Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

311

Большинство современных машин имеет внешнее охлаждение.

Промежуточные холодильники присоединяются либо к нижней части

корпуса компрессора, либо к обеим частям корпуса. Охлаждаемый газ

протекает в межтрубном пространстве холодильника, а в трубах про

текает охлаждающая вода.

Центробежные компрессоры, как правило, представляют собой

многоступенчатую машину.

Схема трехступенчатого центробежного нагнетателя приведена на

рис. 2.216.

Газ в нем последовательно сжимается в трех колесах(ступенях), за

каждым колесом обычно установлен диффузор. После выхода из диф

фузора поток газа по непод-

вижным каналам обратного

направляющего аппарата

при мало изменяющейся ско-

рости подводится к следую

щему рабочему колесу. По

сле выхода из последнего

рабочего колеса или диффу

зора газ поступает в улитку

или сборную камеру и затем

в нагнетательный патрубок

Схема многоступенчатого

центробежного компрессора

с промежуточным охлажде

нием приведена на рис. 2.21

После сжатия в одной секции, состоя

щей обычно из

1…3 ступеней (колес), газ

направляется в промежуточный холо

дильник, а затем сжимается в следующей

секции. Как правило, в одном корпусе вы

полняют не более трех

-четырех секций.

В последнее время в некоторых конструк

циях компрессоров предусматривается

охлаждение газа после каждой ступени

Благодаря охлаждению газа удается

значительно уменьшить работу сжатия

Во многих случаях наружный диаметр

рабочих колес уменьшается с увеличе

нием порядкового номера секции.

Рис. 2.216. Схема трехступенчатого

центробежного нагнетателя:

1 — нагнетатель; 2 — повышающая передача; 3 — элек

тродвигатель

Рис. 2.217. Схема многоступенчатого

центробежного компрессора:

1, 2 — первая и вторая секции компрес

сора; 3 — промежуточный холодильник

312

Характерные конструк-

тивные особенности нагне

тателей и компрессоров мож

но проследить, рассмотрев

несколько конструкций. На

рис. 2.218 показана кон

струкция одноступенчатого

нагнетателя с двусторонним

закрытым колесом, рассчи

танного на расход газа около

67 000 м

/мин и при давлении

сжатия 0,15 МПа; привод осу

ществляется от паровой тур

бины мощностью 6000 кВт.

На рис. 2.219 приведена

типовая конструкция воз

душного трехступенчатого

нагнетателя.

Рис. 2.218. Одноступенчатый нагнетатель

с двусторонним колесом

Рис. 2.219. Трехступенчатый нагнетатель типа 1200-25-1 НЗЛ:

1 — всасывающий патрубок; 2 — рабочее колесо; 3 — лопаточный диффузор; 4 — направляющий

аппарат; 5 — улитка

313

Такие нагнетатели выпускают двух моделей:

1) расход воздуха

= 880 м

/мин, Р

= 0,29 МПа, n = 4600 мин

–1

;

2) V

= 970 м

/мин, Р

= 0,34 МПа, n = 5070 мин

–1

Привод осуществляется от синхронных электродвигателей СТМ-

3500-2. Все ступени имеют лопаточные диффузоры.

На рис. 2.220 показана конструкция первого корпуса двухкорпусно

го компрессора, предназначенного для комплектования крупных воз

духоразделительных установок.

Этот корпус — четырехступенчатый с одним промежуточным охлаж

дением. На 1-й и 3-й (после охлаждения) ступенях применены диф

фузоры лопаточного типа, на 2-й и 4-й — короткие лопаточные диф

фузоры и улитки, отводящие воздух в охладители промежуточный

и концевой.

Характеристики компрессора:

— расход газа 3200 м

/мин, Р

= 0,66 МПа;

— привод осуществляется от паровой турбины, чем обеспечивается

широкий диапазон регулирования расхода воздуха.

В большинстве конструкций делают разъем в горизонтальной плос-

кости (рис. 2.218…2.220), а иногда в вертикальных плоскостях. Всасы

вающие и нагнетательные патрубки располагают в нижней или верхней

половине корпуса с учетом удобства обслуживания, наличия промежу

точных охладителей, подвального помещения и других соображений.

Рис. 2.220. Первый корпус двухкорпусного центробежного компрессора

314

В одноступенчатых нагнетателях всасывающие патрубки часто рас-

полагают вдоль оси машины, обеспечивая равномерный осевой подвод

газа к рабочему колесу.

Корпуса воздушных машин изготовляют из чугуна, толщина стенок

в зависимости от размеров и давления составляет 15...30 мм, толщина

фланцев в 1,3...1,5 раза больше толщины стенок.

Рабочие колеса многоступенчатых компрессоров в большинстве

случаев радиального типа с покрывными дисками (рис. 2.219 и 2.221);

в одноступенчатых нагнетателях применяют как радиальные, так и

осерадиальные колеса (последние чаще без покрывного диска) с фре

зерованными лопатками. Лопатки радиальных колес также часто вы

полняют фрезерованными из основного диска; покрывной диск крепят

шипами, сделанными на лопатках, или заклепками, проходящими через

лопатки и основной диск. Толщина заклепок 3...8 мм, шаг 25...50 мм.

Рабочие колеса центробежных многоступенчатых компрессоров

(ЦКМ) изготовляют из легированных сталей (34ХН1М, 34ХНЗМ и др.),

легких сплавов на основе алюминия (АК6, АК8, Д16) и титана. Допусти

мая окружная скорость для колес стационарных ЦКМ, изготовленных

из легированных сталей, 300...320, из алюминиевых и титановых сплавов

400...450 м/с.

В авиационных нагнетателях для осерадиальных колес без покрыв

ных дисков с радиальными лопатками на выходе, изготовленных из

специальных сталей, допускается окружная скорость 500...550 м/с. До

пустимые окружные скорости для литых колес — до 250 м/с.

Валы изготовляют из углеродистых сталей 35, 40, 45; колеса насажи

вают на вал с натягом после разогрева в электропечах до температуры

450...470 К.

В качестве опор стационарных ЦКМ применяют подшипники сколь

жения; в авиационных нагнетателях и в некоторых сериях вентиляторов

наряду с подшипниками скольжения применяют подшипники качения.

Последние проще в эксплуатации, однако менее долговечны. Кроме

того, подшипники скольжения, которые смазывают маслом, обладают

значительно большей демпфирующей способностью, что особенно важ

но для гибких валов. Один из подшипников делают опорно-упорным,

другой опорным. Температура подшипников не должна превышать

65...70 °С; ее контролируют ртутными термометрами, реже терморезис-

торами. Корпусы подшипников скольжения в большинстве случаев от

ливают заодно с нижней половиной корпуса машины, крышки делают

отдельно, чтобы подшипник можно было вскрыть не поднимая верхней

половины корпуса машины.

315

Диффузоры в основном изготовляют в виде общего неподвижного

элемента, который называется диафрагмой. В машинах, имеющих гори

зонтальный разъем, диафрагма также имеет разъем. Диафрагмы делают

из чугуна. В целях уменьшения перетока газа между вращающимися

частями и неподвижными элементами устанавливают лабиринтные

уплотнения на покрывных дисках колес и на уплотнительных втулках

между колесами; за последней ступенью часто помещают разгрузочный

поршень, на внешней поверхности которого также находится лабиринт

ное уплотнение.

Для предотвращения утечек вредных для окружающей среды газов

(аммиак, природный газ, фреон и др.) корпус делается герметичным:

перед выходом вала из корпуса устанавливают сальник. Он может

быть выполнен в виде графитового торцового уплотнения с масляной

камерой.

Число ступеней в одном корпусе компрессора обычно не превышает

восьми. Ограничение числа колес связано с возрастанием прогиба вала,

так как его длина увеличивается, а диаметр вала ограничен конструк

тивными соображениями, прежде всего размерами колес.

Охлаждение применяют главным образом внешнее — в промежуточ

ных охладителях; внутреннее охлаждение используют в случаях, когда

нежелательно выпадение влаги из сжимаемого газа. Иногда используют

охлаждение впрыском, однако при этом возникает опасность коррозии

и эрозии. Промежуточный охладитель обычно выполняют в виде ко

жухотрубного аппарата, по межтрубному пространству которого идет

газ, а по трубкам вода. Для улучшения теплообмена вода делает один

или несколько ходов, газ движется поперек трубок.

Трубки диаметром 10...20 мм изготовляют из меди, латуни, а при

газах, вызывающих коррозию, применяют легированную сталь. Эффек

тивны охладители с оребренными трубками; ребра латунные, медные,

алюминиевые или стальные. Скорость воды в трубках 1...3 м/с, подо

грев воды в пределах 6...12 °С. Корпус охладителя выполняется сварным

или литым из чугуна.

Фирма «Броун-Вовери» (Швейцария) выпускала ЦКМ с охлаж

дением газа после каждой ступени, что приближает процесс сжатия

к изотермному и повышает КПД машины (рис. 2.222). Охлаждение

осуществляется в трубчатых охладителях, расположенных над ком

прессором и под ним. Такие конструкции иногда называют

изотерм-

компрессорами. Осевое усилие воспринимается разгрузочным порш-

нем и упорным подшипником. Для регулирования расхода газа уста

новлен направляющий аппарат с поворотными лопатками.

316

Компрессоры рассмотренного типа выпускают на расходы воздуха

25 000...200 000 м

/ч при степени сжатия 6,5...8.

В компрессоростроении широко развита унификация узлов и дета

лей, что снижает трудоемкость изготовления и стоимость машин. Так,

в СКБК разработаны восемь баз для конструирования ЦКМ на раз

личные рабочие давления. Каждая база характеризуется определенным

диаметром рабочих колес и может включать конструкции корпусов с

горизонтальным или вертикальным разъемом.

Например, у агрегата третьей базы диаметр рабочих колес 380 мм, кор

пусы агрегатов с горизонтальным разъемом предназначены для макси

Рис. 2.221. Центробежный компрессор фирмы «Броун-Бовери»

317

мального рабочего давления 4 МПа, корпус с вертикальным разъемом –

для давления 38 МПа. На этой базе в СКБК разработан однокорпусный

азотный агрегат ЗЦКК-160/6 мощностью 1250 кВт, однокорпусный воз

душный агрегат ЗВЦ 1-95/6-28 мощностью 3150 кВт, двухкорпусный

фреоновый агрегат 33 ЦКК-105/1,8-8 мощностью 500 кВт. Корпусы

этой базы используют в двух- и трехкорпусных кислородных агрегатах

43 ЦКК-250/15, 543 ЦКК 400/40, 543 ЦК 2 440/35, углеводородных агре

гатах 43 ЦКО-160/15.

На рис. 2.222 показан продольный разрез одного корпуса компрессо

ра с горизонтальным разъемом, в котором расположены четыре ступени

сжатия. Для машины с рабочим давлением 1 МПа корпус изготовляют

из чугуна, для давления 4 МПа — из стали. Рабочий газ проходит по

следовательно через всасывающую камеру, рабочее колесо, диффузор

и через направляющий аппарат поступает во 2-ю ступень компрессо

ра. Привод компрессора осуществляется электродвигателем с частотой

вращения 18 000 мин

–1

Основными элементами конструкции являются корпус с подво

дящими коммуникациями, ротор и узлы подшипников скольжения

с жидкостной смазкой маслом. Внутри корпуса расположены диафраг

мы, несущие лопатки диффузоров и направляющие аппараты проме

жуточных ступеней. Диффузоры с фрезерованными лопатками выпол

нены из стали марки 12Х18Н9Т или стали 20. Литые направляющие

аппараты изготовлены из медистого чугуна с последующим старением.

Проставки и диафрагмы выполнены из стали 20.

Рис. 2.222. Унифицированный 4-ступенчатый корпус центробежного компрессора СКБК

318

Между ступенями расположены лабиринтные уплотнения с латун-

ной (Л63) или алюминиевой (Д1) втулкой и одиннадцатью гребнями.

Ротор состоит из вала (сталь 40Х), на котором с помощью установоч

ных винтов закреплены четыре рабочих колеса. Колеса всех ступеней

изготовлены из легированной стали с фрезерованными на основном

диске лопатками. Покрывной диск припаивают к основному припоем

ПЖК-1000. Возможно изготовление колес со штампованными лопат

ками, припаянными к основному и покрывному дискам. Число рабочих

лопаток варьируется в зависимости от типа агрегата. После пайки все

колеса подвергают дефектоскопии и статической балансировке, а ротор

после сборки вала с рабочими колесами – динамической балансировке.

Ротор опирается на два гидродинамических подшипника скольже

ния с самоустанавливающимися подушками. Смазка — жидкостная

маслом. Корпус и вкладыши подшипника выполнены из стали 20.

Рабочие поверхности покрыты баббитом Б83. Для предотвращения

утечек рабочего газа и его загрязнения маслом между подшипниками

и проточной частью машины установлены масляные ловушки и обоймы

уплотнения.

Представляет интерес конструкция четырехступенчатого компрес

сора фирмы «Демаг», имеющая два ротора, вращающиеся с разной час-

тотой, и внешние перепуски газа из ступени в ступень (рис. 2.223).

Рис. 2.223. Схема двухроторного четырехступенчатого нагнетателя фиры «Демаг» (Германия)

319

2.8. Конструкционные материалы,

применяемые для изготовления оборудования

нефтегазопереработки

2.8.1. Требования, предъявляемые

к конструкционным материалам

для технологической аппаратуры и их выбор

Специфические условия работы технологической аппаратуры, ха

рактеризуемые диапазоном давлений от глубокого разрежения (ва

куума) до избыточных давлений порядка 250

МПа и выше, большим

интервалом рабочих температур (от –254 до +1000 °С и выше) при

агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования

к выбору конструкционных материалов проектируемой аппаратуры.

Наряду с обычными требованиями высокой коррозионной стойкости

в определенных агрессивных средах к конструкционным материалам,

применяемым в технологическом аппаратостроении, одновременно

предъявляются также требования высокой механической прочности,

жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных

пластических свойств при высоких и низких температурах, устойчи

вости при знакопеременных или повторных однозначных нагрузках

(циклической прочности), малой склонности к старению и др.

В расчетах на прочность технологической аппаратуры конструктору

часто приходится учитывать общую равномерную по поверхности кор

розию металлов и сплавов, для чего необходимо знать проницаемость

материала в мм/год при заданных рабочих условиях агрессивной среды

(концентрация, температура, давление). Она учитывается при выбо

ре величины прибавки на коррозию к рассчитанной толщине стенки

аппарата. В ряде случаев при конструировании технологической ап

паратуры необходимо учитывать также и другие виды коррозионного

разрушения материалов. Например, в химических аппаратах, выпол

ненных из кислотостойкой стали и находящихся под постоянным по

вышенным давлением, при совместном действии коррозионной среды

и растягивающих напряжений в ряде случаев наблюдается коррозион

ное растрескивание металла, происходящее обычно внезапно без види

мых изменений материала. Это явление не имеет места при наличии

в металле напряжений сжатия. Кроме того, коррозионное растрескива

ние происходит в небольшом количестве агрессивных сред и зависит

от величины давления и температуры. Известно, что ускоренное рас

трескивание аппаратуры из кислостойких сталей, находящейся под по

стоянно действующей нагрузкой, имеет место в растворах NaCl, MgCl

320

ZnCI

, LiCL, H

S, морской воде и т. д. Латуни обнаруживают склонность

к коррозионному растрескиванию в среде аммиака.

Для технологической аппаратуры химических и нефтехимических

производств преимущественно применяются конструкционные мате

риалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах. Материалы по

ниженной стойкости применяются в исключительных случаях, когда

доказана целесообразность использования их вместо стойких, но более

дорогих и дефицитных материалов.

При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением

при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что меха

нические свойства материалов существенно изменяются в зависимости

от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и спла

вов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких

При статическом приложении нагрузки важными характеристиками

для оценки прочности материала являются предел текучести

(или

условный предел текучести

0,2

или σ

1,0

) и предел прочности σ

. Упругие

свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости

и коэффициентом Пуассона µ.

Указанные характеристики являются основными при расчетах на

прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низ

ких (от –

40 до –254 °С), средних (от +200 до –40 °С) и высоких (выше

+200 °С) температурах.

Для работы при низких температурах по нормам Госгортехнадзора

следует выбирать металлы, у которых порог хладоломкости лежит ниже

заданной рабочей температуры. Однако в химической промышленности

на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих

температурах до –40

°С большое количество аппаратов, трубопроводов,

арматуры, насосов и другого оборудования, изготовленных из углеро

дистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна,

т. е. из материалов, имеющих ударную вязкость KCU при указанной

температуре менее 2 Дж/см

Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах

следует исходить не только из величины ударной вязкости, но также

учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статическая,

динамическая, пульсирующая), наличие и характер концентраторов на

пряжений и чувствительность металла к надрезам, начальные напряже

ния в конструкции, способ охлаждения металла (за счет содержащегося

в аппарате хладоносителя или за счет окружающей среды).

При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается

изготовление аппаратов из металлов, приобретающих хрупкость при