Тема: ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В УНИВЕРСАЛЬНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
ГЛАВА 1 Информационно - аналитический обзор по научно-технической проблеме утилизации ПНГ
1.1 Способы утилизации ПНГ 11
1.2 Существующие проблемы при сжигании ПНГ 15
1.3 Численное моделирование рабочего процесса в
утилизационных КС 24
1.4 Выбор граничных условий 26
1.5 Модели турбулентности 31
1.6 Модели горения 38
Выводы 45
ГЛАВА 2 Разработка универсальной КС для утилизации нефтяных и
техногенных газов
2.1 Целесообразность разработки специальной КС для
утилизации ПНГ 46
2.2 Анализ составов и параметров ПС при утилизации ПНГ 52
2.3 Утилизационная КС как подсистема ГТУ блочно-модульного типа 60
2.4 Определение режимных, геометрических и тепловых параметров
универсальной КС для утилизации ПНГ в составе ГТУ 62
2.5 Концентрационные пределы горения 72
2.6 Выбор хромоникелевых сплавов и использование топливных
присадок 75
2.7 Методика проектирования универсальной КС 79
Выводы 81
ГЛАВА 3 Метод численного моделирования рабочего процесса в КС для утилизации нефтяных и техногенных газов
3.1 Математическая модель рабочего процесса 82
3.2 Дискретные аналоги уравнений рабочего процесса и их решение 85
3.3 Действительные поля скоростей и давления 93
3.4 Граничные условия для концентрации горючего и их численная реализация 96
Выводы 98
ГЛАВА 4 Численные и экспериментальные исследования горения нефтяных газов. Верификация численной модели. Практические рекомендации по организации рабочего процесса в КС для утилизации нефтяного газа
4.1 Результаты численного моделирования универсальной КС 99
4.2 Описание экспериментальной установки и методики проведения
испытаний 113
4.3 Численное исследование процессов горения ПНГ в модельной горелке 118
4.4 Экспериментальные исследования режимов горения ПНГ в модельной
горелке. Верификация численной модели 122
4.5 Практические рекомендации по обеспечению ресурса утилизационных
КС в составе ГТУ 125
Выводы 127
Заключение 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130
Приложение А Компонентные составы ПНГ некоторых месторождений
Пермского края 139
Приложение Б Технические параметры ГТУ мощностью 145 кВт 140
Приложение В Режимные и геометрические параметры универсальной КС 142
Приложение Г Параметры теплового состояния КС для сжигания ПНГ__ 145
📖 Введение
На некоторых крупных нефтяных месторождениях ПАО "Оренбургнефть" эксплуатируются установки DTG-1,8G OPRA электрической мощностью 1,8 МВт, в которых рабочее тело турбины образуется в результате сжигания топлива с переменным компонентным составом и различной теплотворной способностью. Однако при их эксплуатации на номинальном режиме возникают вибрации, которые являются причиной выхода из строя редуктора в составе турбокомпрессора.
ПНГ имеет различный компонентный состав в зависимости от месторождения. Более того, на одном и том же месторождении состав ПНГ является различным в разные периоды времени.
Таким образом, для утилизации разнородных по составу, забалластированных, неосушенных ПНГ необходима разработка специальной камеры сгорания (КС), высокий ресурс работы которой достигается обеспечением гарантийного запаса по устойчивости в реальных условиях эксплуатации.
В данной работе проведены исследования, направленные на разработку универсальной по коэффициенту избытка воздуха в зоне горения КС для отечественной ГТУ блочно-модульного типа мощностью 145 кВт и на этой основе даны практические рекомендации для последующих разработок высокоресурсных утилизационных КС.
Степень разработанности. В настоящее время имеется большое количество разработанных и изготовленных ГТУ различных мощностей и назначения со встроенными и выносными КС. Аналогами разрабатываемой утилизационной КС является жаровая труба КС авиационного двигателя и двухзонный газогенератор жидкостных ракетных двигателей, с горючим постоянного состава.
На сегодняшний день в технической литературе имеется огромное количество результатов по термохимическим и термодинамическим расчетам горения и концентрационных пределов горения углеводородных топлив в воздухе, однако подобные данные отсутствуют для забалластированных, разнородных по составу ПНГ.
Для выбора оптимальных параметров рабочего процесса в утилизационных КС для ПНГ и других техногенных газов могут быть использованы численные модели турбулентного течения и горения, реализованные в программных комплексах ANSYS и FlowVision. Однако для подробного исследования процессов в зоне горения требуется использование дополнительно разработанной программы.
В мировой практике отсутствуют специально разработанные и изготовленные утилизационные ГТУ для малодебитных нефтяных месторождений.
На основе проведенных обзора и анализа проблемы утилизации ПНГ была поставлена цель работы: разработка методики проектирования утилизационной КС в составе ГТУ на малодебитных нефтяных месторождениях и выработка рекомендаций по увеличению ресурса их работы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) проведен анализ причин аварийного останова импортных энергоустановок и выработка концепции увеличения ресурса работы отечественных утилизационных установок на малодебитных месторождениях;
2) разработана методика проектирования универсальных КС как подсистем утилизационных ГТУ, предназначенных для сжигания разнородных по составу ПНГ;
3) разработана численная модель сжигания ПНГ и ее верификация на основе полученных экспериментальных данных.
Научная новизна
1. Впервые получены теоретические параметры горения (температура, составы, пределы горения) ПНГ сложного состава различных месторождений и проведена их верификация с полученными экспериментальными данными.
2. Предложена методика проектирования универсальных КС для утилизации разнородных нефтяных и техногенных газов сложного состава.
3. Впервые получены результаты численного моделирования турбулентного течения и горения ПНГ сложного состава в объеме универсальной КС.
4. Разработаны рекомендации по организации рабочего процесса в универсальных КС ГТУ для повышения ресурса работы.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты термохимических и термодинамических расчетов ПНГ сложного состава различных месторождений позволили выбрать оптимальные параметры рабочего процесса утилизационных КС.
Результаты численного моделирования рабочего процесса и их верификация с полученными экспериментальными данными позволили разработать рекомендации по увеличению ресурса работы утилизационных КС в процессе их эксплуатации на малодебитных месторождениях.
Разработанная экспериментальная установка позволила провести исследование параметров рабочего процесса на различных режимах горения нефтяных и других техногенных газов.
Полученные результаты использованы при разработке конструкторской документации утилизационной КС в составе ГТУ с полезной мощностью 145 кВт (договор с ПАО «Протон-ПМ»), при создании экспериментального огневого стенда в лаборатории испытаний и внедрены в учебный процесс подготовки кадров по направлению 140500.62 «Энергетическое машиностроение», реализуемый на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.
Основные результаты работы вошли в научно - технические отчеты по договорам на создание и передачу научно-технической продукции между ПНИПУ и ПАО «Протон-ПМ»: №2011/45 от 01.03.2011 г.; № 13313/12 от 14.05.2012; №2012/379 от 17.09.2012; №2012/380 (13257/12) от 17.09.2012. Результаты работы содержатся также в отчетах НИР по договору о предоставлении гранта № 2963гу2/2014 от 29.07.2014 г. от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы по гранту РФФИ «Разработка энергоустановки для утилизации нефтяных газов на малодебитных месторождениях с выработкой электрической энергии» в соответствии с договором № 16-48-590072/16 от 16.04.2016г.
Методология и методы исследования. Объектом исследования являются высокоресурсные утилизационные камеры для сжигания нефтяных и других техногенных газов. Для получения геометрического облика и режимных параметров камеры использованы методики, разработанные в подразделениях ФГБОУ ВПО: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ; Московский национальный исследовательский технический университет - МАИ; Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана; Пермский национальный исследовательский политехнический университет - ПНИПУ.
При численном моделировании рабочего процесса использован коммерческий программный комплекс ANSYS Fluent и дополнительно разработанная программа для зоны горения.
В экспериментальных исследованиях процессов горения использовались аттестованные приборы для измерения расходов (ГОСТ Р 50193.3-92), температуры (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ) и давления (ГОСТ 22520-85) и аттестованные газоанализаторы (ГОСТ 13320-81).
Положения и выводы, выносимые на защиту:
1. Анализ составов, пределов горения ПНГ и способы организации устойчивого рабочего процесса в универсальной КС.
2. Методика определения режимных, геометрических и тепловых параметров утилизационных КС как подсистем ГТУ.
3. Результаты теоретического моделирования процессов горения ПНГ и их верификация с экспериментальными данными.
4. Рекомендации по увеличению ресурса работы утилизационной КС при сжигании забалластированных, серо- и конденсатосодержащих нефтяных и других техногенных газов.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректностью постановки задач, использованием современных математических методов и программных комплексов для решения задач турбулентного течения и горения в объеме утилизационной камеры, удовлетворительным соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных, опубликованным расчетным и экспериментальным данным.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «Протон-ПМ» (Пермь, 21-22 ноября 2012);
- научно - техническая конференция «Фундаментальная наука и технологии - перспективы разработки» ( Москва, 22-23 мая 2013г);
- научно-техническая конференция молодых специалистов НПО «ИСКРА» (Пермь, 25.10.2013 г.);
- XIV Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника. Высокие технологии и инновации - 2013» (Пермь, 20-21 ноября 2013 г.);
- VII Всероссийская (с международным участием) научно-техническая интернет-конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. СЛЬЗ-технологии в энергетике» (Пермь, 01.11.2013 - 30.11.2013 г.);
- VIII Всероссийская (с международным участием) научно-техническая интернет - конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. СЛЬЗ-технологии в энергетике» » (Пермь, 01.11.2014 - 30.11.2014 г.);
Работа отмечена дипломами:
- диплом 2 степени на открытом конкурсе молодежных инновационных проектов ПНИПУ «Большая разведка» , выдан 24 мая 2012 г.;
- диплом победителя на студенческом региональном конкурсе инновационных проектов У.М.Н.И.К., выдан 29 ноября 2012 г;
- диплом 2 степени на научно-технической конференции молодых специалистов НПО «ИСКРА», выдан 25.10.2013 г.
По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе, 2 статьи (из списка ВАК РФ), 3 статьи (из списка базы данных Scopus), 1 статью (из списка Web of science).
Данная работа представлена введением, четырьмя главами, заключением и списком использованных источников из 90 наименований, содержит 146 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность всем тем, кто так или иначе способствовал работе над диссертацией и без чьего участия работа была бы невозможна. Особую благодарность автор выражает Николаю Леонидовичу Бачеву за внимание, проявленное к работе, постоянный контроль, ценные замечания и советы, а также моральную поддержку и взаимопонимание, которые создавали творческие условия для работы.
Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю Роману Васильевичу Бульбовичу за постановку задачи и научное руководство.
✅ Заключение
2. На основе анализа причин аварийного останова импортных энергоустановок и составов ПНГ на малодебитных месторождениях разработана методика проектирования универсальной КС для утилизации разнородных по составу нефтяных и техногенных газов с содержанием балластирующих компонентов до 40 %.
3. Предложена конструкция универсальной многозонной КС в составе отечественных ГТУ блочно-модульного типа, обеспечивающая устойчивость рабочего процесса и высокий ресурс при утилизации разнородных по составу нефтяных и техногенных газов. Для энергоустановки мощностью 145 кВт разработана конструкторская документация.
4. Реализовано численное моделирование рабочего процесса в объеме КС с использованием программного комплекса ANSYS Fluent и дополнительно разработанной программы для зоны горения с целью оптимизации рабочего процесса в КС.
5. Получены экспериментальные данные по параметрам горения ПНГ и составу ПС при режимах горения с а =0,27.. .4,65 в модельной горелке. Верификация численных и экспериментальных данных показала правильность принятых технических решений при разработке универсальных высокоресурсных КС.
6. Сформулированы практические рекомендации по обеспечению высокого ресурса работы утилизационных КС в составе отечественных ГТУ блочно - модульного типа на малодебитных месторождениях (45000 часов, капитальный ремонт 25000 часов).
7. Перспективы дальнейших разработок темы связаны с созданием модельного ряда универсальных КС различной мощности по предложенной методике и рекомендациям для утилизации ПНГ и других техногенных газов.



