计算工况（共6篇）
计算工况 篇1
摘要：列出了水泵的特性曲线拟合方程,给出了热媒在管网中流动的节点方程、回路方程及阻力方程,通过算例对热水网路水力工况进行了计算分析,可为解决实际热水网路中热用户失调的问题提供参考。
关键词：热水网路,水力工况,拟合方程,水泵
设计热水网路时是用已知的用户热负荷去确定各管段的管径、阻力损失以及网路的总阻力损失,选择循环水泵的扬程。分析和计算热水网路的水力工况时正好相反,是对已经设计完毕的或需要改扩建的热网,在已知循环水泵的型号以及各管段的管径时,来确定各管段和热用户的流量。将水泵和网路的特性方程联立求解可以定量和定性解决这一问题。
1 水泵的特性曲线拟合方程
水泵为网路提高能量,是热媒循环的动力。大型网路中可能有循环水泵、中继泵、加压泵等多组水泵。需对其流量—扬程曲线进行拟合,一般可用下式表示:
Hp=f(G) (1)
其中,Hp为水泵扬程;f(G)为拟合得到的水泵性能特性曲线公式。
文中采用最小二乘拟合水泵特性曲线。该方法可使拟合误差达到最小值,并且该解析式给用矩阵方程分析网路水力工况分析提供了基本条件。大多数离心泵的G—H关系曲线如图1所示,若图1中1,2之间的曲线为水泵的高效段,可用下式来近似描绘:
Hp=Hx-SxG2 (2)
其中,Hp为水泵的虚总扬程,mH2O;Sx为水泵的虚阻耗系数,s2/m2;G为水泵的总流量,m3/s。采用最小二乘原理的Sx与Hx计算式如下:
2 描绘管路的方程
2.1 节点方程
节点方程就是节点流量连续性方程,即连接于任何节点的所有管段流量的代数和为0。可用以下矩阵表示:
AG=Q (3)
其中,A为管网图的基本关联矩阵;G为管段的流量矩阵,G=(G1,G2,…,Gi,…,GN)T,Gi为管段i的流量;Q为节点的流量矩阵,Q=(Q1,Q2,…,Qi,…,QN)T,Qi为节点i的流量,文中取Q=0。
2.2 回路方程
回路方程就是能量方程或环方程,即每个环的水头损失闭合差为0,写成矩阵的形式即为:
BΔH=0 (4)
其中,B为管网图的基本回路矩阵;ΔH为管段阻力损失,ΔH=(ΔH1,ΔH2,…,ΔHi,…,ΔHN)T,ΔHi为管段i的阻力损失;0为0向量,即0=(0,0,…,0)T。
2.3 阻力方程
管段流量G与阻力损失ΔH之间的关系可用下式表示:
ΔH=SG2-Hp (5)
其中,S为阻力数,它与管材、管长、管径以及产生局部阻力损失的管路附件有关;G为管段的流量;Hp为水泵扬程。
当管段中有水泵时,水泵作为一个负阻力损失,管路无水泵时,Hp=0。
3 热水网路水力工况计算与分析的算例
3.1 用矩阵方程组求水泵与网路自然交汇工作点
图2为六个热用户的供热系统,其管段b和节点n编号如图2所示。分支节点编号为1,2,3,…,11;管段编号为b1,b2,…,b16,其中管段b1由两部分组成,即br+b1(br代表热源内管段,b1代表热源出口到节点1管段);相应的各管面流量编号为Gb1,Gb2,…,Gb16,各管段的压降编号为ΔHb1,ΔHb2,…,ΔHb16,其中管段b1的压降由两部分组成,即ΔHr+ΔHb1;系统循环水泵的扬程为Hp,管段阻力系数编号为Sb1,Sb2,…,Sb16。各管段的水流方向如图2所示。此热水网路的设计数据为:循环;型号为12sh-6A,设计工况运行时各热用户的流量为100 m3/h,各热用户的资用压头为10 mH2O,各段供、回水干管管段的阻力损失为5 mH2O。其总阻力损失为80 mH2O,由此可得出各管段的阻力数。
利用上面的公式可列出图2中热水网路系统水力工况数学模型。其中数学模型中流量矩阵G及管段阻力数矩阵S为对角阵,关联矩阵A=(aij)、基本回路矩阵B=(bkj)如下:
其中,
阻力损失向量ΔH为:
ΔH=(ΔH1,ΔH2,ΔH3,…,ΔH16)T。
管段水泵扬程向量为:Hp=(Hp,0,…,0)T。
系统中管段br有循环水泵,根据其特性曲线拟合的方程为:
现假定初始流量为30 m3/h,代入方程中进行逼近,直到泵的流量误差小于1 m3/h。采用基本回路法对该热网进行的计算结果经过十次迭代最后得到水泵工作点的流量为614.9 m3/h,扬程为84.4 mH2O。
如果要严格调节到设计工况,流量为600 m3/h,将其流量代入水泵拟合方程知,其扬程为:Hp=96.3-406.1(600/3 600)2=85 mH2O,水泵工作点移动。而管路各部分的阻力损失之和为80.5 mH2O,即水泵和阀门需关小,消耗剩余压头为85-80.5=4.5 mH2O,即热源损失由10.5 mH2O增加到15 mH2O,对应的阻力数S′=150 000/6002=0.417 Ps(m3/h)2,这两部分损失之差为水泵出口阀门节流损失。
3.2 各种实际水力工况的计算与分析
3.2.1 循环水泵出口阀门节流
循环水泵设在热源,循环水泵出口阀门节流相当于热源内部阻力损失增加,即热源阻力数增加,网路的内部阻力数增大,水泵的扬程由于总阻力数的增加而略有增加,总流量减小。若此阀门节流使热源的阻力数增大到设计工况时的1.43倍,由程序计算得出其变动后的数值见表1。
计算得出,此种工况循环水泵的扬程为85.7 mH2O,总流量为580.2 m3/h,热源损失为20.1 mH2O,水泵出口测压管水头为125.7 mH2O,热源出口测压管水头为105.6 mH2O。由于热用户与网路干管的阻力特性值没有改变,各用户的流量按同一比例减小,热水网路产生一致等比失调;各热用户的资用压头也按同一比例减小,表1中给出的结果反映了这一规律。
3.2.2 供、回水干管堵塞
管道堵塞主要出现在小区建成年代很久且水质硬度比较大但热网球处理不佳或不进行水处理的地区,特别是直接取用地水的城市小区,管道结垢堵塞的现象更加普遍。在供热期间,当供热系统中干线上管路阻塞时,会大范围降低供热质量。若设供水干管的第4个管段堵塞时,相当于此管段的总阻力数为无穷大,此种工况的总阻力数比正常工况时的总阻力数要更大。水泵的扬程将会变大,总的循环流量减小。
此外由计算得出,此种工况循环水泵的扬程为91.7 mH2O,总流量为381.3 m3/h,热源损失为6 mH2O,水泵出口测压管水头为131.7 mH2O,热源出口测压管水头为125.7 mH2O。同时当供水干管的第4个管段堵塞而恒压点在循环泵的入口处时,因堵塞后循环水泵扬程增加,堵塞后的管段水流停止。同时由于堵塞点前的热用户流量增大,水力失调度大。而且堵塞越靠前端,总阻力数的增大就越多,在堵塞点前的热用户上流量增大越多,水力失调就越严重。
若设回水干管的第4个管段堵塞而恒压点在循环泵的入口处时,因堵塞后循环水泵扬程增加。
由计算得出,在此种工况循环水泵的扬程为91.7 mH2O,总流量381.3 m3/h,热源损失为6 mH2O,水泵出口测压管水头为131.7 mH2O,热源出口测压管水头为125.7 mH2O。堵塞后的管段水流停止,而压力远远超过静压线值,在这种情况下,可能造成末端热用户散热器大量破裂的事故,此种情况必须严防发生。同时由于堵塞点前的热用户流量增大,水力失调度大。而且堵塞越靠前端,总阻力数的增大就越多,在堵塞点前热用户上的流量增加就越多,水力失调就越严重。
以上仅给出了循环水泵出口阀门节流与供、回水干管堵塞而造成水力工况变化。对实际管网可能发生的供、回水干管阀门节流、干管和热用户阀门开度增大或减小、用户堵塞、供、回水干线设中继泵、系统或用户设混水泵等其他工况均由可计算程序算出,并显示其相应工况的水压图,在这里不一一给出。
4 结语
用图论与矩阵理论不仅能解决热水网路的设计计算问题,而且能很好地用于水力工况的分析计算和显示相应工况的水压图。对分析新建、改扩建管网,研究实际管网中可能发生的运行工况都有价值,并且可为解决实际热水网路中热用户失调的问题提供一定的参考。所编软件界面友好、操作简便,作为研究热水网路水力工况的教学软件得到了很好的效果。
参考文献
[1]李莉,刘中良,员东照.热水供热管网的水力工况及失调分析[J].山西建筑,2005,31(19):155-156.
[2]周亚萍.浅谈集中供热管网的设计[J].山西建筑,2007,33(6):198-199.
特殊工况安全阀泄放量的计算 篇2
1火灾工况下设备带隔热层的计算方法
火灾工况是一个很常见的工况,国内一般使用下面两个公式计算安全阀的泄放量[1] :
设备不带隔热层:
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式中:W——压力容器安全泄放量,kg/h;
F——泄放减低系数;
A——容器受热湿表面积,m2;
q——液体在泄压工况时的汽化潜热,kJ/kg。
设备有完善的绝热保温层:
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式中:W——火灾工况时安全阀泄放量,kg/h;
t——泄压工况时被泄放液体的饱和温度,℃;
λ——常温下绝热材料的导热系数, kJ/(m·h·℃);
A——容器受热湿表面积,m2;
δ——保温层厚度,m;
q——液体在泄压工况时的汽化潜热,kJ/kg。
由于装置规模的大型化,容器尺寸也越来越大。如果使用公式(1)来计算,泄放量很大,相应的火炬管线和火炬也要加大,投资很大。如果使用公式(2)来计算,则泄放量有时只相当于公式(1)计算值的1%。但是,对公式(2)使用的前提“设备带有完善的绝热保温层”,目前国内的标准或规范尚没有确切的定义,也就是说,如何使用公式(2),并不明确。所以在设计时,使用起来没有把握,不敢采用。
根据API 521,对于有隔热层的设备,火灾发生时,隔热层可以减少热量的输入,因此可采用隔热系统允许的减低系数(F)来计算[2]。计算的约束条件是:隔热材料在900 ℃的温度下,能耐受2 h,不会被烧毁脱落;在消防水的冲击下也不会脱落;外保护层和捆扎材料最好选用不锈钢材质等。
隔热的减低系数的计算公式为:
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式中:F——减低系数;
Tf——泄压工况时被泄放液体的饱和温度,℃;
λ1——绝热材料在904 ℃和泄放条件下的平均导热系数, W/(m·K);
δ——保温层厚度,m。
计算出F后,代入式(1)可得:
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根据公式(4)可得到有隔热层时安全阀的泄放量,这个泄放量是较为合理和可信的。
经过多次计算发现,公式(2)和公式(4)的计算结果相差不大。
以正丁烷罐为例,假设保温厚度是70 mm,泄放温度是100 ℃,湿表面积是100 m2,汽化热是258 kJ/kg,保温材料是玻璃棉,20 ℃时的导热系数是 0.046 4 W/(m·K),即0.167 kJ/(m·h·℃),100 ℃时的导热系数是 0.06 W/(m·K),904 ℃时的导热系数是 0.197 W/(m·K)。
公式(1)计算出的泄放量是43 144 kg/h(F=1),公式(2)计算出的泄放量是579 kg/h,公式(4)计算出的泄放量是956 kg/h。设计中采用泄放量956 kg/h,既有把握,又不会导致火炬和火炬管线加大太多。
2火灾工况下,容器为非湿润表面(干表面)的计算方法
非湿润表面(干表面)容器指的是容器内介质是气体、蒸汽或超临界流体,或者不管内部装有何种流体,但内壁有隔热作用的容器(设计装有内隔热层或由于焦炭或其他物质沉积)。包括容器内介质在操作情况下是气液两相,但在泄放时成为单相(临界点以上)。
在外部火灾工况时,由于从器壁向流体传递的热量有限,火焰在很短时间内就可将外部表面金属加热到足以使材料软化发生破坏的温度。25.4 mm的钢板暴露于明火时,大约12 min就可达到593 ℃[2]。
API 521中给出了此工况的计算公式,经过单位换算后如下:
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式中:W——火灾工况时安全阀泄放量,kg/h;
P1——安全阀的泄放压力(绝压),MPa;
M——气体或蒸汽的分子量;
A——容器受热表面积,m2;
Tw——设备的壁温,K;对普通碳钢板材,API推荐的最大容器壁温为593 ℃
T1——安全阀入口介质泄放温度,K。
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Tn——气体正常操作温度,K;
Pn——气体正常操作压力(绝压),MPa;
可是,使用公式(5),经常会遇到问题。
举个例子,普通碳钢的气体储罐,操作温度20 ℃,操作压力0.1 MPa(绝压),安全阀定压是0.35 MPa(绝压),计算出来的泄放温度是752.5 ℃,代入公式(5),就会得到负值。再举个极端的例子,如果计算出来的泄放温度是593 ℃,这个公式的计算结果是0,显然不能用公式(5)来计算安全阀的泄放量。
这样的例子很多,分析其原因,是由于公式(5)是以理想气体定律为基础推导出来的,推导时假设容器没有隔热,容器壁温达不到破裂应力,泄放温度不发生变化。也就是说,公式(5)的使用是有很严格的限制条件的。
根据经验,在设计中如果要进行精确的计算,需要进行动态分析。实际上,在安全阀排放时,容器的壁温和容器内气体的温度是不断增加的,压力泄放是一个不稳定的状态,而且在很多情况下,安全阀尚未达到开启压力,容器就己经被破坏了。所以在此工况下,安装安全阀起不到保护设备的作用,应采取其它的措施,如水喷淋、减压、防火等,这些措施可以给操作者赢得处理问题的时间,达到安全生产的目的。
3结论
(1)火灾工况下,设备带隔热层,GB150中的
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计算公式过于简化,而且使用场所不确切,此时可采用隔热的减低系数来计算泄放量。
(2)火灾工况下,容器为非湿润表面时,API
521提供的公式的适用范围有严格的限制,在有些工况下,安全阀起不到保护设备的目的,应采取其它措施,以保证安全生产。
参考文献
[1]GB150-2011.钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社.
计算工况 篇3
1 工程简介
某水库工程等别为四等,属小(Ⅰ)型水库。水库总库容628万m3,集水面积17.0 km2,兴利库容为350万m3,死库容40万m3,汛限水位为17.5 m。水库防洪标准按平原地区确定,并经调洪演算:10年一遇设计水位17.97 m,设计泄洪流量72.9 m3/s;50年一遇校核洪水位18.29 m,设计泄洪流量89.0 m3/s。
根据工程设计,水闸采用3孔露顶式闸室、筏式底板结构,单孔净宽5.0 m,底板面高程为15.5 m,下游近闸侧河底高程15.0 m,并逐渐降至12.7 m。由于末端汇流河道水位相对低,泄洪闸下游河床常年处于无水状态。
2 消能计算
2.1 消能工况
由于下游河道无水,闸门开启过大,会形成较大过闸流量,单宽流量较大,且下游无水垫层,极易造成下游冲刷,因此闸门需分级开启,以减小过闸单宽流量,取得较好消能效果,同时降低消能设施成本。本工程结合水库调度原则,确定消能工况如下表1。
2.2 消能设计
根据《水闸设计规范》附录B消能计算公式:消力池深度:
由上述公式可知,消能工况下游水深hs'为较小或0 m时,水流出池落差△Z较大,甚至无法计算。就本工程而言,下游水深为0 m,在起调工况下无法进行消能计算。水闸设计人员往往根据经验,确定合适的闸门分级开启度,控制单宽流量,并设定相对较大的池深,同时验算其他工况是否满足要求,从而给水库起调消能留下不确定因素,也给水库运行调度提出了较高要求。
根据水力学非恒定流理论,针对水库起调时下游无水情况,闸门开启时,作者认为水流流经挖深式消力池末端尾坎时,水流必会壅高并形成足够的堰顶水头H0'及堰顶水深H',以满足坎顶过流要求,因此消力池内将会形成厚度为H'+d的水垫层,由此在设计水跃长度范围内(小于消力池长度),下游河床水深hs'即等于H'加消力池池深d,而不等于0。
消力池末端尾坎在水力条件上视同宽顶堰,堰顶通过消能流量时,必须具有足够的堰顶水头,存在相应的堰顶水位。初始状态时下游河道无水,堰顶呈自由泄流情况,由此认为以宽顶堰自由泄流流量公式计算消力池末端在消能过闸流量情况下所必须的堰顶水头,并换算成相应水位作为水闸消能下游水位较为合理,算例计算如下。
宽顶堰流量计算公式:
式中c———上游堰坡影响系数,1.0;
σ———淹没系数,1.0;
m———流量系数,0.385;;
ξ———侧收缩系数,1.0;
H0———堰顶总水头
B———堰顶总宽,消力池末端宽度20.5 m;
Q———过堰流量,36 m3/s。
以上参数取值为工程起调工况为例,经计算消力池尾坎堰顶水头H0为1.02 m。由于过闸流量Q已确定,即可通过试算确定过水断面水深—流速—流量关系。根据河道流量一般公式和总水头计算公式:
联立式(3)和式(4),试算求解流速v及尾坎顶水深H',v=2.56 m/s,H'=0.69 m。因此本工程起调消能工况实际下游水深为0.69 m,即可代入公式(1)进行消能计算,由此可计算出起调工况下计算消力池深为0.37 m。再结合设计洪水工况、校核洪水工况消能计算结果,确定本工程实际消力池池深取值0.5 m,即可满足闸下消能要求。
3 结语
以上为水闸在下游无水工况下开闸过流时的消能计算实例,也适用于下游水深较小而导致水流出池落差较大的情况。
摘要：消能设计是水工建筑物设计的重要工作之一,消能计算通常根据《水闸设计规范》编列公式计算。但当下游无水或水深非常小的情况下,消能公式无法计算或水流出池落差过大而导致计算不准确、不可靠。根据江苏省某小水库除险加固溢洪闸改建工程实例,针对下游无水情况采用消力池尾坎堰流方式进行了消能计算分析,提出一种下游无水情况下消能计算的方法。
关键词：消能计算,下游无水,尾坎堰流
参考文献
[1]中华人民共和国水利部.SL265—2001水闸设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2001
计算工况 篇4
鹳河是丹江左岸较大的一条支流, 发源于栾川县伏牛山北麓, 自北向南流经栾川、西峡、淅川三县, 在淅川县境金河镇汇入丹江干流。鹳河在淅川县境内全长40.9km, 流域面积681.5km2, 河道比降在1/300~1/600之间, 河道宽250~800m。
本次鹳河治理工程贯彻“全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理”的原则, 以防洪为主, 绿化、美化与亲水、近水并重, 兼顾水资源综合利用, 采用工程措施与非工程措施相结合进行治理。治理区域位于淅川县鹳河城区段, 下游18km处汇入丹江, 丹江口水库大坝加高蓄水后对该河段有淹没影响, 在推求河道水面线时要充分考虑丹江口水库各级水位的影响。
2 设计洪水标准及流量
预测到2020年, 淅川县城区常住人口26万人, 旅游新城常住人口4.5万人, 游客数量270万人次。根据《防洪标准》 (GB50201-94) 、《水利水电工程等级划分及洪水标准》 (SL252-2000) 的规定, 防洪标准采用50年一遇设计。
设计洪水计算方法采用西峡水文站建站以来53年实测洪峰资料。通过计算比较, 采用“设计断面与区间发生同频率洪水, 石门水库以上发生相应洪水”的不利组合, 计算出设计断面20年一遇设计洪峰流量4 490m3/s, 50年一遇设计洪峰流量为6 020m3/s。
3 水面线计算工况确定
3.1 计算基本资料
3.1.1 丹江口水库特征水位
防洪限制水位160.0~163.5m (分别为汛初和汛中水位) ;正常蓄水位170.0m;设计洪水位 (0.1%) 为172.2m;校核洪水位 (在0.01%基础上加大20%) 为174.35m;万年一遇洪水位为173.60m。
3.1.2 丹江口水库流域水系分布
丹江口水库干流为汉江。鹳河位于汉江左岸, 是丹江的支流。丹江位于汉江左岸, 是汉江的支流。
3.1.3 丹江口征地移民标准及回水高程
土地淹没范围确定洪水标准为5年一遇洪水;移民范围确定洪水标准为20年一遇;淅川县鹳河城区段移民拆迁赔偿线 (迁赔线) 171.0m。
3.2 基础资料分析
淅川县鹳河城区段迁赔高程171.0m, 丹江口水库移民淹没范围是根据20年一遇洪水标准的回水曲线确定。可推测171.0m迁赔线不低于20年一遇洪水回水线。
3.3 计算工况组合及计算参数选取
根据丹江口运行方案, 考虑上游不同来流情况以及水库不同调度方案形成的坝前水位高度, 制订水文组合方案: (1) 三级橡胶坝下泄20年一遇洪水, 丹江口水库坝前水位160m; (2) 下泄50年一遇洪水, 水库坝前水位160m; (3) 下泄20年一遇洪水, 丹水库坝前水位163.5m; (4) 下泄50年一遇洪水, 水库坝前水位163.5m; (5) 下泄20年一遇洪水, 水库坝前水位170m; (6) 下泄50年一遇洪水, 水库坝前水位170m; (7) 下泄20年一遇洪水, 水库坝前水位171m; (8) 下泄50年一遇洪水, 水库坝前水位171m。
河道现状水面线计算参数选取如下:河床糙率采用0.027, 河道地形采用实测河道断面, 河道坡降采用平均比降1/500。
河道两岸填筑堤防后水面线计算参数选取如下:河床糙率采用0.026, 河道地形采用规划的河道断面, 河道坡降为1/500。
3.4 计算工况分析
工况1~6, 采取的坝前水位分别为160.0m、163.5m、170.0m, 由于洪水发生在汛期, 当鹳河发生洪水20~50年一遇洪水时, 丹江口大坝流域应发生洪水, 故上述6个组合方案发生的几率几乎为0。
工况7, 鹳河发生20年一遇洪水时, 丹江口大坝流域发生同频率洪水 (5%) 几率很小, 该工况过于保守。
工况8, 鹳河发生50年一遇洪水, 丹江口水库发生20年一遇洪水与实际情况较符合, 因此, 本次采用工况8计算成果 (175.34~171.00m) 确定该河段堤顶高程。
4 结语
鹳河城区段作为丹江口水库蓄水回水区, 在进行河道治理时应充分考虑其淹没回水影响, 本次水面线计算按照丹江口水库调度运行方案, 结合鹳河河道自身特点, 充分进行理论分析计算, 确定其水面线计算最合理的水文组合工况。在满足防洪安全的前提下, 尽量减少工程投资, 充分发挥工程效益。同时也为其它同类项目提供参考。
参考文献
[1]GB50286-2013堤防工程设计规范[S].
计算工况 篇5
关键词：热物性,冷凝器,平均温差
蒸汽压缩式制冷机是目前发展的比较完备、应用最为广泛的一类制冷机。它可以使用多种制冷剂,可以制成大型、中型或小型,以适应不同场合的需要。
COM—压缩机,THR—膨胀阀,K—冷凝器,EV—蒸发器
实验使用的制冷设备是浙江北峰制冷设备有限公司生产的美优乐风冷全封闭小型制冷机。该制冷机工作原理及实验过程中测点位置1~7如图1所示。
实验用制冷设备的设计使用制冷剂为R22。灌入R22设备运行稳定后测得各节点温度、压力。
通过测量得知:以R22为制冷剂时,该制冷设备的冷凝压力PK=1.40 MPa、蒸发压力PE=0.35MPa。通过计算:过热度ΔTP=16.7 K,过冷度ΔTB=8.0 K。
下面将以上述工况为基准,计算液化石油气(简称LPG)的相关热物性并以R22的实验工况为基准计算液化石油气在冷凝器内冷凝时的温度变化及R22和液化石油气冷凝过程的平均温差并对其进行分析。
1 液化石油气热物性计算
已知实验中所用液化石油气是一种非共沸混合物,其主要组成成分为C3H6、C3H8、C4H8、C4H10、C5H12,各摩尔百分数依次为16.3﹪、6.8﹪、39.8﹪、24.0﹪、13.1﹪。
以PR状态方程及混合法则来推算液化石油气这种混合工质的热力性质和气液平衡。液化石油气各种组成成分的基本性质见文献[1]。
用压缩因子z表示的PR状态方程:
式(1)中:A=apR2T2,B=RTbp。
该状态方程用于混合工质时用下列混合法则来确定方程中的常数或系数[2,3]:
式中xi,xj为混合工质各组分的摩尔成分;kij为二元交互作用系数,可作为一级近似,取kij=0作近似推算。
气液相平衡时,各相温度相等,各相压力相等。各组分在气相的逸度^fiv和在液相的逸度^fil相等。计算公式如下
式中^φil为i组分在液相的逸度系数;^φiv为i组分在气相的逸度系数;xi为i组分在液相的摩尔成分;yi为i组分在气相的摩尔成分;ki为i组分的气液平衡比或相平衡数;n为组分数。
用于PR状态方程的i组分逸度系数^φi计算公式为
式(8)可以同时计算气相和液相的逸度系数^φiv和^φil,计算^φiv时,式(8)中的xi是i组分在气相的摩尔成分,计算^φil时,式(8)中的xi为i组分在液相的摩尔成分。
根据状态方程和混合法则来计算液化石油气一定压力下的露点温度及泡点温度程序相同。以露点温度的计算为例给出计算流程图。如图2所示。
2 液化石油气冷凝时的温度变化
液化石油气属于非共沸工质,它在冷凝器内的冷凝是一个等压非等温的过程。
在R22实验工况下,液化石油气凝结过程的温度变化计算结果见图3。由图3可知,在冷凝器内液化石油气的温度随着流动过程的进行逐渐升温。这一性质与纯工质制冷剂冷凝(如R22)时温度恒定不变是不同的。对冷凝器的流程布置产生了一定的影响。
换热面的流程布置主要有逆交叉流、交叉流和顺交叉流。对于使用R22做为制冷剂的冷凝器在布置换热面时无所谓顺流和逆流。但是,在以液化石油气为制冷剂时,换热面的布置对换热温差就产生了一定的影响。
所以,在以液化石油气为制冷剂时,建议使用逆交叉流式换热器,经查表使用逆交叉流式换热器是使用叉流换热器的平均温差的1.1倍。在其他条件不变的情况下,它的换热面积要节省11.7﹪[4—6]。
3 两种制冷剂冷凝过程平均温差计算
R22冷凝过程平均温差的计算公式为
式(9)中tk为冷凝温度;t′为空气出口温度;t″为空气进口温度。
计算液化石油气冷凝过程平均温差时,由于换热面的流程布置选择逆交叉流,因此,其平均温差计算公式如下
式(11)中td为露点温度;tp为泡点温度。
(9)式中的ψ为修正系数,取决于两个无量纲参数P及R[7]。
式(11)和式(12)中,下标1、2分别表示两种流体,上角标“′”及“″”则表示出口与进口。
计算结果见表1。
由上述数据可知,同工况下R22冷凝过程平均温差大于PLG冷凝过程的平均温差。这主要是因为液化石油气的冷凝相变过程不等温,因此减小了冷凝过程中的传热温差,降低了不可逆损失。但是与此同时伴随的是换热面积的增大。
3 结论
以PR状态方程及其混合法则来计算上述液化石油气这种混合工质的热力性质和气液平衡。在此基础上对液化石油气在冷凝器内冷凝时的温度变化及平均温差进行计算,并计算了同工况下R22冷凝过程的平均温差。表明液化石油气在冷凝器内冷凝时,随着冷凝过程的进行其温度在逐渐升高,因此减小了冷凝过程中的传热温差,降低了不可逆损失。由于液化石油气平均温差小于R22的平均温差,所以,同工况条件下以液化石油气为制冷剂时冷凝器的面积要大于以R22为制冷剂时冷凝器的面积。
参考文献
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输油泵运行工况分析 篇6
在油田生产中, 目前油田能源的消耗主要是设备, 因此在设备管理中, 节约能源这一特点也越来越明显和重要了。如何使输油泵长期可靠地工作, 不出或少出故障、损坏, 充分发挥和保持设备的固有能力, 就必须及时对输油泵进行检测、调试和分析, 维持其最佳运行状态, 使其在运行过程中最大限度地节约能源。某联合站实际日处理液量15000m3/d, 外输油1100t, 现有设备主要包括容器75座, 机泵71台。某联合站输油岗目前共有3台输油泵, 均为多级离心泵。
2 输油泵的理论分析
2.1 离心泵的工作原理
多级离心泵是指在泵轴上装两个或两个以上叶轮的离心泵。多级离心泵总的扬程比较高, 为每级叶轮的扬程之和。以某联合站输油泵为例, 3台输油泵的型号为:
离心泵的工作原理:离心泵在启动前, 先将泵体内充满被输送的液体, 叶轮在泵轴的带动下转动时产生离心力, 液体由叶轮中心被甩向四周, 这是叶轮中心产生负压, 液体从泵的吸入口流向叶轮中心, 泵轴不停地旋转, 叶轮不停地吸入和排除液体。
2.2 离心泵的效率
要计算离心泵的效率, 首先要先了解两个概念:就是离心泵的有效功率和离心泵的轴功率。
离心泵的有效功率, 是指除去机械本身的能量损失和消耗外, 由于泵的运转而使液体实际获得的功率, 用N有表示。在油田实际生产中, 我们计算输油泵的有效功率用以下公式:
离心泵的轴功率, 是指原动机械传给泵轴的功率, 用N轴表示。在油田实际生产中, 我们计算输油泵的轴功率用以下公式:
N轴=1.732×I×U×功率因数×电机效率 (2)
离心泵的效率, 是指离心泵在运转时, 各机部件之间, 部件与液体之间都会发生摩擦、冲击和漏损等, 会损失部分能量, 也就是说泵的轴功率不会全部传给液体, 即不可能全部转变为有用功率。简单地说, 离心泵的效率是指泵的有效功率与轴功率之比, 用表示η, 单位为%。
2.3 影响离心泵性能的因素分析和性能换算
影响输油泵性能的因素分析和性能换算影响输油泵的性能的因素很多, 其中包括液体性质 (密度ρ和粘度μ等) 、泵的结构尺寸 (如D2和β2) 、泵的转速n等。当这些参数任一个发生变化时, 都会改变泵的性能, 此时需要对泵的生产厂家提供的性能参数或特性曲线进行换算。
2.3.1 液体物性的影响 (liquidpropertiesofmatteraffect)
(1) 密度 (density) 的影响
输油泵的流量、压头均与液体密度无关, 效率也不随液体密度而改变, 因而当被输送液体密度发生变化时, H-Q与η-Q曲线基本不变, 但泵的轴功率与液体密度成正比。此时, N-Q曲线不再适用, N需要用公式重新计算。
(2) 粘度 (Viscosity) 的影响
当被输送液体的粘度大于常温水的粘度时, 泵内液体的能量损失增大, 导致泵的流量、压头减小, 效率下降, 但轴功率增加, 泵的特性曲线均发生变化。
粘度系数换算图是在单级输油泵上进行多次试验的平均值绘制出来的, 用于多级输油泵时, 应采用每一级的压头。两图均适用于牛顿型流体, 且只能在刻度范围内使用, 不得外推。中的QS表示输送清水时的额定流量, 单位为m3/min。
2.3.2 输油泵转速的影响 (affectofrotatespeed)
由输油泵的基本方程式可知, 当泵的转速发生改变时, 泵的流量、压头随之发生变化, 并引起泵的效率和功率的相应改变。当液体的粘度不大, 效率变化不明显。
2.3.3 输油泵叶轮直径的影响 (affectofimpellerdiameter)
当输油泵的转速一定时, 泵的基本方程式表明, 其流量、压头与叶轮直径有关。对于同一型号的泵, 可换用直径较小的叶轮 (除叶轮出口其宽度稍有变化外, 其它尺寸不变) 。
3 某联合站输油泵运行的工况分析
3.1 输油泵的基本情况
某联合站目前共有3台输油泵, 其中1#输油泵为工频启动, 2#输油泵和3#输油泵为工频启动, 运行方式为启一台备两台。输油泵基本参数见表1。
3.2 输油泵的性能参数
通过计算输油泵的效率公式, 我们可以看出, 输油泵的效率主要和流量、泵的进口压力和出口压力、电流、电压等参数有关。表2是某联合站2012年1-6月份输油泵的相关数据。从表2可以看出, 输油泵的泵压和管压越低, 其输油泵效相对较高, 输油单耗相对较低。某联合站输油泵从2007年投产使用至今, 从未更换过泵和电机, 在维修方面也只是更换几次机械密封, 总体来说使用效果较好, 其使用率和完好率几乎达到100%, 维修费用率较低。
4 调控输油泵的措施
在日常生产运行过程中, 通过对输油岗的输油泵的管理工作, 总结几点措施:
4.1 做好输油泵的管理、操作及维修人员的培训工作
通过培训一方面对输油泵的操作及维修人员进行岗前培训, 使之了解设备的操作保养规程、工作参数、额定负荷等, 达到正确操作设备的目的;另一方面使得设备管理人员在岗位规范、专业知识和专业能力上得到进一步提高, 使设其了解和掌握设备管理方面的新知识、新动态。
4.2 做好输油泵的的监测记录、日常维护和保养工作
要充分重视输油泵的日常维护和保养, 提高其运行效率。输油泵的日常维护保养, 一般有日保养和周保养, 又称日例保和周例保。
(1) 日例保:日例保由岗位操作人员当班进行, 认真做到班前四件事、班中五注意和班后四件事。
班前四件事:消化图样资料, 检查交接班记录。擦拭机泵, 检查手动运转部位是否正确、灵活, 安全装置是否可靠。
班中五注意:注意运转声音;机泵的温度、压力、液位;电气系统;仪表信号;安全保险是否正常。
班后四件事:清除脏物, 擦净机泵表面及周围的油污。清扫工作场地。填写交接班记录和运转记录, 办理交接班手续;
(2) 周例保:周例保由设备操作工人在每周末进行, 保养时间为:一般为4小时。主要内容为:
外观:擦净设备导轨、各传动部位及外露部分, 清扫工作场地, 达到内外洁净无死角、无锈蚀, 周围环境整洁。
操纵传动:检查各部位的技术状况, 紧固松动部位。检查机泵, 达到传动声音正常、安全可靠。
电气系统:擦拭表面, 检查绝缘、接地, 达到完整、清洁、可靠。
摘要：在地面设备运行过程中, 运行设备的工况主要指容器、机泵等设施在使用过程中的运行状态, 通过对设备在运行过程中的技术性能 (包括技术规格、精度等级、结构特性、运行参数、工艺规范、生产能力) 进行分析, 找出合理的操作和管理方法。由于设备技术性能的先进与落后, 是反映企业生产技术水平高低的重要标志, 是确定设备更新改造的主要依据之一, 而输油泵又是油田外输的主要设备, 因此对输油泵运行进行监测、记录和分析, 从而提高其运行效率, 使其达到平稳、安全、经济运行有着十分重要的意义。
关键词：输油泵,工况,分析
参考文献
[1]黄希贤, 曹占友.泵操作与维修技术问答[M].北京:中国石化出版社, 2001.
[2]刘桂春.输油泵机组可靠性监测及评价技术研究[D].北京:中国石油大学, 2009.