В последние годы в России введены в эксплуатацию несколько заводов по сжижению природного газа (СПГ). Преимущественно на данных объектах, работающих по лицензируемым технологиям сжижения, используется динамическое оборудование зарубежного производства. Впервые в России, в 2017 году было принято решение использовать отечественное динамическое оборудование — центробежный компрессор К905-71-1С.
В статье рассмотрен опыт АО «РЭПХ» при проектировании опытного образца центробежного компрессора смешанного хладагента и рассмотрен ряд проблемных вопросов и недостатков существующих методик проектирования, используемых при разработке такого типа компрессоров. Рассмотрены основные технологии сжижения природного газа и соответствующие им термодинамические циклы. Определена ключевая роль условий работы компрессора в технологической схеме СПГ при выборе принципиальной схемы центробежного компрессора и значимость экспериментально-исследовательских работ по модельным ступеням рабочих колёс.
Рассмотрены основные подходы к пересчету газодинамических характеристик компрессоров после испытаний на стенде завода изготовителя с целью подтверждения расчётных параметров проточных частей на номинальном режиме и соответствия газодинамических характеристик требованиям технического задания или технических условий. Отмечены основные недостатки в существующих методиках расчетов согласно наиболее распространенным международным стандартам. Определены преимущества использования стенда на замкнутом контуре с использованием модельного газа. Определены оптимальные методы расчета коэффициентов подобия.
Проведен анализ выполненных при проектировании прочностных расчетов цельно-фрезерованных рабочих колес и при расчете сегментных масляных подшипников. Рассмотрены преимущества проведения разгонных испытаний рабочих колес ЦБК в вакууме.
За последние пять лет в России введены в работу уже несколько заводов по сжижению природного газа (СПГ). Во всех заводах СПГ используются центробежные компрессоры, работающие как в качестве основного, так и в качестве вспомогательного оборудования в технологической линии получения СПГ. В основном, применяемые технологии СПГ — это технологии зарубежных производителей, в которых используются, практически, все импортное оборудование. Впервые в России, в 2017 году было принято решение использовать отечественное динамическое оборудование — центробежный компрессор К905-71-1С производства АО «РЭПХ» (рис. 1). Применение компрессора дало возможность развития отечественного турбокомпрессоростроения и выполнения программы импортозамещения для дальнейших проектов СПГ заводов на отечественных технологиях.
Проектирование опытного образца центробежного компрессора смешанного хладагента выявило ряд проблемных вопросов и недостатков такого типа компрессоров. Проблема проектирования проточной части центробежного компрессора возникали, прежде всего, из-за недостаточного понимания технологии СПГ, а также отсутствия опыта экспериментально-исследовательских работ по модельным ступеням рабочих колёс. Если для нагнетателя природного газа основной задачей является сжатие и перемещение газа по магистральным газопроводам, то для компрессоров СПГ — это сжатие холодильного рабочего тела в холодильном замкнутом цикле, в котором начальные условия на входе в компрессор зависят от температуры и давления кипения хладагента. А они, в свою очередь, от дросселирования и температуры и давления конденсации, следовательно, выбор оптимального режима работы центробежного компрессора зависит не только от начальных условий, но и от холодильного коэффициента всей холодильной установки.
Видео:Действующая модель осевого компрессора | РЭП Холдинг | Газовый форумСкачать
Основные технологии получения СПГ
В настоящее время распространены несколько технологий получения СПГ [1]:
- SMR — цикл со смешанным хладагентом (СХА);
- C3MR — процесс с предварительным пропановым охлаждением и основным циклом СХА;
- АР-Х — технологический процесс C3MR, при котором СПГ переохлаждается не смешанным хладагентом, а простой и эффективной системой азотного детандера;
- DMR — процесс с предварительным двухуровневым циклом на первом СХА и основным детандерно-дроссельным циклом на втором СХА;
- MFC — процесс с предварительным двухуровневым циклом на первом СХА и двумя дроссельными циклами на СХА (рис.2).
Рассматривая холодильные циклы представленных выше технологий, возможно обнаружения влияния характерных параметров (температура и давление кипения) на выбор проточных частей центробежных компрессоров. Например, увеличение давления конденсации приводит к повышению температуры конденсации в области влажного пара на тепловой диаграмме, тем самым увеличению температуры переохлаждения жидкой фракции смешанного хладагента перед дроссельным вентилем.
Рассмотрим по тепловой диаграмме холодильные циклы [2] указанных выше технологий. Наиболее часто используемой технологией является SMR — цикл со смешанным хладагентом (СХА).
Читайте также: Аквариум чтобы не гудел компрессор
Термодинамический цикл представлен на Рис. 3.
1-2 — процесс сжатия в центробежном компрессоре;
2-3 — потери в нагнетательном трубопроводе конденсатора;
3-4 — в конденсаторе хладагент вначале охлаждается до состояния сухого насыщенного пара, затем конденсируется при постоянном давлении и температуры конденсации. На выходе из конденсатора хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости;
4-5 — В теплообменнике хладагент переохлаждается;
5-6 — процесс дросселирования;
6-7 — процесс кипения, при котором происходит процесс теплообмена между технологическим природным газом и хладагентом. В результате природный газ сжижается.
Следующим по распространенности является C3MR — процесс с предварительным пропановым охлаждением и основным циклом СХА. На Рис.4а, 4б представлен двухкаскадный холодильный цикл, состоящий из пропанового и многокомпонентного циклов.
Пропановый цикл:
1п-2п — процесс сжатия в первой секции компрессора;
3п-4п — процесс сжатия во второй секции компрессора;
5п-6п — процесс сжатия в третьей секции компрессора;
7п-8п — дросселирование газа до давления всасывания третьей секции;
8п-9п — дросселирование газа до давления всасывания второй секции;
8п-1п — дросселирование газа до давления всасывания первой секции;
Холодильный цикл смешанного хладагента:
1-2 — процесс сжатия в центробежном компрессоре;
2-3 — предварительное охлаждение;
3-4 — процесс теплообмена в пропановом цикле;
4-5-9 — процесс охлаждения газообразной фракции смешанного хладагента;
9-10 — дросселирование газообразного хладагента до давления всасывания компрессора;
6-7 — переохлаждение хладагента;
7-8 — дросселирование жидкой фракции смешанного хладагента;
8-11 — процесс кипения хладагента;
11-10 — подогрев хладагента.
Последним в списке находится холодильный цикл AP-X с азотным детандером. (Рис 5). В этой технологии участвуют три каскада:
а) первый каскад участвует в процессе предварительного охлаждения (рис.5а);
б) второй каскад — простой холодильный цикл с однократным дросселированием жидкой фракции смешанного хладагента (рис.5б);
в) третий каскад с пропановым детандером (рис. 5в).
Оставшиеся две технологии DMR и MFC используют аналогичные холодильные циклы, представленные выше, но в более сложных взаимодействиях и каскадах. Из всех представленных выше технологий наиболее распространенной и простой является SMR — цикл со СХА.
АО «РЭПХ» спроектировал, изготовил и поставил центробежный компрессор К905-71-1С (рис.6), являющимся одним из первых в России компрессором смешанного хладагента. Первая секция содержит четыре ступени сжатия, вторая — три. Корпус — типа «баррель». Газ после сжатия в первой секции охлаждается в промежуточном газоохладителе. Герметичность цилиндра компрессора обеспечивается с помощью «сухих» газодинамических уплотнений. Опорный и опорно-упорный подшипники компрессора — масляные.
Видео:Центробежный компрессорСкачать
Опыт «РЭП Холдинга» при проектировании ЦБК К905-71-1С
При выборе новой проточной части центробежного компрессора обычно полагаются на опыт существующих подобных проточных частей. В случае отсутствия таковых, следует строго придерживаться критериев подобий, включающих полное подобие процессов сжатия, либо приближенное моделирование.
Газодинамические испытания центробежных компрессоров проводятся с целью подтверждения расчётных параметров проточных частей на номинальном режиме и соответствия газодинамических характеристик требованиям технического задания или технических условий, а также с целью накопления опытных данных для создания новых компрессоров. В настоящее время газодинамические испытания проводятся по утвержденным программам методикам, основанные на международных регламентах и стандартах испытаний компрессоров и эксгаустеров. Так, например, широко известный стандарт ASME PTC-10 (США) позволяет производить испытания в условиях, которые невозможно реально обеспечить на стенде-предприятии. В этом стандарте отсутствуют указания на методику приведения опытных результатов к гарантийным условиям, а в случае, когда речь идёт о подобиях процессов сжатия в неохлаждаемых проточных частях реальных газов и испытаний этих проточных частей на воздухе
на открытом контуре, то никаких чётких указаний не следует. Имеются некоторые рекомендации по измерениям давления и температуры сжимаемой среды по полным параметрам, однако, как правило, при испытаниях эти измерения проводятся на всасывающем и нагнетательном трубопроводах, где скорости газа настолько малы, что достаточно измерять статические параметры. В ASME PTC-10 не корректно учитывается время прогрева ЦК во время выхода компрессора на установившиеся режим, то есть не учитывается соотношение между массой корпуса и внутренней мощностью [4].
Читайте также: Замена компрессора кондиционера в автомобиле рено логан
Международный стандарт ISO-5389 «Турбокомпрессоры — правила опытной проверки эксплуатационных качеств», является базовым регламентом для испытаний ЦК на стенде предприятий. Стандарт охватывает области испытаний ЦК на реальном газе и газе, близком к совершенному, также позволяет пересчитывать полученные опытные данные на гарантийные и другие условия работы ЦК. В нём указываются методы, учитывающие реальность газов и отклонения чисел Маха и Рейнольдса при пересчете газодинамических характеристик. В стандарте приведены примеры пересчета газодинамических характеристик ЦК при различных условиях испытаний и разных газов. В этом случае необходимо определиться возможностью стенда, который позволит провести испытания ЦК либо на замкнутом контуре, в условиях близкому к реальному, либо провести испытания на открытом контуре на воздухе. В основном, испытания ЦК природного газа проводятся на открытом контуре на атмосферном воздухе, следовательно на эквивалентных частотах вращения ротора ЦК nэкв ниже, чем номинальные рабочие частоты вращения nном. При этом, проблемы прочности рабочих колёс не возникают из-за низких окружных скоростей, вопрос только в обеспечении подобий течений в натурных и эквивалентных условиях, то есть выполнения критерия подобия Эйлера и показателя степени.
Эквивалентная частота вращения ротора ЦК может быть и выше, чем номинальная частота вращения ротора ЦК на реальном газе. В случае если nэкв > nном, то требуется проверка допустимости работы на эквивалентных скоростях по условиям прочности рабочих колёс. Эти вопросы могут решены с помощью замкнутого контура на модельном газе, например углекислый газ СО2 или хладагент R134a, который можно при давлении близком к атмосферному, полагать совершенным газом. Однако, стоимость испытаний на замкнутом контуре гораздо выше, чем при воздушных испытаниях, поэтому вопрос о создании того или иного стенда должен решаться отдельно в каждом отдельном случае и при поддержке финансирования.
Возможности заводского стенда не позволили испытать центробежный компрессор на замкнутом контуре на модельном газе. Поэтому испытание проводилось при рабочих частотах вращения ротора, соответствующей номинальной частоте вращения ротора (nном = 6200 об/мин). Конечно, эта частота вращения не соответствует эквивалентной частоте вращения ротора nэкв, из-за условий прочности рабочих колес. При этом нарушаются условия газодинамического подобия, следовательно, полученные газодинамические характеристики не соответствовали реальности. Эти критерия и определяют условия проведения газодинамических испытаний на замкнутом контуре.
При производстве центробежного компрессора К905-71-1С по требованию заказчика все цельнофрезерованные пространственные рабочие колеса отдельно подвергались разгонным испытаниям на специальном стенде. Материал колес 12Х2ГМФБРЧА КП 75 ГОСТ 4543. Испытания осуществлялись при подъеме оборотов на 115% от максимальной длительной скорости вращения ротора. После испытаний проводился контроль основных размеров и цветная дефектоскопия (ЦД) рабочих колес. Результаты ЦД одного из колес показаны на рисунке 7. После разгонных испытаний сколь-либо заметных отклонения в состоянии колес не выявлено. В конструкции компрессора применены виброустойчивые опорные подшипники скольжения сегментного типа с плавающим сепаратором (рис.8), обладающие повышенной демпфирующей способностью [6]. Для соединения турбины с компрессором разработана сухая пластинчатая муфта (рис. 9). Экспериментально полученные характеристики осевой и угловой жесткости муфты представлены на рисунке 10. Анализ крутильных колебаний системы турбина — трансмиссия — компрессор показал (рис.11), что в диапазоне частоты вращения от 0 до 7000 об/мин находится одна критическая частота крутильных колебаний равная (220 р/с) 2100 об/мин, значительно отстроенная от рабочей частоты вращения ( nраб = 6200 об/ мин). По критическим частотам изгибных колебаний ротор компрессора со значительным запасом отстроен от рабочих частот вращения. В качестве иллюстрации отстройки на рис.12 приведена диаграмма Кэмпбелла для изгибных колебаний ротора. На рисунке 13 представлена полученная на стенде завода — изготовителя амплитудно-частотная характеристика вибрации ротора компрессора, свидетельствующая о низком уровне вибрации агрегата и хорошем соответствии расчетных и экспериментальных данных. Расчетная первая критическая скорость 2208 об/мин, экспериментальная — 2180 об/мин. Ротор компрессора гибкий, с отстройкой второй критической скорости от рабочей частоты вращения на уровне 25%.
Читайте также: Как ставится компрессор в аквариум для рыбок
Для данного агрегата выполнены расчеты границы динамической устойчивости колебаний ротора на сегментных подшипниках скольжения. [7,8,9]. Результаты анализа устойчивости от воздействия возбуждающих газодинамических сил по API 617 [3], представлен на рисунке 14, из которого следует, что ротор работает в устойчивой зоне со значительным запасом. На приведенном графике Qа = 4,3*10 6 Н/м — газодинамическая поперечная сила по API 617; Q0 = 6,8*10 6 Н/м — пороговое значение газодинамической поперечной силы, при котором возможна потеря устойчивости; R — параметр сопротивления системы; Е — параметр возбуждения [6].
Следует отметить, что из обработки резонансной кривой (рис. 13) следует, что декремент колебаний находится на уровне . Данный факт, в соответствии с API 617 [3], подтверждает полученный выше запас по границе устойчивости колебаний ротора.
Видео:Как работает центробежный газовый компрессорСкачать
Заключение
Опыт, полученный при проектировании первого компрессора смешанного хладагента, позволил осуществить ряд мероприятий на предприятии:
- создать стенд на замкнутом контуре на модельном газе (R134а);
- приобрести необходимое оборудование для изготовления рабочих колес;
- скорректировать методики пересчёта газодинамических характеристик;
- использовать специальные холодильные марки сталей. Таким образом, проектирование нового центробежного компрессора СХА связано с многочисленными условиями, критериями эффективности и надежности проточных частей. Условия работы компрессора в технологической схеме СПГ могут повлиять на выбор принципиальной схемы центробежного компрессора. Обеспечение условий и критериев изготовления компрессоров, а также их подтверждение на стендах предприятия дает уверенность в создании отечественных центробежных компрессоров СХА для заводов СПГ.*
Юн В. К., д.т.н., Иванов Н. М., к.т.н., Болдырев Ю.В.,
АО «РЭП Холдинг» (Санкт-Петербург, Россия)
- Юн В.К. Центробежный компрессор смешанного хладагента для предприятий сжижения природного газа.// Химическая техника № 9. 2017. с.21-26.
- Холодильные машины. Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. — СПб. Политехника, 2006. — 944 с.: ил.
- ASME PTC-10-1997. Performance Test Code on Compressors and Exhausters.
- ISO 5389-1992. Turbocompressors. Performance test code.
- Рис. В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л., «Машиностроение». 1981. 351 c
- Иванов А.Н., Иванов Н.М. Анализ демпфирующих свойств опорных сегментных подшипников центробежных компрессорных машин «Компрессорная техника и пневматика», № 3, 2015, с. 30 — 34.
- Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. М., МЭИ, 2000, 458 с.
- Иванов Н.М., Юн В.К., Давлетгареева Е.И., Иванов А.Н. Виброустойчивость роторов ЦКМ под действием возмущающих сил масляного слоя и газового потока. «Газовая промышленность», № 6, 2019, с.86-92.
- Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зиле А.З. Расчет и проектирование опор жидкостного трения: Справочник.- М.: Машиностроение. 1983, 232 с.
* Первоисточник статьи: ж Ноябрь — Декабрь 2020 урнал «Газовая промышленность» Специальное издание, Апрель, 2020
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
📽️ Видео
Многоступенчатый центробежный компрессорСкачать
Устройство и принцип работы винтового компрессораСкачать
Производство ГТУ 32 ЛадогаСкачать
Сжиженный природный газ. СПГ. 12+Скачать
СПГ Высоцк, Холдинг "НК-Теплохиммонтаж"Скачать
Видеоролик: Балтийский СПГ - завод по сжижению природного газа | AscreenСкачать
Пятиступенчатые центробежные компрессоры Dresser RandСкачать
Центробежный компрессорСкачать
Как работает завод по СПГСкачать
Установка производства СПГ полной заводской готовности (ЛСПГ-0,75 для ГРС "Конаково")Скачать
Центробежные компрессоры SeAH в РоссииСкачать
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА || ⏱ Что это? Зачем это?Скачать
Направляющий аппарат центробежного компрессораСкачать
Видеоурок "Классификация компрессоров"Скачать
Анохин В. Г. Компрессор ТРД. ПомпажСкачать
Все о компрессорахСкачать
Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать
