В наши дни оптимизацией занимаются все, от менеджеров и маркетологов до пенсионного фонда и правительства в целом. Чаще всего под оптимизацией понимают снижение затрат на производство или эксплуатацию без понижения качества. Или наоборот, повышение качества изделия или процесса без существенного увеличения затрат. И иногда идеи могут носить неоднозначный характер. В статье рассказывается об интересном случае предложения идеи оптимизации.
Марина Михайлова
Ведущий эксперт группы компьютерного моделирования
Предположим, у нас есть небольшое предприятие по перегонке сжатого газа по стране. Для этого мы построили надземный трубопровод, сжали и запустили газ. Когда сжатый газ движется по трубе, он трется об ее стенки, теряя энергию и скорость. По длине пути растет толщина пограничного слоя с замедленным газом, падает давление газа. И чем выше скорость и, соответственно, масса пересылаемого газа, тем интенсивнее газ теряет давление. Так как мы перегоняем газ на дальние расстояния между местом закачки и потребителем газа стоят компрессорные станции, которые не позволяют газу замедлится.
Интернет подсказывает, что в магистральной трубе давление составляет 11,8 МПа. Обычно, это давление, которое нагоняют компрессорные станции. Компрессорные станции магистрального газопровода находятся на расстоянии 100 — 150 километров. Чтобы оценить потери давления газа можно воспользоваться расчетами вычислительной гидродинамики (CFD комплекс), но есть метод проще. Для одномерных расчетов существует неоднократно переиздававшийся справочник по гидравлическим сопротивлениям И. Е. Идельчика, благодаря которому можно оценить потери давления буквально на бумаге. Так как мы металлурги, то нас в основном интересует прочность, поэтому для оценочных расчетов мы упростим методику. Для этого воспользуемся гипотезой, что трубопровод между станциями идеально прямой, без изгибов и перепадов высот. В результате такого расчета перепад давления между компрессорными станциями получается ниже, чем он будет при реальной эксплуатации, что позволяет заложить небольшой запас по прочности.
11.8
МПа
среднее давление в магистральной трубе
Согласно справочнику, потеря давления потоком на участке прямой трубы постоянного поперечного сечения определяется по формуле Дарси-Вейсбаха, в которой перепад давления равен произведению коэффициента сопротивления λ, отношения длины трубы к внутреннему диаметру (l/D) и скоростного напора (ρv20/2).
Зададимся расстоянием между компрессорными станциями равным 120 километров. И построим графики давления на выходе в зависимости от расхода газа в трубе для трех разных величин шероховатости — абсолютной гладкой трубы, средней шероховатости новой трубы и средней шероховатости эксплуатируемой трубы. Полученный график представлен на графике ниже.
Зависимость давления на выходе из трубы от расхода газа
>По горизонтали: Расход млн м³/сутки
Полученные результаты подтверждают гипотезы, о том что чем больше газа и чем более шероховатая стенка, тем больше будет разница давлений между компрессорными станциями.
Нам был известен примерный расход газа, и при этом расходе падение давления между компрессорными станциями составило 2,2 МПа с 11,8 до 8,6 МПа, что составляет примерно 18%.
И вот в этот момент возникает идея об оптимизации и снижения металлоемкости трубопровода. Если давление упало, то может быть и снижена толщина стенки магистральной трубы без потери прочностных свойств, что позволяет уменьшить массу конструкции. Распределение давления по длине трубы показано на следующем графике.
По горизонтали: Длина, м
В случае непредвиденных обстоятельств в магистральных газопроводах предусмотрены задвижки, которые ставятся каждые 25-35 км. Причем задвижки срабатывают не мгновенно, перекрывая поток, а существует время реакции между закрытием задвижки на компрессорной станции и задвижек в трубопроводе.
Для определения давления на участках после закрытия задвижек использовался комплекс вычислительной гидродинамики. Распределение давления в трубе в начальный момент, в момент закрытия задвижек и при установлении процесса представлен на графике ниже.
Влияние задвижек на давление в трубе
По горизонтали: Длина трубы, км
При перекрытии задвижек на каждом участке, кроме последнего давление определяется как среднее арифметическое между входным и выходным давлением. На четвертом участке за счет задержки между временем закрытия участка и реакцией промежуточного клапана давление становится равным давлению на входе в участок.
Таким образом, при закрытии клапанов, давление падает на 0.5 МПа на каждом участке, кроме 4 участка. Поэтому при снижении толщины магистрального трубопровода было бы оптимально разбивать трубу на участки с клапанами и на каждом участке длины определять возможную металлоемкость.
В нашем проекте было принято решение снизить толщину второго участка согласно входному давлению на второй участок и согласно входному давлению на третьем участки толщину третьего и четвертого участка. Эта идея позволяет уменьшить первоначальную толщину трубопровода на 13,7% на втором участке и на 16,9% на третьем и четвертом участке.
По сравнению с исходной прямой трубой постоянной толщины металлоемкость составной прямой трубы при внедрении оптимизационной идеи снизится на 9%.
9
%
экономия в результате оптимизации
Эта оценка сделана для идеально прямой трубы, в реальной трубе потери будут выше. Решение может быть уточнено для реальной формы трубопровода с изгибами, коленцами и перепадами высот, и тогда, вероятно, экономия будет выше. Также можно уточнить число потребных промежуточных задвижек, стоимость которых может быть покрыта за счет снижения металлоемкости с сохранением безопасности и надежности эксплуатации магистрального трубопровода.
Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.
С уважением, команда Инжинирингового портала
Вам может быть интересно
Соответствие стандартов «Северстали» национальным стандартам и сводам правил России
Оптимизация профилей ЛСТК
Контейнер для сбора мусора – дешевле и экологичнее
Снижение металлоемкости кабины трактора
Фронтальные стеллажи из высокопрочных сталей
Где в машиностроении могут использоваться атмосферостойкие стали?
Сравнение износостойкости марок стали
Дешевые и надежные стальные бочки
Стальные автомобили будущего
Кузов карьерного самосвала – образец надежности, источник экономии
Перекрестные испытания как способ подтверждения правильности эксперимента
