Никишенко С.Л. Нефтегазопромысловое обрудование

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 2

При реальном процессе работа сжатия увеличивается за счет по-

терь мощности в клапанах, недостаточного охлаждения газа, измене-

ния свойств газа при сжатии и других факторов. Практически реаль-

ный рабочий процесс ступенчатого сжатия соответствует идеально-

му рабочему процессу.

Вопрос 3.7. Мощность и коэффициент полезного

действия поршневого компрессора

Мощность привода компрессора слагается из индикаторной мощ-

ности сжатия (N

), мощности, затрачиваемой на механические по-

тери в механизмах компрессора (N ,) и передачах от привода к комп-

рессору , и мощности (N

ecn

), затрачиваемой на привод вспомога-

тельных устройств (например, насосов системы смазки).

Таким образом, общая мощность привода равна

N = N

UHd

„. (3.20)

Индикаторная мощность (в кВт), затрачиваемая на сжатие газа,

определяется по удельной индикаторной работе (Ь

инд

(3.21)

где t - время в с.

Индикаторная работа определяется в зависимости от характера

процесса сжатия (изотермический, адиабатический или политропи-

ческий).

Индикаторная мощность многоступенчатого компрессора опре-

деляется как сумма индикаторных мощностей всех ступеней комп-

рессора.

Мощность Ы

мР

затрачиваемая на механические потери в компрес-

соре, слагается из потерь мощности в опорах скольжения или каче-

ния, в местах трения в уплотнительных устройствах и у поршня.

Потери мощности N

учитываются механическим КПД ц^ кото-

рый колеблется в пределах 0,9...0,93 для вертикальных компрессоров,

0,88...0,92 для горизонтальных компрессоров и 0,8...0,85 для неболь-

ших горизонтальных компрессоров.

Потери мощности в передаче N

учитываются механическим КПД

, который равен 0,9...0,95 для ременной передачи и 0,85...0,92 для

зубчатой.

-92-

Мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механиз-

мов N , определяется в зависимости от типа механизма и учитыва-

ется кпд

Мощность привода выбирают с запасом на 10...12% мощности ком-

прессора.

Вопрос 3.8. Охлаждение компрессора, схема

При сжатии воздуха и газов неизбежно выделяется большое ко-

личество тепла. Если это тепло будет уноситься с сжимаемым газом,

то будет происходить адиабатический процесс сжатия. Ранее пока-

зывалось, что для такого процесса необходимо затратить работу боль-

шую, чем при изотермическом или политропическом сжатии. Поэто-

му для того, чтобы сделать компрессор более экономичным, предус-

матривают принудительное охлаждение. Чаще оно бывает водяным,

иногда воздушным.

В одноступенчатых компрессорах делают охлаждение цилиндров

компрессора, в многоступенчатых, кроме того, охлаждают газ в про-

межуточных холодильниках.

В цилиндрах удается отвести небольшое количество тепла; глав-

ным образом здесь отводится тепло, выделенное при трении в порш-

невых кольцах и сальнике. Здесь основная цель охлаждения - сни-

жение температуры стенок цилиндра с тем, чтобы улучшить условия

смазки. Основное количество тепла отнимается у газа в промежуточ-

ных холодильниках.

Часто после компрессора устанавливают конечные холодильни-

ки. Эти холодильники на процесс сжатия не влияют, и их предусмат-

ривают, исходя из требований техники безопасности и технологичес-

ких нужд - для охлаждения газа и отделения от него влаги и масла.

Расход воды, необходимый для этих холодильников, мы в дальней-

шем не учитываем.

Вода, поступающая в холодильник, может идти по проточной систе-

ме при достаточном ее количестве или по замкнутой. В последнем слу-

чае воду, нагретую в холодильнике, необходимо охлаждать. На рис. 3.7

показаны системы охлаждения проточная (а) и циркуляционная (б)

с брызгальным бассейном. Вода подается для охлаждения цилиндров

первой и второй ступеней компрессора (К) и в холодильник (X). Нагре-

тая вода направляется в сборный бассейн. При циркуляционной систе-

ме вода нагнетается насосом (Н) к местам охлаждения, а в брызгальном

бассейне в систему разбрызгивания. Капли и струи воды охлаждаются

воздухом, и охлажденная вода собирается во втором бассейне.

Охлаждение воды разбрызгиванием сопровождается большим

уносом воды и для своего устройства требует больших площадей.

-93-

Рис. 3.7. Проточная (а) и циркуляционная (б) системы подачи воды для

охлаждения компрессора

Поэтому в некоторых случаях для охлаждения применяются градир-

ни - деревянные башни с решетчатыми перекрытиями. Вода посту-

пает в башню сверху и стекает, разбиваясь на капли. Встречный по-

ток воздуха охлаждает воду.

Открытые системы охлаждения воды приводят к значительному

испарению воды, повышению концентрации солей и отложению их

на стенках трубопроводов. В закрытой системе циркуляции воды это-

го недостатка нет.

Вопрос 3.9. Принцип расчета системы охлаждения

Детали компрессора и сжимаемый газ охлаждаются водой или

воздухом. Основным охлаждаемым узлом в компрессоре является

цилиндр. Здесь отводится теплота, получаемая в результате сжатия

газа, от трения поршневых колец о поверхность цилиндра и штока

в сальнике. Газ охлаждается в охладителях, расположенных между

ступенями компрессора.

Количество теплоты Q, отводимой от сжатого газа в единицу вре-

мени в межступенчатом охладителе,

a»G-C,.fc,-r,), (3.22)

где G - массовая подача ступени компрессора;

С - массовая теплоемкость газа при постоянном давлении;

- температура газа на выходе из цилиндра после сжатия;

- температура газа на входе в следующую ступень после

охладителя.

-94-

Количество теплоты Q

, отводимой от цилиндра компрессора

единицу времени, обычно принимается равным 0,7 от мощности,

затрачиваемой на механические потери N :

(3.23)

Количество воды W, необходимое для отвода теплоты Q

+ Q

в единицу времени:

(3.24)

где с

- удельная теплоемкость воды;

д2

- температура воды на выходе из охладителя;

в1

- температура воды на входе в охладитель.

Величину AT определяют таким образом, чтобы температура ох-

лаждающей воды не превышала 30...45°С, так как при температуре

больше 45°С начинается повышенное выпадение солей, загрязняю-

щих поверхности теплообмена, и чтобы скорость воды была не мень-

ше 1,0... 1.5м/с (иначе будет происходить быстрое заиливание повер-

хностей теплообмена).

Применяются различные типы межступенчатых охладителей -

многотрубные, ребристые, змеевиковые, типа «труба в трубе», ороси-

тельные и другие. Определение площади поверхности охладитель-

ного устройства представляют собой сложную задачу, так как долж-

ны быть учтены многие факторы: степень влажности газа, скорость

газа, теплопроводность газа в зависимости от его температуры и дав-

ления, плотность газа, коэффициент теплообмена в прямой и изогну-

той трубе, оребренность труб и т.д.

Необходимая поверхность охлаждения обычно устанавливается

по допускаемым скоростям проходных сечений и числа труб в пачке,

а затем по количеству теплоты, которое должно быть отобрано, рас-

считывается длина трубного пучка. Если длина труб получается не-

приемлемой, расчет повторяют, изменяя скорости движения газа,

диаметр труб и другие параметры охладителя.

Вопрос 3.10. Конструкции поршневых

компрессоров, схемы

На рис. 3.1 была представлена схема простейшего компрессора

с одним цилиндром одинарного действия, (рабочая камера цилинд-

ра находится с одной стороны поршня). В реальном компрессоре

таких цилиндров имеется несколько, со сдвинутым по времени цик-

лом работы одного цилиндра по отношению к другому. Этим дости-

гается равномерность загрузки двигателя при повороте его вала на

один оборот.

-95-

В промышленности применяется большое число компрессоров

с несколькими ступенями сжатия. В этом случае схема компрессора

усложняется. На рис. 3.8 показано несколько таких схем. Римскими

цифрами обозначены ступени сжатия газа. В схемах характерно:

1) расположение цилиндров под углом друг к другу (схемы д, е),

что позволяет экономить площадь, занимаемую компрессором, и до-

стигать лучшей загрузки двигателя;

2) использование не только полости цилиндра перед поршнем, но

и со стороны приводного штока (цилиндр двойного действия - схе-

мы а, б,

в,

г,

е,

ж,

з).

Это вызывает необходимость иметь уплотнение штока, но дает

лучшее использование цилиндра;

3) расположение цилиндров друг против друга в одной плоско-

сти (схема з), что позволяет лучше уравновесить инерционные силы,

возникающие от движущихся масс компрессора.

Рис. 3.8. Схемы поршневых компрессоров

-96-

Значительное разнообразие в схемы установок вносит тип приво-

да компрессора. В основном применяются компрессоры с приводом

от электродвигателя, через клиноременную передачу, и с приводом

от двигателя внутреннего сгорания, встроенного в конструкцию ком-

прессора.

Вопрос 3.11. Основные узлы и детали компрессора

Цилиндры компрессора для давления до б МПа изготавливаются

литыми из чугуна, для давления до 15 МПа и более - литыми или

кованными из стали. Цилиндры компрессоров с воздушным охлаж-

дением имеют ребра на внешней поверхности, с водяным охлаждени-

ем - полости для охлаждающей воды (охлаждающие рубашки). Ци-

линдры могут иметь сменные втулки из износостойкого чугуна. Ра-

бочая поверхность цилиндра должна быть хорошо обработана, иметь

низкую шероховатость и высокую износостойкость.

Поршни компрессоров име-

ют различное исполнение. Это

связано с тем, что в компрессоре

большое значение имеют массы

движущихся деталей: с увеличе-

нием массы увеличиваются силы

инерции. Поэтому поршни боль-

ших диаметров изготавливают

полыми (тронковые поршни,

рис. 3.9). Такой поршень цилин-

дра одинарного действия состо-

ит из корпуса 1 поршневых уп-

лотнительных колец 2 , мас-

лосъемных колец 3, препятству-

ющих попаданию масла в по-

лость сжатия, и пальца 4 для соединения с головкой шатуна в без-

крейцкопфных компрессорах (см. рис.3.8, д). Кроме того, поршни

могут быть дисковыми (закрытого типа), ступенчатыми (дифферен-

циального типа) - для работы в цилиндрах различного диаметра,

и других конструктивных исполнений.

Материалом для поршней служат алюминиевые сплавы, чугун

СЧ 24-44 или СЧ 28-48 и сталь. Поршневые кольца делают пружиня-

щими с разрезом. Кольца делают из высококачественного перлитно-

го чугуна.

В компрессорах без смазки цилиндров имеются опорные кольца,

исключающие трение корпуса поршня о цилиндр, и уплотнительные

поршневые кольца, обеспечивающие длительную работу при трении

о цилиндр без смазки. Кольца в этом случае изготавливаются из пласт-

масс (фторопласт с коксом, графитофторопласты).

Рис. 3.9. Поршень компрессора

Клапан служит для пропуска газа в одну сторону и исключения

движения его в обратном направлении. Основными требованиями к

клапану являются: плотность в закрытом состоянии, своевременное

открытие при малом усилии и своевременное закрытие, малое сопро-

тивление потоку газа и износоустойчивость. В большинстве конст-

рукций компрессоров применяют самодействующие всасывающие и

нагнетательные клапаны, которые изготавливаются четырех типов:

- К - кольцевой - запорное устройство выполнено в виде кольца,

расположенного перпендикулярно к направлению потока газа в кла-

пане (рис. 3.10, а);

- Д -дисковый - запорное устройство выполнено в виде диска,

снабженного дуговыми окнами для прохода газа, расположенного

перпендикулярно к направлению потока газа в клапане;

- П - прямоточный - запорное устройство выполнено в виде пла-

стины, расположенной параллельно направлению потока газа в кла-

пане (рис. 3.10, 6);

- Л - ленточный - запорное устройство выполнено в виде прямо-

угольной полосы или пластины с одним или несколькими параллель-

Рис. 3.10. Клапаны поршневых компрессоров:

а ~ кольцевой; б - прямоточный; в - ленточный; 1 - седло;

2 - ограничитель подъема запорного устройства; 3 - запорное устройство; 4 - пружина:

5 - стяжной болт

-98-

ными окнами для прохода газа, расположенной перпендикулярно

к потоку газа в клапане (рис. 3.10, в).

Прямоточные и ленточные клапаны используются при разности

давлений на клапан не более 4 МПа, а кольцевые и дисковые - при

разности давлений до 40 МПа.

В кольцевом и дисковом клапанах запорное устройство 3 прижи-

мается пружинами 4, расположенными в ограничителе подъема за-

порного устройства 2, к седлу клапана /.

Прямоточные и ленточные клапаны не имеют пружин; запорное

устройство, перекрывающее проходное сечение клапана, само обла-

дает пружинящими свойствами и в результате разности давлений

отгибается и открывает проходное сечение.

Кроме клапанов указанных типов применяются тарельчатые кла-

паны (запорное устройство выполнено в виде тарелки), клапаны

с различными модификациями запорного устройства, комбинирован-

ные клапаны (объединяют в себе всасывающий и нагнетательный

клапаны).

Седла и ограничители подъема изготавливаются в зависимости

от давления в цилиндре компрессора из чугуна, стали, алюминиевых

сплавов. Запорные устройства кольцевых и дисковых клапанов изго-

тавливаются из износостойкой легированной стали с большой удар-

ной вязкостью, подвергаются термической обработке, шлифуются

и притираются по седлу клапана. Запорные устройства прямоточных

и ленточных клапанов, а также пружины изготавливаются из пружин-

ной стали.

Уплотнительные устройства в компрессоре предназначаются для

герметизации полости цилиндра у штока, вывода вала приводящего

двигателя, штока регулятора вредного пространства цилиндра. В пос-

ледних двух случаях используются уплотнения из мягкого материа-

ла, резиновые уплотнительные манжеты. Уплотнительные устройства

штоков выполняются с уплотнениями из различных материалов. На

рис. 3.11, а показано уплотнительное устройство штока с плоскими

чугунными кольцами в качестве уплотнений. Сила, с которой газ при-

жимает кольца к штоку, является результатом разности давлений

в уплотнительном устройстве и зазоре между кольцами и штоком.

Уплотнительное устройство 1 расположено со стороны картера

и препятствует попаданию масла из него в цилиндр. В обоймах 2 рас-

положены дроссельное кольцо 3 и уплотнительные разрезные коль-

ца 4 и 5, обеспечивающие компенсацию износа уплотняющей повер-

хности. Радиально разрезанное уплотнительное кольцо 4 не устраня-

ет прохода газа, а перекрывает торцевые зазоры уплотнительного

кольца 5, имеющего ступенчатые разрезы. Уплотнительные кольца при-

жимаются к штоку пружинами 6. Дроссельные кольца перекрывают

-99-

Рис. 3.11. Уплотнительные устройства штоков

разрезы уплотнительных колец, чем затрудняют проход газа через уп-

лотнительное устройство и способствуют лучшему удержанию мас-

ла, которое подается в его полость по отверстию 7 с помощью лубри-

катора.

Аналогичную конструкцию имеют уплотнительные устройства с

плоскими фторопластовыми кольцами (рис. 3.11, б). Конструкция

таких уплотнительных устройств не предусматривает подачи в них

смазки и состоит из секций, каждая из которых включает: обойму 1,

нажимное 2 и дроссельное 5 кольца, уплотнение 6, стягивающую уп-

ругую муфту 3, поджимающие пружины 4.

Уплотнения штоков компрессоров со смазкой цилиндров изготав-

ливается из асбестового шнура, пропитанного суспензией фторопла-

ста; компрессоров без смазки цилиндров - из тех же марок антифрик-

ционных пластмасс, что и поршневые кольца. Нажимные и дроссель-

ные кольца изготавливаются из стеклопластика, муфты из резины.

Для предотвращения попадания газа в атмосферу уплотнитель-

ные устройства выполняются с отводом газа протечки; применяются

гидрозатворы, продувка уплотнительных устройств нейтральным

газом (при подаче токсичных и взрывоопасных газов). В компрессо-

рах для подачи газа с механическими примесями конструкция уплот-

-100-