Диссертация (1025868), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Например, анализ потоковых моделей газоснабжения Московскогорегиона показал, что система имеет значительные резервы в годовом разрезе,однако обеспечение пикового спроса в регионе требует предельной загрузкиряда объектов поставки газа [3].Анализнормальныхстационарныхрежимовэксплуатацииразветвленных систем является неотъемлемой частью их проектирования.Так, резкое повышение расхода в ПС свидетельствует или об утечке рабочейсреды в одном из каналов, или о разрыве канала, или о возможнойнекоммерческой врезке в систему и неконтролируемом отборе рабочейсреды [30, 31].
Актуальной проблемой для моделирования процессовпотокораспределения являются врезки в систему при подключении новыхпотребителей, когда требуется определить изменение работы в системе дляостальных потребителей [32- 33]. Так, при непосредственном присоединениипотребителей к газовой сети количество газа, поступающего к отдельнымабонентам,зависитотвеличиныгидравлическогосопротивленияабонентского ответвления и давления газа в точке присоединенияответвления к кольцевой сети [34, 35].При определении характеристик устройств пневматических системтребуется учитывать множество факторов.
Например, для трубопроводовподводавоздухакшахтамдолжныучитыватьсярасположениевоздухопроводов (воздухопроводы могут располагаться как на земле, так ипод землей), что влияет на свойства рабочей среды. Проектирование подводавоздуха в шахты требует учета изменяющихся по времени условийэксплуатации, при этом требуется учитывать различные состояния рабочейсреды для различных времен года (зима - лето) [16, 17, 36].
Таким образом, сучетом особенностей конструктивных и климатических условий при16транспортировке газа и жидкости по трубопроводам и воздухопроводам,проблемы качественного моделирования процессов потокораспределенияособенно актуальны.Дляповышенияточностирасчетаданныхсистемтребуетсяматематическое моделирование, позволяющее еще на стадии проектированиясети учитывать особенности тракта с учетом множества параллельных ипоследовательных соединений, местных и распределенных потерь на трение,подвода или отвода тепла к каналам со взаимным влиянием различныхэлементов друг на друга [3].Решению вопросов потокораспределения в различных пневматическихсистемах посвящено большое количество работ [37 - 47]. Так как уравнения,описывающие даже изотермическое течение рабочей среды, нелинейны, ихрешение является нетривиальным и требует отдельного методологическогоподхода [39].
В общем виде для решения задачи потокораспределения впроизвольной ПС для каждого момента времени для каждого элементасистемы (таких как трубопроводы, каналы, клапана, компрессоры, насосы ит.д.) должны быть записаны уравнения сохранения импульса, неразрывности,энергии и уравнение состояния рабочей среды. Число уравнений, которыедолжны быть решены даже для малой системы, состоящей из несколькихэлементов, является достаточно большим, что делает процесс решениясистемы уравнений крайне трудоемким [32, 40].Однако, как отмечалось в работах [2, 38], канальные пневматическиесистемы подчиняются однотипным законам гидравлического сопротивленияи тепломассообмена.
Это позволяет рассматривать разветвленные ПС какединое целое с учетом всего оборудования [2, 39].Современное программное обеспечение (ПО) позволяет поддерживатьнормальную эксплуатацию инфраструктуры целых городов, при этомпозволяет сокращать потребление электроэнергии и эксплуатационных часовнасосного и компрессорного оборудования, совершать перераспределение17расходов, обнаруживать потери и прорывы трубопроводов в тракте имножество других сопутствующих и связанных с этим вопросов [14, 32, 35,48-51]. Однако в большинстве ПО превалирует отраслевой аспект, аматематические и физические особенности отходят на второй план, крометого, такое ПО является узкоспециализированным, не имеет возможностивнесения изменений в заложенные математические модели, а также требуетдорогостоящих лицензий.Поэтомуважнойиактуальнойзадачейявляетсясозданиематематических моделей и методов расчета, позволяющих проводитьисследования, необходимые для разработки оптимальной трассировки впроизвольной системе каналов с учетом особенностей нелинейностисопротивления на различных участках систем, теплообмена с внешнейсредой, а также переменными свойствами среды, удовлетворяющихсовременным требованиям науки и техники.1.2.
Современные методы расчета рабочих процессов, протекающих вразветвленных ПСКакотмечалосьвыше,канальныепневматическиесистемыподчиняются однотипным законам гидравлического сопротивления итепломассообмена. С учетом этого в общем случае моделью ПС можносчитать заданную совокупность «маршрутов» для движения газа, а самусистему (сеть) - совокупностью устройств и соединяющих их трубопроводов,закрытыхиоткрытыхканалов,осуществляющихтранспортировкусжимаемых и несжимаемых жидкостей (воздуха, газа, и др.) [2].При моделировании ПС рассматривается прежде всего как физическаямодель реальной системы или сети и, следовательно, как самостоятельныйобъект, который можно собрать и представить.
При этом под ПС понимаетсяисобственноматематическаямодель,включающаяследующиесоставляющие: расчетную схему системы, геометрически отображающую18конфигурацию (структуру) изучаемой системы и картину возможныхнаправлений, смешения и разделения потоков транспортируемой среды; атакжесовокупностьматематическихсоотношений,описывающихвзаимозависимость количественных характеристик элементов данной схемы,законы течения и распределения расходов, давлений и температуртранспортируемой среды по всем этим элементам и их изменение вовремени [2, 3].В общем виде представление произвольной ПС как системы каналов иузлов можно представить в виде следующей классификации [52-54]: открытые (простые); замкнутые (контурные, циклические); разветвленные.Открытой системой является система, которая обменивается веществомнепосредственно с внешней средой. Иными словами под простой ПСпонимается маршрут, составленный из конечной последовательности реберграфа и проходящий через его вершины.
Для ориентированного графа этосоответственно путь из последовательности дуг, в которой ни одна вершинане встречается дважды [2, 55-57].На Рис. 1.1 представлена открытая (простая) пневматическая система содним (Рис. 1.1а) и множеством потребителей (Рис. 1.1.б). Простейшаяоткрытая система представляется двумя узлами и гидравлической связьюмежду ними.
В качестве подобной системы может рассматриваться,например,компрессорсединичныморганизуется в замкнутую полость.отбором,выходизкоторого19а)б)Рис. 1.1. Открытая система: а) с одним отбором; б) со множеством отборовЗамкнутая же цепь называется контуром (циклом). Иными словами,закольцованная система представляет из себя систему, которая обмениваетсямассой с внешней средой, но при этом поток массы распределяется междувсеми каналами контура [2, 55-57].
На Рис. 1.2 представлены наиболеепростые схемы пневматически систем с наличием контуров − одноконтурная(Рис. 1.2а) и многоконтурная (Рис. 1.2б) [2, 38].а)б)Рис. 1.2. Схемы контурных пневматических система) одноконтурная схема; б) многоконтурная схема20Система со множеством контуров и ответвлений от них в виде простыхподсистемявляетсяразветвленнойсистемой.Разветвленнаясистемапредставляет собой наиболее общее описание произвольной ПС, состоящаяиз множества каналов, по которым происходит движение среды, и узлов, вкоторыхпроисходитгазотранспортныесетиперераспределениехарактеризуютсярасходов.Крупныепоследовательнымиипараллельными связями каналов, которые вместе чаще всего образуютконтура.
На Рис. 1.3 представлен участок газовой магистрали (Рис. 1.3а) и еесхема, нанесенная на карту местности (Рис. 1.3б). Задача определениярасходов по связям и напоров в узлах при наличии контуров представляетсобой сложную задачу, в общем случае не имеющей аналитического решения[2, 55-57].а)б)Рис. 1.3. Газовая магистраль: а) расчетная схема; б) схема, нанесеннаяна картуВ любой пневматической и газовой системе различают три ее основныесоставляющие (подсистемы) [2, 55-57]:211) источники давления или расхода (например, компрессорные илинасосныестанции,баки-ресиверы,различныеемкостиидр.),обеспечивающие притоки транспортируемой среды и привносящиеэнергию в систему;2) трубопроводную или пневматическую сеть (в виде совокупностивзаимосвязанных трубопроводов, воздухопроводов, открытых каналови имеющейся на участках арматуры), соединяющую источники сомножеством потребителей и доставляющую эту среду потребителям;3) подсистемы (потребители).При математическом моделировании все эти элементы находятсоответствующееотражениеврасчетнойсхеме:участкисистемы,включающие арматуру и другие местные сопротивления - в виде «каналов»(ветвей, связей); места расположения источников расходов (притоков) ипотребителей (стоков), а так же соединений каналов - в виде «полостей»(узлов, вершин); источники давления (иногда и расхода) могут относитьсякак к узлам, так и связям [2, 55-57].Среди параметров узлов и связей ПС различают [2, 55-57]: технические характеристики(диаметрытрубопроводов, размерысечений каналов, длины и гидравлические сопротивления каналов икоэффициенты расхода); параметры рабочей среды (расходы жидкости по длине каналов или вполостях (узлах), изменения давления и температуры на каналах),описывающие состояние системы в любом из ее режимов работы; граничные условия – варьируемые входные данные (величиныпритоков и нагрузок, допустимые диапазоны в значениях параметровсистемы).22На схемах ПС полости (узлы) обычно представляются точками(окружностями), а связи − соединяющими их отрезками.
При этом каждаяполостьчащевсегоявляетсяисточником/потребителем,вкоторомпроисходит подвод/сток массы, или имеет место объединение двух каналов.Для каждого канала заданы его геометрические параметры и коэффициентыгидравлического сопротивления всей имеющейся арматуры, расположеннойна данном участке [2, 55-57].Такимобразом,разработкаметодовипроведениечисленныхисследований является частью процесса проектирования по созданию новыхпневматических и газовых систем и их элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
