Гидравлические характеристики блока при последовательном соединении запорно-регулирующей арматуры и нерегулируемого многоступенчатого дросселя

Целью исследования является создание блоков понижения давления при заборе воды из систем поддержания пластового давления с давлением до 25 МПа на нужды пожаротушения с давлением на входе в оборудование пожаротушения 0,7–1,0 МПа. Главной причиной всех нежелательных явлений, возникающих при работе трубопроводной арматуры (ТПА), является скорость рабочей среды (РС) в узком сечении между регулирующими элементами (РЭл) и их сёдлами [1– 6]. Блок предназначен для получения требуемых значений давления, расхода, гидравлических и кавитационных характеристик, допустимых значений скоростей РС [7–9]. Использованы аналитический, численный и экспериментальный методы определения коэффициента сопротивления и пропускной способности блока [10–13]. Блок состоит из последовательно соединённых шиберных запорно-регулирующих устройств (ШЗРУ) и многоступенчатого нерегулируемого дросселя [14–19]. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик выполнены по методике ГОСТ 34437-2018 [20] в аттестованной лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ».

Материалы и методы

Блок, состоящий из последовательно соединённых шиберного запорно-регулирующего устройства MKTR 50 PN 25 МПа, патент RU 2464470 [18], и многоступенчатого дросселя, показан на рис. 1.

Рис. 1. Блок ШЗРУ и дроссель с восемью пластинами

Fig. 1. Block ШЗРУ and throttle with eight plates

Аналитический метод расчёта гидравлических характеристик основан на определении коэффициентов сопротивления рассматриваемой ТПА и дросселей путем замены реальной геометрии участков проточной части на близкую – эквивалентную. Для каждого участка эквивалентной геометрии вычисляется коэффициент сопротивления, используя который можно определить потерю давления на этом участке. Зная суммарную величину коэффициента сопротивления, потери давления, расход и плотность РС, можно вычислить искомое значение пропускной способности. При известной пропускной характеристике ШЗРУ зависимость коэффициента сопротивления, приведённая к скорости в патрубке, от хода РЭл определяется по формуле

=

2·Δ p · s² · 3600 ² p · Kv²

где Δ P = 100000 – перепад давления на ЗРА, Па; S – площадь внутреннего сечения входного патрубка ШЗРУ, м ² ; ρ = 1000 – плотность РС, кг/м ³ ; Kvi – пропускная способность ШЗРУ при i -м положении РЭл, м ³ /ч.

Зависимость суммарного коэффициента сопротивления блока ШЗРУ и дросселя, приведённая к скорости в патрубке, от хода РЭл определяется по формуле

^i =  + ^d ,                                                                        (2)

где ζd – коэффициент сопротивления дросселя.

Пропускная характеристика блока определяется по формуле

KB_{t =} ∙ St ∙ ^∙ ․ (3)

1 p

Рассмотрим пример с ШЗРУ, имеющей линейную пропускную характеристику с Кvy = =100 м ³ /ч при коэффициенте сопротивления в открытом положении ζ = 0,30 (рис. 2).

С целью получения безразмерных характеристик делим коэффициенты сопротивления дросселя на ζ = 0,30. Все пропускные характеристики делим на Кvy = 100 м ³ /ч. Безразмерные характеристики представлены на рис. 3.

Недостаток аналитического метода расчёта гидравлических характеристик – ограниченный набор эквивалентной геометрии и диапазон применения каждого геометрического эквивалента. Расчётные схемы для численных исследований блока, состоящего из последовательно соединённых ШЗРУ MKTR 50 PN 25 МПа, патент RU 2464470 [19], и многоступенчатого дросселя показаны на рис. 4–6.

При численных исследованиях приняты допущения: РС подчиняется закону вязкого трения; режим течения РС установившийся, стационарный; отсутствует теплообмен между окружающей средой и РС; шероховатость всех поверхностей проточной части расчётной области равна 50 мкм; не учитывается допустимый разброс размеров деталей; рабочая среда – вода плотностью 1000 кг/м3; температура воды 293 °К; после дросселя давление не менее 0,5 МПа; кавитация не учитывается. В основе математической модели заложена система дифференциальных уравнений в частных производных и граничные условия: давление на входе и давление на выходе (создается требуемый перепад давления) [19].

	120
	108
KB	96
KB1	84
KB2	72
■ ■ ■
KB3	60
■ • ■ •
KB4	48
KB5	36
1 • > V
	24
	12
	0

									■
								< •	0
							*	*	( *
					*^z				V * *
			г* *	•

0    0.1   0.2   0.3   0.4   0.5   0.6   0.7   0.8   0.9    1

h

Рис. 2. Пропускные характеристики блока, состоящего из последовательно установленных ШЗРУ с Кv у = 100 м³/ч и дросселя: КВ – линейная пропускная характеристика ЗРУ с Кv у = 100 м³/ч без дросселя; характеристики блока при коэффициенте сопротивления дросселя: КВ1 – ζ = 0,3; КВ2 – ζ = 0,9; КВ3 – ζ = 1,8; КВ4 – ζ = 2,7; КВ5 – ζ = 5,7

Fig. 2. Flow characteristics of a block consisting of sequentially installed SHZRU with Кv у = 100 m³/h and a throttle: KV – linear flow characteristic of shut-off and control device (SCU) with Kvу = 100 m³/h without throttle; unit characteristics with throttle resistance coefficient: KV1 – ζ = 0.3; KV2 – ζ = 0.9; KV3 – ζ = 1.8;

KV4 – ζ = 2.7; KV5 – ζ = 5.7

1 0.9 KB
									< •
0.8 KB1 * * * *  0.7 KB2   0.6 ■ ■ ■ KB3   0.5 KB4  0.4 0.3 KB5 * * * *  0.2 0.1 0										0 '
								*		# 0
						/О		0
							- •	* в *	• •
				JH/

0    0.1   0.2   0.3   0.4   0.5   0.6   0.7   0.8   0.9    1

h

Рис. 3. Безразмерные пропускные характеристики блока, состоящего из последовательно установленных ШЗРУ и дросселя: КВ – характеристика ЗРА без дросселя; характеристики блока:

КВ1 – ζ = 0,3; КВ2 – ζ = 0,9; КВ3 – ζ = 1,8; КВ4 – ζ = 2,7; КВ5 – ζ = 5,7

Fig. 3. Dimensionless flow characteristics of a unit consisting of a sequentially installed SHZRU and a throttle:

KV – shut-off and control valve (SCU) characteristic without throttle;

unit characteristics: KV1 – ζ = 0.3; KV2 – ζ = 0.9; KV3 – ζ = 1.8; KV4 – ζ = 2.7; KV5 – ζ = 5.7

Рис. 4. Корпус ШЗРУ

Fig. 4. ShZRU Corps

Рис. 5. Корпус дросселя

Fig. 5. Throttle body

Рис. 6. Дроссельная пластина

Fig. 6. Throttle plate

Результаты и обсуждения

Результаты численного исследования блока, состоящего из последовательно установленных ШЗРУ и многоступенчатого дросселя, при Р1 = 2 МПа и Р2 = 1 МПа показаны на рис. 7, 8.

Определённые по методике ГОСТ 34437 [10] в аттестованной лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ» экспериментальные значения коэффициента сопротивления ( _e = 36,0 и пропускной способности дросселя – 16,52 м ³ /ч. Значение коэффициента сопротивления дросселя, полученное аналитическим расчётом Cs = 33,077, отличается от экспериментального значения на 8,3 %. По результатам численных исследований коэффициент сопротивления дросселя, приведённый к скорости потока РС во входном патрубке Cs = 37,60, пропускная способность дросселя 16,14 м ³ /ч отличаются от экспериментальных на 2,3 %.

На основе исследований дросселей и в соответствии с требованиями «Временных норм технической подготовки противопожарной защиты нефтяных и газовых промыслов ВНТП 03/170-

567-87, разработанных ВНИИПО» созданы стационарные и мобильные блоки для пожаротушения (рис. 9).

Рис. 7. Поле скоростей в блоке

Fig. 7. Velocity field in a block

Давление [MPa]

Рис. 8. Поле давлений в блоке

Fig. 8. Pressure field in the block

Выводы

• 1.    Разработаны расчётные схемы, аналитический и численный методы расчёта многоступенчатого дросселя и блока, состоящего из запорно-регулирующей трубопроводной арматуры и дросселя при их последовательном соединении. Получены экспериментальные значения коэффициента сопротивления и пропускной способности многоступенчатого дросселя.

• 2.    Значение коэффициента сопротивления дросселя, полученное аналитическим расчётом Cs = 33,077, отличается от экспериментального значения на 8,3 %. Экспериментальные значения коэффициента сопротивления дросселя – ( _e = 36,0, пропускной способности – 16,52 м ³ /ч. Результат численного расчёта пропускной способности 16,14 м ³ /ч отличается от экспериментального на 2,3 %.

• 3.    При увеличении коэффициента сопротивления дросселя уменьшается диапазон регулирования арматурой. При последовательной установке арматуры и дросселя пропускная характеристика арматуры искажается.

• 4.    На основе исследований дросселей созданы стационарные и мобильные установки, предназначенные для пожаротушения. Установки содержат блоки понижения давления воды, подаваемой на оборудование пожаротушения (пожарный монитор и ручные стволы) из системы поддержания пластового давления (ППД). Конструкция установки позволяет использовать речную, сеноманскую, подтоварную воду, поступающую из системы ППД. Установка подключается к системе ППД с помощью быстроразъёмного соединения. Установка не требует сложной системы управления, дополнительных устройств безопасности, проста в подключении и эксплуатации, имеет свободный доступ к элементам управления и визуальный контроль работы. Установка поставляется на прицепе автомобиля или в стационарном исполнении. Изготовлено и поставлено заказчикам более ста установок.

Рис. 9. Мобильный блок для пожаротушения

Fig. 9. Mobile fire extinguishing unit