Реферат: Изменение уровня жидкости в резервуаре при мгновенном изменении величины входного потока
Оглавление
Введение
. Теоретическая часть
. Расчетная часть
Заключение
Список использованной литературы
Дата добавления на сайт: 01 июня 2025
Оглавление
Введение
. Теоретическая часть
. Расчетная часть
Заключение
Список использованной литературы
Введение
В новом веке вопросам энергетической безопасности России уделяется все более серьезное внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти. Особое ключевое место при этом занимает проблема повышения эффективности и безопасности хранения всей номенклатуры нефтепродуктов. Резервуары являются наиболее распространёнными хранилищами различных жидкостей и представляют собой герметично закрываемые или открытые, созданные искусственно стационарные емкости, наполняемые жидким, газообразным или другими веществом.
История возникновения резервуаров в России связана с развитием Бакинской нефтяной промышленности. В 17 в. с увеличением добычи нефти в Баку начали возникать нефтяные склады. Первый стальной клепаный резервуар был построен в 1878 по проекту В.Г. Шухова и А.В. Бари. В 1935 впервые в России был сооружен металлический сварной резервуар емкостью 1000 м³. Этот прогрессивный метод сооружения приобрёл известность и позволил в дальнейшем перейти на индустриальный метод изготовления основных частей резервуаров. Емкость отдельных резервуаров, построенных в России, достигает до 100000 м³.
За рубежом наряду со строительством металлических резервуаров емкостью до 100000 м³ решается проблема хранения большого количества нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов путем создания новых типов емкостей с использованием естественных и искусственных пустот в земной толще. Емкость отдельных резервуаров в соляных пластах и куполах достигает 1,5 млн. м³. Крупные хранилища обычно состоят из нескольких камер. Наблюдается тенденция строить резервуары значительных объемов с большим количеством камер. Сооружаются подземные изотермические хранилища для сжиженных газов. Глубина резервуаров, сооруженных в отложениях каменной соли, колеблется от 200 до 1200 м и определяется в зависимости от наиболее высокого ожидаемого давления паров нефтепродукта или сжиженного газа внутри емкости.
В процессе проектирования резервуара на его эксплуатационные свойства могут активно влиять:
− достоверность в оценке уровня эксплуатационных нагрузок и внешних воздействий на объект;
− адекватность математических моделей, используемых для оценки прочности, устойчивости и работоспособности выбранных несущих и ограждающих конструкций резервуара;
− эффективный выбор конструкционных материалов.
К наиболее существенным технологическим операциям с резервуарами относятся операции заполнения резервуаров и операции опорожнения.
Опорожнение резервуара может рассматриваться как прямая гидравлическая задача, которая состоит в установлении связи между напором в резервуаре и расходом или скоростью струи, вытекающей через патрубки, присоединенные к отверстию в стенке или в днище резервуара.
Распространенная в инженерной практике задача расчета истечения жидкости из резервуара через патрубки, состоит в установлении связи между напором в резервуаре и расходом или скоростью струи, вытекающей через патрубки, присоединенные к отверстию в стенке или в днище резервуара.
Поэтому исследование утечки из патрубка имеет большое значение для практики.
Объект исследования - жидкость в резервуаре.
Предмет исследования - изменение уровня жидкости при мгновенном изменении величины входного потока.
Целью и основной задачей данной работы является построение переходной характеристики объекта при условии мгновенного изменения величины входного потока, которая адекватно описывает поведение жидкости и позволяет строить высокоточные краткосрочные прогнозы для значений ее уровня.
1. Теоретическая часть
На объектах транспорта, хранения нефти и нефтепродуктов, в процессе технологических операций, возникает необходимость в применении резервуарных парков, являющиеся технологическим объектом нефтеперекачивающих станций [9].
Резервуары являются основными сооружениями нефтебаз. На территории нефтебазы или перекачивающей станции по противопожарным соображениям резервуары, как правило, размещают группами.
Резервуары являются ответственными инженерными сооружениями и классифицируются:
по материалу, из которого они изготовлены - металлические, железобетонные, земляные, синтетические и в горных выработках;
по типу конструкции - вертикальные цилиндрические (РВС) со стационарными покрытиями разнообразной геометрической формы, с плавающими крышами, горизонтальные цилиндрические с плоскими и пространственными днищами (РГС), каплевидные, шаровые, резервуары-цилиндроиды, прямоугольные и траншейные;
по величине избыточного давления в паровом пространстве - резервуары низкого (не более 200 мм. вод. столба) и резервуары высокого (более 200 мм. вод. столба) давления;
по назначению - резервуары для хранения мало-, высоковязких и нефтепродуктов, резервуары-отстойники, резервуары-смесители, резервуары специальных конструкций для хранения сжиженных нефтяных газов с высоким давлением насыщенных паров.
В зависимости от высотного расположения по отношению к планировочной отметке строительной площадки резервуары делят на наземные, подземные и полуподземные.
На нефтебазах и перекачивающих станциях в основном применяют стальные (РВС имеют емкость от 100 до 100 тыс. м³, РГС - от 3 до 200 м³) и железобетонные (типа ЖБР) резервуары различных конструкций.
Резервуары должны быть герметичными для хранящихся нефтепродуктов и их паров, простой формы, долговечными, дешевыми. Выбор типа резервуара для хранения продукта в первую очередь зависит от величины упругости его паров.В нефтяной промышленности, в частности, применяются стальные резервуары Шухова. Впервые в мировой практике В.Г. Шухов показал, что оптимальной конструктивной формой резервуара является цилиндрическая. Простейшее и всем известное свойство круга - минимальный периметр при данной площади - стало источником колоссальной экономии металла и значительного уменьшения веса сооружений. «Обыкновенный тип железного резервуара, - писал изобретатель, - представляет собой тело цилиндрической формы с плоским днищем, покоящимся на основании, и с конической или тоже плоской крышей. Стены резервуара образуются рядом колец, склепанных из листового железа; нижнее кольцо соединяется с днищем с помощью угольника. Верхнее кольцо оканчивается также угольником, который служит опорой для стропил крыши».
Резервуар Шухова - цилиндрическое хранилище из листов стали для нефти, нефтепродуктов и других жидкостей высотой и диаметром более трёх метров, с тонким днищем на песчаной подушке и ступенчатой толщиной стенок, отличающееся минимальными затратами стали при заданном объёме.
Резервуары Шухова отличаются простотой и экономичностью конструкций и монтажа.
Шухов стандартизировал основные типоразмеры резервуаров, благодаря чему в России по его чертежам только до 1917 года было построено более 20 тысяч резервуаров-нефтехранилищ. Современные цилиндрические резервуары-нефтехранилища и сейчас строятся по основным принципам, разработанным В. Г. Шуховым.
Резервуары изготавливаются из стали поясами в рулонном или полистном исполнении. Обычно РВС изготавливается с внутренним объёмом от 400м³ до 50000 м³. Для меньших объемов производят резервуары горизонтальные стальные РГС, при больших объемах используют группу резервуаров. Группу резервуаров, сосредоточенных в одном месте, называют резервуарным парком.
По типу расположения резервуары принято делить на надземные и подземные, вертикальные и горизонтальные. Также резервуары могут быть двухстенными и многокамерными, то есть состоящими из двух и более камер.
На рис.1 показана конструктивная схема однокамерного резервуара для хранения нефтепродуктов и дополнительного оборудования.
Рис.1. Конструктивная схема резервуара для хранения нефтепродуктов
В конструкции резервуаров для хранения предусмотрены:
2. Расчетная часть
Предположим, что резервуар нефтеперекачивающей станции имеет постоянную площадь поперечного сечения А. Выходная величина объекта - уровень нефти L, входная величина объекта - расход на линии притока Fвх, величина Fвых - расход на линии стока (рис.2). Для представленной схемы объекта провести линеаризацию нелинейной зависимости Fвых=f(L) при условии малых отклонений уровня, получить математическую модель объекта в форме дифференциального уравнения и в форме передаточной функции. Определить коэффициент расхода α.
Для полученной модели в форме передаточной функции построить переходную характеристику объекта при условии мгновенного изменения величины Fвх на ΔFвх.
Рис. 2. К условию задачи.
| L0, м | A, м2 | Fвых0, м3/с | ΔFвх, м3/с |
| 6,15 | 15,12 | 1,1 | 0,3 |
Из материального баланса следует, что изменение объема жидкости в резервуаре за время dτ при A=const зависит от разности расходов на притоке Fвх и стоке Fвых [1, 2, 3]:
.Разделив правую и левую части на dτ, получим уравнение, определяющее уровень жидкости L в резервуаре (состояние объекта) при изменении расходов на притоке Fвх и стоке Fвых:
.(1)Для определения скорости истечения из выходного отверстия v жидкости на уровне L используем формулу Торричелли
,где µ - безразмерный коэффициент скорости жидкости (0 0 уравнение (6) можно записать в виде
,(7)где Т - постоянная времени и К1 - статический коэффициент изменения входного потока.
Передаточная функция объекта, как отношение изображений по Лапласу функций выхода и входа, определяется выражением [4]
,где
.Изображение переходной характеристики
равно передаточной функции, умноженной на изображение единичной функции (деленной на оператор s):.Подставляя исходные значения
в лист MatCAD, определим численные значения констант:Таким образом, Т=169,1с;
м. Коэфициент фактически является величиной ступеньки при единичной функции входа.Расчет переходной функции проведем в программе MatCAD v.8 [5]. Результаты расчета показаны на рис.2.
В правой части уравнения отсутствуют производные, поэтому начальное значение отклонения от исходного уровня жидкости
. Строим переходную характеристику в виде отклонения от исходного уровня.Рис.3. Расчет переходной характеристики
Из рис. 3 можно видеть, что переходная характеристика является экспоненциальной. Постоянная времени Т является угловым коэффициентом касательной в точке τ=0. Поскольку Fвых0< ΔFвх, уровень жидкости в резервуаре будет повышаться и примерно через 4*Т~660с=11 мин достигнет нового значения равновесия, превышающего исходное на 3,36м.
Заключение
Теоретические и экспериментальные исследования задачи об истечении жидкости из резервуара ограниченной емкости представляют практический интерес для технических целей. Решение вопроса целесообразно производить путем моделирования.
Моделирование стало эффективным средством исследования и проектирования технологических и технических систем. Актуальность математических моделей непрерывно возрастает из-за их гибкости, адекватности реальным системам, невысокой стоимости реализации на базе современных ЭВМ. Особенно эффективно применение моделирования на этапах постановки задач и технического проектирования систем, когда цена ошибочных решений особо высока.
В результате теоретического исследования определена переходная характеристика при ступенчатом изменении уровня жидкости на величину
в окрестности рассматриваемой точки уровня L0=6,15м. Показано, что в рамках линеаризованний модели переходная характеристика имеет экспоненциальный характер и достигает нового положения равновесия уровня жидкости примерно через 40 минут.
Полученное решение носит методологический характер при проектировании резервуара для хранения нефтепродуктов.
В свою очередь ху отметить, что с приходом в нефтегазовую отрасль новых технологий в области непрерывного измерения уровня в резервуарах ультрозвуковыми, емкостными, радарными измирительными приборами намного стало проще конфигурировать АСУТП.
резервуар нефтепродукт жидкость поток
Список использованной литературы
1. Нигматулин Р. И., Соловьев А. А. Физическая гидромеханика. М.: ГЕОТАР, 2005, 512 с.
. Беспалов А.В. Задачник по системам управления химико-технологическими процессами: учебное пособие для вузов/ А.В. Беспалов, Н.И. Харитонов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.
. Зотов В. А. Истечение жидкости из резервуара через регулируемое отверстие. - В кн.: Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий. Сочи, 2008, с. 133-135.
. Динамические звенья. Частотные характеристики. Учеб. пособие /А. В. Беспалов, Н. И. Харитонов, С. Е. Золотухин, Л. Н. Финякин, А. С. Садиленко, В. Н. Грунский. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. - 84 с.
. Плис А.И., Сливина Н.А. MathCAD; математический практикум для экономистов и инженеров: Учеб. пособие. - М.: Финансы и статистика, 1999. 656 с: ил.
. Математические основы теории систем: метод. указ. и индивид. задания для студентов ИДО, обучающихся по напр. 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» / сост. В.А. Рудницкий; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского поли-технического университета, 2012. - 26 с.
. Малышенко А. М. Математические основы теории систем. Учебное пособие для втузов. -Томск: Изд-во ТПУ, 2004.
. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. / М.: Наука. - 1973. - 228 с.
. Арзунян А.С. Сооружение нефтегазохранилищ / А.С. Арзунян, В.А. Афанасьев, А.Д. Прохоров. - М.: Недра, 1986.-335 с
. Инженерные расчеты в MathCAD. Учебный курс. - СПб.: Питер, 2003. - 448 с.