Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке - файл n1.doc

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том II. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке
скачать (35174.8 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.doc17611kb.13.09.2004 09:14скачать
n2.docскачать
n3.doc68kb.13.09.2004 09:14скачать
n4.doc118kb.13.09.2004 09:14скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Установка дожимного компрессора для подачи природного газа и газотурбинный двигатель. Техническое задание №01.2414,Самара,ОАО СНТК им.Н.Д.Кузнецова,2002 .

  2. Программный комплекс «Холод» для расчета термодинамических и теплофизических свойств смесей предельных углеводородов, азота, гелия, углекислого газа и сероводорода. Описание программы. Отчет, ВНИИГАЗ, Москва,1987.

  3. Б.Эккер «Осевые и центробежные компрессора», Машгиз, Москва, 1959.

  4. В.Ф.Рис «Центробежные компрессорные машины». Машиностроение, Ленинград, 1981.

  5. К.П.Селезнев, Ю.С.Подобуев, С.А.Анисимов «Теория и расчеты турбокомпрессоров», Машиностроение, Ленинград, 1968.

  6. Г.Н.Ден «Проектированеи проточной части центробежных компрессоров». Машиностроение , Москва, 1969.

  7. К.П.Селезнев «Теория и расчет турбокомпрессоров», Машиностроение, Ленингад, 1986.

  8. В.А.Шуровский «Методические указания по проведению технологических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачаивающих агрегатов», Москва, 1999.

  9. Ф.Н.Чистяков, В.В.Игнатенко «Центробежные компрессорные машины». Машиностроение, Москва.1969.



Технологический облик газоперекачивающего агрегата для ДКС
Щуровский В. А., Барцев И. В., Синицын Н. С.

ООО «ВНИИГАЗ», Московская обл., г.Видное, Россия
Основным назначением дожимных компрессорных станций (ДКС) является поддержание необходимого давления газа в технологической цепочке комплекса промысел - газотранспортная система (ГТС) со снижением пластового давления газа по мере разработки месторождения. Специфическим требованием к оборудованию ДКС является непрерывное повышение степени сжатия по мере снижения входного давления до 0,4  0,5 МПа. Повышение степени сжатия до 10-ти  12-ти обеспечивается за счет применения сменных проточных частей (СПЧ) в компрессорах природного газа.

Сложившийся параметрический ряд СПЧ реализован на основе согласования технологической потребности в параметрах назначения ГПА с возможностью оптимального конструктивного исполнения электроприводных и газотурбинных ГПА. В типизированном варианте параметрический ряд СПЧ представлен на рис. 1. Типовой ряд СПЧ предполагает возможность непрерывного ступенчатого повышения давления при любом уровне степени сжатия с шагом 1,25-1,35-1,44-1,70-2,2-3,8-4,8. В каждой ступени предусматривается возможность непрерывного повышения степени сжатия в указанных пределах (от 1,25 до 4,8 максимум).

Шаг и пределы непрерывного изменения степени сжатия устанавливаются исходя из следующих условий:




Степень сжатия


Выходное давление газа

по ступеням сжатия (КЦ), МПа



Исход-ный ряд

Разреженные ряды

Ряд 1

Ряд 2

1

2

3

4

5

6

1,25

1,25

-




5,5

7,45

9,8

12,3




1,35

-

1,35




5,5

7,45










1,44

1,44

-

4,0

5,5

7,45 (8,3)

9,8

12,3




1,70

-

1,70

2,8

4,5

7,45 (8,3)

9,8

12,3




2,2

2,2

-

2,1

4,1

7,45

9,8

12,3

16,0

3,0

-

3,0




2,7

7,45

9,8

12,3

16,0

21,0

4,8

4,8

-




1,6

7,45







25,0

38,0


Рисунок 1 - Типовой параметрический ряд центробежных компрессоров природного газа с СПЧ
Исходя из указанных условий возможно разрежение исходного ряда технологических модификаций. Сокращение числа требуемых модификаций сопряжено с увеличением рабочих интервалов каждой модификации. На рисунке 2 представлены газодинамические характеристики модификаций с увеличенным шагом степени сжатия 1,25-1,44-2,2-4,8. Непрерывное повышение степени сжатия по линии загрузки обеспечивается в пределах диапазона регулирования по частоте вращения каждой модификации. Расширение рабочего диапазона в область повышенных расходов и пониженных оборотов приводит к снижению средних по интервалу показателей загрузки ГПА и политропного к.п.д. соответственно на 10 и 7 % отн.



Рисунок 2 - Режимы загрузки ГПА мощностью 16 МВт с применением ряда СПЧ 1,25 - 1,44 - 2,2 - 4,8

в ступени сжатия на выходное давление 76 кГ/см2

Традиционная технология развития ДКС ступенями сжатия (поэтапный ввод последовательных КЦ) потребовала обоснования и разработки параметрического ряда СПЧ-1,25-1,44-1,7-2,2-3,0 для компрессоров мощностью 6,3-10-16(18) МВт. Существующая параметрическая «матрица» ЦБК для ДКС представлена на рис. 3. Ближайшая задача расширение «матрицы» ЦБК-СПЧ для мощности 25 МВт.




Рисунок 3 - Параметрическая "матрица" дожимных ЦБК


Опираясь на международный опыт, ведется рассмотрение альтернативных вариантов технологического развития ДКС за счет наращивания параллельных ГПА на базе многокорпусных, «полнонапорных» компрессорных установок (КУ). Варианты технологического развития ДКС на базе традиционных многоступенчатых компрессоров и двухкорпусных компрессорных установок представлены на рис. 4.




Рисунок 4 - Варианты технологического развития ДСК на базе традиционных многоступенчатых компрессоров и 2 корпусных КУ

Сопоставление традиционных и альтернативных вариантов развития ДКС проводится при двухступенчатом компримировании газа в корпусах высокого и низкого давления с промежуточным охлаждением газа. Максимально возможная степень сжатия каждой ступени принимается равной 5, с учетом ограничения выходной температуры газа на уровне 160 0С. Общий диапазон изменения степени сжатия обеспечивается рядом СПЧ с номинальной степенью сжатия 1,44-2,2-5,0.

Результаты укрупненного сопоставления рассматриваемых схем технологического развития ДКС показывает:

схема параллельного развития ДКС имеет следующие преимущества:

К недостаткам параллельного развития ДКС можно отнести:

Следует подчеркнуть, что обе технологии принципиально не изменяют требуемую технологическую мощность ДКС; разница может заключаться в оптимизации режимов на стыке дискретных операций (смена СПЧ, ввод ГПА и КЦ) и оптимизации распределения капвложений во времени и частично, за счет оборудования и СМР.

Рассогласование номинальных мощностей привода и каждого из применяемых компрессоров связано с необходимостью повышения номинальных оборотов привода на 30-40 % или с применением мультипликатора. Типовой параметрический ряд позволяет исключить применение мультипликатора. Общий баланс потребляемой и располагаемой мощности ГПА сохраняется с разгрузкой 2-х компрессоров. Разгрузка компрессоров достигается применением СПЧ на повышенное выходное давление, например, НЦ-16/75-1,44 и НЦ-16/100-1,44 для последовательной работы на пониженном уровне выходного давления 4,0 и 5,5 МПа. Параметрическое «смещение» применяемых СПЧ характерно именно для работы ГПА типа «тандем» на режимах эксплуатации дожимных КС в области пониженных давлений.

Облик современного ГПА для ДКС содержит следующий набор проблем и решений:

(компримирование, охлаждение, противопомпажное регулирование).

Использование новейших технологий при создании центробежных нагнетателей природного газа в ОАО «Компрессорный комплекс».
Самсонов С.Н. , Рубцов Ю.Н., Писарев Ю.Н., Васильев А.В.


ОАО «Компрессорный комплекс» специализируется на проектировании, изготовлении, шеф-монтаже и пуско-наладке турбокомпрессорного и редукторного оборудования, используемого практически во всех отраслях промышленности.

Однако, основным заказчиком в настоящее время являются предприятия ОАО «Газпром», для которых поставляются более 80 % нашей продукции. Только за последние 8 лет для ОАО «Газпром» изготовлено более 70 центробежных нагнетателей, которые успешно эксплуатируются в системе газоперекачивающих агрегатов на линейных и дожимных компрессорных станциях. Поэтому-то собственная хотя и немногочисленная, но хорошо оснащенная конструкторская служба специализируется на проектировании нагнетателей для ГПА.

Значительные объемы работ и сжатые сроки их выполнения обусловили необходимость применения системы автоматизированного проектирования, которая функционирует на фирме с самого начала (с 1995г.). Каждый конструктор, расчетчик газодинамик, прочнист оснащен компьютером с программным обеспечением «Автокад». Кроме этого имеются 8 станций типа САDDS-5, которые дают возможность не только оперативно выполнять расчеты и разрабатывать конструкторскую документацию, но и осуществлять сквозное проектирование узлов и деталей: от рабочего места конструктора (где создаются компьютерные модели деталей) до рабочего места технолога, оснащенного теми же САDDS-5 (где устанавливается последовательность технологических операций, и задаются базовые координаты), и до станков с числовым программным управлением (где осуществляется изготовление детали по программе, генерируемой системой САDDS).

Такое оснащение конструкторов и внедренное последовательно-параллельное проектирование и изготовление изделий (т.е. при полностью не завершенном проектировании, ведется технологическая подготовка производства, и выполняются подготовка и закупки наиболее трудоемких поковок и литья) позволило уменьшить цикл от начала проектирования до окончания изготовления с 1,5ч2 лет до 9 мес.ч1 года.

Такому сокращению цикла создания новых изделий способствует внедряемая на фирме Корпоративная информационная система Sуte Line, охватывающая все сферы деятельности предприятия.

Качественное изготовление турбокомпрессорного оборудования, подтвержденное сертификатом соответствия ИСО-9001, выданным Бюро Веритас и JQNet, обеспечивается за счет современного технологического оборудования (250 ед.), в основном импортного станочного парка, и высокой квалификацией персонала. Кстати, станочный парк на фирме постоянно обновляется и модернизируется.

При создании современного турбокомпрессорного оборудования широко используется богатый 70-летний опыт Невских машиностроителей, накопленный в процессе проектирования, изготовления, исследований и доводки агрегатов.

При проектировании машин, прежде всего, обеспечивается необходимый запас прочности всех элементов конструкции, надежность их в работе, расчетные газодинамические характеристики, отстройка от критических (резонансных) чисел оборотов валопровода, низкий уровень вибрации и безопасность эксплуатации.

В частности, при разработке машин в их конструкцию закладываются следующие прогрессивные решения:

  1. Масштабная унификация проточных частей, когда в один корпус нагнетателя в зависимости от изменяемых в процессе эксплуатации параметров газа устанавливаются различные сменные проточные части (СПЧ) с различным количеством рабочих колес. Например, нагнетатели типа Н-498 с СПЧ разработан на различные степени повышения давления от 1,25 до 3,0, (рис.1) типа Н-108 с СПЧ на степени повышения давления от 1,7 до 3,0;




  1. Проточные части нагнетателей и СПЧ, как правило, не имеют горизонтального разъема, что существенно улучшает надежность и газодинамические характеристики нагнетателей (КПД) за счет исключения перетечек по разъему, одновременно снижается их себестоимость и цикл изготовления;

Кроме того, неподвижные элементы проточной части обеспечивают полную взаимозаменяемость обойм уплотнений (валовых и покрышечных). Все линейные и дожимные нагнетатели, выпускаемые ОАО «Компрессорный комплекс», и содержащие от одной до четырех ступеней сжатия, имеют неподвижные элементы проточной части без горизонтального разъема.

  1. В последнее время, наряду с лопаточными диффузорами в нагнетателях стали широко применяться безлопаточные диффузоры. Данные работы проводятся совместно с кафедрой компрессоростроения СПГПУ.

Ввиду того, что установкой лопаток в диффузоре возможно получить необходимое замедление потока при меньших радиальных габаритах и согласовать оптимальные режимы рабочего колеса и диффузора, проточная часть с лопаточными диффузорами обеспечивает машине более высокий (~ на1 %) политропный КПД в расчетной точке в сравнении с машиной, в которой применены безлопаточные диффузоры. Однако, лопаточная решетка диффузора более чувствительна к изменению условий течения газа при изменении его расхода, и характеристики ступеней с лопаточными диффузорами значительно уже, чем с безлопаточными диффузорами. Нагнетатель с БЛД имеет широкую зону устойчивой работы с запасом по помпажу более 40 % и характеристика КПД имеет более пологую зависимость от расхода (рис. 2). При этом высокая экономичность КПД сохраняется в широком диапазоне расходов ( 0,65 - 1,0 от номинала). Как показывает практика, работа нагнетателей в процессе эксплуатации чаще всего происходит на нерасчетных режимах, поэтому пологая характеристика КПД обеспечивает высокую среднеэксплуатационную экономичность машины. Кроме того рабочие колеса, за которыми установлены безлопаточные диффузоры, не испытывают нестационароности потока, а следовательно, менее подвержены усталостным разрушениям от динамических нагрузок.

Для отработки проточных частей на фирме создана установка для продувки моделей рабочих колес воздухом;

  1. Наряду с масляными уплотнениями в последнее время был изготовлен ряд нагнетателей с сухими уплотнениями фирмы «Грейс» (Сумы). Такие нагнетатели типа Н-48, и Н-498 уже успешно эксплуатируются на линейных и дожимных компрессорных станциях (максимальная наработка на ДКС «Ямсовейская» составялет более 10 000 час). Сухие уплотнения позволяют значительно сократить безвозвратные потери масла;

  2. Изготовлены 2 нагнетателя типа Н-398 с сухими уплотнениями и магнитным подвесом, которые успешно прошли стендовые испытания и поставлены на КС «Шатровская» (рис.3). Один из этих нагнетателей впервые в России оснащен цифровой системой управления магнитным подвесом. Применение сухих уплотнений и магнитного подвеса позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы (отсутствие маслосистемы).

В настоящее время осуществляется проектирование электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) с нагнетателями мощностью 6,3 и 4 МВт с сухими уплотнениями и магнитным подвесом. Причем магнитный подвес ротора осуществляется не только в нагнетателе, но и в электродвигателе. ЭГПА будет поставляться в виде комплексных сборочных блоков в полной заводской готовности. Блок нагнетателя размещается на существующем фундаменте мультипликатора и нагнетателя типа 280, электродвигатель мощностью 6,3 МВт или 4 МВт устанавливается на место прежнего электродвигателя СТД 4000. Межблочный монтаж производится в станционных условиях.




На место бывшей масляной станции планируется установка полупроводникового преобразователя частоты с системой управления, регулирования и защиты. Агрегат может эксплуатироваться без постоянного присутствия эксплуатационного персонала.

  1. На фирме отработана технология сварки рабочих колес из специальных сталей с шириной каналов на выходе более 25 мм. Для узких рабочих колес (Р < 25 мм.) разработана технология изготовления и сварки через пазы в покрывающих дисках (рис.4 ). Сварка в этом случае проводится с наружной стороны колеса и из-за ее удобства выполнения обеспечивается гарантированное качество шва. После сварки колес выполняется их термообработка для снятия напряжений;




  1. Важным моментом контроля качественной сварки и клепки рабочих колес нагнетателя или СПЧ являются стендовые газодинамические и механические испытания машин со штатными приборами контроля вибрации и температуры с обеспечением рабочих, а в ряде случаев и разгонных (на 20 % выше рабочих) частот вращения ротора. Кстати, на фирме имеются корпуса практически всех нагнетателей природного газа, изготовленных по проектам ОАО «Компрессорный комплекс», ОАО «Невский завод», ОАО «СМНПО» им. Фрунзе (г. Сумы), в которых проводятся стендовые газодинамические и механические испытания СПЧ.

  2. Особенностью большинства нагнетателей природного газа ОАО «Компрессорного комплекса» является применение «жестких» роторов, работающих до первой критической скорости, что позволяет обеспечить высокую их виброустойчивость и надежность даже при наличии большой разбалансировки ротора из-за эрозионного износа, возникающего в процессе эксплуатации агрегатов.

  3. В качестве опорных и упорных подшипников ротора в настоящее время применяются жидкостные подшипники (масло турбинное Тп 22) или магнитные опоры.

На ОАО «Компрессорный комплекс» в качестве жидкостного упорного подшипника применяют общепринятый виброустойчивый пятиколодочный вкладыш с выравнивающим устройством типа «Кингсбери». Подшипники типа «Кингсбери» обладают наибольшей несущей способностью по сравнению с другими типами жидкостных упорных подшипников и наиболее предпочтительны к применению в нагнетателях природного газа, хотя и более трудоемки по сравнению с другими типами подшипников. На СПЧ-650 и нагнетателях типа Н-108 фирмой применены жидкостные подшипники типа «Кингсбери» с уменьшенными тепловыми потерями.

  1. Сменные проточные части, поставляемые ОАО «Компрессорный комплекс», предназначены в том числе и для проведения модернизации нагнетателей ГПА, выработавших свой ресурс. В настоящее время фирмой выпускаются СПЧ с приводами от газотурбинных двигателей производства ГП НПКГ «Зоря-Машпроект» (16 МВт), ОАО «Пермские моторы» (12 и 16 МВт), ОАО «УМПО» (16 МВт), ОАО «Авиадвигатель» и ОАО «Моторостроитель» (25 МВт), ОАО «Невский завод» (10 и 16 МВт). Поставляемые СПЧ обеспечивают соответствие модернизированного нагнетателя новому приводу по мощности и частоте вращения ротора. Все СПЧ сконструированы по единому принципу: от старого нагнетателя остается только цилиндр нагнетателя, соединенный с технологическим трубопроводом, а вся «начинка» заменяется. Заменяется также вся система маслоснабжения нагнетателя.

На примере СПЧ 370 мощностью 16 МВт в двухступенчатом исполнении покажем суть проводимых изменений.

Нагнетатели типа 370-18-1 ( рис.5 ) выполнены одноступенчатыми с консольным расположением рабочих колес. Все уплотнения и подшипники сосредоточены со стороны привода. Нагнетатели имеют привод от ГТК-10 (производство ОАО «Невский завод») мощностью 10 МВт и расчитаны на степень сжатия 1,23. Для получения необходимой степени сжатия на КС работа цехов с такими агрегатами производится группами по схеме последовательного включения 2-х, 3-х нагнетателей.



При модернизации нагнетателей, например, с применением СПЧ 370 1,4/76-16/5300 (рис.) в циилиндр вставляется полнонапорная проточная часть, включающая: крышку цилиндра, ротор с двумя рабочими колесами, статорные элементы, подшипники и уплотнения, стыковую часть с турбиной и навесной масляный насос (главный), который обеспечивает снабжение маслом уплотнения и смазку подшипников модернизированного нагнетателя при его работе.

Все поставляемые СПЧ 370 имеют двухопорное исполнение (с опорами по сторонам машины), что значительно улучшает вибрационное состояние машины, освобождает упорный подшипник от высоких осевых нагрузок при пусковых режимах, дает возможность установить главный масляный насос с приводом от вала нагнетателя, применить двухколесные роторы для обеспечения степени сжатия нагнетателя до 1,5.

  1. Из новых разработок хотелось бы отметить электроприводной компрессорный агрегат предназначенный для сжатия попутного нефтяного газа на конечное давление 5,9 МПа и объемной производительностью (отнесенной к начальным условиям) 50 мі/ мин.

Агрегат состоит из редуктора и нагнетателя, сжимающего попутный газ с 0,8 МПа до 5,9 МПа и электродвигателя мощностью 3,2 МВт. Редуктор и нагнетатель установлены на единой раме-маслобаке.

  1. Также хотелось бы отметить спроектированный, но не изготовленный (в связи с закупкой нагнетателей фирмы «Термодин») нагнетатель подземного хранения газа для ГПА-10ПХГ «Урал». Все необходимые режимы при параллельно-последовательной работе обеспечиваются одной проточной частью, состоящей из 2-х секций, устанавливаемых в корпусе. Конструктивно нагнетатель разработан на базе нагнетателя типа Н-108 с сохранением основных габаритных и присоединительных размеров корпуса и рамы. Корпус компрессора имеет только 2 дополнительных патрубка для параллельной работы секций. Проточные части секций спроектированы для последовательной работы с обеспечением режима закачки на номинальную степень сжатия 3,0. При полной загрузке привода (9800 КВт) коммерческая производительность на номинальном режиме составит порядка 5 млн. мі/сутки.

  2. На фирме достаточно много выполняется работ (проектирование и изготовление) по замене проточных частей импортных компрессоров (без изменения газодинамических параметров), с использованием отечественных материалов и технологий. Как примеры, можно назвать выполненные замены проточных частей для компрессоров фирм «Крезо-Луар», «Мицубиси», «Демаг», «ЧКД» и др.

Таким образом, ОАО «Компрессорный комплекс» стало одним из ведущих в России разработчиком и изготовителем турбокомпрессорного оборудования получившего высокую оценку его потребителей и в первую очередь нефтегазовых отраслей.

УДК 66.074.1:547.912
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СЕПАРАЦійНОГО УСТАТКУВАННЯ КОМПРЕСОРНИХ УСТАНОВОК НАФТОГАЗОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
Ляпощенко О.О., асп., молодший науковий співробітник;

Склабінський В.І., д-р техн. наук, проф.

Сумський державний університет
Сепараційне устаткування є обов'язковим елементом кожної з технологічних схем промислової підготовки нафти та газу на нафтових, газових і газоконденсатних родовищах, а також складовою частиною нафтогазопромислового устаткування у процесах переробки газового конденсату, компримування газу та його охолодження на заключній стадії експлуатації родовища, попередньою ступінню відділення газу від рідини на компресорних станціях магістральних нафто- та газопроводів.

Традиційно застосовувані гравітаційні й інерційні сепаратори мають низьку ефективність і малу продуктивність по газу [1-5]. Наявність краплинної рідини і твердих часток у газі призводить до зниження продуктивності й коефіцієнта використання магістральних трубопроводів у середньому на 20-25% через підвищення гідравлічного опору [3], а також швидкого зносу лопаток турбокомпресорів на дотискучуючих компресорних станціях.

З метою підвищення ефективності сепарації доцільне обладнання газосепараторів додатковою фільтруючою секцією, що надає можливості уловлювання високодисперсної складової суміші [6-7] (рис.1).

Дана стаття призначена звернути увагу на спосіб підвищення ефективності сепараційного устаткування компресорних установок нафтогазової промисловості. Основні цілі статті — математичне моделювання газодинаміки руху газорідинного потоку по інерційній та фільтруючій секціях газосепаратора запропонованої конструкції зі спробами комп’ютерного моделювання пливу потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової області сепараційного каналу.






Рисунок 1 — 3D геометрична модель інерційно-фільтруючого газосепаратора (КОМПАС-3D V6 Plus)

Рисунок 2 — Розподіл крапель за розмірами


Дисперсний склад туману на вході до сепаратора підкоряється логарифмічно-нормальному законові розподілу [1, 5, 8] (рис.2):

, (1)

, (2)

, (3)

де n(R) – щільність імовірності випадкової величини R; w – об'ємний вміст рідкої фази; – середній радіус крапель; – дисперсія розподілу.

У об’ємі криволінійних сепараційних каналів вловлюються всі краплі з , а також частина крапель з інтервалу . У шарі фільтруючого матеріалу, яким обладнані стінки криволінійних сепараційних каналів у місцях западин гофрованих пластин, від розподілу крапель відтинається додаткова частина, що являє собою високодисперсну складової суміші. Крім того, встановленням жолобів, регульованих по висоті розташування, та застосуванням подвійних гофрованих пластин, досягається поступеневе відведення вловлюваної рідини із шару фільтруючого матеріалу, по мірі повного насичення його поперечного перетину, крізь щілеподібні отвору в закриті від газового потоку дренувальні канали, завдяки чому виключається можливість виходу пристрою на режими захлинання та вторинного унесення, а також досягаеться стабільне стікання вловлюваної рідини у вигляді плівки. На виході з сепаратора залишається незначна частина розподілу краплин з , причому введення мінімального радіуса краплі , визначаємого типом фільтруючого елемента, у даний момент є умовним.

Коефіцієнт ефективності жалюзійного інерційно-фільтруючого тумановловлювача :

, (4)

де – коефіцієнти ефективності інерційної та фільтруючої секцій відповідно.

Розглядаючи газодинаміку руху газорідинної суміші на прямолінійних ділянках довжиною L та висотою D прямокутного перетину криволінійних сепараційних каналів жалюзійного інерційно-фільтруючого тумановловлювача, нехай на вході заданий розподіл крапель по розмірах . Зміст полягає в тім, що величина дорівнює числу крапель, радіус яких укладений в інтервалі (R, R+dR).

Кількість крапель в одиниці об’єму газу та їх об’ємний вміст відповідно:

, (5)

, (6)

де V – об’єм краплі.

. (7)

Розглядаючи осадження крапель у сепараторі під дією гравітаційних сил, береться до уваги, що сила тяжіння сферичної краплі, яку можна розглядати як тверду недеформовану сферу [1]:

, (8)

де – густина газу; – швидкість руху краплі відносно газового потоку; f – коефіцієнт, що залежить від числа Рейнольдса Re потоку газу, обтікаючого краплю.

(9)

, (10)

де – динамічний коефіцієнт в’язкості газу.

Траєкторія руху краплі в системі координат (x, y) має вигляд [1]:

(11)

де – складові швидкості краплі.

,

та .

Розв’язуючи рівняння (11) за слідуючих умов (x=0, dx/dt=u, , dy/dt=0 за t=0), отримується траєкторія руху крапель даного радіусу R, що знаходиться у вхідному перетині у крапці . Перебираючи всі значення і R, та обравши з усіх траєкторій лише ту, що починається у крапці з координатами (0, D) та закінчується у крапці (L, 0), можна знайти мінімальний розмір крапель, що осаджуються у сепараторі.

У загальному випадку рівняння (11) слід розв’язувати чисельно. Розглядаючи випадок, коли рішення можна отримати у аналітичному вигляді, оцінюється ліва та права частини першого рівняння (11):

, (12)

де – час перебування краплі у сепараторі.

. (13)

Позначаючи безрозмірний параметр у лівій частині рівняння (12):

, (14)

оскільки , то , отже . Таким чином, припущення означає, що інерцією крапель у прямолінійному каналі можна зневажити. При цьому і друге рівняння (11) матиме вигляд:

. (15)

Оскільки , то відношення інерційної сили до сили опору дорівнює:

. (16)

При та маємо . Таким чином, при виконанні нерівностей та у рівняннях (11) інерційними членами можна зневажити. При цьому з другого рівняння (11) швидкість осадження краплі радіусом R:

. (17)

Оскільки f залежить від , то залежність (17) являє собою нелінійне рівняння для визначення .

, (18)

де Ar – критерій Архімеда.

. (19)

Використовуючи співвідношення (9) та рівняння (19), отримано інтерполяційну залежність [1]:

. (20)

Швидкість осадження краплі радіусом R:

. (21)

Розглядаючи осадження краплі радіусом R, рівняння руху без обліку інерції мають вигляд:

(22)

звідки . (23)

Рівняння для визначення мінімального радіуса крапель , що встигають випасти з потоку на довжині L з висоти D, одержується з залежності (23), приймаючи , , та користуючись співвідношенням (21):

. (24)

Позначаючи через мінімальний радіус краплин за умови, що вони осаджуються зі стоксовою швидкістю:

, 25)

та вводячи безрозмірний радіус у рівняння (24):

, (26)

.

Переходячи до визначення коефіцієнта ефективності сепарації, нехай на вхід надходить суміш з заданим полідисперсним розподілом крапель по розмірах , середній радіус крапель . Об’ємна та рахункова концентрація крапель відповідно:

, (27)

. (28)

За умови рівномірного розподілу краплин по висоті вхідного перетину інерційно-фільтруючого елемента об’єм рідкої фази на вході .

Нехай – висота у вхідному перетині, на якому перебуває крапля радіуса R. З усіх слід обрати те значення, що забезпечує випадіння краплі з потоку на заданій довжині L. Очевидно, що краплі радіуса на виході відсутні, тому на виході є тільки краплі радіусом . Об’єм рідкої фази на виході з прямолінійної ділянки сепараційного каналу :

. (29)

Коефіцієнт ефективності сепарації :

. (30)

Залежність (30) справедлива й у випадку нерівномірного розподілу краплин по висоті вхідного перетину інерційно-фільтруючого елементу.

З урахуванням логарифмічно-нормального закону розподілення крапель в газовому потоку, потрапляючому на вхід до сепаратора [1]:

. (31)

Вводячи наступні безрозмірні перемінні: ; ; ; ; ; , де Т – час перебування суміші в елементі; – час, за який крапля радіусу випадає із шару висотою D, якщо вона буде рухатися зі стоксовою швидкістю .

. (32)

Наближене значення Rm може бути отримане з рівняння (26):

, (33)

при цьому . (34)

Таким чином вираз (32) надає залежність коефіцієнта ефективності сепарації інерційно-фільтруючого елемента від параметрів , , та , що характеризують дисперсність потоку, геометричні розміри сепараційного елементу, а також гідродинамічні й фізичні параметри потоку.

Розглядаючи рух газорідинного потоку на криволінійних ділянках інерційно-фільтруючого елементу, моделюючи їх циліндром радіусом R та довжиною L, та припускаючи, що швидкість газу має дві складові: тангенціальну й радіальну (осьова складова швидкості мала порівняно з та , і її впливом на процес осадження краплі на стінці жалюзі можна зневажити). При русі щодо газу краплі зазнають опір відповідно до закону Стокса. Зроблені припущення дозволяють представити рівняння руху краплі у вигляді [1]:

(35)

де та – відповідно поздовжня, радіальна й тангенціальна складові швидкості краплі.

Траєкторії руху краплі на криволінійній ділянці сепараційного каналу інерційно-фільтруючого елемента, визначаючи з рівняння руху:

; ;

; ;

. (36)

Коефіцієнт ефективності сепарації на розглядаємій ділянці :



де – об'ємний вміст крапель на виході з криволінійної ділянки сепараційного каналу; – розподіл крапель по радіусах.

. (37)

Розглядаючи рух газорідинної суміші крізь фільтруючий елемент ураховується аналогія осадження крапель на волокнах осадженню крапель однакового розміру на струнах (циліндрах) діаметром , що розташовані на відстані l. Механізм осадження крапель залежить від режиму течії (ламінарний чи турбулентний), а також від співвідношення радіусу краплі а до радіусу циліндра . При обтіканні циліндра потоком траєкторії руху краплі відхиляються від лінії току завдяки інерції, та осаджуються на поверхні циліндра. відхилення, тим більше чим більше розмір крапель. Для порівняно великих крапель їх траєкторії близькі до прямих ліній. Коефіцієнт ефективності одного циліндра при захопленні великих крапель :

, (38)

де l – відстань, на якій знаходяться прилеглі циліндри.

З іншого боку, дуже маленькі краплі, інерція яких мала, рухаються за лініями струму газового потоку. У цьому випадку коефіцієнт ефективності захоплення таких крапель із урахуванням їх зачеплення:

. (39)

При розгляданні осадження крапель однакового радіуса з потоку газу при поперечному обтіканні циліндра, та припущенні, що краплі досить малі, так що для визначення сили опору можна скористатися формулою Стокса, траєкторії руху краплі визначаються рівнянням [1]:

, (40)

де – радіус-вектор краплі.

Розписуючи ці рівняння в проекціях,

(41)

З введенням безрозмірних параметрів x=r/R; =tu/R; ; ; , рівняння (41) матимуть вигляд:

(42)

У праву частину системи рівнянь входить число Стокса St. Відомо [1], що не при всіх значеннях St частки можуть досягати поверхні циліндру. Існує таке критичне значення St, що осадження на циліндрі можливо тільки при . Для поля швидкостей, що відповідає потенційному обтіканню циліндра, наближене рішення рівняння дає . У дійсності, при більших значеннях числа Рейнольдса на циліндрі є прикордонний шар, товщина якого , та не є постійною, а збільшується від крапки застою вниз по потоку. Наявність прикордонного шару призводить до більш сильного, у порівнянні з його відсутністю, скривленню ліній струму поблизу поверхні циліндра. Як наслідок, траєкторії часток трохи відсунуться від поверхні циліндру. Це значить, що зменшиться кількість часток, осаджуючихся на поверхні циліндру за одиницю часу. Зміну поля швидкостей з урахуванням прикордонного шару можна врахувати, якщо скористатися відомим рішенням рівняння Блазіуса [1]. Інтегруючи рівняння (42) при заданому початковому положенні краплі в набігаючому потоці, удалині від циліндра, можна знайти траєкторію її руху. Залежно від початкового положення всі траєкторії можуть бути розбиті на два класи: закінчуючися на циліндрі й огинаючі циліндрі. Траєкторія, поділяюча ці два класи, називається критичною. Вона відстоїть від осі на відстані b у набігаючому потоці удаленому від циліндра. Потік крапель на поверхні циліндра пропорційний b. Залежність перетину захоплення циліндру b/R від St при можна апроксимувати наступним виразом [1]:

, (43)

де А – постійна (для приблизного рішення рівняння (42) при потенційному обтіканні циліндра А=0,35, для чисельного рішення А=0,44, з урахуванням прикордонного шару А=0,66).

Варто помітити, що збільшення швидкості потоку може привести до вторинного унесення крапель, пов'язаному зі зривом їх з поверхні волокон. Таким чином, волокнистий фільтруючий елемент характеризується двома критичними швидкостями: перша обмежує розмір захоплюємих волокнами краплин та обумовлюється значенням , друга відповідає початку вторинного унесення краплин за рахунок втрати стійкості плівки рідини, стікаючої по волокнах. Слід дослідити умови, за яких починається зрив крапель. За поперечного обтікання вертикальної циліндричної струни потоком газу зі зваженими в ньому краплями, останні осаджуються на волокні, з утворенням тонкого шару стікаючої вниз плівки рідини. Товщина шару збільшується по напрямку сили ваги. Набігаючим потоком плівка рідини заволікається до кормової частини струни. На деякій відстані від верхньої підстави струни товщина плівки досягає для заданої швидкості газу критичного значення, при якому її стійкість порушується. У результаті плівка зривається, і спостерігається вторинне унесення крапель.

Направляючи вісь x від верхньої підстави струни вниз по напрямку сили ваги, швидкість стікання рідини по поверхні струни можна оцінити, дорівнюючи силу ваги силі грузлого тертя:

, (44)

де h – товщина плівки стікаючої рідини.

Для визначення зміни h по висоті записуючи умову збереження витрати рідкої фази: витрата рідини крізь поперечний переріз стікаючої плівки дорівнює кількості рідини, що осаджується з потоку газу на поверхні до розглядаємого перетину:

, (45)

де w – об’ємний вміст рідини у набігаючому потоці.

. (46)

Для визначення критичної товщини плівки, при якій можливий зрив плівки, потрібно розглянути сили, що діють на неї при поперечному обтіканні струни потоком газу. З боку газу на плівку діє динамічний напір, під дією якого плівка накопичується в кормовій частині струни. Сили грузлого тертя й поверхневого натягу перешкоджають зриву плівки. Зрив можливий, коли виконується нерівність:

. (47)

Критична товщина плівки :

. (48)

Відстань від верхньої підстави струни, на якій можливий зрив плівки набігаючим потоком:

. (49)

Таким чином, для того, щоб при обтіканні волокна потоком газу було відсутнє вторинне унесення при заданих значеннях параметрів, що входять до правої частини рівняння (49), висота струни повинна бути менше .

Зі збільшенням швидкості потоку критична висота струни зменшується. Тому одного ряду струн не достатньо для ефективного видалення крапель з потоку. Збільшення кількості рядів струн призводить до того, що при швидкостях, більших критичної, наступні ряди вловлюють з потоку краплі, які не затрималися на попередніх рядах. Оскільки кожен ряд струн вловлює з потоку частину рідини, що призводить до зменшення w й відповідного збільшення для кожного наступного ряду струн, то варто очікувати збільшення критичної швидкості газу в фільтруючому елементі зі збільшенням кількості рядів струн.

Внутрішня структура волокнистого полотна характеризується хаотичним розташуванням пор по товщині фільтруючого елементу. Структуру волокнистого полотна можна характеризувати часткою вільного обєму , товщиною фільтруючого елементу H, середнім розміром пор l та диаметром волокон .

Моделюючи шар волокнистого матеріалу N плоскими паралельними шарами сітки, відстань між якими h, питомий вільний об'єм , виражений через геометричні параметри сітки:

, (50)

можливо знайти питому поверхню a, а також h та N:

, , . (51)

Волокнисті насадки, також як і струнні, характеризуються критичною швидкістю або витратою, при якій починається вторинне унесення крапель з насадки. Механізм віднесення краплі при перевищенні швидкості критичного значення залежить від орієнтації насадки щодо сили ваги. При осадженні крапель на волокнах насадки рідина стікає вниз. Однак, можливість поперечного плину по горизонтальних складових приводить до того, що потік рідини, що стікає вниз , як би подвоюється. Це приводить до збільшення товщини стікаючої по вертикальних волокнах плівки в порівнянні зі струнами й до відповідного зменшення критичної швидкості. Картина зриву плівки у волокнистому матеріалі така ж, як й у струнної, але з удвічі більшим значенням об'ємного вмісту рідини в газовому потоці. Тому для визначення критичної швидкості можна користуватися наведеними вище залежностями.

Для оцінки критичної швидкості, при якій починається вторинне віднесення крапель з насадки, слід прийняти наступну модель. Сітчаста насадка являє собою пористе середовище. Газ у насадці рухається по мікроканалах, ефективний гідравлічний діаметр яких

. (52)

Швидкість газу в мікроканалах дорівнює витраті газу, поділеній на сумарну площу перетину каналів:

, (53)

де S – робоча площа насадки; – коефіцієнт, що враховує кривизну каналів.

. (54)

Краплі, що зриваються з поверхні насадки, рухаються разом з газом по мікроканалах. У процесі руху вони дробляться. Оскільки – маленька величина, то розмір крапель малий, і можна вважати, що вони осаджуються зі стоксовой швидкістю. Якщо швидкість висхідного газового потоку у фільтрувальному полотні перевершує швидкість осадження краплі в мікроканалах, то краплі, що зриваються з поверхні волокон, будуть уноситися з насадки. Дорівнюючи обидві швидкості, критична швидкість газу перед насадкою :

. (55)

Обладнання сепаратора додатковою фільтруючою секцією підвищує його коефіцієнт ефективності (рис.2). при цьому слід брати до уваги що в області малих витрат газу коефіцієнт ефективності інерційної (осаджувальної) секції близький до одиниці, та фільтруючий елемент підвищує його не суттєво.

3D геометрична модель захищеної патентом України [6-7] конструкції інерційно-фільтруючого газосепаратора створена за допомогою САПР КОМПАС-3D V6 Plus (рис.1), після чого за допомогою програмного продукту COSMOSFlowWorks 2004 CAD-системи SolidWorks 2004 (рис.3а), а також програмного комплексу FlowVision 2003 (рис.3б), проведено комплексні спроби моделювання пливу потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової області сепараційного каналу.

Промислове впровадження запропонованої конструкції високоефективного інерційно-фільтруючого сепараційного устаткування проведено на ВАТ "УКРНАФТА" Качанівському газопереробному заводі у технологічній схемі ІV ступеня стискання дотискувальної компресорної станції.




а



б

Рисунок 3 — Комп’ютерне моделювання пливу потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової області сепараційного каналу за допомогою програмних продуктів:

а) COSMOSFlowWorks 2004, б) FlowVision 2003


Результати теоретичних досліджень, віртуальних моделювань та промислових випробувань представляють високу науково-практичну цінність у плані підвищення ефективності сепараційного устаткування компресорних установок нафтогазової промисловості.
SUMMARY

The way of increase of efficiency of the separate equipment of pneumatic plants of the oil-and-gas industry is offered. Mathematical modeling gas dynamics of movement gas a fluid stream on inertial and filtering sections of a knock-out box of the offered design protected by the patent of Ukraine, with attempts of computer modeling current of a stream of natural gas in a generated geometrical configuration of rated area of the separate channel is carried out.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Э.Г.Синайский. Разделение двухфазных многокомпонентных смесей в нефтегазопромысловом оборудовании. — М.: Недра, 1990.— 272 с., ил.

  2. О.М.Калашников. Особливості газодинаміки та ефективність прямоточних краплевловлювачів компресорних станцій.: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.05.15. — Суми, 2003.

  3. В.М.Чепкасов. Методика расчета и промышленного внедрения прямоточных вихревых сепараторов применительно к подготовке нефтяного попутного газа.: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.17.08. — Казань, 1989.

  4. О.О.Ляпощенко, В.І.Склабінський. Високоефективне інерційно-фільтруюче газосепараційне обладнання у нафтогазовій промисловості // Проблеми економії енергії: Збірник матеріалів IV Міжнародної науково-практичної конференції. — Львів, 2003. — с. 106-107.

  5. В.І.Склабінський, О.О.Ляпощенко. підвищення ступеня утилізації побіжного нафтового та природного газів шляхом застосування високоефективного газосепараційного устаткування // Вісник Сумського державного університету. — 2004. — №2(61). — С. 65-69.

  6. Деклараційний патент на винахід України № 60782, МПК 7 B01D45/04. Спосіб вловлювання високодисперсної краплинної рідини з газорідинного потоку і пристрій для його здійснення / В.І.Склабінський, О.О.Ляпощенко. — Бюл. № 10, 15.10.2003.

  7. Патент України. Заявка №20031110451 від 20.11.2003, МПК 7 B01D45/04. Спосіб вловлювання високодисперсної краплинної рідини з газорідинного потоку і пристрій для його здійснення / В.І.Склабінський, О.О.Ляпощенко.

  8. Склабинский В.И., Стороженко В.Я., Смирнов В.А., Ляпощенко А.А. Анализ технологической схемы и работы оборудования установки осушки природного газа и узла сепарации // Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2003. — №6. — С. 70-75.



УДК 632.680
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации