендаций авторов.

Существуют математические модели рабочих процессов двухступенчатых поршневых компрессоров на основе введения связи ступеней, учитывающей физическую картину процессов, протекающих в межступенчатых коммуникациях и промежуточном- холодильнике. К примеру, построение таких моделей для двухступенчатых компрессоров изложено в работах [34, 40]. Однако, такие модели» разработаны для конкретных компрессоров с известной геометрией. Поэтому, основным их недостатком является'то, что даже незначительное изменение конструкции (не говоря уж о расчете с большим числом ступеней) приводит к необходимости заново разрабатывать модель.

Существуют способы повышения эффективностифаботы ПК.на основе создания диагностических систем. В- [36] приводится система диагностики для одноступенчатого компрессора с цилиндром двойного действия. Для целей диагностики ММ представляет собой модель первого уровня и основана на системе линейных регрессионных зависимостях. Коэффициенты в этих зависимостях определяются с помощью ММ рабочих процессов второго уровня. К основным недостаткам таких систем можно отнести: во-первых, они создаются для конкретного компрессора; во-вторых, при изменении режима работы компрессора необходимо заново составлять систему регрессионных уравнений; в-третьих, для использования^ таких систем необходима установка дополнительной измерительной аппаратуры, что в условиях непрерывной работы компрессора практически невозможно.

Разработанные в работе математическая модель и программа расчета являются продолжением серии работ, реализованных на кафедре КВХТ СПбГПУ начиная с 90-х годов. За это время было разработано несколько моделей и программ для расчета рабочих процессов в ПК. Это программа «SIMCOP» [11, 21, 38], реализованная в системе DOS, в процессе эксплуатации несколько раз корректировалась и модернизировалась (последняя' версия' 2003 год). Были разработаны версии «ENGLISH» и «RUSSIA» для идеального газа; а также версии для сжатия реальных газов (природный газ, хладоны R12, R134, R22 и др.). Созданы версии'программ для расчета дисковых клапанов с буферной и демпфернойпластиной, а также для расчета кольцевых клапанов;:[15, 38].

Эти программы'были*разработаны в системе DOS на языке «Фортран». Поэтому, начиная* с 2000-ого года все программы надо ■ было переработать для системы «WINDOWS» с применением более развитых программ программирования.

Были переработаны, и разработаны программы для. расчета рабочих процессов [38]:

-в» ступени* ПК с возможностью подбора параметров клапанов: полосового традиционного исполнения, прямоточного, тарельчатого и лепесткового с переменной шириной. Имеется возможность расчета других типов клапанов;

- в двухступенчатом поршневом компрессоре двойного' действия общего назначения с расчетом клапанов основных типов и определением промежуточного давления;

- в ступени компрессора с дисковыми клапанами с рабочей, буферной и демпферной пластинами.

Была разработана демоверсия программы «Ступень» для исследования рабочих процессов в компрессоре с тронковым поршнем и с полосовыми клапанами [46]. Последний вариант этой программы был написан в 2009 году с участием автора. Эта программа с успехом используется для проведения нескольких виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Поршневые компрессоры» и в курсовом проектировании.

В 1994 - 1999 гг. Б. С. Хрусталевым, М. М. Перевозчиковым, А. Г. Красниковым была разработана модель нестационарного одномерного течения реального газа во всасывающей системе первой? ступени» компрессора. Модель- была применена для. анализа эффективности работы двухступенчатого компрессора. 2ГУ-0,5/20-220' в составе передвижной газонаполнительной станции» для сжатия, природного? газа с переменным давлением всасывания [38]!

Однако у этих программ-имелись существенные-недостатки: все они разработаны для конкретных целей; определение промежуточных давлений для многоступенчатых компрессоров-, вызывало серьезные трудности, в расчете определяются, в основном; термодинамические показатели-работы компрессоров. Эти недостатки' создают проблемы при» анализе^ работы компрессоров при проведении энергоаудита, так как ПК зачастую работают на нерасчетных, режимах, и значительно увеличивает трудоемкость оценки эффективности.

Для. устранения большинства^указанных недостатков.была.разработана программа расчета.

Таким образом, оценивая сложившуюся ситуацию- на данном этапе развития машинных методов проектирования« объемных компрессоров, можно отметить, математические моделирование дает ответы, на многие вопросы, возникающие при проектировании новых или модернизаций старых компрессорных машин. На ЭВМ' можно смоделировать различные условия и режимы работы компрессоров, в том числе и. нерасчетные. Применение ММ позволяет сократить расходы, связанные с проведением эксперимента. К тому же это единственный источник информации, в тех случаях, когда проведение эксперимента невозможно либо отсутствует техническая документация. Следует отметить, что математическое моделирование является эффективным методом анализа, в тех случаях, если она достоверно описывает исследуемый объект. Поэтому любая ММ должна быть проверена экспериментально.

Целью данной работы является: повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов промышленных предприятий с помощью применения научно обоснованных и экспериментально проверенных математических моделей. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель, предназначенную для анализа рабочих процессов в ПК для сжатия идеального газа (с числом ступеней до четырех) с учетом динамики клапана;

- составить подмодели кинематики, динамики и прочности, предназначенных для силового анализа механизма движения компрессора и прочностного анализа деталей компрессора;

- разработать диалоговую систему и компьютерную программу, предназначенных для использования при проведении энергоаудита предприятий;

- создать измерительный комплекс для индицирования поршневого компрессора на современной элементной базе;

- проверить разработанную ММ и компьютерную программу на адекватность.

Заключение

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования» показали, что методы математического моделирования рабочих процессов могут достаточно эффективно применяться1 в ходе энергетического анализа компрессорного оборудования* предприятий. С помощью = предложенной методики можно' проводить, термодинамический анализ компрессора, проводить анализ, работы самодействующих клапанов, проводить кинематический и динамический анализ механизма! движения, проводить анализ на прочность основных1 деталей компрессора.

Представленные методики* были- использованы при анализе поршневых компрессоров при проведении энергоаудита совместно' с «Городским центром экспертиз - энергетика». Система для индицирования поршневых компрессоров используется при проведении;лабораторных работ на кафедре компрессорной, вакуумной и- холодильной техники СПбГПУ.

В целом, по результатам работы можно сделать следующие выводы: г

1) Разработана математическая < модель для расчета поршневого компрессора- с числом ступеней до четырех. Полная модель состоит из трех моделей: состояния газа, кинематического' состояния; механического состояния.

2) На- основе разработанной- модели- разработана диалоговая система и компьютерная программа, которая может применяться при энергетическом обследовании предприятий. Программа позволяет определить как термодинамические, так и механические показатели эффективности работы компрессоров. Кроме этого существует возможность анализа компрессоров на нерасчетных режимах при изменении четырех основных параметров: число оборотов коленчатого вала, конечное давление, начальное давление, начальная температура. Применение программы позволит сократить стоимость и сроки проведения энергоаудита ПК.

3) Результаты экспериментальных исследований позволяют судить о достаточной адекватности предлагаемой методики. Разработанная система для индицирования поршневого компрессора применяется при проведении лабораторных работ на кафедре КВХТ СПбРПУ. Кроме системы сбора экспериментальных данных была разработана система.обработки данных.

4) Приведенные примеры показывают, что ввиду особенностей работы-компрессорных станций разных предприятий практически не бывает стандартных решений,при,разработке мероприятий по энергосбережению.

5) Результаты обследования предприятий'систем сжатого воздуха и газов показывают, что, как правило; основные потери связаны с работой компрессоров на нерасчетных режимах и неэкономичными способами изменения производительности для поддержания« постоянства давления в сети.

6) В работе предложен способ определения утечек, в сети с использованием диаграммы мощности,, потребляемой, компрессором, и математического моделирования.

7) Анализ работы компрессоровшоказал, что при, всех плюсах работы, на режиме регулирования частотой! вращения вала (изменение^ производительности происходит практически пропорционально изменению1 частоты вращения; удельная мощность значительно, ниже, чем при других способах регулирования; суммарные потери уменьшаются с уменьшением, цикличности и т.д.) к применению частотно-регулируемого привода следует относиться с осторожностью.

8) Разработанная система индицирования ПК может быть полезна при инструментальном обследовании предприятий.

9) Выработаны рекомендации для обследованных объектов по повышению энергоэффективности. Компрессор ВП-50/8 (на механическом заводе г. Воркута) - было выявлено, что утечки в сети составляют до 60% от производительности компрессора, рекомендуется заменить пневмоаппаратуру и отремонтировать пневмооборудование. Компрессор

305ВП-16/70 (ОАО «Славнефть-ЯНОС») - Компрессор может работать на двух режимах. Компрессор 2ВМ10-60/8 («Ловозерский ГОК») - установка частотного регулирования не рекомендуется из-за неудовлетворительной работы клапанов. Компрессор 2ВМ4-15/25 (ООО «Тобольск-нефтехим») -для обеспечения работы компрессора на двух режимах (основной режим -0,4 МПа, рабочий режим - 2,5 МПа) рекомендуется установить программируемый частотный преобразователь. При этом экономия составит до 50% электроэнергии.

1. Андрианов, А. А. Разработка, методики расчета самодействующих клапанов поршневых компрессоров с учетом неплоскопараллельного движения запорного элемента текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / А.

2. A. Андрианов. М.5 МГТУ им. Н: Э. Баумана, 1996: - 18 с:

3. Антонов, Н. М. Моделирование процессов механического трения в поршневых компрессорах текст. / Н. М. Антонов; Ю. А. Агранова, М. М. Перевозчиков, И. К. Прилуцкий // Тез. докл. VII Всесоюз. науч.-техн. конф. по компрессоростроению. Казань, 1985.

4. Белоногов, В. Н. Исследование работы прямоточных клапанов в высокооборотном поршневом компрессоре текст. : дис. . канд. техн. наук /

5. B. Н. Белоногов. Л., 1975.

6. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов текст. / Н. М>. Беляев. -М. : Гостехиздат, 1945.

7. Дарков, А. В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов текст. / А. В. Дарков, Г. С. Шпиро. 3-е изд. - М: : «Высшая*школа», 1969. - 734 с.

8. Дмитревский, В. А. Исследование динамики1 клапанов текст. : рукопись деп. в ЦИНТИхимнефтемаше /В. А. Дмитревский, В. П. Исаков. -М., 1975.-№251.-17 с.

9. Дроздова, Л. Г. Стационарные машины текст. : учеб. пособие / Л. Г. Дроздова. Владивосток : из-во ДВГТУ, 2007. - 157с.

10. Захаренко, С. Е. К вопросу о протечках газа через щели текст. : труды ЛПИ им. М. И. Калинина. Л., - 1953. - №2.

11. Захаренко, С. Е. Поршневые компрессоры текст. / С. Е. Захаренко [и др.]. М. : Машгиз, 1961.

12. Здалинский, В. Б. Статистическая оценка влияния неплотности клапанов на показатели эффективности поршневого компрессора* текст. / В. Б. Здалинский, И: Б. Пирумов, Б. С. Хрусталев // Компрессорная, техника и пневматика. 19941 - №3. - с. 17-20.

13. Игнатьев, К. М. Разработка методики расчета1 динамики клапанов специальных конструкций текст. : дис. . канд. техн. наук / К. М. Игнатьев. -СПб, 1995.

14. Идельчик, И. Е. Гидравлические сопротивления (физико-механические основы) текст. / И. Е. Идельчик. Ы'. : Госэнергоиздат, 1954, -316 с.

15. Исаков, В. П: Самодействующие клапаны поршневых компрессоров для различных областей применения текст. / В. П. Исаков; Б: С. Хрусталев // Химическое и нефтяное машиностроение, 1995, №11. - с. 6770.

16. Кинасошвили, Р. С. Сопротивление материалов текст. / Р. С. Кинасошвили. М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955.

17. Кондратьева, Т. Ф. Клапаны, поршневых компрессоров, текст. / Т. Ф. Кондратьева, В. П. Исаков. Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.- 158 с.

18. Лебедев, С. А. Исследование динамики и прочности, пластин самодействующих клапанов поршневых компрессоров текст. : дис. . канд. техн. наук / С. А. Лебедев. Л., 1980.

19. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин текст. : (измерительные преобразователи) / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. -Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. 320 е., ил.

20. Орлин, А. С. К расчету стержня' шатуна быстроходного двигателя текст. / А. С. Орлин // Труды МВТУ им. Баумана, № 35, 1955.

21. Перевозчиков, М. М!. Математическая модель поршневого компрессора. Программа БГМСОР текст. / М. М: Перевозчиков, Б. С. Хрусталев, И. Б. Пирумов; В: Б. Здалинский // Тезисы докл. РНТК «Инновационные наукоемкие технологии для России». СПб, 1995. - 59 с.

22. Пирумов, И: Б. Частные вопросы, динамики клапанов поршневых компрессоров текст. / И. Б. Пирумов, И: К. Прилуцкий, Б. С. Фотин; Б. С. Хрусталев // Тезисы докл. IV Всесоюзной науч.-техн. конф. по компрессоростроению. Сумы, 1974.

23. Пирумов,И. Б. Исследование динамики- и долговечности полосовых клапанов поршневых компрессоров текст. : автореф. дис. канд. техн. наук / Пирумов Игорь Богданович. Л., ЛПИ, 1966.

24. Пирумов, И. Б. Пособие по расчетам на прочность деталей поршневых компрессоров и СПДК текст. / И. Б. Пирумов [и др.]. Л., ЛПИ им. Калинина, 1971.

25. Пирумов, И. Б. Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров. Самодействующие клапаны текст. : учеб. пособие / И. Б. Пирумов, Б. С. Хрусталев, И. В. Хрусталева, О. Ю. Устюшенкова. СПб : Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - 106 с.

26. Пластинин, П. И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ текст. / П. И. Пластинин // Итоги науки и техники. Серия насосостроение и компрессоростроение. ВИНИТИ. Том 2. М. - 1981. - 168 с.

27. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. 3-е изд., доп. текст. / П. И. Пластинин. - М. : КолосС, 2006. - 456 с. : ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

28. Пластинин, П. И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ текст. / П. И. Пластинин // Итоги науки и техники. Серия насосостроение и компрессоростроение. ВИНИТИ. Том2. М., 1981. -168 с.

29. Поска, А. А. Исследование новых конструкций прямоточных и кольцевых клапанов и .разработка методов их расчета текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / А. А. Поска. Л., 198к

30. Прилуцкий, И. К. Разработка; исследование и^ создание поршневых компрессоров и детандеров для криогенной техники» текст. : дис. . д-ра. техн. наук /Прилуцкий Игорь Кирович; Л., 1991. - 401с., ил.

31. Прилуцкий, И. К. САПР' поршневых компрессоров малой производительности текст. / И. К. Прилуцкий, Б. С. Хрусталев // Тез. докл. на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы : ЦИНТИНЕФТЕХИММАШ, 1990. - 17 с.

32. Прилуцкий, И. К. Исследование рабочих процессов в поршневых компрессорах текст. : дис. . канд. техн. наук / Прилуцкий Игорь Кирович. -Л., ЛПИ им. Калинина, 1966.

33. Прилуцкий, И. К. Исследование рабочих процессов- поршневых компрессоров общепромышленного назначения текст. : Отчет о НИР / И. К. Прилуцкий. Л., ЛПИ им. Калинина, 1978.

34. Ребриков, В. Д. Разработка метода оптимизации всасывающих клапанов поршневых компрессоров текст. : дис. . канд. техн. наук / В. Д. Ребриков. Л., 1979. - 160с., ил.

35. Семенов, А. А. Разработка метода и системы диагностики поршневых компрессоров на основе математического моделирования рабочих процессов текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / Семенов Александр Анатольевич. Л., ЛПИ им М. И. Калинина, 1988. - 22 с.

36. Спектор, Б. А;, Царух И. П. Выводы уравнения движения язычка пластины прямоточного клапана текст. /Б. А. Спектор, И. П. Царух // Хим. и нефт. машиностроение, 1970. № 1. - с. 4-7.

37. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ Текст. / Под ред. Ю. Б. Галеркина. СПб. : 2010: 670 с.

38. Устюшенкова, О. Ю. Математическое моделирование рабочих процессов в^ многоступенчатых крейцкопфных поршневых компрессорах текст. : дис. . канд. техн. наук / Устюшенкова Ольга1 Юрьевна. Л., ЛПИ им М.И.Калинина, 1984. - 286 с.

39. Фотин, Б. С. Рабочие процессы поршневых,компрессоров текст. : дис. на . д-ра. техн. наук / Фотин Борис Степанович. Л., ЛПИ им: Калинина, 1974. - 462 с.

40. Френкель, М. И. Поршневые компрессоры текст. / М. И. Френкель. Л. : Машиностроение, 1969. - 740 с.

41. Хрусталев, Б. С. Исследование работы группы клапанов поршневого компрессора текст. : дис. . канд. техн. наук / Хрусталев Борис Сергеевич. Л., 1974. - 151с. : ил.

42. Хрусталев, Б. С. Разработка экспериментальной установки и исследование работы полосовых клапанов с волнистой демпферной пружиной текст. : отчет о НИР / ЛПИ им.М.И.Калинина, рук. И. Б. Пирумов., исполн. Б. С. Хрусталев. 306801. - Л., 1989. -81 с.

43. Хрусталев, Б С. Машины низкотемпературной техники. Методы определения показателей эффективности работы объемных компрессоров текст. : учеб. пособие / Б.С. Хрусталев [и др.]. СПб. : Изд-во Политехи, унта, 2010. - 150 с.

44. Хрусталев, Б. С. Математическое моделирование рабочих процессов в объемных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования текст. : дис. . д-ра техн. наук / Хрусталев Борис Сергеевич. СПб., 1999. - 377 с.

45. Isakov, V. P. Automatic valves of piston compressors for various ranges of application. Chemical and petroleum engineering / V. P. Isakov, B. S. Chrustalev. Vol.31. -№11-12. 1995; July 1996 USA. NewYork.

46. Soedel, W. Introduction to computer simulation of positive displacement type compressors., 1972 Compressor technology conference, Short course., Purdue University, West Lafyette. USA.