抽气装置

抽气装置（精选5篇）

抽气装置 篇1

汽轮机发电机组在启动初期建立凝汽器真空以及运行过程中保持凝汽器真空都需要抽真空系统来完成。抽真空系统的抽气装置有许多不同形式, 如射水抽气器、射汽抽气器和机械式水环真空泵等。针对不同型式的抽气装置进行技术经济比较, 以便选择最佳容量和最合理的真空系统, 减少厂用电和厂用汽, 提高汽轮机组运行的经济性。

1 抽气装置容量的选择

国内外汽轮机组抽气装置容量的确定大多采用美国热交换协会 (HEI) 《表面式凝汽器标准》推荐的计算方法。抽气装置的设计容量不应小于HEI的规定, 应保证在各种运行工况下, 有足够的抽气能力。从HEI标准确定漏入汽轮机组空气量的计算中可以看出, 由凝汽器中抽出的汽气混合物量与汽轮机低压缸的排汽量、辅助汽轮机的排汽量及排汽口数目、凝汽器壳体数目有关。也就是说漏入的空气量不单与排汽量大小有关, 而且与排汽口数目、凝汽器壳体数目有关。这一观点抛弃了过去那种只与排汽量有关的粗糙近似公式 (如别尔曼公式) 。由于HEI标准给抽气装置容量计算带来了满意的经济效果, 所以被世界各国所公认。

当采用多壳体凝汽器时, 可选用并联抽气或串联抽气方式。当采用多背压单壳体或多背压多壳体时, 可按每一压力凝汽器壳体或每一壳体的一个压力确定抽气装置的总设计容量。对核电汽轮机组和空冷系统汽轮机组, 除按HEI标准选定空气量外还应考虑特殊的要求, 确定总设计容量。

2 对真空系统严密性的要求

对大容量机组真空系统严密性的要求, 不能采用评定中、小机组真空系统严密性的标准或算式。GB/T5578-85《固定式发电用汽轮机技术条件》规定, 功率100～200 MW汽轮机组的真空下降速度不大于399.96 Pa/min, 现在对大型汽轮机组又提出了更严格的要求, 如300 MW以上汽轮机组的真空下降速度不大于199.96 Pa/min。真空系统的严密性是影响汽轮机组年运行小时、停机率, 乃至机组提前进行大修的重要因素之一。真空系统不严密, 漏入的空气量就猛增, 导致抽气设备合理的设计容量遭到破坏。

抽气装置的设计抽吸空气量应等于或大于按HEI标准设计的数值, 即 C=Gv/Gh

式中, C为储备系数;Gv为抽气装置设计抽吸空气量, kg/h;Gh为按HEI标准计算的漏入空气量, kg/h。

近年来对不同国家制造的机组统计表明, 由于设计、制造、安装和运行管理水平的差异, 储备系数C=1～3, 从而直接影响了机组的热效率。个别先进国家机组C<1, 但运行效果令人满意。

评价真空系统抽气设备的主要性能指标有:极限真空、抽空气量、抽气速率、启动压力和最大背压值。对使用于不同位置及不同型式真空系统的抽气设备, 其性能指标各不相同。

3 真空系统抽气装置类型

3.1 射水抽气器

射水抽气器消耗的工作水量通常为凝汽器冷却水量的7%～10%不等;射水泵耗功通常为机组额定功率的0.03%～0.05%左右。

射水抽气器生产能力特性的评定参数为容积引射系数。由于射水抽气器以循环水引射汽、气混合物, 呈两相流混合流动, 所以可按不可压缩流体有关方程式计算。根据射水抽气器的变工况特性, 如果增加工作水压力, 即增大了工作喷嘴出口流速时相应地增加了工作水的水量, 则在维持容积生产率不变的条件下, 可以获得比设计抽吸压力更低的吸入压力值。由于工作喷嘴出口到混合室的距离对射水抽气器所能产生的最大压力降无关, 故可对其不进行出厂性能试验。这点是射水抽气器的一个特点。因射水抽气器工作水温升高时, 其抽吸能力会下降, 所以采用闭式循环水系统时, 应经常监测工作水温的变化, 必要时应定期补冷水来保持设计水温, 保证射水抽气器正常运行。此外, 增大扩散管出口截面到水箱水面的高度, 可使扩散管出口截面处压力降低, 所需有效压缩功减少, 当吸入的空气量不改变时, 可获得比设计压力更低的吸入压力。

目前, 200 MW以下汽轮机组采用喉管长为喉管直径15～40倍的长喉部射水抽气器, 其引射效率可大于40% (比短喉部抽气器的引射效率大一倍以上) , 同时还减少了耗功、噪声和振动。

射水抽气器除结构简单, 运行、维护方便外, 其特性线也不存在过载段, 所以吸入的空气量不受过载限制。在抽吸设计空气量时, 能维持凝汽器的设计压力, 而当抽吸最大空气量时, 又能保证凝汽器压力不超过允许值。通常采用1台运行, 1台备用。

3.2 射汽抽气器

射汽抽气器的工作蒸汽气源往往来自新蒸汽, 经调节阀节流减压到所需的工作蒸汽设计压力, 也有的来自除氧器的汽平衡管, 这时取除氧器的工作压力为工作蒸汽的设计压力。射汽抽气器在设计工况下要求工作蒸汽定压运行, 否则射汽抽气器的工作将恶化。来自凝结水泵之后的主给水作为射汽抽气器冷却器的冷却水, 每级冷却水并联流动, 然后送回热力循环系统。工作蒸汽在冷却器中凝结的水逐级流出, 最后经水封管排到凝汽器。射汽抽气器的工作蒸汽采用新蒸汽时, 因节流损失将影响机组的热耗等经济指标;不使用除氧器作为蒸汽汽源时, 则需要能快速切换的备用汽源, 以防汽轮机组在低负荷变工况下蒸汽压力降低, 影响抽气器的正常工作。

由于蒸汽与空气的混合物沿扩散管的流动过程较复杂, 所以用常规的能量方程和空气动力学理论来研究射汽抽气器的通流部分必然带来较大的误差。通常采用由试验结果总结出的经验公式进行射汽抽气器通流部分和冷却器的计算。

由于射汽抽气器的特性线是对应某一确定的混合物温度绘制的, 但从凝汽器空冷区抽出的汽气混合物的温度变化, 将使射汽抽气器的特性曲线发生相应地变化。所以射汽抽气器的变工况 (诸如吸入压力、吸入温度、吸入空气量, 工作蒸汽参数和冷却水温度) 运行, 将导致抽气器特性线的改变。

因射汽抽气器特性线的过载点, 直接影响抽气器的性能和抽吸能力, 故在实际运行中当某些参数改变时, 应注意是否接近过载点工作。

为适应汽轮机组迅速提高真空, 凡采用射汽抽气器作为主抽气器时, 应配置1只不带冷却器的单级启动抽气器。

射汽抽气器应在特性线的改造段上运行, 当出现最大吸入空气量时, 也不应达到过载点的空气量界线, 否则将明显地引起容积出力骤然降低, 真空严重恶化的工况, 使机组不能连续运行。为适应吸入大量空气而过载的恶劣工况出现, 常采用1台运行, 1台备用的原则。

3.3 机械式水环真空泵

水环式真空泵的极限真空与射水抽气器相似, 与工作水温度有关。由水环式真空泵的特性曲线可以查到在不同抽吸压力下抽吸的最大汽气混合物量。此外它还具有启动抽气器的功能, 故在特性线上可查到汽轮机组在启动工况下的抽吸压力, 抽吸时间、功耗与抽吸空气量之间的关系。

水环真空泵的性能与被抽吸气体的状态、工作液体的性质及温度有关。当实际工作条件与规定的工作条件有差异时, 则可按气体状态方程式进行换算,

4 真空系统抽气装置的选择

4.1 按传统习惯选择

国内常规200 MW及以下火电机组采用射水抽气器, 300 MW及以上火电机组和联合循环机组都以及核电机组、空冷机组往往采用机械式水环真空泵。

4.2 抽气器效率的评定方法

在上述3钟抽气器中, 单位抽汽量耗功最大的是射汽抽气器, 而机械式水环真空泵与射水抽气器的耗功相近。评定1台抽气器的效率不能单看耗功的大小, 还应看同时抽出多少空气量。同功率的机组, 系统中漏入的空气量大则抽气器的耗功大。因此, 应以单位抽汽量的耗功来评定抽气器的效率, 并作为选择的依据。

5 结束语

由于3种抽气器系统的复杂程度、操作、维护的方便性以及传统习惯的不同而各具特色, 因而各国在不同功率容量的机组上均有采用。目前水环真空泵因其抽吸能力大, 自动化程度高, 在绝大多数新建火电厂大功率机组中被采用。

关于大罐抽气装置应用的研究 篇2

纯梁采油厂首站于1985年8月投产, 是采油厂唯一的一座油气水泥综合处理站, 目前, 处理液量为750万吨/年。2004年站内安装了大罐抽气装置, 但由于自动化技术和设备运行存在安全隐患, 已于2006年停止使用, 并拆除, 造成站内储油罐和一次、二次沉降罐油气损耗严重, 为充分利用能源, 减少环境污染, 保证站内正常安全生产, 结合目前生产状况, 我们再次对大罐抽气装置实施新一轮改进和研究。

2大罐抽气的主要内容和工作原理

2.1主要内容

2.1.1气源分析

(1) 目前纯梁首站为开式生产流程, 东线五个采油区块含水原油进站经油气水分离后, 原油进5000m3二次沉降罐;西线来油进站后直接进一次沉降罐。因为分离器的分离压力在油品在分离沉降处理过程中0.25MPa～0.35MPa之间运行, 经分离后油中仍溶解部分分离压力下的溶解气不能脱出、因收发作业的液面波动引起的大呼吸损耗, 以及自然通风损耗, 加速了大罐中天然气、原油中的。分离液进罐后因大罐为常压, 溶解气会大量析出, 并且罐内气体空间、温度和油气浓度的昼夜变化而引起的小呼吸损耗轻组分的蒸发。

(2) 由于气层气只能保纯梁地区上游生产生活用气, 无法进入纯梁下游气管网, 采油厂基地附近生产和居民生活用气只能依靠首站伴生气供气。

(3) 进首站的混输液经三相高效分离器分离后, 油进二次罐, 进二次罐的原油含水在1.5%左右 (电脱水器停运) , 二次罐的原油经原油稳定装置稳定后稳定的成品原油含水在0.04%左右, 每天以稳定原油2200吨计算, 每天有32m3的污水进入稳定后的轻烃中, 由于轻烃处理装置不完善, 在排水的过程中造成大量轻烃组分挥发和部分轻油随水排出, 造成了资源的浪费和环境的污染。

(4) 大罐挥发气不仅直接危害站场的安全生产和职工的身体健康, 并且对大气环境也造成极大的污染。

纯梁首站回收储油罐挥发气, 可以减缓天然气紧张的局面, 对确保首站正常生产和纯梁气站轻烃的加工将起到重要的作用。

2.2工作原理

2.2.1大罐抽气装置就是通过油罐烃蒸汽回收工艺密闭处理, 在大罐顶部透光孔处引出抽气管路, 用天然气压缩机对大罐进行抽气, 收集的大罐挥发气经冷却、分离、压缩后外输。

2.2.2为了保证安全生产, 装置设有一次仪表微差压变送器和多功能控制柜。微差压变送器实时检测抽气管网的压力, 输出4～20mA信号, 通过调节仪、变频器调节压缩机的转速, 保证进口压力为正压值。

2.2.3随着油罐气的变化软启停压缩机, 并根据气量变化调节压缩机转速。当油罐气量减少, 油罐压力下降到15OPa时, 自动报警, 自力式补气调节阀自动打开, 进行补气;当气量继续下降到100 Pa时, 自动报警, 停机;压力下降到50Pa时, 开手动补气;当压力回升到450Pa时, 自动起压缩机进行抽气, 始终稳定油罐压力在300～350Pa, 确保油罐安全

2.2.4大罐抽气装置带自动控制系统, 采用闭环变频控制方式, 通过压缩机入口压力来调节压缩机的转速。变频控制柜采用一控二的方式, 同时保留工频运行方式, 这样实现每台压缩机工变频转换, 保证生产的正常运行。

2.2.5目前纯梁轻烃装置生产的稳定轻烃尚含部分石油液化气, 在排污水及装车过程中这些液化气及部分轻油的损失, 既造成环境污染和效益的损失, 又给排污及装车带来安全隐患。

3大罐抽气应用情况

3.1压缩机运行稳定, 我们主要是在六个方面进行改进的结果:

3.1.1在压缩机的进气口和排气口增加大容量的分离罐和缓冲罐, 确保压缩机运转的平稳性。

3.1.2改进压缩机填料密封, 采用新型的密宫式, 使压缩机填料泄漏少, 磨损少, 易损件使用寿命长。增加压缩机填料尾气的回收结构, 使压缩机的外泄漏减少为零。

3.1.3使用新工艺、新材料, 确保压缩机的无故障运行8000小时 (国家标准3000小时) 。外形进行更合理的设计, 使压缩机更美观、合理。对压缩机的刮油环进行改进, 避免轻质油进入曲轴箱, 污染机油。

3.2自动系统运行可靠, 通过PLC逻辑控制器完成整套装置的全自动运行。

3.2.1控制系统采用微差压变送器、变频调速器、PID调节仪、PLC逻辑控制器、完备的电气控制线路等构成。PID调节仪根据微差压变送器检测的罐顶压力信号与设定压力值进行比较, 对其偏差进行PID运算, 将运算后的4～20mA输出给变频器控制压缩机的转速。PLC完成压缩机的循环启停、安全保护等功能。

3.2.2装置设有手动补气阀, 当大罐压力过低时, 可手动从管网给大罐补气;设有水封罐, 当大罐压力过高时, 自动放空, 保证大罐压力不高于500Pa, 从两方面保证大罐安全。装置运行中, 变频器万一出故障, 系统可自动转入应急状态, 按照“双位式”控制方案, 保证大罐压力控制在150Pa～450Pa之间运行。装置设有U型管差压计, 直接指示大罐压力, 即使一切自控失灵, 也可根据U型管差压计指示出的大罐压力进行处理, 保护大罐安全生产。

4经济效益和社会效益

4.1经济效益

根据气源的实际情况, 本装置在每年的5、6、7、8月份运行。本装置运行时, 每天处理2800方天然气, 产轻质油3吨, 液化气1吨, 每天多外供天然气2000方, 按目前产品价格核算, 年创经济效益为:

总效益= (3×0.5+1×0.5+2000×0.0001) ×365=803万元。

4.2社会效益

4.2.1减少油气挥发对环境的污染, 保证站内安全生产。

4.2.2改造以后, 油中溶解气和部分轻质成分回收, 可以减缓首站天然气紧张的局面, 将有利于确保首站正常生产和纯梁气站轻烃的加工生产。

5结论

抽气装置 篇3

火炮射击后,为了有效抽出身管内膛残留火药气体,避免这些火药气体进入炮塔造成环境污染甚至人员伤害,在坦克炮、自行火炮和舰炮的身管上通常都安装有抽气装置,如图1所示。

抽气装置的典型结构如图2所示,抽气装置的主体是贮气筒,贮气筒通过活门和若干喷嘴和炮膛连通。其工作原理如下:当火炮发射后,火药气体推弹丸沿着身管内膛向炮口方向飞出。当弹丸底部经过喷嘴和活门口,火药气体就通过这两个通道进入贮气筒,形成一定的压力。当贮气筒压力和炮膛压力相等时,火药气体不再进入。随后,膛内压力迅速降低,活门通道被钢珠关闭,贮气筒内的气体经倾斜喷嘴高速向炮膛前方喷出,在喷嘴后方形成低压区,将炮膛内火药气体抽出。炮闩打开后,炮塔内的空气也被吸入炮膛并从炮口排出,直至炮口附近压力与炮塔内空气压力相平衡,排气终止。

与工作原理相对应的抽气装置工作曲线如图3所示。膛压曲线包括弹丸膛内运动时期和火药气体后效期两段,分别对应tg和τ。t0时刻贮气筒开始充气,当膛压和贮气筒压力相等时,充气阶段结束,开始排气,排气阶段对应时间tp,并可以分为两段,一段是开闩前,一段是开闩后,分别对应时间tks和tx。

目前关于抽气装置效能的描述指标主要有两个:(1)抽气装置的有效工作时间tx,即从炮闩打开到贮气筒排气终了的时间tx=tp-tks,其物理意义直观,计算比较方便,目前,在火炮设计领域经常被采用[1,2],甚至一些新式火炮的设计说明书都只对其进行计算。(2)抽气的安全系数n,即经炮尾流入炮膛的空气量与炮膛容积之比,一般该值大于1.3时,认为抽气装置工作是可靠的,即

tg-弹丸出炮口时间;τ-后效期时间;t0-贮气筒开始充气时间;tp-贮气筒排气时间;tks-贮气筒排气到炮尾开闩时间;tx-有效工作时间。

式中,G1-火炮开闩后,单位时间从炮尾平面通过炮膛排出的气体质量,或称秒流量;γB-空气密度;WKH-炮膛容积。

由于安全系数中不但考虑了tx的因素,还考虑了气体的排出速度,所以用它来描述抽气装置效能更为合理,但是安全系数计算十分复杂,涉及大量的气体动力学隐式方程求解,这就限制了其在实际中的使用。

抽气装置有效工作时间越长,安全系数值是否越高?这个问题目前还没有人研究过。另外,文献[3]对三种自行火炮的抽气安全系数进行了计算,初步分析了抽气装置的影响因素,本文在其基础上,深入研究抽气装置的效能问题,包括两个效能指标之间的关系、结构参数对效能影响分析、结构参数的灵敏度计算以及最终对结构参数的优化。研究以某种坦克炮抽气装置为背景,以计算机仿真为手段,获得了一些重要结论。

2 抽气装置效能计算数学模型

抽气装置工作的全过程为贮气筒的充气期和排气期。充气期发生在弹丸膛内运动时期和火药气体后效期,当贮气筒压力与膛内火药气体压力相等后,贮气筒开始排气,首先抽出部分膛内残余火药气体,火炮开闩后,炮塔内的空气也一并被抽出,残余火药气体被排出干净。

2.1充气期

由贮气筒内气体能量守恒可得,化简后

式(1)积分可得弹丸膛内运动结束时,贮气筒压力p1=a1/b1(1-e-bt1)+pae-bt1,后效期充气完毕时,考虑散热,解式(1),并由炮口边界条件得贮气筒内气体最大压力:

此时,贮气筒内气体量为:ω02=p02Wp/RT02

2.2排气期

排气期贮气筒内压力按照下式变化:p=p02e-β2t,

忽略贮气筒内排出气流的压音速期时间,贮气筒排气时间为:

从而,抽气装置有效工作时间为tx=tp-tks

开闩后,炮塔内空气经炮尾吹入炮膛,由质量守恒、冲量守恒和能量守恒,得到G1+G2=G3(2)

考虑到炮膛内亚音速气流的静压平衡,解上述方程组(2)、(3)和(4)即可求得G1。于是,就可以得到抽气装置的安全系数

受篇幅所限,各符号的含义及相关推导过程可参阅文献[3,4,5]。

3 抽气装置效能影响因素分析

基于上述数学模型,编制了相关仿真计算程序,为深入研究炮口装置效能问题奠定了基础。影响炮口装置效能的参数基本上包括3大类:(1)贮气筒容积Wp相关参量,包括贮气筒内径dp和长度lp。若贮气筒安装位置身管外径为d2,则有:Wp=π/4(dp2-d22)·lp。(2)贮气筒在身管上位置参量,用喷嘴距离炮口切面的距离l1来描述。(3)描述贮气筒和身管内膛的通道参量,包括活门和喷嘴的直径dk、dc,两者的倾角φk、φc以及喷嘴的数目n′。喷嘴的类型对抽气装置效率也有很大影响,如采用内镶等截面直喷嘴的贮气筒效能更高[6]。

首先对上述3类8个结构参量进行了单因素影响分析,在该火炮实际结构尺寸基础上,每次连续改变一个参数大小,来观察抽气装置效能的变化。抽气装置效能曲线上包括两个效能指标tx和n,同时为了分析两者之间的关系,也包括了G1。实际上,抛开常数因素,n就是tx和G1的乘积,G1反映了流出气体的平均速度,tx反映了流出气体的时间,n反映了流出气体的质量。为了在同一张图上看清三者的变化规律,对tx和G1进行了适当的放大。

3.1贮气筒容积相关参量

dp和lp对抽气装置效能影响分别如图4和图5所示。dp和lp增大后,贮气筒容积增大,在充气阶段能够充入更多的气体,排气阶段时间就会变长,tx增大。但同时储气筒容积的增大将导致开闩后抽气速度的下降,综合起来,n还是增大的。由于Wp和lp之间是线性关系,所以图5也反映了Wp变化对抽气效能的影响。这里尽管tx和n都是增大的,但是受G1减小的影响,n增大的幅度要小于tx增大的幅度。

3.2贮气筒位置相关参量

l1对抽气效能影响如图6所示。l1增大,贮气筒位置越靠近炮尾,充气开始的时间t0提早,充气的最大压力p02一般也要增大,从而排气时间更长,tx增大,另外,由于靠近炮尾,对开闩后空气的引射作用更明显,G1也略有增大,最终导致n增大。这里n增大的幅度要大于tx增大的幅度。

3.3贮气筒通道相关参量

贮气筒通道倾角对效能的影响见图7和图8。图7中,φc增大后,气流的轴向引射作用增加,G1增大十分明显,由于抽气速度加快,所以tx略有下降,总体上,n增大十分明显。图8中,φk增大后,气体流经活门时损耗系数变化,导致贮气筒充气时通道有效面积减小,总体充气量减少,导致tx和n均减小。

贮气筒通道大小对效率的影响如图9、图10和图11所示,dc和dk增大后,充气时通道有效面积增大,对提高效能是有利的,dk的影响曲线图10说明了这一点。但是在排气时,dc增大还导致排气通道增大,排气速度加快,相应地导致tx明显下降、G1增大,总体上n是下降的,见图9。n′增多,实际上和dc增大的效果是类似的,都是增大了喷嘴通道的面积,所以在n′大于4以后,曲线变化趋势同图9一致,但是在n′小于4时,却在tx和G1的综合作用下,出现一个增加段,见图11。

从上述分析可以看出,当抽气装置结构参数变化时,尽管绝大部分情况下,tx和n之间的增减关系是一致的,但由于相差了G1,所以表现出来的变化幅度并不相同,个别时候还会出现增减关系相反的情况。衡量抽气装置效能时,考虑开闩后抽出的气体质量,比单考虑开闩后气体的流出时间更为合理。用tx来衡量抽气效能有一定的片面性,但是在定性分析时,绝大部分情况下都是正确的。

4 抽气装置结构参数对效能的灵敏度分析

上面分析了抽气装置单个结构参数变化对效能的影响,下面给出这些参数的影响效果比较,即灵敏度分析。定义灵敏度为单个参数在某个位置变化自身数值10%引起效能变化的百分数。这个灵敏度和分析的位置有关系,本文在某火炮原始尺寸上进行灵敏度分析。灵敏度分析结果如表1所示。为了对问题进行深入分析,表中不但给出了各结构参数对tx和n的灵敏度,也包括了对G1的灵敏度。考虑到灵敏度都是小数,将其进行了归整处理(将最小的灵敏度归为1,其它灵敏度换算为整数)。

从表1可以看出,对tx影响最大的依次是dp、dc和dk,对n影响最大的也依次是这3个参数,对G1影响最大的是φc。将各结构参数对tx和n的灵敏度数值列于图12中,发现除φc外,其它结构参数对这两个效能指标的灵敏度呈现很高的相关性。也就是说,如果某个结构参数变化对tx影响很大,那么必然对n影响也很大。

5 抽气装置结构参数优化

为了减小优化问题的规模,本文在上述灵敏度分析基础上,选择灵敏度最大的3个结构参数dp、dc和dp、dk进行抽气装置效能优化,相对其它参数,改变它们的大小对提高效能的趋势更为明显。

优化目标函数定为max(n),各结构参数在火炮初始尺寸左右10%范围变化,由于变化范围很小,可以认为这些变化对身管强度等参数影响很小,不需另外增加约束条件。

观察这3个参数几个结构参数的单因素影响分析曲线图4、图9和图10,它们对n的影响都是单调增减的。这种趋势是在初始结构参数这个特殊位置给出的,尽管不能说明优化这个多个位置的情况,但是对优化具有一定的指导意义。

借助结构参数的单因素影响分析曲线,可以大致估计,max(n)可能在位置[max(dp),min(dc),max(dk)]取得。这实际上相当于优化中已经进行了3个方向的单因素寻优。最终的优化效果还需要真正优化后才能确定。

优化选用matlab软件中的“基因算法和直接搜索工具箱”中提供的3种优化算法:直接搜索算法、基因算法和模拟退火算法。这3种算法都不需要目标函数的梯度信息,比较适合于一般的优化问题。

直接搜索算法,从初始值出发,以初始值为中心,张开一个抽象的“正方形”,计算“4个顶点”(实际上是自变量维数2倍个顶点)位置的函数值,将最好的一个解作为下一次搜索的初始值,当这种搜索成功时,加大“正方形”边长,否则,减小“正方形”边长。如是不断迭代,直至收敛。

遗传算法仿照生物进化理论来进行全局寻优,以一个种群作为进化的起点,主要进化步骤是选择、交叉和变异,选择是模仿“优胜劣汰”,选出适应度较好的一些个体,保证进化向着好的方向前进,促使收敛;而交叉和变异则与遗传学中的遗传和变异相对应,在父代基础上产生新的个体,保证进化具有跳出局部极小值的能力。

模拟退火算法源于对固体退火过程的直接模拟。固体退火是先将固体加热到熔化,再徐徐冷却使之凝固成规整晶体。它采用的Metropolis准则,一开始接受较差个体的概率较大,随着寻优的进行,这个概率越来越小,最后只能接受较好的个体。这种机制就保证了该方法既可以跳出局部极小值,又能最终收敛。

直接搜索算法属于传统优化方法,容易陷入局部极值,但是收敛速度快;基因算法和模拟退火算法属于智能优化算法,具有跳出局部极值的能力,但收敛速度慢。选用这3种算法进行优化,可以取长补短,找到更为优化的解[7]。直接搜索算法和模拟退火算法均以抽气装置初始尺寸为优化起点,优化过程分别如图13和图14所示,基因算法在参数范围内随机生成优化起点,其优化过程如图15所示。图中显示目标函数为负,是因为matlab软件默认优化均是最小化问题,对本文这个最大化问题,将目标函数取为负值效果是一样的。从图中可以清楚看出三者在收敛速度上的差异。应指出的是,基因算法尽管进化代数并不多,但因为每代都包括20个基因,故实际上其优化过程的计算量是十分巨大的。

对于仿真优化问题,经常存在这样一对矛盾:仿真精度和优化效果。为了提高仿真精度,每次仿真计算时间就要变长,但是在优化时,通常要成千次地进行仿真计算,为了避免陷入局部极值,还希望利用智能优化算法进行更多次的寻优,这样一来,时间上的耗费就可能难以接受。实际应用中,要根据具体情况进行处理,譬如对于仿真精度要求较高的,可以选用收敛速度快的算法,以不同优化初值进行多次寻优,取最好的解。

3种优化算法的优化结果如表2所示。可以看出,任何一种算法都能寻优到比初始尺寸相应抽气安全系数4.0161更好的解。考虑到加工原因,对结构尺寸取2位小数,最终优化结果如表2所示。抽气装置安全系数提高了近80%,优化效果十分明显。

应指出的是,3种算法的优化结果,都要比前面估计的边界位置[max(dp),min(dc),max(dk)]更好,该边界位置对应的安全系数为7.0629。这一结果也告诉我们,优化时不能按照一个位置上各单变量变化对目标函数影响的逻辑增减关系推断一个区域的优化解,尽管根据该逻辑增减关系推断出的可能是一个较好的解。

6 结论

本文基于建立的某型火炮抽气装置效能计算数值模型,通过仿真,研究了与抽气装置效能相关的一系列问题。

分析了抽气装置3类8个结构参数变化对效能的影响,这些参数通过对开闩后有效工作时间和开闩后炮塔气流速度,综合影响抽气装置的安全系数。目前常用的这两个效能指标中,安全系数比有效工作时间更为合理。在定性分析时,用有效工作时间来描述效能在绝大部分情况下是正确的。

计算了抽气装置结构参数对其效能的灵敏度,抽气装置的安全系数和有效工作时间这两个效能指标均对贮气筒内径、喷嘴内径和活门内径这3个参数最为敏感。采用直接搜索算法、模拟退火算法和基因算法,共同对3个参数进行了结构优化,使抽气装置效能提高了近80%。

如果将喷嘴数目也作为优化目标,则是一个连续变量和离散变量混合的优化问题,

抽气装置效能计算数值模型是基于一元定常等熵流建立的,相关公式推导中也引入了很多假设,故仿真和优化结果还有待于试验的验证。

摘要：为提高火炮抽气装置的工作效能,建立了某型火炮抽气装置效能计算模型,通过仿真,分析了抽气装置结构参数对其效能的影响规律,揭示了有效工作时间和安全系数这两个常见效能指标之间的联系。安全系数在有效工作时间基础上还考虑了抽出气流速度,反映抽气工作效能更为合理;计算了结构参数对效能的灵敏度,发现对有效工作时间和安全系数影响最大的几个结构参数是一致的;最后,采用直接搜索算法、模拟退火算法和基因算法实现了对该型火炮抽气装置的结构优化。

关键词：抽气装置,效能,仿真,优化

参考文献

[1]于存贵,李鹏程,刘伟.高效能抽气装置研究[J].弹道学报,1999,11(1):65-70.

[2]李进,于存贵,阎文兵.变装药高效抽气装置设计与试验研究[J].火炮发射与控制学报,1998(1):40-44,39.

[3]傅建平,郑坚,吴兴波.抽气装置抽气效率分析与计算[J].火炮发射与控制学报,1999(1):26-31.

[4]傅建平,郑坚,张培林,李国章.自行火炮战斗室失火原因分析[J].弹道学报,1999,11(3):42-46,57.

[5]张相炎,郑建国,杨军荣.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[6]李进.抽气装置喷嘴结构特性分析与试验研究[J].火炮发射与控制学报,1997(4):48-52.

抽气装置 篇4

关键词：大罐抽气,储气库,油罐闪蒸气

1 前言

辽河油田双6储气库工程采气期, 气井采出凝液需要输往辽河油田欢喜岭采油厂双一联合站进行处理, 油气分离后, 凝液进入3000m3油罐储存。本工程设计大罐抽气装置一套, 可实现对3000m3油罐挥发气的回收, 提高经济效益, 减少环境污染。

2 装置工作前提条件

⑴只有挥发气达到一定的量, 即达到一定的安全抽气压力时, 才能启动压缩机。

⑵压缩机抽气量, 必须与挥发气压力相适应, 防止由于抽气作用, 人为导致挥发, 也防止由于挥发气过多不能及时抽出, 使密闭管道、容器等设备受压损坏或造成呼吸阀开启达不到回收油气的目的。

⑶为了回收油罐挥发气, 必须采用密闭流程。但在密闭流程的整个生产过程中, 油气生产、挥发、输入、输出是一个动态的过程, 同时还随时受不确定的外部温度、气候、天气等环境因素的影响。要使密闭流程安全、连续、稳定、可靠的工作, 靠人工跟踪、监视、操作大罐抽气装置是根本不可能实现的, 必须采用实时的在线全自动监控。

3 优点

大罐抽气装置是专门为采用油罐密闭流程作业的油田地面联合站而开发的全自动化抽气装置, 在长期生产实践中, 总结出独特的控制技术和控制模型, 本工程所选用的大罐抽气装置, 与国内其它带有缓冲气囊式的大罐抽气装置相比, 具有更高的可靠性和更高的抽气效率。操作更加简单, 维护方便, 安全可靠。

除了具有高效率、自适应抽气功能以外, 还具有可靠、完善的补气与监控功能, 整个工作过程完全自动化, 是目前国内油田密闭流程作业最完善的密闭抽气工艺装置。一套额定气量每天8000标准立方米的大罐抽气装置, 当气量下降到2500标准立方米时, 仍然可以稳定抽气, 使装置工作效率达到最大化。

4 主要控制参数

进气压力:0.0001M P a-0.003M P a (G) ;进气温度:40℃;天然气组分:油罐挥发气;装置抽气量6500m3/d~10000m3/d;压缩机数量:2台;压缩机工作方式:同时开启时满足最大量;装置排气压力:0.4M P a;压缩机排气温度:≤120℃;装置排气温度:50℃;装置启动压力设定范围:500-800Pa任意。

5 主要工艺流程

主要工艺流程见图1。

6 装置的工作过程

大罐挥发气经来气管线输送到压缩机房现场, 经过气液分离将大罐挥发气中的液体 (主要成分是轻质油和冷凝水) 分离出来, 气体进入压缩机, 液体积累到一定液位高度后发出报警信号, 提示操作者排液, 当液位达到限制高度时, 报警停机, 防止液体进入压缩机。

压缩机采用两级压缩, 级间设有一套小型液相分离器, 用以分离一级压缩产生的液体。大罐抽气过程, 是一个连续不断的工作过程, 从油罐来气体, 气流量和压力是变化不定的, 生产条件、气候条件、季节变化、昼夜变化都会对其产生影响。控制系统的必须具有对这些变化进行自适应的功能。控制系统必须保证压缩机在气量不稳定的条件下平稳连续运转、安全可靠地工作, 同时又要保证压缩机不频繁启停, 这是大罐抽气装置应该具备的最基本品质。

为了检测到来气量的大小, 在压缩机的入口安装微差压变送器, 将来气压力信号连续转换成4-20mA电流信号, 传送给可编程控制器PLC, PLC经过控制运算输出控制信号传送给变频器, 变频器拖动压缩机运转, 将大罐来气吸入压缩机并送入天然气管网。

来气压力和气量大小发生变化时, 压力变送器输出的电流信号大小也随着变化, 经过大罐抽气专用的控制数学模型计算, P L C输出相应的控制信号实时控制变频器, 使压缩机的转速总是与大罐的来气量相匹配, 实现完全自动控制的抽气过程。

低压或负压状态的自动补齐功能, 是大罐抽气装置必不可少的工艺环节。因为负压状态空气会进入油罐, 在油罐内形成爆炸性混合气体, 这种气体严禁被抽入压缩机, 输送到天然气管线。

7 主要组成部分

7.1 天然气压缩机

采用往复式活塞压缩机, 气缸无油润滑, 设独立润滑油泵, 不受压缩机调频变速影响, 每套装置选用两台压缩机, 一般情况一开一备, 高峰气量时两台同时运行, 压缩机由变频电机拖动, 由仪表及PLC自动控制。

7.2 压缩机入口分离器

规格φ800mm×1800mm, 材质为碳钢, 工作温度:40℃, 工作压力:500~2000P a (常压) , 采用液位报警控制。

7.3 压缩机出口分离器

规格φ400mm×2300mm, 材质:碳钢, 工作温度:50℃, 工作压力:0.4MPa, 采用液位报警控制。

7.4 工艺管道系统

主要由压缩机进气管线、出气管线、阀门等组成, 阀门标准API 6D/ASME B16.34。进气管线D219mm, 装置出气管线D76mm。

7.5 控制系统

主要由一二次仪表、压力变送器、温度变送器、液位控制器、压力开关、电磁阀、调压阀、变频器、P L C (西门子或三菱) 、控制柜等组成。

7.6 负压补气单元

主要由电磁阀、调压阀、切断阀、微差压显示仪表、压力变送器、独立控制器组成。独立控制器与控制柜P L C形成两路控制, 具有优先控制权, 不受PLC的控制。

8 结束语

大罐抽气装置整体为撬装可移动式机电一体化装置, 利用可编程控制技术及变频调速技术, 实现全自动工作流程, 辽河油田双6储气库工程日回收天然气8000m3, 合人民币1.2万元, 投产后3个月即可收回投资。

参考文献

余热发电抽气器系统改造 篇5

我公司余热发电设备为5 000t/d熟料生产线配套的9MW汽轮机组, 2008年投产。设计汽轮机组真空是靠射汽抽气器系统抽真空建立起来的, 射汽抽气器正常运行需要新蒸汽压力在0.8MPa以上。从窑系统开机余热发电启炉到射汽抽气器正常运行, 汽轮机建立真空间隔时间较长, 真空度低, 夏季在-85k Pa左右, 冬季在-91k Pa左右, 排气温度夏季在50℃以上, 冬季在45℃, 影响发电量, 同时大量蒸汽被排放浪费。真空除氧器射水抽真空系统建立真空度低, 锅炉给水中的溶解氧偏高在0.02~0.03mg/L, 长期运行会增加锅炉管的腐蚀, 同时射水抽真空系统电、水消耗量大。

2 改造原理

1) 抽真空系统的作用

在余热发电机组启动过程中, 汽轮机进行汽暖机时, 有较多的蒸汽进入凝汽器。如果凝汽器内没有建立一定的真空, 汽水进入凝汽器就会使凝汽器形成正压, 损坏设备。凝汽器建立真空更是汽轮机冲转必不可少的条件。凝汽器及一些低压设备 (如凝结水泵、疏水泵及部分低压加热器等) 在正常运行时, 内部处于真空状态, 由于管道和壳体密封不严, 空气就会漏入, 从而破坏凝汽器真空, 危及汽轮机的安全经济运行。同时, 空气在凝汽器中的分压力增加, 致使凝结水的溶氧量增加, 从而加剧对热力设备及管道的腐蚀。空气的存在还增大凝汽器中的传热热阻, 影响循环冷却水对汽轮机排汽的冷却, 增加用电消耗。总之, 抽真空系统的作用是: (1) 在机组启动初期建立凝汽器真空; (2) 在机组正常运行中保持凝汽器真空, 确保机组的安全经济运行。

2) 抽真空系统的分类

主要分为射水抽气器抽真空系统、射汽抽气器抽真空系统和真空泵抽真空系统。射水抽气器的工作介质是压力水, 射汽抽气器的工作介质是压力蒸汽。小容量机组多采用射汽抽气器, 大容量机组多采用射水抽气器。现水泥行业余热发电汽轮机系统多采用射汽抽气器。

3) 除氧器的分类

主要分为三类:真空式除氧器, 在小型锅炉电站使用较多;大气式除氧器, 一般在中温中压电厂使用较多;高压式除氧器, 一般用于高参数电厂中。我公司采用真空式除氧器, 除氧器真空系统为射水抽气器抽真空系统。

3 改造方案

1) 余热发电汽轮机使用的是射汽抽气器, 耗汽量大 (约250kg/h) , 在蒸汽压力0.8MPa以下不能正常工作。把汽轮机抽气器系统由射汽抽气器系统改为高效真空泵抽气系统, 在原汽轮机抽气系统管道上增加一个旁路与改造后的抽气系统联接, 原有的射汽抽气器系统不拆除, 作为备用真空抽气系统。改造后见图1。

2) 原真空除氧器射水抽真空系统改为真空泵抽真空系统, 对部分管道进行改造, 把真空泵抽真空系统与原系统并联。改造后原射水泵和引水泵均可以停用, 减小系统电力消耗, 同时提高除氧器真空度, 改善锅炉给水中溶解氧的指标, 减少锅炉管的腐蚀, 保护锅炉管。改造后见图2, 系统配置见表1。

4 改造效果

2014年2月完成两个系统的改造, 改造后运行至今, 效果非常明显, 达到了改造的目的。

4.1 凝汽器抽真空系统改造效果

1) 改造后建立的真空, 夏季在-89k Pa左右, 冬季在-95k Pa左右, 排气温度夏季在48℃左右, 冬季在38℃左右。真空度提高约4k Pa, 排气温度降低约5~7℃, 使得发电量约提高100k Wh/h以上。

2) 改造后汽轮机机组开机后很快就可以建立相应的真空, 比改造前缩短约20min, 相应的电站并网时间提前, 增加发电量约1 000k Wh/次, 减少了蒸汽的外排浪费, 同时也减少排放造成的噪声污染。窑系统停窑后可延长发电时间约30min, 可增加发电量约1 000k Wh/次。

3) 射汽抽气器耗汽量250kg/h, 按照5.7kg/k Wh发电汽耗计算, 抽汽器耗汽量每小时可发电量为43.9k Wh, 每年 (按6 500h计算) 可发电量为285 350k Wh。真空泵抽气系统电动机7.5k W, 每年电耗增加48 750k Wh。相抵后每年增加发电量236 600k Wh。

4.2 除氧器真空泵抽真空系统改造效果

1) 改造后真空除氧器射水水泵及引水泵停用, 减少电动机负荷22k W, 增加真空泵抽真空系统电动机负荷4k W, 合计降低电动机负荷18k W, 年运行6 500h, 合计每年节电117 000k Wh。

2) 改造后锅炉给水中的溶解氧在0.015mg/L以下。

5 投资及回收期