Акулов К.А. Теплообменные трубы аппаратов воздушного охлаждения с игольчатыми рёбрами.
Газ, как правило, охлаждают в аппаратах воздушного охлаждения (АВО), где он проходит через пучки оребрённых труб. АВО имеют ряд преимуществ перед другими типами теплообменных аппаратов: не требуют предварительной подготовки теплоносителей, надёжны в эксплуатации, экологически чисты, имеют простые схемы подключения. Для охлаждения газ проходит через пучки оребрённых труб, которые омываются воздухом, нагнетаемым вентилятором. Наиболее ответственным участком рекуператора является оребрённая труба, где непосредственно происходит теплообмен между газом и окружающей средой. В связи с тем, что теплоотдача от газа к трубе больше, чем от трубы к газу, площадь оребрения стараются сделать как можно больше. В АВО применяют поперечно-оребрённые теплообменные трубы со спирально-навивным и спирально-накатным оребрением. Методы изготовления этих труб постоянно совершенствуются, позволяя получать трубы с межрёберным расстоянием до 0,2 мм. Однако существует ряд недостатков присущих этим трубам. Известно, что уменьшение межрёберного расстояния приводит к резкому снижению в них скорости воздуха, и чем выше высота ребра, тем более низкая скорость. При достижении определённой высоты ребра скорость падает до нуля и образуются застойные зоны в межрёберном пространстве, что резко снижает теплообмен. Очевидно, что делать оребрение выше этой критической высоты нецелесообразно и бесполезно. По этой причине высота рёбер оребрённых труб теплообменных аппаратов не превышает 7 см., а для труб с шагом оребрения 0,2 мм не превышает 2 см. Другим существенным недостатком таких труб является высокая загрязняемость, опять же вызванная малым межрёберным расстоянием. Узкие щели способствуют быстрому накоплению пыли, удалить которую из них практически невозможно. Кроме того, для изготовления новейших образцов оребрённых труб используют дорогое импортное оборудование.
Данных недостатков в значительной степени можно избежать применением теплообменных труб с игольчатым оребрением. Иглы такой теплообменной трубы располагаются в поперечной плоскости под углом друг к другу, и при увеличении длинны ребра растёт и расстояние между ними. Поэтому такое оребрение может обладать значительной высотой ребра без образования застойных зон и загрязняемость таких труб будет значительно ниже. Игольчато-оребрённые теплообменные трубы, как показывают исследования, достойны применения в теплообменных аппаратах и имеют неплохие теплотехнические характеристики. Однако, такого рода теплообменные трубы изготовить сложнее, и в серийном производстве по стоимости они уступают поперечно-оребрённым трубам. Сделать производство таких труб выгодным может лишь улучшение их теплообменных характеристик. Если в качестве игл для оребрения использовать не металлические цилиндры, а тепловые трубы то это заметно интенсифицирует теплообмен. Тепловая труба представляет собой полый цилиндр с жидкостью внутри. К одному концу цилиндра подводится тепло, другой интенсивно охлаждается. При нагреве жидкость испаряется и конденсируется в зоне охлаждения, далее жидкость за счёт капиллярных сил перемещается в зону испарения по канавкам в корпусе или через пористый фитиль. Перенос тепла осуществляется путем переноса массы теплоносителя. Теплопроводность тепловой трубы в сотни раз больше чем у куска меди одинаковой геометрии. Игольчато-оребрённые теплообменные трубы с рёбрами из тепловых труб способны составить достойную конкуренцию классическим поперечно-оребрённым трубам.
Научный руководитель: Земенков Ю.Д., профессор, д.т.н.
Земенкова М.Ю. Экспертные оценки сохраняемости объектов трубопроводного транспорта. Проблема обеспечения надежности и безопасности крупных энергетических систем в настоящее время является особенно актуальной. Одновременно с прогрессом в области информационных технологий, возрастают требования к надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта, обоснованные не только экономическими, но и экологическими и социальными факторами.
Анализ существующих публикаций и нормативно-технической документации позволяет утверждать, что в настоящее время задача оценки и исследования надежности объекта в существующих методах расчета риска пока является не решенной. Возникла необходимость разработки системы контроля надежности, позволяющей однозначно и корректно дать комплексную количественную оценку для конкретного опасного промышленного объекта. Современные системы, многие из которых эксплуатируются не в нормальный период, а период старения, требуют применения более сложных моделей, для которых необходимо осуществлять прогнозирование надежности, учитывая при этом переменные интенсивности отказов, и применять наиболее гибкие функции распределения, например, такие как распределение Вейбулла, гамма-распределение и др.
В ТюмГНГУ разработана методика оценки и прогнозирования показателей сохраняемости системы, основанная на теории полумарковских процессов и теории графов с применением дифференциального метода оценки качества системы. Мониторинг показателей сохраняемости позволяет контролировать изменение качества системы, определяющего надежность функционирования, оценить их влияние на надежность объектов в перспективе. Предлагаемый комплекс показателей позволяет проводить оценку с учетом особенностей технологии трубопроводного транспорта, структурных особенностей сложных объектов, фактора резервирования, свойств перекачиваемого продукта, условий прохождения трассы трубопровода, сроков и условий эксплуатации и т.д. Анализ систем (подсистем) с использованием подробных графов и математического аппарата теории вероятности позволяет осуществлять прогнозирование состояния системы в будущем на основании данных паспортизации с учетом изменения параметров и характеристик системы в режиме реального времени.
рассматривая систему нефтепроводов как объект управления, а процесс эксплуатации - как эволюцию объекта, определяемую семейством полумарковских матриц, представляется возможным решить задачу оптимизации управления. В качестве критериев эффективности от управления могут быть использованы различные параметры, определяющие безопасность и надежность системы.
Например, в качестве одного из показателей надежности предлагается ввести понятие коэффициента гидравлической надежности Jн, характеризующего способность системы сохранять гидравлические параметры в заданных пределах. Разработанное программное обеспечение модели апробировано по данным диспетчерских служб реально-действующих нефтепроводов Западной Сибири и повышает точность проводимых расчетов.
Предлагаемая модель мониторинга надежности, встроенная в АСУ ТП, позволяет сканировать развитие показателей надежности объектов и получать устойчивые экспертные оценки функциональной надежности по зарегистрированному блоку диспетчерских данных в режиме реального времени. Разработанная методика может быть использована научно-исследовательскими и проектными институтами, надзорными организациям, при выборе комплекса технических средств для производства диагностических и ППР, при декларировании безопасности предприятий.
Научный руководитель: Шабаров А.Б., д.т.н., профессор.
Левитин Р.Е. О повышении безопасности при эксплуатации резервуарных парков. Потери парогазового пространства резервуарных парков это не только убыль части объёма нефтепродуктов, но и увеличение взрывоопасности объекта хранения.
При сливно-наливных операциях на перевалочных нефтебазах потери парогазовой смеси происходят на трех основных этапах:
из резервуаров при их заполнении. Это потери связанные с вытеснением насыщенного газового пространства резервуаров во время их заполнения;
из резервуаров во время хранения от малых дыханий. Вызванные суточным градиентом температуры и давления;
от обратного выдоха. Это потери вызванные увеличением концентрации во вновь вовлеченные воздушные массы.
Пары углеводородов улавливаются путем применения газовой обвязки резервуарного парка. С одной стороны её применение является обоснованным. Пары углеводородов образовавшиеся в результате проведения технологических операции не выбрасываются в атмосферу а сбрасываются в соседний резервуар. И так происходит до состояния превышения давления в группе резервуаров соединенных одной газоуравнительной системой. Конечно, группа резервуаров обладает большим, по сравнению с единичным резервуаром, запасом газового объёма. А газ высоким коэффицентом сжимаемости. И таким образом существует такой объём резервуарного парка, что при стандартном давлении срабатывания дыхательной арматуры, возможно полное поглощение выдоха за счет увеличения давления в системе резервуаров. Помимо подобных операции существуют еще и операции с совпадением циклов закачки-откачки. Тем не менее, объёмы парогазовой смеси большие и по данным исследований резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов совместно с дыхательной арматурой обладают высоким значением эквивалентной негерметичности. При всем при этом очевидно, что вероятность возникновения негерметичности в системе резервуаров значительно выше, чем в отдельно взятом резервуаре. А возникшая негерметичность, эквивалентная диаметру 1 см менее чем за 1 неделю хранения углеводородов, приведет эффективность работы дыхательной арматуры к нулю. И наконец применение газоуравнительных систем значительно снижает взрывобезопасность резервуарного парка. Во время пожара действия пожарных бригад направлены на локализацию горящего резервуара. Если резервуар оборудован газоуравнительной системой, то нагретые массы парогазовой смеси в первую очередь стремятся по каналам газоуравнительной системы вырваться из резервуара. И тем самым привести к пожару в другом резервуаре, возможно даже находящемся на значительном удалении от источника огня. Единственная защита это перекрывающая задвижка находящаяся в каре горящего резервуара. А ее отключение осуществляется в ручном режиме. Что во время пожара представляется крайне сложной операцией.
В связи с тем, что использование газоуравнительных систем не всегда эффективно, и, кроме того, повышает пожарную опасность. Необходимо после ввода в эксплуатацию резервуара производить его испытание не гидравлическим способом, а пневматическим. Таким образом, будет произведена оценка не только состояния днища и стенок резервуара, но и состояния кровли. В процессе эксплуатации резервуаров, оценивать изменения герметичности. Для этого по графикам падения давления паровоздушной смеси в газоуравнительной системе устанавливать размеры и места негерметичностей.
В связи с тем, что подобные системы обладают рядом существенных недостатков. На этапах проектирования и строительства новых резервуарных парков необходимо техническое обоснование подобных проектных решений.
Научный руководитель: Земенков Ю.Д., д.т.н., профессор.
Трясцин Р.А. Решение оптимизационных задач при перекачке смесей высоковязких нефтей и маловязких углеводородных разбавителей. В течение последних двух десятилетий в России наблюдается тенденция ухудшения состояния сырьевой базы нефтяной промышленности. Это связано в основном со значительной выработкой многих высокопродуктивных месторождений. При этом, в соответствии с энергетической стратегией России, объемы добычи и экспорта нефти должны возрастать ежегодно, и к 2010 году составят 570-600 млн. т. Естественно, что в такой ситуации возникает необходимость ввода в эксплуатацию низкорентабельных месторождений. К таковым можно отнести месторождения с низкопроницаемыми коллекторами, залежи на больших глубинах, а также месторождения высоковязких нефтей. Последние представляют особый интерес, поскольку ресурсы высоковязких нефтей, вследствие их незначительной выработки являются фактически неиспользованными энергетическими ресурсами. Балансовые запасы высоковязких нефтей России оцениваются Счетной Палатой в 7,2 млрд. т. При этом значительная их часть (3142 млн. т) залегает на территории Крайнего Севера Тюменской области.
Комплексный анализ известных технологий трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей, распределения запасов углеводородного сырья, а также климатических и геокриологических условий, позволяет предложить для транспорта высокосмолистых нефтей месторождений Крайнего Севера Тюменской области технологию перекачки в смеси с газоконденсатом.
При эксплуатации трубопроводов для перекачки нефтеконденсатных смесей может возникнуть задача выбора концентрации разбавителя обеспечивающего оптимальные показатели транспорта. Например, добавление разбавителя двояко влияет на напор, необходимый для перекачки. С одной стороны, потребный напор уменьшается за счет уменьшения вязкости, с другой – увеличивается за счет увеличения расхода жидкости, перекачиваемой по трубопроводу. Следовательно, возможна такая добавка разбавителя, при которой необходимый для перекачки напор будет минимальным. Для нахождения минимума потерь напора на трение при перекачке заданного количества вязкой нефти по трубопроводу заданного диаметра и длины была разработана зависимость
 ,
где QН – расход трубопровода по высоковязкой нефти, м3/с; μСМ – динамическая вязкость смеси, Па∙с; С – концентрация разбавителя, доли ед.; ρН, ρР – плотность нефти и смеси соответственно, β, т – коэффициенты режима течения в уравнении Лейбензона; D – диаметр трубопровода, м; L – длина трубопровода, м.
З ависимость потерь напора на трение от температуры и концентрации разбавителя для трубопровода диаметром 800 мм, длиной 50 км с расходом нефти 1 м3/с представлена на рис.
Научный руководитель: Земенков Ю.Д., д.т.н., профессор.
Рис. Зависимость потерь напора для смеси высоковязкой нефти Русского месторождения
и стабильного конденсата Уренгойского месторождения
Бабичев Д.А., Шарипов Э.А. Моделирование профиля гибкой оболочки резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов. Одним из основных факторов повышения эффективности работы предприятий добычи, хранения и транспорта нефти и нефтепродуктов, а также обеспечения защиты окружающей среды от загрязнений является сокращение потерь нефти и нефтепродуктов при транспортировке, хранении и проведении технологических операций. Одним из решений озвученной проблемы является разработка конструкции резервуара, существенно сокращающей потери ЛФУ при проведении основных технологических операций. Такая конструкция описана в работах [1, 3, 4]. Основным рабочим органом резервуара является гибкая оболочка. Для определения профиля гибкой оболочки с нефтью, а также нагрузок, действующих на нее, была разработана программа, в основу которой положена принципиально новая методика определения деформирующих нагрузок, действующих на гибкую цилиндрическую оболочку.
Основная расчетная зависимость радиуса кривизны оболочки от давлений и сил, действующих на нее для плавающего конечного элемента, выглядит следующим образом:
 (1),
где Rкрив – радиус кривизны оболочки, м;
Т – удельное усилие растяжения в расчетной точке, МН/м;
Рвн – давление внутри трубы в расчетной точке, МПа;
Рсн – давление снаружи трубы в расчетной точке, МПа;
Внутреннее давление в расчетной точке гибкой оболочки будет зависеть от того, в каком слое хранимого продукта находится расчетная точка.
Наибольшее влияние на радиус кривизны будут оказывать наружное (РСН) и внутреннее (РВН) давления, а также удельное усилие растяжения в расчетной точке (Т).
Главная особенность построенной математической модели гибкой оболочки – необходимость итерационных вычислений с целью получения гладкого замкнутого профиля оболочки.
Программа предназначена для определения профиля гибкой оболочки, находящейся под нагрузкой, содержащей до трех разнофазных сред внутри и имеющей до трех разнофазных сред снаружи, а также для определения нагрузок, действующих на нее.
Литература
Резервуар для хранения нефти под повышенным давлением. Тезисы докл. Новые технологии – нефтегазовому региону: Материалы 4-ой региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых/ Отв. редактор И.М. Ковенский. – Тюмень «Вектор-Бук», 2005.
Абузова Ф. Ф., Бронштейн И. С., Новоселов В.Ф. и др. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении. - М.: Недра, 1981.
Динамические нагрузки резервуаров переменного объема систем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. Статья. Проблемы трубопроводного транспорта нефти: Конкурс молодежи ОАО «АК «Транснефть» на лучшую научно-техническую разработку. Победители I отборочного тура ОАО «Сибнефтепровод», 2005 год - Тюмень: Феликс, 2005.
Резервуар для хранения нефти и нефтепродуктов под повышенным давлением. Тезисы докл. Интерстроймех-2005: Материалы международной научно- технической конференции / Отв. редактор –Ш.М. Мерданов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005.
Пимнев А.Л., Михайлов С.Ю. Анализ несовершенства геометрической формы РВС по результатам диагностики. Для анализа несовершенства геометрической формы РВС были использованы материалы измерений отклонений образующих стенки 98 резервуаров, эксплуатируемых в ОАО «Сибнефтепровод» и ОАО «Самотлорнефтегаз»; была проанализирована геометрическая форма стенки РВС по результатам технических диагностирований, проведенных в период с 1999 по 2004 годы. Произведены измерения более 1500 отклонений образующих стенки от вертикали.
В соответствии с критерием согласия Пирсона произведена проверка соответствия распределения случайной величины отклонений образующих стенки, нормальному закону распределения.
Установлено, что величина отклонений образующих стенки подчиняется нормальному закону распределения.
Проведен анализ распределений значений отклонений образующих стенки РВС по поясам, который показал, что вероятность возникновения недопустимых отклонений различна на разных уровнях.
Была проанализирована зависимость вероятности возникновения недопустимых отклонений от места измерений, установлено, что максимальная вероятность соответствует уровню первого пояса и составляет 43 %, затем она постепенно снижается, достигая минимума на уровне 6-7 поясов (18 %), и вновь возрастает на уровне 8 пояса до 22 %.
Получены пределы изменения значений отклонений образующих стенки. Вероятность попадания величины отклонений образующих стенки в область, ограниченную этими кривыми равняется 100 %, т. е.  . Соединив между собой точки кривых с накопленными частостями  0,1 и 0,9; 0,2 и 0,8; 0,3 и 0,7; 0,4 и 0,6 получены области с вероятностью попадания в них значений отклонений образующих стенки соответственно равные: Р = 0,8; 0,6; 0,4; 0,2. Таким образом, получается график распределения величин отклонений образующих стенки резервуара, в зависимости от вместимости резервуара.
Анализируя кривые распределения величин отклонений образующих стенки можно говорить о том, что средняя линия, вокруг которой происходит вариация значений отклонений образующих стенки, не находится в вертикальной плоскости, проходящей через наружную поверхность цилиндрической оболочки, а выступает наружу резервуара.
Бабичев Д.А. Создание мультимедийного методического материала в системе MS Excel с использованием 2D графики для обучения инженеров транспортных специальностей. Говорят, что человек более чем 90% информации воспринимает глазами. Поэтому, графическое представление информации при компьютерных расчетах – дело первостепенной важности. При этом графика должна быть наглядной, понятной и интуитивно просто управляемой.
Excel – табличный процессор. Его графика основана, главным образом, на многочисленных статистических диаграммах, ориентированных прежде всего, на экономические и иные гуманитарные расчеты. Анимационные возможности MS Excel реализуются лишь при использовании встроенной в MS Office системы программирования на языке Basic: системы Visual Basic for Application.
VBA позволяет создавать и работать с тремя видами графики:
Вид 1. Статическая и динамическая графика, реализуемая в графических полях, в формах открываемых на мониторе. Возможности такой графики практически не ограничены: можно использовать все типовые геометрические преимущества, а также современные библиотеки и системы 2D и 3D графики.
Вид 2. Статическая 2D графика на листах Excel, основанная на типовых геометрических примитивах: отрезок прямой, дуга эллипса, сектор эллипса, прямоугольник, надпись и др. При этом изображение получают с соблюдением заданных размеров.
Вид 3. Динамическая графика, основанная на использовании Excel диаграмм. Из многочисленных видов диаграмм, имеющихся в Excel, для изображения реальных геометрических объектов (деталей, узлов, механизмов и т.д.) подходит лишь одна – точечная. Которая обладает весьма ограниченными возможностями (в ней можно использовать лишь четыре геометрических примитивов: точку, ломаную линию, сплайн и надпись). И имеющая массу недостатков при отображении реальных геометрических объектов: масштабы по осям X и Yразличны и трудно управляемы поэтому вместо окружностей видим эллипсы; если, масштабы выбираются в автоматическом режиме, то при анимации масштабы изменяются и изображение дергается; если задавать диапазоны изображения по осям – много времени пользователя тратится на согласование масштабов (по осям X и Y), что приходится делать каждый раз при изменении какого-либо размера реального геометрического объекта; в Excel отсутствуют инструменты, позволяющие: а) просто и быстро смещать изображение в окне точечной диаграммы; б) увеличивать и уменьшать масштаб вообще, и с сохранением одинаковости масштабов по осям X и Y в частности.
Названные недостатки по сути свидетельствуют о том, что в Excel не хватает еще одного вида диаграмм – «Чертеж» и современных инструментов для работы с такой диаграммой. Была поставлена задача:
Разработать для системы Excel прототип диаграммы «Чертеж»;
Составить обоснованный набор инструментов для работы с такой диаграммой;
Выполнить программную реализацию набора инструментов;
Отработать интерфейс пользователя;
Изыскать способы реализации в Excel диаграммы «Чертеж» с набором инструментов, при которых не нарушается лицензионное соглашение о использовании системы Excel.
На первом этапе решения поставленной задачи считаем завершенным:
Определен набор инструментов для работы с диаграммой «Чертеж»;
Выполнена программная реализация основных инструментов этого набора.
Научный руководитель: Серебренников А.А.., заведующий кафедрой МСП, д.т.н.
|
