Техносфера - Компрессоры и современные технологические процессы

Содержание

Предисловие редактора русского перевода ....................... 6

Предисловие ......................................................................... 6

Перечень иллюстраций и использованных

фотоматериалов .................................................................... 8

ЧАСТЬ I ................................................................................ 9

Глава 1. Компрессоры объемного типа ............................... 9

1.1.

Поршневые компрессоры ...................................... 9

1.2.

Описание главных узлов и деталей ......................... 9

1.2.1.

Картер .............................................................. 9

1.2.2.

Коленчатый вал .............................................. 10

1.2.3.

Шатун.............................................................. 10

1.2.4.

Крейцкопф ..................................................... 10

1.2.5.

Смазка ............................................................. 10

1.2.6.

Материалы цилиндра ..................................... 11

1.2.7.

Расчет размеров цилиндра ............................. 11

1.2.8.

Охлаждение цилиндра .................................... 13

1.2.9.

Поршни ........................................................... 16

1.2.10.

Шток поршня ............................................... 17

1.2.11.

Сальники ....................................................... 18

1.2.12.

Прокладки ..................................................... 19

1.3.

Сравнение возвратно;поступательных

(поршневых) и центробежных компрессоров ......... 20

1.3.1.

Свойства газа и условия

технологического процесса ........................... 20

Анализ газа ..................................................... 20

Молекулярный вес ......................................... 20

Показатель политропы .................................. 21

Расход газа ...................................................... 22

Давление на впуске и выпуске ....................... 22

Температура ....................................................22

Тепловой баланс ............................................. 25

1.4.

Последовательная и параллельная работа

компрессоров ......................................................... 25

Глава 2. Роторные компрессоры как категория ................. 26

2.1.

Винтовые компрессоры .......................................... 26

2.2.

Обзор принципов действия

и основных конструкций ....................................... 26

2.3.

Анализ процесса сжатия

в винтовом компрессоре ........................................29

2.4.

Основания для выбора винтовых

компрессоров ......................................................... 34

2.5.

Сравнение безмасляных двухроторных

винтовых компрессоров

с маслозаполненными компрессорами ................. 34

2.5.1.

Подшипники .................................................. 35

2.5.2.

Уплотнения вала ............................................. 35

2.5.3.

Внутренние уплотнения ................................. 35

2.6.

Объемный контроль винтового компрессора ..........35

Регулирования изменением скорости........... 36

Байпасс ........................................................... 36

Регулятор «полная нагрузка/холостой ход» ..... 36

Регулирование дросселированием

на всасывании ................................................ 36

2.6.1.

Регулирование производительности

винтовых компрессоров, оборудованных

впрыском масла (маслонаполненных

компрессоров) ................................................ 36

Регулирование дросселированием

на всасывании ................................................ 36

Bстроенный регулятор

производительности ...................................... 36

2.7.

Вспомогательное оборудование винтовых

компрессоров ......................................................... 36

2.7.1.

Скруббер на всасывании и дренажный

герметичный сборник .................................... 37

2.7.2.

Первичный маслоотделитель

и маслосборник .............................................. 37

Принципы отделения масла .......................... 37

2.7.3.

Вторичный сепаратор ..................................... 37

2.7.4.

Охладитель масла ........................................... 38

2.7.5.

Концевой охладитель и скруббер

на нагнетании компрессора .......................... 38

Скруббер......................................................... 38

2.7.6.

Масляный фильтр или кондиционер

масла ............................................................... 38

2.8.

Проблемы с H2S во всех газовых

компрессорах .......................................................... 39

2.9.

Анализ работы сепараторов на всасывании .......... 39

2.9.1.

Пример процесса ............................................ 39

2.9.2.

Обсуждение проблемы и пути

ее решения...................................................... 39

Асфальтены и откуда они берутся ................. 40

Удаление загрязняющих веществ .................. 40

Особенности конструкции

самоочищающихся противоточных

уловителей с высокодисперсным

коагулянтом.................................................... 40

Анализ использования обычного

оборудования ................................................. 41

История внедрения аппаратов KTC

и представленных на рынке

так называемых эквивалентов ....................... 41

Анализ газа и оценка его качества ................. 43

Попытка обобщить рекомендации

по применению входных сепараторов .......... 43

Глава 3. Центробежные компрессоры в газовых

процессах ............................................................................ 45

3.1.

Где центробежные компрессоры

незаменимы ............................................................ 45

3.2.

Центробежные компрессоры, вентиляторы

или нагнетатели? .................................................... 45

3.3.

Центробежный компрессор. Конфигурации

и узлы ...................................................................... 46

3.3.1.

Корпуса компрессоров

с горизонтальным разъемом .......................... 46

3.3.2.

Корпуса компрессоров

с вертикальным разъемом ............................. 48

3.3.3.

Сравнение ступени и секции ......................... 51

3.3.4.

Рабочие колеса компрессоров ....................... 51

Геометрия колеса ............................................ 53

3.3.5.

Установка колес на валах компрессоров ....... 55

3.3.6.

Диффузоры ..................................................... 57

3.3.7.

Внутренние лабиринты .................................. 60

3.3.8.

Подшипники .................................................. 61

3.3.9.

Уплотнения вала ............................................. 68

Сухие газовые уплотнения

и сопутствующие системы:

преимущества и возможности выбора ........... 72

Сравнение затрат на систему сухого

уплотнения с системой «мокрых»

уплотнительных систем за период

их эксплуатации ............................................. 73

Принципы работы сухого газового

уплотнения и особенности

конструкции ................................................... 74

Поддерживающие системы сухих

газовых уплотнений ....................................... 77

Для сухих газовых уплотнений

необходимо надежное вспомогательное

оборудование.................................................. 79

Глава 4. Передача энергии и достижения

в технологии подшипников ............................................... 82

4.1.

Муфты для роторных объемных

и центробежных компрессоров ............................. 82

4.1.1.

Функциональные параметры,

типы и конфигурация сцеплений ................. 82

4.1.2.

Муфты «морского» стиля

и геометрические формы

с уменьшенным моментом ............................ 85

4.1.3.

Муфта в сборе и вопросы выбора .................. 85

4.2.

Магнитные подшипники для роторов

компрессора ........................................................... 86

4.2.1.

Начало применения магнитных

подшипников ................................................. 86

4.2.2.

Принципы работы активных

магнитных подшипников .............................. 86

4.2.3.

Нагружаемость ............................................... 88

4.2.4.

Комплектация магнитных

подшипников ................................................. 88

Радиальные магнитные подшипники ........... 88

Магнитные упорные подшипники ............... 89

Вспомогательные подшипники .................... 89

Контрольная система магнитного

подшипника ................................................... 90

4.2.5.

Состояние технологии и исторические

примеры ......................................................... 92

Случай из практики № 1. Компрессор

для перекачки циклического газа

для производства полиэтилена ...................... 92

Cлучай из практики № 2. Компрессор

хранилища природного газа .......................... 92

4.2.6.

Выводы по применению магнитных

подшипников ................................................. 93

4.3.

Подшипники, работающие под давлением

извне ....................................................................... 93

4.4.

Основы мониторинга состояния технологических

газовых компрессоров ............................................ 94

4.5.

Объединенная система выявления

неисправностей и постоянного мониторинга

динамических данных для ответственного

оборудования ......................................................... 95

4.5.1.

Обзор последних разработок ......................... 96

4.5.2.

Инновативные инструментальные

средства получения данных ........................... 96

4.5.3.

Из раннего опыта решения проблем ............. 96

4.5.4.

Опыт текущего применения .......................... 97

4.5.5.

Ожидаемые перспективные

разработки .................................................... 101

Глава 5. Рабочие характеристики центробежного

компрессора ...................................................................... 102

5.1.

Процессы сжатия и эффективность:

политропа в сравнении с изотермой ................... 102

5.2.

Удельная скорость (Ns)

и коэффициент потока (ϕ) ................................... 102

5.2.1.

Коэффициент потока (ϕ) ............................. 102

5.2.2.

Коэффициент давления,

или коэффициент напора (Ψ) ..................... 103

5.2.3.

Число Маха ................................................... 104

5.2.4.

Помпаж и его контроль ................................ 106

Работа с изменяемой скоростью

и проблемы пульсации ................................ 114

5.2.5.

Развитие напора ........................................... 114

5.3.

Оценка характеристик центробежного

компрессора ......................................................... 114

5.4.

Регулирование ...................................................... 115

5.4.1.

Единый подход к управлению

технологическим процессом

и оборудованием .......................................... 116

5.5.

Варианты систем регулирования

производительности............................................. 117

Глава 6. Испытания........................................................... 119

6.1.

Испытания центробежного компрессора ............ 119

6.2.

Типы испытаний для снятия рабочих

характеристик ....................................................... 119

6.3.

Руководство по силовым испытаниям

ASME (ASME PTC 10) ......................................... 121

6.3.1.

Важность испытания рабочих характеристик

для последующей работы............................. 122

Глава 7. Вопросы применения ......................................... 124

7.1.

Применение и отрасли промышленности ........... 124

7.2.

Заводы с воздухоразделительными установками

и компрессоры общего назначения

для предприятий .................................................. 124

7.3.

Промышленность по переработке

природных газов ................................................... 124

7.4.

Применение на платформах

по добыче нефти и газа ........................................ 126

7.5.

Промышленность переработки нефти ................ 127

7.6.

Нефтехимические производства

и производства химических удобрений .............. 129

7.7.

Сталелитейная промышленность ........................ 135

7.8.

Области специального применения .................... 135

Глава 8. Использование стандарта АPI;617

как технических условий для центробежного

компрессора ...................................................................... 136

8.1.

Модернизация компрессора ................................ 139

ЧАСТЬ II ........................................................................... 140

Раздел 1. Процессы переработки газа .............................. 164

Раздел 2. Процессы переработки нефти .......................... 216

Раздел 3. Нефтехимические процессы ............................ 276

Использованная литература и дополнительные

источники ........................................................................... 335

Предметный указатель ....................................................... 337

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
В первой части книги изложены сведения о технологи;
ческих газовых компрессорах объемного и динамическо;
го действия, используемых в различных отраслях промыш;
ленности. Рассмотрены принципы работы и типовые кон;
струкции этих машин, а также области их применения в
зависимости от требуемых расходов и давлений. Большое
внимание уделено вспомогательному оборудованию, устанавливаемому на всасывании и нагнетании компрессоров.
Книга является одной из немногих публикаций, посвященных специфике газовых компрессоров, особен;
ностям конструкций их уплотнений, подшипников, муфт
и способов регулирования. Приведены примеры (технические данные и фотографии) различных газовых компрессорных установок. Книга представляет интерес для
специалистов в области технологических процессов, в
которых используются газовые компрессоры.
Вторая часть книги Блоха состоит из двух, на первый
взгляд, независимых разделов: турбоэкспандеры и технологические процессы нефтехимии. Однако если учесть,
что компрессоры, обсуждаемые в первой части книги, реакторы, турбокомпрессоры, сепараторы и аналогичное
оборудование являются основным инструментарием технологических процессов газо; и нефтепереработки, то
логическое построение книги становится вполне обоснованным. По стилю изложения и используемой термино;
логии несомненно, что автор книги имеет богатый практический опыт применения описываемого оборудования.
Этот стиль старались сохранить и переводчик, и редакторы переводного издания. Этим объясняется тот факт, что в
книге не использованы единицы измерения системы СИ,
имеющей скорее академическое, чем техническое приложение, а даются принятые в нашей промышленности технические единицы, типа атмосфера и т.д. Использование
технических единиц не представит дополнительных сложностей в восприятии материала книги, но позволит широкому кругу читателей – инженеров, техников и технологов
получить информацию на «знакомом» им языке. Книга
не только представляет интерес с точки зрения описания
современных компрессоров и турбоэкспандеров, но и является хорошим справочным пособием по современным
технологическим процессам нефтепереработки. Для обозначения этих процессов часто используются произвольные
буквенные сокращения или аббревиатуры, не раскрывающие смысл самого процесса. В книге для каждого из этих
сокращений дано описание соответствующего технологического процесса, оно иллюстрируется технологической
схемой и сопровождается технико;экономической информацией. Несомненный интерес представляет информация о практической реализации и объемах современного
мирового производства, а также сведения о патентодержателях и ссылки на источники с более подробной информацией по каждому технологическому процессу
Почему была написана эта книга
Разделение производственных функций на проектирование, техническое обслуживание, управление, контроль
и управление технологическим процессом, материальнотехническое снабжение и т.д. часто оставляет в стороне
вопросы безопасности, надежности и рентабельности
современных технологических производств. В то же время известно, что каждая из этих производственных функций оказывает влияние на связанные с бизнесом целевые
показатели промышленного оборудования. Следовательно, знанием капитального оборудования и технологичес;
ких процессов должны в определенной мере обладать все
подразделения предприятия, связанные с эксплуатацией
оборудования. Отсюда возникает необходимость подробного рассмотрения этого вопроса. При этом всем заинтересованным сторонам этого процесса нужно иметь в виду
конкретные основополагающие факторы.
Излишне говорить, что компрессорное оборудование
является предметом огромных инвестиций на многих производствах, а рентабельность на тех предприятих, кото;
рые пренебрегают этой критически важной составляющей
инвестиционного проекта, либо вообще не может быть
достигнута, либо не может удержаться на определенном
уровне. К такому выводу можно прийти, прочитав массу
специальной литературы по компрессорам, она доступна
и приводится в ссылках. Следует, однако, учитывать, что
эти в большинстве своем крайне детализированные и перегруженные источники адресованы профессионалам,
непосредственно работающим с компрессорным оборудованием. В то же время краткий обзор конструкций ком;
прессоров, вопросов управления технологическим процессом и технического обслуживания необходим и для
работников других подразделений предприятия. И именно эти вопросы будут освещены в настоящей книге. Этот
материал будет полезен и широкому кругу читателей, в
чьих производственных процессах используются большие
промышленные компрессоры. Кроме этого, в книге уделяется особое внимание важному в организационном отношении вопросу унификации терминов, для того чтобы
устранить разночтения везде, где они могут встречаться.
Это одна из главных задач настоящей книги.
Согласно этому замыслу наш обзор будет касаться технологических газовых компрессоров – нагнетателей
объемного типа и в последних главах, где речь идет о центробежных компрессорах, представит на суд читателя
только самую суть без излишнего детализирования. Как
принято в справочниках, начальные главы и этой книги
имеют самостоятельное значение и будут особенно полезны читателям, интересующимся, как и почему работает
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
В первой части книги изложены сведения о технологических газовых компрессорах объемного и динамического действия, используемых в различных отраслях промышленности. Рассмотрены принципы работы и типовые кон;
струкции этих машин, а также области их применения в
зависимости от требуемых расходов и давлений. Большое
внимание уделено вспомогательному оборудованию, устанавливаемому на всасывании и нагнетании компрессоров.
Книга является одной из немногих публикаций, посвященных специфике газовых компрессоров, особенностям конструкций их уплотнений, подшипников, муфт
и способов регулирования. Приведены примеры (технические данные и фотографии) различных газовых комп;
рессорных установок. Книга представляет интерес для
специалистов в области технологических процессов, в
которых используются газовые компрессоры.
Вторая часть книги Блоха состоит из двух, на первый
взгляд, независимых разделов: турбоэкспандеры и технологические процессы нефтехимии. Однако если учесть,
что компрессоры, обсуждаемые в первой части книги, реакторы, турбокомпрессоры, сепараторы и аналогичное
оборудование являются основным инструментарием технологических процессов газо; и нефтепереработки, то
логическое построение книги становится вполне обоснованным. По стилю изложения и используемой термино;
логии несомненно, что автор книги имеет богатый практический опыт применения описываемого оборудования.
Этот стиль старались сохранить и переводчик, и редакторы переводного издания. Этим объясняется тот факт, что в
книге не использованы единицы измерения системы СИ,
имеющей скорее академическое, чем техническое приложение, а даются принятые в нашей промышленности тех;
нические единицы, типа атмосфера и т.д. Использование
технических единиц не представит дополнительных сложностей в восприятии материала книги, но позволит широ;
кому кругу читателей – инженеров, техников и технологов
получить информацию на «знакомом» им языке. Книга
не только представляет интерес с точки зрения описания
современных компрессоров и турбоэкспандеров, но и является хорошим справочным пособием по современным
технологическим процессам нефтепереработки. Для обозначения этих процессов часто используются произвольные
буквенные сокращения или аббревиатуры, не раскрывающие смысл самого процесса. В книге для каждого из этих
сокращений дано описание соответствующего технологического процесса, оно иллюстрируется технологической
схемой и сопровождается технико;экономической информацией. Несомненный интерес представляет информа;
ция о практической реализации и объемах современного
мирового производства, а также сведения о патентодержателях и ссылки на источники с более подробной ин;
формацией по каждому технологическому процессу.
компрессорное оборудование. Последние главы позволят
более продвинутым читателям легче понять лежащие в
основе процессы, что даст возможность представить конструкцию всех компрессоров. Но нужно иметь в виду, что,
уделив внимание самому существенному, не всегда удается отдать должное деталям, надеемся, что специалист мо;
жет это понять. Таким образом, отсутствие в книге многих подробностей не должно удивлять читателя; помес;
тить информацию о десятках конструкций компрессоров,
техническом обслуживании и технологических ноу-хау в
одну обзорную книгу просто невозможно. Специалист,
таким образом, согласится, что у работников, выполняющих определенные производственные функции, нет ни
необходимости, ни времени для чтения сотен страниц подробных описаний компрессоров. С другой стороны, попыт;
ка создания книги, целью которой является доведение до
понимания критически важных параметров и принципов
взаимодействия узлов, является как целесообразной, так и
заслуживающей усилий по ее написанию. Это также является одной из задач, которую автор поставил перед собой.
Книга в целом будет полезна для менеджеров, инженеров
и технических работников, нуждающихся в информации обзорного типа, связанной с компрессорами технологических
процессов. Она включает в себя как технические условия и
особенности изготовления и монтажа, так и основные
принципы управления и технического обслуживания компрессоров. Признавая важность взаимодействия механики с протекающим технологическим процессом, автор в части II книги разделяет технологические схемы движения
потока на три основных сегмента. Эти три сегмента относятся к переработке нефти, нефтехимическим и газовым
технологическим процессам. В каждом сегменте приводится информация о применении и месте установки газовых
компрессоров и турбоэкспандеров в более чем 300 технологических процессах, в которых используются эти машины. Достаточное количество существенной информации о компрессорах, касающейся первых двух сегментов и относящейся соответственно к процессам очистки и нефтехимическим процессам, изложено в части II. Подробности,
касающиеся турбоэкспандеров, относятся к третьему сегменту, технологические процессы которого в промышленности углеводородов обычно называют газовыми процессами.
И наконец, автор старался избежать дублирования в
подходе или в содержании других книг, которые, так или
иначе, затрагивают компрессоры или их применение.
Поэтому полагаем, что эта книга окажется полезной и
как вполне самостоятельный материал, и как дополнение к другим книгам. Кроме того, многие студенты смогут оценить достоинства этой книги по мере того, как
будут продвигаться в изучении технологической химии.
Хотелось бы надеяться, что наш труд окажется полезным.
Выражение признательности
Глава по центробежным компрессорам была написана
Хайнцем Блохом в соавторстве с Арвиндом Готсе. А во
время подготовки глав 3–8 г;н Готсе работал в г. Мускат,
Оман, в качестве инженера по обслуживанию оборудования. А поскольку именно этот материал формирует основную часть книги, то Арвинд заслуживает особой бла;
годарности.
Почти все материалы по поршневым машинам пред;
ставил настоящий профессионал и замечательный лектор
Ральф Джеймс;мл. Его безвременная кончина в 1979 году
все еще отзывается болью, а его практический вклад в
повышение надежности инженерного оборудования никогда не забудут те, кто с ним работал. Ральфу однажды
пришлось по памяти делать анализ крутящего момента
механической тележки. Он сделал его сразу же, на обо;
роте обычного конверта.
Действительно, нам редко удается сделать что-то серьезное без посторонней помощи. В данном случае мы
должны признать, что большая часть иллюстративного
материала была предоставлена фирмами А;С Compression
из Эпплтона, Висконсин, и Demag Delaval (сейчас
Mannesman Demag Delaval), основное производство которого расположено в Дуйсбурге, Германия, и в Трентоне,
Нью;Джерси. Нам оказали большую помощь сотрудники
фирмы А;С Лари Миллер и Кристофер Старжак. Мы так;
же весьма признательны Дэвиду Кесиру из Demag Delaval
(сейчас Mannesman Demag Delaval). Дэйв оказал действи;
тельно очень существенную помощь.
А все иллюстрации по турбоэкспандеру и его применению в США и за рубежом фактически были предос;
тавлены Мафи;Тренчем (Санта;Мария, Калифорния).
Дюан Бергман и Рэнди Дирлам оказали всемерную помощь в сборе необходимой информации.
Благодаря этой помощи нам тоже удалось получить
данные со всего мира об использовании и размещении компрессоров их производителями. Очень ответственно к этому вопросу подошли консультирующие компании и отдель;
ные специалисты, когда мы обращались к ним с просьбой
предоставить какие;то материалы для нашей книги.
Манжул Саксена предоставил материалы для сухих
газовых уплотнений, а Майк Сондерс из Flexelement,
Хьюстон, – материалы по соединительным муфтам. Мы
выражаем признательность Кену Аткинсону из Engineering
Dynamics (Сан;Антонио, Техас) за оценку данных по
компьютеризованному оборудованию и Чету Фарабо из
Kingsbury, Inc. (Филадельфия, Пенсильвания) за материалы по технологии магнитных подшипников.
Издатель Жене Свантек (теперь на заслуженном отдыхе) из издательского дома Gulf позволил нам использовать
технологические схемы из справочников по очистке нефти,
переработке нефти и газа. Ури Села (Валнат Крик, Калифорния) поделилась с нами замечательными предложени;
ями о том, как лучше организовать книгу, чтобы точнее сориентировать материал для целевой аудитории.
И снова мы еще раз выражаем нашу искреннюю признательность всем, кто с нами сотрудничал и кто разре;
шил использовать свою информацию в этой книге.
Хайнц П. Блох
Aerzener Maschinenfabrik: см. Maschinenfabrik Aerzen.
A;C Compressor Corporation, Appleton, Wisconsin: Возвратно;поступательные и ротационные компрессоры,
Динамические компрессоры (3.16, 3.20, 7.1, II.1–II.7).
Ameridrives Couplings, Erie, Pennsylvania: Оборудова;
ние для передачи энергии (4.1, 4.2).
API/American Petroleum Institute, Alexandria, Virginia:
Стандарты Американского института нефти (API) (1.5,
2.4, 2.5, 3.5).
Babcock;Borsig, Berlin, Germany: Возвратно;поступа;
тельные компрессоры, Динамические компрессоры, Тур;
боэкспандеры, Паровые турбины в качестве приводов и
т.п. (1.7, 1.11, 6.1, 7.9).
Burckhardt Compression, Winterthur, Switzerland:
Возвратно;поступательные и ротационные компрессо;
ры, Компрессоры с лабиринтными поршнями (1.1, 1.3,
1.13, 1.14).
Cooper;Bessemer (теперь Rolls Royce), Middlesex/ UK
и Houston/Texas: Центробежные компрессоры для обслу;
живания трубопроводов (7.5, 7.6).
Demag: см. Mannesmann Demag Delaval.
Dresser;Rand Corporation, Olean, New York: Динами;
ческие компрессоры, Турбоэкспандеры, Паровые турби;
ны в качестве приводов и т.п. (табл. 3.1 и 3.2).
Dresser;Rand Corporation, Painted Post, New York: Воз;
вратно;поступательные и ротационные компрессоры
(1.2, 1.4, 1.6, 1.9, 1.12).
Flexelement Texas, Houston, Texas: Конструкции сцеплений (4.3–4.5).
John Crane Company, Morton Grove, Illinois: Конструкции и материалы уплотнений (3.30, 3.32).
Kaydon Ring and Seal, Inc., Baltimore, Maryland: Газовые, масляные и водяные уплотнения (3.24–3.26).
Перечень иллюстраций и использованных фотоматериалов
King Tool Company, Longview, Texas: Оборудование для
фильтрации газа и отделения влаги, противоточные абсорберы воды и т.п. (2.10–2.13).
Kingsbury, Inc., Philadelphia, Pennsylvania: Гидродинамические радиальные и упорные подшипники, магнит;
ные подшипники (3.23, 4.6–4.16).
MAN;GHH, Oberhausen, Germany: Возвратно-поступательные и ротационные компрессоры, динамические
компрессоры, турбоэкспандеры, паровые турбины в качестве приводов и т.п. (2.2, 2.6).
Mannesmann Demag Delaval, Duisburg, Germany: Возвратно;поступательные и ротационные компрессоры,
Динамические компрессоры, Турбоэкспандеры, паровые
турбины в качестве приводов и т.п. (3.2–3.4, 3.8–3.13,
3.15, 3.17, 3.19, 3.21, 3.27, 5.8, 7.2, 7.3, 7.4, II.8–III.15).
Mafi;Trench Corporation, Santa Maria, California:
Tурбоэкспандеры (I.1–I.12).
Maschinenfabrik Aerzen, Aerzen, Germany, а также
Coatesville.
Pennsylvania: Воздуходувки, компрессоры ротационного принципа действия (2.1, 2.3).
Mitsubishi Heavy Industries (MHI), Tokyo, Japan: Возвратно;поступательные и ротационные компрессоры,
Динамические компрессоры, Турбоэкспандеры, Паро;
вые турбины в качестве приводов и т.п. (3.28, 7.12).
Nuovo Pignone, Florence, Italy: Динамические компрессоры, Турбоэкспандеры, Паровые турбины в качестве
приводов, Возвратно;поступательные и ротационные
компрессоры и т.п. (1.8, 1.10, 2.7, 2.8, 7.7, 7.10, 7.11).
Sulzer Turbo, Winterthur, Switzerland: Динамические
компрессоры, Турбоэкспандеры, Паровые турбины в качестве приводов и т.п. (3.1, 5.1, 7.8).
Zurn Industries см. Ameridrives Couplings.
Хотя на современных предприятиях можно встретить
большое число компрессоров различных типов, их можно, с нашей точки зрения, разделить на компрессоры
объмного типа и динамические машины. В категории нагнетателей объемного типа наибольший интерес пред;
ставляют поршневые и винтовые компрессоры. Поршневые компрессоры из этих двух типов определенно более старые. На этом основании мы начнем обзор именно
с компрессоров возвратно;поступательного действия,
прежде чем перейти к компрессорам других типов.
1.1. Поршневые компрессоры1
В некоторых процессах нефтепереработки и технологических газовых процессах (например, в гидрокрекинге)
лучше всего зарекомендовали себя поршневые компрессоры возвратно;поступательного действия. Поэтому обзор конструкций этих машин станет важной частью на
стоящей книги.
Компрессоры возвратно;поступательного действия
м. рис. 1.1, 1.2, 1.5) являются самым давним и самым
распространенным типом. Конструктивно их выпускают
в разных кунфигурациях, которые включают вертикальные компрессоры и так называемые компактные компрессоры на рамах (см. рис. 1.2). Область их применения
чрезвычайно широка и включает в себя конструкции как
со смазываемым, так и с несмазываемым цилиндром, что
показано на соответствующих зонах диаграммы на рис. 1.3.
В так называемых дожимных (бустер) компрессорах часто используются плунжеры вместо более распространенных поршней (см. рис. 1.4).
В основополагающем стандарте API Standard 618,
указанном в ссылках, предлагаются рекомендуемые характеристики газовых компрессоров возвратно;поступательного действия и предъявляемые к ним требования.
На рис. 1.5 показано поперечное сечение типового компрессора и его основные детали. На этом чертеже показаны и другие важные узлы.
Эффект компрессии создается за счет уменьшения
объема газа при движении поршня или плунжера
ГЛАВА 1
КОМПРЕССОРЫ ОБЪЕМНОГО ТИПА
линдре. Всасывающие и нагнетательные клапаны (см.
рис. 1.6 и 1.7) поджаты пружиной и работают автоматически под действием разности давления, возникающей
между цилиндром компрессора и давлением в трубопроводе при движении поршня [1].
Компрессоры возвратно;поступательного действия
выпускаются как с воздушным, так и с водяным охлаж
дением. Так как в данной работе рассматриваются компрессоры, которые применяются в нефтехимической
промышленности и в процессах рафинирования нефти,
мы будем касаться только конструкций, снабженных рубашкой с охлаждающей жидкостью. Это компрессоры
двойного действия.
Поршневые компрессоры получили широкое рас;
пространение. Число оборотов коленчатого вала у них
может находиться в пределах от 125 до 1000 оборотов в
минуту. Скорость движения поршня находится в пределах от 2,54 до 5 м/с, но в большинстве случаев составлят от 3,5 до 4,3 м/с. Номинальная скорость газа обычно
находится в пределах от 22 до 40 м/с, а рабочее давление
на выходе может изменяться от вакуума до 4100 атм.
1.2. Описание главных узлов и деталей
1.2.1. Картер
Картер (рис. 1.8) изготавливается из U;образной чугунной отливки или стальной заготовки. Крышка слева открыта для установки коленчатого вала. Для того чтобы
предотвратить открытие или закрытие крышки под действием выдавливающих сил, она закрепляется с помощью прокладок и болтов с фиксированным моментом
затяжки. Иногда применяются и заклиненные прокладки. Они расположены непосредственно над главными
подшипниками. У главных подшипников, расположенных между соседними рядами, имеются верхние съемные крышки для облегчения сборки или удаления вкладышей подшипников, залитых баббитом. Заклиненные
прокладки, следовательно, являются более предпочтительными, так как после их удаления облегчается доступ
к крышкам подшипников.
Однако в компрессорах, используемых в нефтехимической промышленности, коренные подшипники сделаны настолько надежно, что редко требуют разборки для
повторной заливки баббита.
1 Этот раздел, первоначально написанный в качестве статьи,
был предложен Ральфом Джеймсом;мл. (Ralf James, Jr.) и с благодарностью принят.
10 Глава 1. Компрессоры объемного типа
1.2.2. Коленчатый вал
Коленчатый вал (см. рис. 1.8) является сердцем машины, и обычно это самая дорогая детель. Каждое колено
подвергнуто точной ковке, противовесы закреплены с
помощью болтов, чтобы уравновесить возвратно;движущиеся массы крейцкопфа и поршня. Если картер будет
двигаться на фундаменте, это приведет к смещению коленвала при каждом обороте, что вызовет явление усталости и в конечном счете приведет к поломке. Поэтому
периодически должен производиться замер величины свободного хода коленвала путем его проворачивания на 360°.
Эта процедура называется измерением отклонения коленчатого вала. Ее рекомендуется проводить при ежегодной проверке.
1.2.3. Шатун
Шатун (рис. 1.9) снабжен крышкой, которая крепится к
телу шатуна на шатунной шейке болтами с заданным
моментом затяжки. Разъем снабжен прокладками, которые могут быть удалены по мере износа. Поршневой палец плавающий, удерживается на месте крышками крейцкопфа, что позволяет шатуну найти свой собственный
центр.
1.2.4. Крейцкопф
Крейцкопф (рис. 1.9 и 1.10) перемещается вдоль двух
направляющих с диаметральным зазором около 0,025 мм
(0,001 дюйма). Как правило, сила инерции всех поступательно движущихся масс компенсирует напряжение на
поршневом пальце от газовой силы, даже когда одна из
полостей находится под давлением нагнетания. В противном случае палец, находясь под напряжением, посте;
пенно снимет с боковой поверхности всю смазку и начнет застревать или «заедать».
1.2.5. Смазка
Смазка базы осуществляется либо насосом с приводом
от хвостовика коленчатого вала, либо отдельно установ;
ленным насосом. Насос забирает масло из поддона кар;
тера и прогоняет его через холодильник и фильтр, обыч;
но с размером ячеек 25 микрон, затем по трубкам к глав;
ным подшипникам.
В коленчатом вале имеются отверстия, просверлен;
ные от поверхности главного подшипника к рабочей по;
верхности подшипника шатуна. Отсюда масло проходит
через отверстие в шатуне к поршневому пальцу, а оттуда
через отверстия к скользящим поверхностям крейцкопфа.
Рис. 1.1. Типичный уравновешенный горизонтальный компрессор с оппозитными цилиндрами. (Источник: Sulzer;Burckhardt,
Швейцария.)
Маслосъемные кольца в передней части рамы предот;
вращают утечку масла вдоль штока поршня. Из;за такого извилистого пути, по которому идет масло, перед тем
как запустить компрессор необходимо провести предварительную смазку. Она выполняется вспомогательным
масляным насосом.
Для компрессоров, работающих под открытым не;
бом, нередко нужно нагревать масло в картере, чтобы
поддерживать необходимую вязкость масла и не допускать конденсацию влаги, способную в дальнейшем вызывать коррозию. Масло, однако, является плохим проводником, и при использовании таких нагревателей возникает местный перегрев и карбонизация масла. Таким
образом, при нагревании картера в то время, когда компрессор не работает, вспомогательный насос должен быть
постоянно включенным.
1.2.6. Материалы цилиндра
В компрессорах с рабочим давлением до 68 атм цилиндры
обычно изготавливаются из чугуна. При более высоком
рабочем давлении цилиндры изготавливаются из стальных
отливок или поковок, по усмотрению производителя.
Иногда согласно техническим условиям предпочтеие отдается литью с включением сферических форм по
сравнению с чугунным литьем.
Согласно стандарту API;618 все цилиндры должны
иметь сменяемые гильзы. Они обычно изготавливаются
из литого чугуна из;за его смазочных и антифрикцион;
ных свойств. Гильзы должны подвергаться хонингованию
до конечной чистоты от 0,25 до 0,5 микрометра.
1.2.7. Расчет размеров цилиндра
Охлаждающие рубашки, смазка, материалы прокладок
и колец ограничивают температурный режим цилиндра. Температура сжатого газа на выпуске 135 °С считается идеальным максимумом, а 190 °С является абсолютным верхним пределом рабочих температур. Применив общее термодинамическое уравнение с верхними температурными ограничениями, можно определить
отношение давлений для каждого цилиндра. Расчетные
значения нагрузок, сжимающих и растягивающих шток
поршня, не должны быть превышены, и, следовательно, нужно проверять нагрузку на шток для каждого ци;
линдра.
Рис. 1.2. Полностью укомплектованный пятиступенчатый воздушный компрессор высокого давления для химического завода в
Великобритании. (Источник: Dresser;Rand Company, Painted Post, Нью;Йорк.)
12 Глава 1. Компрессоры объемного типа
Нагрузка на шток определяется по следующей фор;
муле:
R.L. = P2 × AHE – P1 × ACE,
где R.L. – нагрузка на шток при сжатии в фунтах (× 0,454 –
кг); AHE – площадь цилиндра со стороны крышки; ACE –
площадь цилиндра со стороны вала, обычно ACE = AHE – пло;
щадь штока; P2 – давление нагнетания абсолютное, фунт/
кв. дюйм (× 0,068 – атм); P1 – давление всасывания, абсо;
лютное, фунт/кв. дюйм (× 0,068 – атм).
Предельные нагрузки на штоки устанавливаются
производителем [2]. Некоторы производители требуют
более низкие нагрузки на шток при растяжении, чем при
сжатии. В этом случае приведенные выше пределы про;
веряются, меняя местами AHE и ACE. Заметим, однако, что
дополнительные технические условия заказчиков, дела;
ющих акцент на надежность, часто налагают ограниче;
ния на предельно допустимые напряжения в резьбовом
конце штока. Этот предел основан на практическом опы;
те и связан, скорее всего, со стремлением ограничить на;
Рис. 1.3. Типичные области применения компрессоров возвратно;поступательного действия. (Источник: Sulzer;Burckhardt,
Winterthur, Швейцария.)
Применение
Химическая промышленность
Технологические процессы с углеводородами
Полиэтилены (ПЭНД, ПЭВД, линейный ПЭ высокого давления)
Низкотемпературные и криогенные процессы
Добыча нефти и газа
Нефтепереработка
Глубокая рекуперация нефти
Технологические процессы производства
синтетического топлива
Коррозийные и токсичные газы
Установки в технологии жидкого нефтяного газа (LPG)
(фунт/
кв. дюйм)
(бар )
Расход
(при условиях всасывания: давление 1 бар (0,9869 атм),
температура 20 °С/(14,7 фунт/кв. дюйм при 68 °F)
Давление нагнетания
(Нм куб./час)
(ст, куб. фут/мин)
Дожимающие (бустер) компрессоры
Смазываемые
Несмазываемые
Среда
N2, Ar, He, H2, CO, CO2, NH3, CH4,
C2H2, C3H6, CnHm, LPG, LNG, GNG, Cl2,
HCl, H2S, SO2, cинтетические и другие
смешанные газы
грузку на соединение штока с крейцкопфом, чем на напряжения в нем самом.
Для компрессоров, работающих с давлением ниже
34 атм, таких как воздушные компрессоры, размеры
обычно рассчитываются исходя из температурных ограничений. Нагрузка на шток является обычно лимитирующим фактором в конструкциях, работающих выше этого давления.
1.2.8. Охлаждение цилиндра
В технологических компрессорах обычно высокое давление. Поэтому степень сжатия низкая. Это приводит к
небольшому возрастанию температуры.
Следовательно, термосифонное охлаждение цилинд;
ра должно быть оговорено в технических условиях при
предельной температуре нагнетания около 130 °С. Термосифонное охлаждение осуществляется путем наполнения водяной рубашки цилиндра соответствующей жидкостью – водой, например пригодной для наполнения
радиатора и позволяющей отводить тепло от наружных
стенок цилиндра. Задачей, решаемой при заполнении водяной рубашки цилиндра, является получение равномерного распределения тепла по цилиндру.
Выше 130 °С применяется циркуляция охлаждающей
жидкости. Обычная вода не подходит, потому что приводит к образованию осадка в охлаждающей рубашке,
очистить который чрезвычайно трудно. Поэтому нужно
предусмотреть создание замкнутой системы, которая
состоит из резервуара, циркуляционного насоса и теплообменника.
Известное выражение «чем холодней, тем лучше» для
данного случая не подходит. Необходимо избегать переохлаждения цилиндра до температуры ниже точки конденсации, чтобы не допустить коррозии цилиндра или
образования жидкости и гидравлического удара. Следовательно, охлаждающая жидкость должна иметь возможность циркулировать, минуя теплообменник, при этом
нужно постоянно следить за температурой. Рекомендуется также, чтобы термостат и нагреватель были смонтированы на резервуаре, а охлаждающая жидкость продолжала циркулировать, когда компрессор остановлен и
находится в готовности, для того чтобы поддерживать в
цилиндрах температуру выше точки конденсации газа.
В качестве охлаждающей жидкости обычно используют 50%;й раствор этиленгликоля с водой, чтобы не допустить замерзания, поскольку он имеет меньшую теплоемкость. Поэтому нужно всегда просить производителя рассчитывать размеры теплообменника на этой основе, даже если первоначально предполагалось, что в
качестве охлаждающей жидкости будет использоваться
только вода.
Рис. 1.4. Типичный цилиндр компрессора возвратно;поступательного действия для надежной долговременной эксплуатации.
(Источник: Dresser;Rand Company, Painted Post, Нью;Йорк.)
A – полость охлаждения
В – сухая гильза
С – поддерживающий фланец
D – полость нагнетания
Е – высокоэффективные клапаны
F – наружная резьба
Всасывание
Нагнетание
G – большие крышки для инспекции
и обслуживания
H – надежная смазка
I – высококачественное уплотнение
J – болтовое соединение штока
14 Глава 1. Компрессоры объемного типа
Рис. 1.5. Поперечное сечение поршневого компрессора и его детали согласно стандарту API 618
ВИД СБОКУ
Поршневые кольца
Устройство
для разгрузки
подсоединением
дополнительного
мертвого
пространства
Устройство
для разгрузки
клапана
Вилка
для отжима
всасывающего
клапана
Всасывающий
клапан
Подшипники
коленвала
Картер
Картер
Коленчатый вал
ВИД СВЕРХУ
Хвостовик
вала
Цилиндр
не показан
Направляющие
кольца
Гильза цилиндра
Крышка цилиндра
(передняя или задняя)
Гайка поршня
Нагнетательный
клапан
Нагнетательная
полость
Крышка клапана
Цилиндр
Поршень
Маслоотражательное
кольцо
Крышка цилиндра
(сторона картера или вала)
Шток поршня
Проставка
Направляющая
крейцкопфа
Шатун
Хвостовик
для масляного
насоса
Крышка картера
1.2. Описание главных узлов и деталей 15
Коренные подшипники
Направляющая крейцкопфа
Втулка
пальца крейцкопфа
Цилиндр
не показан
Втулка
пальца шатуна
Палец крейцкопфа
Крейцкопф
Башмак крейцкопфа
Полость
всасывающего
клапана
Устройства для разгрузки
всасывающих клапанов
Всасывающий
клапан
Маслосъемное
уплотнение
Полость
дополнительного
мертвого объема
Втулка
пальца
крейцкопфа Контргайка
штока поршня
Промежуточное
уплотнение
Сальник штока
Нагнетание газа
Устройство
для разгрузки
подсоединением
мертвого объема
Всасывание
газа
Паз
для трубопровода
разгрузочного
устройства
Защитная крышка
разгрузочного
устройства
16 Глава 1. Компрессоры объемного типа
Самой важной деталью компрессора являются кла;
паны, в любом случае на них приходится самая большая
доля обслуживания. Они чувствительны как к жидкостям, так и к твердым частицам, попадающимся иногда
в потоке газа, что приводит к поломке пружин и тарелок
клапанов. При ходе пластины клапана вверх она может
ударять ограничитель и отскакивать после этого к седлу
клапана несколько раз за один ход поршня.
Это называется вибрацией или флаттером клапана и
приводит к поломке тарелки (пластины) клапана. Такая
проблема возникает при сжатии легкомолекулярных газов, таких как водород. Предотвратить это можно отчасти путем ограничения подъема пластины, т.е. контролируя скорость ее перемещения.
В стандарте API скорость клапана определяется как:
V = D × 144/A,
где V – средняя скорость в футах/мин (× 0,005 – м/с);
D – описанный объем цилиндра в куб. фут/мин (× 0,028
куб. м/мин); A – общая площадь всасывающих клапанов одного цилиндра, рассчитанная как произведение
высоты подъема клапана на длину периметра щели, помноженное на количество всасывающих клапанов в цилиндре в квадратных дюймах (× 6,45 кв. см).
Производители компрессоров иногда не соглашают;
ся с приведенными выше данными, так как скорость клапана для цилиндров двойного действия оказывается наполовину меньше, чем такая же величина в цилиндре
простого действия. Следовательно, данные, приводимые
производителями для цилиндров двойного действия, часто указывают вдвое большую скорость, чем скорость
клапана по стандарту API, поэтому к приводимым в таких случаях данным по скорости клапанов нужно отно;
ситься осторожно. Для газов с более тяжелым молекулярным весом (~20) API рекомендует скорость клапанов
около (0,0175 – м/с), а для газов с более легким молеку;
лярным весом (MВ = 7) – 7000 футов (0,035 м/с).
Производители часто используют взаимозаменяемые
всасывающие и нагнетательные клапаны. Это может привести к установке клапана в неправильное гнездо и, в результате, к серьезному повреждению клапана или поломке
штока или цилиндра. Пользователи, предпочитающие надежность оборудования, должны иметь в виду, что клапаны не могут быть взаимозаменяемыми. Однако эта важная
деталь может ускользнуть от внимания, поэтому нужно
постоянно следить за правильностью установки клапанов.
1.2.9. Поршни
Поршни (рис. 1.9) обычно изготавливают из литого чугуна, а для снижения веса их делают полыми. Простран;
ство внутри может быть заполнено газом, поэтому при
снятии поршня со штока нельзя исключить вероятность
взрыва. Из;за этого необходимо устанавливать легко снимаемые заглушки, чтобы провентилировать объем перед
снятием поршня. Крупные поршни изготавливают из
алюминия для снижения веса. Такие поршни имеют
большие допуски, компенсирующие тепловое расшире;
ние, порядка 0,51 мм на каждый дюйм (2,54 см) диаметра.
Рис. 1.6. Тарельчатый клапан. (Источник: Dresser;Rand Company, Painted Post, Нью;Йорк.)
Седло и ограничитель подъема
из сферического чугуна
Многочисленные отверстия в седле
и ограничителе подъема
для обеспечения равномерного потока
Запорные органы клапана
могут быть из нейлона
или высокотемпературного
материала
Поверхности, имеющие форму,
исключающую неправильную
установку
На чугунных поршнях направляющие кольца устанавливаются довольно часто, а на алюминиевых поршнях такая установка просто необходима. Для уменьшения износа такие кольца или даже весь поршень нужно проворачивать на 90° хотя бы раз в год. Нагрузки на поршень
или направляющие кольца рассчитываются из удельного напряжения, которое, в свою очередь, рассчитывается путем деления половины веса штока с поршнем (в
фунтах) на произведение диаметра поршня или направляющего кольца на ширину (в квадратных дюймах). Нормальными пределами являются 5 фунтов/кв. дюйм
(0,3405 атм) для тефлона, 12 фунтов/кв. дюйм (0,8172 атм)
для литого чугуна, 0,9474 атм для бронзы и 1,5 атм для
других металлов. Часто рекомендуются компрессионные
кольца из тефлона, которые могут работать до нагрузок
34,05 атм (500 psi). Для изнашиваемых колец, которые
работают свыше этих нагрузок, рекомендуется использовать металл с покрытием меди или баббита для направляющих колец и бронзу для компрессионных колец. Тефлоновые компрессионные кольца часто предлагаются со
стальным экспандером. На практике их следует избегать,
потому что при износе компрессионного кольца стальной экспандер может поцарапать цилиндр. Имеются
конструкции поршней и колец, в которых такие компрессионные кольца прижимаются к поверхности цилиндра без экспандера.
1.2.10. Шток поршня
Шток поршня (рис. 1.10) устанавливается в крейцкопфе и должен быть законтрен либо контргайкой, либо
штифтом.
Регулированием положения штока относительно
крейцкопфа устанавливается рекомендованный зазор
между поршнем и крышкой. Это проверяется путем проворачивания поршня в машине, раздавливанием кусочка мягкого свинца и замером остаточной толщины. Про
цедура называется «установка зазора».
Та часть штока, которая проходит через сальник, дол;
жна быть закаленной. В некоторых случаях шток хромируется, но в машинах, работающих при высоком давлении,
возникают проблемы, связанные с выделением большого
количества тепла. При этом быстро образуются трещины
в хромовом покрытии, которое, в свою очередь, может,
отслаиваясь, разрушать уплотнение. Лучшим решением
было бы приобрести закаленный шток. Если износ уже
произошел, на шток можно нанести карбидо;вольфрамо;
вое покрытие, что продлит срок эксплуатации машины.
Рис. 1.7. Типичный пластинчатый клапан высокого давления. (Источник: Babcock;Borsig, Берлин, Германия.)
Клапан высокого давления
в разобранном виде
1. Седло клапана
2. Ограничитель подъема
3. Шпилька
4. Кольцевая пластина клапана
5. Стакан
6. Пружина
7. Центровочная поверхность
8. Стопорная шайба
9. Гайка
Аэродинамика профиля потока
18 Глава 1. Компрессоры объемного типа
На машинах, работающих при высоком давлении, шток
часто проходит сквозь поршень и выходит из головки цилиндра, чтобы уравновесить нагрузку на поршень. Такой
протянутый насквозь шток называется штоком с хвос;
том (подвешенный шток). Известны случаи [1], когда
такие штоки с хвостом отрывались и как ракета вылетали из цилиндра. Эксплуатационники, придающие большое значение надежности, должны обратить внимание
на то, чтобы технические условия предусматривали установку бокса;ловушки, достаточно прочного для того,
чтобы поймать вылетевший шток.
1.2.11. Сальники
Сальники компрессора изготавливаются из двух соеди;
ненных в пару колец, помещенных в изготовленную из
стали или литого чугуна обойму. Сальник устанавлива;
ется таким образом, чтобы открытая сторона обоймы
была расположена с противоположной от направления
силы давления стороны. Обоймы зскреплены болтами и
имеют отверстия для вентиляции, масла, дренажа, про;
сверленные там, где это необходимо. Все это после
вскрытия сальника должно быть снова точно совмещено.
Рис. 1.8. Установка коленчатого вала в картер компрессора. (Источник: Nuovo Pignone, Флоренция, Италия.)
Если для сальников при давлениях более 34,05 атм предусмотрен тефлон, обычно устанавливается дополни;
тельное поддерживающее металлическое кольцо, чтобы
предотвратить выдавливание тефлона из обоймы.
Производители компрессоров устанавливают проставку (рис. 1.5) между цилиндром и картером, чтобы обеспе;
чить доступ к сальнику. Обычно бывает достаточно трех или
четырех обойм. В процессе эксплуатации, однако, особен
но при давлении свыше 136,2 атм, количество уплотните
лей может достигать от 8 до 18 обойм и больше. Здесь не
помешает какая;нибудь особо длинная проставка, обеспе
чивающая достаточное пространство для разборки обоймы
и смены колец сальника. Но после того как машина собрана, увеличить длину проставки, как правило, невозможно.
1.3. Сравнение
возвратно#поступательных (поршневых)
и центробежных компрессоров
В конечном счете выбор компрессора определяется анализом экономических факторов, включающих в себя анализ
затрат на ремонт и частоту выхода машин из строя [2, 3].
Пользователи и производители должны иметь полное
представление об условиях технологичского процесса и
факторах, определяющих выбор. При возрастающей стоимости энергии проблема эффективности поршневых и
винтовых компрессоров приобретает все большее значение. Вопрос, насколько влияет расход энергии на выбор
оборудования, интересен еще и с точки зрения общей
культуры. В тех домах, где свет остается включенным в
каждой комнате или даже в помещениях, в которых никто не живет, и при этом летом работает кондиционер, а
зимой отопление, вопросы экономии электроэнергии непопулярны или не являются приоритетными.
Понятно, что в некоторых случаях на выбор той или
иной машины влияют и другие, очевидные или даже совсем неочевидные факторы. В любом случае необходи;
мо тщательно их проанализировать, для того чтобы сделать правильный выбор между двумя типами. Бывает, что
поршневые и центробежные компрессоры работают последовательно в одном технологическом процессе.
1.3.1. Свойства газа и условия технологического
процесса
При выборе типа компрессора нужно начинать с всесто
роннего и точного газового анализа. В данных анализа
должна быть информация о процентном содержании
компонентов газа, наличии в газе жидкости и твердых
частиц и процентах водяного пара. В анализе должны
быть приведены сведения даже о самых незначительных
количествах загрязнений.
Даже следы сернистых соединений и хлоридов могут
вызвать коррозию или другие механические проблемы.
Самая слабая коррозия может вызвать поломку находя;
щихся под циклическим напряжением деталей в комп;
рессорах любого типа.
В компрессорах возвратно;поступательного действия
твердые частицы приводят к большим затратам на обслу;
живание, так как вызывают ускоренный износ клапанов,
поршней, цилиндров, штоков поршня и уплотнений.
Твердые частицы, проходящие через центробежный
компрессор, могут вызвать серьезную эррозию колес и
корпуса. Любые твердые частицы должны быть, насколь;
ко это возможно, удалены из газового потока еще до того,
как газ поступит в компрессор. В некоторых случаях для
того, чтобы вывести из компрессора мелкие частицы,
используются моющие средства.
Наличие водяного пара или других паров, входящих
в состав газа, заставляет увеличивать суммарный объем
цилиндров, и это должно учитываться при расчете раз;
меров компрессора.
За исключением изменения производительности вследствие потерь, связанных с клапанами, молекулярный вес
газа не оказывает особого внимания на поршневые компессоры. Постоянные изменения в составе газа оказывают
незначительный эффект на мощность компрессии и давРис. 1.11. Сальник в разрезе. (Источник: Babcock;Borsig, Берлин, Германия.)
1.3. Сравнение возвратно поступательных (поршневых) и центробежных компрессоров 21
ление. С другой стороны, давление, которое развивается в
центробежных компрессорах при определенных скоростях,
прямо пропорционально плотности газа или молекулярному весу1. Таким образом, внутренние каналы для газового
потока конструируются с учетом изменений плотности
определенного газа, проходящего через компрессор.
При одинаковых окружных скоростях колес потре;
буется многоступенчатое сжатие водорода, чтобы создать
такое же давление, которое создает одноступенчатое сжатие газа с высокой плотностью, такого как бутадиен или
метилхлорид.
Если процентное содержание составляющих в смешанном газе время от времени изменяется, то будет меняться и молекулярный вес. Для того чтобы центробежный компрессор создавал необходимое давление при
работе с полным потоком такого газа, он должен быть
сконструирован с учетом самого низкого ожидаемого молекулярного веса. Избыточное давление, получаемое при
работе с газом с увеличенным молекулярным весом, должно быть уменьшено путем дросселирования, измене;
нием скорости или некоторыми другими способами.
Иначе говоря, трудно спроектировать центробежную установку, которая будет экономична и регулироваться в
зависимости от плотности газа.
В процессе компрессии газа показатель политропы определяет отношение давление – объем и изменение температуры. Если показатель политропы неизвестен, для расчета теоретических значений температуры, объемов и
мощности при адиабатическом сжатии можно использовать среднее зачение отношений удельных теплоемкостей.
Температура является важным фактором в компрес;
сорах возвратно;поступательного действия. Температура внутри смазываемого обычным методом цилиндра не
должна превышать 175 °С. Теоретически газ с низким
показателем политропы можно подвергать компрессии
с гораздо большей степенью сжатия в одной ступени,
удерживая, однако, температуру в необходимых пределах. Препятствием к этому является то, что при такой
высокой степени сжатия объемная производительность
уменьшается, и низкий показатель политропы может
сделать неэкономичной работу при высоких отношени;
ях давления в одной ступени.
Показатель политропы также влияет на конструкцию
центробежных компрессоров. Давление, создаваемое колесом, будет меньше для высокоэкспонентного газа, чем
для низкоэкспонентного газа одинаковой плотности на
впуске.
Толкатель из нержавеющей стали
Сальниковое уплотнение
Кольцевое уплотнение
Направляющие
регулировочного клапана
Регулировочный (отжимной) клапан
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ
МЕРТВЫЙ ОБЪЕМ
Управляющее
давление
РАЗГРУЗОЧНОЕ
УСТРОЙСТВО
Кожух может быть
в положении
«управляющий воздух
к нагрузке» или
«воздух к разгрузке»
Возвратная пружина
Направляющая –
крышка
1 Центробежная сила = (масса)(тангенциальная скорость)/(радиус). Следует также заметить, что колесо центробежного компрессора создает одинаковый напор для различных газов, но
давление является функцией свойств газа.
Рис. 1.12. Устройство для разгрузки клапана (вверху) и дополнительный мертвый объем (карман) (слева). (Источник: Dresser;Rand
Company, Painted Post, Нью;Йорк.)
22 Глава 1. Компрессоры объемного типа
ÐÀÑÕÎÄ ÃÀÇÀ
Центробежные компрессоры обладают большой производительностью. Если, к примеру, необходимо подвергать компрессии 28 000 куб. м/мин при практически атмосферном давлении на всасывании, для низких ступеней компрессии целесообразно использовать центробежный компрессор. Если требуемое давление нагнетания
велико, дожатие газа нужно проводить с применением
поршневых компрессоров.
Как правило, поршневые компрессоры более экономичны до производительности около 280 куб. м/мин.
Другой рекомендацией, основанной на практическом
опыте, является то, что в тех технологических процессах, где объем газового потока при давлении на выпуске
выше 17 куб. м/мин, необходимо проводить сравнительный анализ центробежных компрессоров с поршневыми и винтовыми. Таким образом, заказ на изготовление
центробежного компрессора по своей экономической целесообразности равен заказу поршневого и/или винтового компрессоров, если его мощность находится в пределах 1500 кВт.
Если величина расхода изменяется в широких пределах, поршневые компрессоры и некоторые винтовые
компрессоры могут использоваться с приемлемой эффективностью. При изменени расхода производительность компрессора может регулироваться с помощью
разгрузки клапанов и/или изменением мертвого пространства (рис. 1.12) или, особенно в случае винтовых
компрессоров, путем изменения скорости вращения.
Разгрузка всасывающего клапана осуществляется
путем нажатия на пластину клапана или тарелку с тем,
чтобы клапан оставался открытым во время ходов всасывания и сжатия.
Таким образом, во время хода сжатия газ не подвергается компрессии, а течет назад в трубопровод всасывания. Разгрузочное устройство может управляться или
вручную, или автоматически и дистанционно.
Дополнительные мертвые объемы (карманы) явля;
ются объемными камерами, которые монтируются в цилиндрах или крышках или подсоединяются к цилиндру
с помощью патрубков. Обычно встроенный карман соединяется с цилиндром через клапан, в результате чего
дополнитльный мертвый объем может быть добавлен или
удален, по желанию, вручную или автоматически.
В целом дополнительные мертвые объемы более тех;
нологичны, чем разгрузка клапанов. Они могут быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить любую степень разгрузки данной ступени компрессора. В крышке
цилиндра обычно размещают два или несколько более
узких кармана.
Некоторые изготовители предлагают компрессор с
регулируемым дополнительным мертвым объемом. Наличие таких устройств плюс разгрузка всасывающих клапанов позволяют осуществлять бесступенчатый контроль
производительности с минимумом энергозатрат. (Как
будет показано ниже, такое управление центробежным
компрессором возможно, только если поток находится
в пределах от 50 до 75% проектной мощности.)
В многоступенчатом поршневом компрессоре изменяется
давление всасывания ступеней по сравнению с расчетным
до момента, пока не установится постоянное давление на;
гнетания, что может потребовать создания карманов и/или
отжима клапанов, необходимых для поддержания устой;
чивой работы во внештатном режиме. Снижение давления
на всасывании будет приводить к снижению общей мощности, снижению перепада давления на всех ступенях, за
исключением последней, к увеличению перепада давлений
на последней ступени и, очень часто, к увеличению мощности на последней ступени. Повышение давления всасывания ведет к возрастанию общей мощности машины, увеличению перепада давлений на всех ступенях вплоть до
последней, вероятно, к снижению ее мощности.
В центробежных компрессорах увеличенное давление на всасывании приводит к возрастанию давления на
выпуске и увеличению мощности. Если давление на вса;
сывании понижено, центробежная машина не будет
обеспечивать необходимое давление нагнетания.
Производительность как поршневых, так и центробежных компрессоров определяется только для заданных
условий на всасывании. Следовательно, технические условия должны устанавливать температуру на входе, а
компрессоры обычно проектируются исходя из условий
всасывания. Переход к стандартным условиям может
быть сделан только для ссылки или сравнения.
Что касается общих вопросов эксплуатации механи;
ческого оборудования, то центробежные компрессоры
менее подвержены влиянию предельных значений высо;
ких или низких температур, по сравнению с поршневыми
компрессорами. Центробежные компрессоры работают с
циркулирующим газом с температурой 480 °С. С обычными смазочными материалами поршневые компрессоры
при такой температуре работать не могут. Очень низкие
температуры также приводят к возникновению проблем
со смазкой. Однако поршневые компрессоры работают с
температурой на всасывании ниже минус 75 °С.
Несмазываемый поршневой компрессор, разработан;
ный в 1940;х гг. фирмой Burckhardt Labirinth (рис. 1.13 и
1.14), часто решает обе проблемы для компрессоров со
смазкой. Применяются лабиринтные поршни, не имеющие контакта со стенками цилиндра. Для снижения утечек обеспечивается очень малый зазор между цилиндром
и поршнем. Такая конструкция демонстрирует поистине
выдающиеся результаты.
Центробежные компрессоры, спроектированные для
заданной производительности с заданной в технических
условиях температурой не могут обеспечить требуемое
давление на выпуске, если температура на всасывании
значительно увеличена. Или, если температура на всасывании понижена, давление нагнетания будет возрастать.
1.3. Сравнение возвратно поступательных (поршневых) и центробежных компрессоров 23
Рис. 1.13. Принцип устройства компрессора с лабиринтным поршнем. (Источник: Sulzer;Burckhardt, Winterthur, Швейцария.)
Механим для привода
поршня со смазкой
и водяным охлаждением
Цилиндр с лабиринтными
уплотнениями
Поршень двойного действия
с лабиринтными канавками
на его поверхности
для бесконтактного уплотнения
Уплотняющие кольца
штока поршня
с лабиринтными канавками
Защитный отражатель на штоке поршня
Маслоотражатели
Направляющий
подшипник
штока поршня
Крейцкопф
Полость сжатия, абсолютно
свободная от масла
Соединительная проставка
для разделения свободной
от масла зоны компрессии
от смазываемого картера
24 Глава 1. Компрессоры объемного типа
Рис. 1.14. Четырехрядный компрессор с лабиринтными поршнями. (Источник: Sulzer;Burckhardt, Winterthur, Швейцария.)
Особенности конструкции
1. Цилиндр с рубашкой
для охлаждающей среды,
такой как вода
2. Лабиринтный поршень
3. Клапан компрессора
4. Уплотнение (сальник) штока
лабиринтного поршня
5. Длинный фонарь,
отделяющий масляный картер
от несмазываемого цилиндра
6. Смазываемый маслом
направляющий подшипник
с маслосъемниками
7. Направляющая крейцкопфа,
окруженная рубашкой
с охлаждающей средой,
такой как вода (масляное охлаждение
на небольших компрессорах)
8. Масляный насос
для принудительной смазки
подшипников и крейцкопфа,
приводимый в действие
коленвалом
9. Уплотнение коленвала
Зона компрессии газа и газового потока
Зона отсутствия потока
Теплообменная среда (например, охлаждающая вода)
Смазывающее масло
Следовательно, центробежный компрессор должен быть
спроектирован так, чтобы обеспечить необходимую производительность и давление при максимальных температурных условиях на входе.
Тепловой баланс процесса иногда влияет на выбор привода. В свою очередь, выбор привода может определять
тип компрессора. Например, если в качестве привода
выбрана паровая турбина с противодавлением ввиду необходимости иметь пар с низким давлением, логическим
выбором был бы центробежный компрессор. Паровые
турбины идеально подходят для центробежных компрессоров по нескольким причинам. Во;первых, выравнивать
число оборотов в минуту между центробежными комп;
рессорами и турбинами позволяет прямой привод. При
проектировании серии центробежных компрессоров
учитывается то, что турбина – это наименее дорогой привод. Она обладает высокой надежностью и удобна при
контроле скорости, благодаря чему можно поддерживать
и давление компрессора, и величину газового потока. Более того, при правильном выборе турбины обеспечивают высокую надежность и сокращение затрат на обслуживание. При регламентном обслуживании они могут эксплуатироваться до трех и более лет. Иногда на предприятиях с большим опытом грамотной эксплуатации
турбин срок их непрерывной работы может достигать
восьми лет. Правда, применение паровой турбины в качестве привода ограничивается предприятиями, которые
могут получить пар по доступной цене.
В тех случаях, когда по экономическим или другим
соображениям применяются электрические моторы или
газовые двигатели, наиболее подходящим выбором могут стать поршневые компрессоры. Бывают и исключения, когда, например, на некоторых газоперекачивающих станциях газовый двигатель является приводом
большого одноступенчатого центробежного компрессора через повышающий скорость редуктор. Эта конструкция дешевле, чем поршневой компрессор с приводом газового двигателя такого же размера. Еще одним исключением является случай, когда между электрическим
приводом и центробежным компрессором устанавливается повышающая скорость передача.
При некоторых условиях, таких как низкие затраты
на топливо плюс отсутствие пара с умеренным давлением, в качестве привода может быть выбран газотурбинный двигатель. Выигрыш за счет пара, получаемого
в котлах;утилизаторах, возместит первоначально большие затраты на газовую турбину. В любом случае выбор
привода определяется экономическими факторами,
которые могут сильно различаться в кажом отдельном
случае.
1.4. Последовательная и параллельная
работа компрессоров
В определенных пределах компрессоры могут работать
последовательно или параллельно. В нагнетателях объемного типа, работающих последовательно, величина мас;
сового расхода на нагнетании первой машины должна
быть равна величине массового расхода на входе второй
машины. При неудовлетворительном согласовании
может возникнуть ощутимый вакуум или избыточное
давление между двумя компрессорами. При последовательном соединении турбокомпрессоров несогласование потоков будет вызывать нестабильность в работе одного из них, а также нестабильность величины потока.
Нагнетатели объемного типа могут работать и парал;
лельно, если давление на выпуске двух машин примерно
одно и то жe; поток через один компрессор оказывает
незначительное влияние или совсем не оказывет ника;
кого влияния на другой. Однако у турбокомпрессоров,
работающих в параллель, часто возникают проблемы
согласования: один из компрессоров работает с полной
нагрузкой, в то время как второй работает вхолостую или
нестабильно. Поэтому потребители, заинтересованные
в надежной работе, используют автоматическую систе;
му регулирования величины расхода.
Турбокомпрессоры и компрессоры объемного типа
могут работать в комбинации; турбокомпрессор может
быть установлен последовательно за нагнетателем объемного типа или наоборот. Турбокомпрессор может также
использоваться в параллель с компрессором объемного
типа для увеличения расхода.