автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Получение газодинамических характеристик холодильных трубокомпрессоров, работающих на различных рабочих веществах

На правах рукописи

Прошкин Дмитрий Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДИЛЬНЫХ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА РАЗЛИЧНЫХ РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВАХ

Специальность: 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной, криогенной техники систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор Ден Георгий Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Ведущая организация - ОАО «Компрессорный комплекс», Санкт-Петербург

диссертационного Совета Д 212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9, СПбГУНиПТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Прилуцкий Игорь Кирович Кандидат технических наук Евдокимов Василий Евгеньевич

Защита состоится « д» ^

2005 г. вМ

часов на заседании

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

22*7148

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Крупные турбокомпрессоры паровых холодильных машин, используемых в нефтехимической промышленности, проектируются для заданного состава рабочих веществ, однако опыт проведения газодинамических испытаний холодильных центробежных компрессоров (ЦК), спроектированных и изготовленных в своё время Невским машиностроительным заводом, свидетельствует о том, что турбокомпрессоры в период испытаний работали на смесях рабочих веществ, состав которых менялся в течении суток. Различным оказывается состав природных газов в магистральных трубопроводах в разные месяцы.

В холодильной технике широко используются смеси хладонов, состав которых также может быть различным. И в этом случае задача составления уравнений состояния таких смесей является актуальной, тем более что при расчётах на персональном компьютере удобней использовать аналитическую, а не графическую или табличную форму представления данных.

При появлении новых рабочих веществ, используемых в холодильной технике, так же актуальна задача получения их уравнений состояния по минимальному количеству информации (критическим параметрам и нормальным температурам кипения).

Для получения газодинамических характеристик (ГДХ) и приведения их к номинальным условиям работы необходимо располагать методом оперативного составления уравнений состояния смесей реальных газов.

Цель работы. Разработка и апробация метода обработки опытных данных и приведения их к номинальным условиям работы ЦК, на основе метода оперативного составления уравнений состояния, для каждого состава рабочего вещества при испытаниях.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка метода оперативного составления термического и калорического уравнений состояния для смесевого рабочего вещества различного состава.

2. Разработка методики обработки опытных данных в ходе испытаний ЦК и приведения их к номинальным условиям работы.

3. Апробация разработанных метода и методики на основе данных испытаний различных типов турбокомпрессоров, в том числе и холодильных.

4. Анализ результатов и сопоставление с существующими методиками обработки опытных данных ЦК.

Научная новизна. Создан метод обработки результатов газодинамических испытаний холодильных компрессоров работающих по открытым циклам на крупных предприятиях нефтехимии при переменном составе рабочего вещества с целью получения ГДХ.

Практическая ценность. Использование разработанного метода позволяет закончить процесс создания ЦК получением фактических ГДХ.

Апробация работы. Материалы ди£срвдацвд1ц и на

конференциях: I БИБЛИОТЕКА \

|

¿АО

1Г7Ш<

Научно-техническая конференция молодежи, посвященная 300-летию Санкт-Петербурга СПбГУНиПТ, 14-21 апреля 2003 г.;

31-я научно-практическая конференция по итогам НИР за 2004 год профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета. СПбГУНиПТ, 14-19 марта 2005г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 113 страниц машинописного текста, 50 таблиц, 27 рисунков. Список литературы включает 46 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Термическое и калорическое уравнения состояния.

Обоснована актуальность темы диссертации, указаны цель и задача работы, описаны её структура и объем. Сформулированы основные допущения, использованные для упрощения уравнения Бенедикта-Вебба-Рубина (БВР) и приведения его к виду, содержащему всего шесть констант, приемлемому для описания процесса сжатия в центробежной компрессорной машине.

Опираясь на таблицы Ли-Кеслера, основанные на трехпараметрическом законе соответственных состояний, согласно которому коэффициент сжимаемости Ж является функцией трёх параметров: приведенного давления я = Р/ Р^,

приведенной температуры г = Т[Т' и коэффициента ацентричности а, разработан метод оперативного определения коэффициентов термического уравнения А, В, С,а,Ь,с. Выбрав шесть опорных точек из области работы компрессора, по шести парам значений (/ = 1,2...б) и по таблицам

определяются значения и и подсчитывается коэффициент сжимаемости

г^г^Ка-г® (2)

Система линейных алгебраических уравнений, полученная на основании уравнения (1), записывается в виде:

1 п; Я, 2гт) / \

Т/ Tj т1 7

Система уравнений решается с помощью подпрограммы на ПК.

Данный подход распространяется не только на однокомпонентные рабочие вещества, но и смесевые, используя для определения их термических свойств формулы линейного смешивания совместно с более сложными, в зависимости от свойств компонентов рабочей смеси.

Для определения политропного КПД т}пл: и внутренней мощности /V, необходимо располагать информацией о калорических свойствах компримируемого рабочего вещества. Энтальпия реального газа / связана с

изобарной теплоёмкостью идеальногазового состояния С® и термическими параметрами газа соотношением:

I

аР р__

4 — ИТ

(4)

Р Р

Если аппроксимировать изобарную идеальногазовую теплоемкость полиномом вида

С* = а0 + а|Г + а2-Г2+а3Гэ, (5)

а связь между термическими параметрами газа представить в виде термического уравнения (1), то после подстановки зависимостей (5), (1) в выражение (4), последующего интегрирования и дифференцирования выражение для энтальпии реального газа примет вид

+ лг

V г ^ Л, 2 V г )

^Ркр J

г \г р

(6)

здесь р - критическая плотность в идеальногазовом состоянии,

Р^Р^-К), (7)

При нахождении энтальпии, выражение (6), могут быть использованы коэффициенты уравнения (1) А,С,а,с или определять собственные коэффициенты й,Е,{1,е, основываясь на подходе, используемом при определении коэффициентов термического уравнения, для решения системы вида: я-, _ 3-х. х? ъ-яг. я„, , _ч ^

р-

3-х,

г,-г, г-г. г-т* г

1-х* г) ] = 1,22,4

где &дк - значение поправки к энтальпии из таблиц Ли-Кеслера. При использовании обычного допущения о характере процесса сжатия, приняв, что этот процесс протекает в соответствии со степенной зависимостью с показателем степени ш

Р/ рт — СОП5( , (9)

выражение для изменения потенциальной энергии газа в неохлаждаемой секции компрессора может быть проинтегрировано. Формула для политропного КПД может быть записана в виде,

н-г-т.

I*}

е - -I

=

1И-1

Д/

т Я (г. Г. ~ т-\

-г г)

"и я/ _

К

р.

.Ш р.

(Ю)

А/

»1-1

Ы

здесь /и = 1п(Рл АР„)/1п(/>к р„),

где е-отношение давлений Рк/Р„', А/-удельиая работа сжатия; „-начальное состояние (перед проточной частью); конечное состояние (за проточной частью);

Таким образом, если располагать термическим уравнением состояния (1), а калорические свойства газа описывать уравнением (6), то в результате обработки опытных данных могут быть определены величины Tjhlll, е, Д/. По известной объемной производительности Q = Gjpu могу быть построены ГДХ (г}я«1'£>МУ=/(0)> являющиеся целью испытаний ЦК.

2. Нагнетатель 45-21-1 для пропиленовой ректификационной колонны.

Рассматривается влияние источников информации об энтальпии реального газа на результаты обработки опытных данных ЦКМ, а так же выясняется влияние состава рабочей смеси на коэффициенты упрощённого уравнения БВР.

В качестве опытных данных использованы опубликованные результаты испытаний пропиленовых нагнетателей типа 45-21-1, предназначенных для создания циркуляции пропилена в пропиленовой циркуляционной колонне установок для производства этилена и пропилена из продуктов пиролиза нефти, на Московском нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ). Проектным рабочим веществом данного типа нагнетателей являлся пропилен, однако в процессе испытаний в результате газового анализа было установлено, что рабочее вещество содержало, не только пропилен СзНб, но и этилен С2Н4, а также пропан С3Н8. При работе машины смесь содержала от 98.9% до 43.6% пропилена (при объёмной концентрации пропана от 1.2% до 54.9% при соответствующей концентрации этилена).

Основываясь на методике составления термического уравнения (1) изложенной в первой главе, для двадцати различных составов рабочего вещества определены коэффициенты упрощенного уравнения Бенедикта-Вебба-Рубина (БВР) из условия выбора идентичного для всех составов интервала по п и г.

Результаты расчёта показывают, что для данной газовой смеси этилен-пропан-пропилен, ввиду малости коэффициентов ацентричности, коэффициенты упрощённого уравнения БВР для всех составов на одинаковом режиме практически одинаковы.

Это обстоятельство может быть использовано с целью существенного упрощения обработки опытных данных для нагнетателей типа 45-21-1, обеспечивающих циркуляцию газа в пропиленовых ректификационных колоннах. Задавшись, некоторым средним содержанием компонентов рабочей смеси, определив коэффициенты упрощённого уравнения БВР, можно распространять их на все остальные возможные содержания компонентов смеси, тем самым, сократив время обработки опытных данных при газодинамических испытаниях.

Для оценки метода обработки данных газодинамических испытаний турбокомпрессоров, работающих на реальных газах и их смесях, основанного на упрощенном уравнении БВР, произведена обработка опытных данных для нагнетателей зав. №2393 и зав. №2394. В качестве рабочего вещества, как и при обработке выполненой, инженерами Невского Машиностроительного Завода, используется однокомпонентное рабочее вещество - пропилен. Обработка произведена по методике изложенной в первой главе, результаты - рисунки 1,2. Источником информации о термических и калорических свойствах пропилена

инженерами НЗЛ использована диаграмма пропилена, составленная в Одесском технологическом институте В.А. Загорученко.

Рис.1 ГДХ нагнетателя типа 45-21-1 зав. №2393: п = 10050 об/мин., рабочее вещество-пропилен: 0 и ______ -

результаты обработки по методике НЗЛ; о и __ _ _ - результаты обработки по методике на основе упрощенного уравнения БВР.

Рис.2 ГДХ нагнетателя типа 45-21-1 зав. №2394: п = 10050 об/мин., рабочее вещество-пропилен: 0 и _____ - результаты обработки по методике НЗЛ; о и _ — — -результаты обработки по методике на основе упрощенного уравнения БВР.

Приведенные на рисунках 1 и 2 газодинамические характеристики свидетельствуют, что различные методики обработки опытных данных: базирующиеся на опытных данных - тепловая диаграмма пропилена, и аналитических аппроксимациях - упрощенное уравнение БВР, дают достаточно близкие результаты.

В продолжении апробации рассмотрено влияние состава рабочего вещества на газодинамические характеристики нагнетателя 45-21-1 зав. №2394. Из исходной информации о составе рабочей смести, таблица 1, использованы только те составы, которые содержат только максимальные и минимальные количества пропилена.

Для четырех составов рабочего вещества по результатам обработки построены газодинамические характеристики нагнетателя 45-21-1 зав. №2394 рисунки 3 и 4

45 50 55 60 65 Объемная прокподигегьностъ м3/мш

40 45 50 55 60 65 Объемная проьоводите/ъностъ м3/м№ (

Рис.3 ГДХ нагнетателя типа 45-21-1 зав. №2394: я = 10050 об/мин.,: О и ______ - результаты обработки,

рабочее вещество - чистый пропилен; о и _ _ _ - результаты обработки, рабочее вещество-(пропилен-этилен-пропановая смесь), С3Н6-84,48%; Д и _ . _ . - результаты обработки, рабочее вещество-(пропилен-этилен-пропановая смесь), СзН6-77,23%.

Рис.4 ГДХ нагнетателя типа 45-21-1 зав. №2394: п = 10050 об/мин.,: 0 и - результаты обработки, рабочее вещество - чистый пропилен; о и _ _ _ - результаты обработки, рабочее вещество-(пропилен-этилен-пропановая смесь), СзНб-73,00%; Д и _ . _ . -результаты обработки, рабочее вещество-(пропилен-этилен-пропановая смесь), С3Н6-43,60%.

Представленные газодинамические характеристики свидетельствуют о необходимости учета состава газовой смеси при обработке газодинамических испытаний. Для рассматриваемых составов снижение концентрации пропилена до 75% приводит к незначительному росту удельной работы до 3% и соответственно снижению политропного КПД проточной части до 4,5%. Однако, снижение концентрации пропилена в рабочей смеси ниже 45% приводит к более значительному росту удельной работы до 9% и снижению политропного КПД до 12%, если сравнение производить с результатами обработки, где в качестве рабочего вещества рассматривается чистый пропилен. Таким образом, оказывается очевидным необходимость во время испытаний центробежных машин данного типа, при снятии опытных точек, производить газовый анализ рабочего вещества и учитывать его состав при обработке опытных данных.

Основным показателем, которому заказчик уделяет пристальное внимание, является потребляемая мощность /V. Она в первую очередь определяется газодинамической мощностью

= (/„-/„), (11)

здесь С - массовый расход газа.

Сравнение ведется при одинаковых значениях С. Когда при сопоставлении эффективности разных машин борьба идет за 1-2%, встает вопрос о более детальном рассмотрении методик, по которым производится обработка опытных данных. Рассмотрим данные испытаний нагнетателя 45-21-1 зав № 2394 на Московском НПЗ, обработанные по различным данным об энтальпии пропилена. Исходные данные для энтальпии пропилена базировались на четырех источниках.Для получения первой группы данных были использованы стандартные справочные данные - термодинамические таблицы пропилена. Отметим, что при построении зависимостей / = /(Т,р) на основе этих данных достаточно большое количество точек выпадает из плавных кривых для постоянных температур. Источником второй группы данных стала Датская коммерческая программа СООЬРАСК. Третья группа получена из термодинамической диаграммы, составленной Загорученко В. А.. В результате обработки опытных данных по разработанной методике с использованием упрощенного уравнения БВР при работе на чистом пропилене получена четвертая группа данных. Последние три группы приводят к достаточно близким значениям Дг. Расхождение в результатах не превышает 2,5%. Для первой группы данных отличия получаемых значениях Дг достигает 10-11,5% в сравнении с последующими тремя группами, что существенно влияет на результаты обработки опытных данных, рисунок 5.

Из представленного можно сделать вывод, что для получения результатов, которые достойны сравнения, необходимо использовать единые исходные данные по термическим и калорическим свойствам рабочего вещества, а также единую методику обработки опытных данных.

3. Компрессор типа К105-61-1 для обслуживания пропиленового холодильного цикла этиленовой установки.

Рассмотрено влияние выбора опорных точек при составлении упрощенного уравнения БВР на результаты обработки данных испытаний, и особенности обработки результатов испытаний низкотемпературных и среднетемпературных ступеней холодильных турбокомпрессоров.

Для рассмотрения задач использованы также результаты испытаний на Уфимском заводе синтетического спирта центробежного двух цилиндрового трех секционного компрессора типа К105-61-1 предназначенного для обслуживания пропиленового холодильного цикла этиленовой установки. Работа компрессора заключалась в отсосе пропилена из трех испарительных систем с изотермами -33, -7, 21 °С и подачи рабочего вещества в конденсатор. Состав рабочего вещества был отличным от проектного - пропилена, таблица 1.

Рис.5 ГДХ нагнетателя типа 45-21-1 зав. №2394: п = 10050 об/мин., рабочее вещество - пропилен: 0 и - результаты обработки на основе данных об энтальпии из таблиц пропилена; о и _ _ _ -результаты обработки на основе данных об энтальпии по программе СООЬРАС; Д и _ . — . -результаты обработки на основе данных об энтальпии по диаграмме

В.А. Загорученко; х и ..........

результаты обработки на основе данных об энтальпии по методике на основе упрощенного уравнения БВР.

Таблица 1

Состав рабочей смеси компрессора К105-61-1 на Уфимском заводе

Объемные концентрации компонентов, %

Метан СЯ4 Этилен Этан С,//, Пропилен Пропан С,Н, Пропадиен С,Н,

1,4 2,5 3,5 89,1 3,2 0,3

При выборе опорных точек для нахождения коэффициентов упрощенного уравнения БВР А,В,С,а,Ь,с необходимо выбирать значения и поправки

расположенные вблизи диагонали соединяющей между собой начальные и конечные значения приведенных параметров процесса сжатия л и т.

Влияние выбора приведенных параметров на результаты обработки опытных данных рассмотрено на примере четырех различных наборов опорных точек, при составлении упрощенных уравнений БВР для секций компрессора К-105-61-1.

Анализ полученных результатов свидетельствует о существенных расхождениях в получаемых результатах. Однако для высокотемпературной секции №3 все четыре варианта комбинаций опорных точек дают практически близкие результаты, удовлетворительно соотносящиеся с обработкой НЗЛ. При рассмотрении полученных значений коэффициентов сжимаемости наиболее удовлетворительными можно считать варианты №2, №3, расхождения в значениях г не превышает в среднем 1%. Для секций 1 и II ни один из предлагаемых к рассмотрению наборов опорных точек приведенных параметров не дает одинаково стабильных результатов т.е. одинаково удовлетворительных для обеих секций. Для секции I более близкими оказываются результаты

обработок по вариантам №3 и №4, для секции II обработки по варианту №1. Следовательно, для низкотемпературной и среднетемпературной областей сжатие в которых осуществляется в непосредственной близости от правой пограничной кривой на термодинамической диаграмме для получения достоверных результатов обработки опытных данных, а именно А/, недостаточно использования таблиц Ли-Кеслера только для коэффициента сжимаемости при определении калорических свойств. Для повышения точности расчетов при определении калорических свойств рабочего вещества в начале и конце процесса сжатия необходимо использование таблиц Ли-Кеслера для поправки к энтальпии реального газа.

Для подтверждения этих выводов произведена обработка опытных данных компрессора К105-61-1 с определением собственных коэффициентов термического А,В,С,а,Ь,с и калорического уравнений . Рабочее

вещество - пропилен. Хорошее совпадение результатов обработки, рисунок 6, свидетельствует о возможности использования данного подхода при обработке результатов испытаний низкотемпературных и среднетемпературных секций холодильных турбокомпрессоров, проводимых на месте эксплуатации.

СКЦИЯ)

СмцивП

« 5*»

•|5Я 5152

Смчм!

- ^ ^л 1 --

I X

115 1Я 1» Сб|<мм всишшцмшц Лил

Рис.6 Зависимости удельной работы сжатия проточной части и политропного КПД от объемной производительности секций компрессора К105-61-1 на Уфимском заводе синтетического спирта, рабочее вещество - чистый пропилен; я и ___ - результаты обработки опытных данных, полученные НЗЛ, с использованием тепловой диаграммы пропилена; Д и _ — — - результаты обработки опытных данных по методике на базе упрощенного уравнения БВР с использованием таблиц Ли-Кеслера для составления термического уравнения для коэффициента сжимаемости и калорического для поправки к энтальпии реального газа.

4. Нагнетатель для магистральных газопроводов типа 39S-24-1.

Обрабатываются опытные данные для нагнетателя природного газа типа 39521-1, испытанного на Ржевской компрессорной станции (КС) в апреле 2001, по методике, основанной на упрощенном уравнении БВР.

Как и в предыдущих типах ЦК, газовый состав был отличным от проектного состава в качестве, которого рассматривался стандартный природный газ (СПГ) по ГОСТ 23194. Так же рассмотрены иные составы рабочего вещества для нагнетателей данного типа, работающих на магистральных газопроводах, для которых ВНИИГАЗ рекомендует различные коэффициенты упрощенного уравнения БВР, таблица 2.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при обработке опытных данных на Ржевской КС для состава III достаточно использовать коэффициенты упрощенного уравнения БВР, соответствующие СПГ. Подтверждены рекомендации, ВНИИГАЗ об использовании различных коэффициентов упрощенного уравнения БВР для обработки результатов испытаний ЦКМ работающих на составах СПГ, I, и II, однако ввиду существенных интервалов между характеристиками, рациональным было бы составление собственных упрощенных уравнений БВР для каждого состава, находящегося в любом из представленных диапазонов.

Таблица 2

Состав природных газов.__

в ч СПГ по

Наименование г о. ГОСТ 23194 Состав I Состав II Состав JII

компонента •е-

s к X

1 Метан СН4 98,63 93,30 85,95 97,73

2 Этан С2Нб 0,12 4,00 5,85 0,94

3 Пропан с3н8 0,02 0,60 2,07 0,32

4 п-Бутан 11С4Н10 0,10 0,40 0,74 0,06

5 п-Пентан пС5Н,2 0 0,30 0,36 0,02

6 Азот N2 1,01 0,10 2,19 0,82

7 Диоксид углерода со2 0,12 1,30 2,84 0,05

8 ¡-бутан С4Н10 0 0 0 0,06

Состав ИТ - состав рабочего вещества на Ржевской КС в апреле 2001 г.

Немаловажной составляющей любой из методик обработки опытных данных является исходная информация о термических или калорических свойствах того или иного вещества. Следовательно, в рамках одной и той же методики возможно использование различных исходных данных.

При определении энтальпии в идеальногазовом состоянии различные источники предлагают к использованию одну форму аппроксимационного полинома для идеалыюгазовой изобарной теплоемкости (5), однако, различными оказываются коэффициенты ав,а,,аг,а3.

На примере стандартного природного газа рассмотрено влияние этих коэффициентов на повышение идеальногазовой энтальпии в процессе сжатия.

Такой характер изменения идеальногазовой изобарной теплоёмкости приводит к различиям в Д/° при использовании различных данных. Во избежание получения различных численных значений А/ и г)пш на основе одних и тех же результатов измерений необходимо при обработке опытных данных и приведении ГДХ к номинальным условиям работы машины использовать одну и ту же исходную информацию о физических свойствах веществ, опираясь на одни и те же литературные источники.

I 1 Г

1 О» г

1

\

240 260 280 300 320 340 360 380 400 Твшмрсчра, К

Рис. 7 Идеальногазовая изобарная теплоемкость СПГ: ■ и —- - по данным Рид Д., Праусниц Дж.., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей; о и _ — — - по данным ВНИИГАЗ.

5. Пересчет результатов обработки опытных данных на «номинальные» условия работы турбокомпрессора.

Рассматривается пересчёт опытных газодинамических характеристик на условия, отличные от условий, оговоренных в технической документации на поставку машины.

Опытные значения б и А/ приводятся к «номинальной» частоте вращения л, и строятся ГДХ: и ПРИ частоте и0.

Подсчет ГДХ при номинальных условиях работы на среде, оговоренной в технической документации, производится в зависимости от условий работы у потребителя. Для этого подсчёта необходима информация о «номинальной» рабочей среде, аналогичная информации о рабочем веществе при испытаниях. В наиболее общем случае должны быть заданы начальные параметры «номинального» рабочего вещества /^,0(или/^0), Г„0 и необходимо найти по ГДХ А/0(20) и ?/„„,,(бо) конечное давление Рк0(тиРм0) как промежуточную величину Г10, а также /,10, 2п0 и гк0. В результате расчётов должна быть построена ГДХ

При номинальной частоте вращения л0, удельная работа сжатия и политропный КПД могут быть определены по формулам:

А/0 = (/10/«Уд/; (12)

"Лпола

Если известна объёмная производительность 2 при частоте вращения л, то с достаточной степенью приближения для машин имеющих сравнительно небольшое отношение давлений е = Р„/Р„,

п

Если рабочий состав газовой смеси отличен от номинального, то с целью обеспечения равенства коэффициента изменения удельного объема, необходимо привести нолученные результаты к эквивалентной скорости вращения.

ЖлЩ.„ (14)

Существует два различных случая, возникающих в результате эксплуатации ЦК, при отыскании отношений давлений £0 = Рк0/Р„а при номинальных условиях работы по известным Д/0 и ц. В одном случае, наиболее распространенном, известным оказывается начальное давление Рщ, а определению подлежит Ркд. Во втором варианте заданным является, Р а определению подлежит Рщ.

Методика пересчета основывается на двух уравнениях: энтальпийном и определяющем г]паД, а так же на термическом уравнении состояния (1).

Первое уравнение записывается в виде:

•А +

Й-Г. + --Д + -— |-СГУ

4 2 2 г 2 1

(15)

-Д-г

Вт +2-А +

4 С

■Р.+

' 3 5 с ^ Ъ • г„ + - • а +-----:

Ш

Вторым уравнением является уравнение:

Независимо от того, какое из давлений подлежит определению Рщ или Р^, для обоих методов необходимо задаваться рядом значений ТК и отыскивать значение, одинаково удовлетворяющее уравнениям (15) и (16). В результате расчётов можно построить ГДХ ^(бо) и ^»(бо) шк£и(&) ПРИ номинальных условиях работы турбокомпрессора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика обработки результатов газодинамических испытаний турбокомпрессоров, сжимающих смеси реальных газов с переменным составом на месте их эксплуатации.

2. Разработан универсальный метод оперативного оставления термического и калорического уравнений состояния для смесевого рабочего вещества в интервале рабочих параметров ЦК на основе упрощенного уравнения БВР.

3. Разработан особый подход к обработке опытных данных для холодильных турбокомпрессоров, область сжатия которых находится в непосредственной близости от правой пограничной кривой на термодинамической диаграмме. Анализ результатов обработки опытных данных полученных при газодинамических испытаниях секций компрессора К105-61-1 показал, что для повышения точности обработки при определении коэффициентов термического уравнения необходимо использовать таблицы Ли-Кеслера для Z, а для нахождения коэффициентов калорического уравнения применять таблицы коэффициента сжимаемости совместно с таблицами поправки к энтальпии реального газа.

4. В процессе апробации разработанной методики при обработке испытаний нагнетателя 45-21-1, работающего на этилен-пропилен-пропановой смеси, определены условия, значительно сокращающие обработку опытных данных. Близкие по значениям коэффициенты ацентричности а компонент газовой смеси позволяют распространять коэффициенты термического и калорического уравнения для некоторого среднего состава рабочего вещества на широкий диапазон изменения состава смеси.

5. Сравнение получаемых результатов с обработками по методике НЗЛ, основанной на термодинамических диаграммах, позволяет сделать вывод о достаточной точности и достоверности методик.

6. Произведен анализ существующей в различной справочной литературе информации о термических и калорических свойствах веществ. Различие в термодинамических свойствах веществ в различных литературных источниках приводит к искажению получаемых ГДХ. Для получения ГДХ по различным методикам обработки опытных данных на основе одних и тех же результатов измерений необходимо при обработке опытных данных и приведении ГДХ к номинальным условиям работы машины использовать одну и ту же исходную информацию о физических свойствах веществ, опираясь на одни и те же литературные источники.

7. Разработанный метод пересчёта опытных ГДХ, на условия отличные от условий, оговоренных в документации на поставку машины, позволяет получать ГДХ для различных номинальных условий.

8. Метод используется при испытаниях турбокомпрессоров для сжатия смесей углеводородов в специализированных организациях.

»25114

По теме диссертации опубликованы с.

1. Ден Г. Н., Малышев А. А., Прошкин характеристик неохлаждаемых ЦКМ для компрессоры. -2002. №3,4. - С. 34-40.

2. Прошкин Д.В. Получение газодина турбокомпрессоров по данным испытани! воздухе. Петербургские традиции хлебо хранения и консервирования. Научно-т посвященная 300-летию Санкт-Петербурга. -СПб.: 2003.-С. 16.

3. Прошкин Д.В. К определению повышения энтальпии при газодинамических испытаниях центробежных компрессоров. Турбины и компрессоры. -2004. Вып. №3,4 (28,29), 2004. - С. 65-69.

4. Ден Г.Н. Малышев A.A. Прошкин Д. В. Обработка результатов газодинамических испытаний турбокомпрессоров на смесях реальных газов переменного состава. XXXI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. 4-7 октября 2005г. Сб. тИ. - СПб.: 2005. - С. 92

РНБ Русский фонд

2006-4 28792

. favw^i.. v^vfupnilA ФУДОВ.

Подписано в печать 25.11.2005 Печать офсет. Бумага офсет. Формат бумаги 60x84/16. Объем 1 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № 1245.

Отпечатано в типографии ГНУ ИОВ РАО, 191180, Санкт-Петербург, наб. р. Фонтанки, 78

Основные условные обозначения и сокращения.

1. Введение.

2. Глава I. Термическое и калорическое уравнения состояния.

3. Глава II. Нагнетатель 45-21-1 для пропиленовой ректификационной колонны

3.1 Влияние состава рабочей смеси на коэффициенты упрощённого уравнения БВРУ.

3.2 Обработка результатов испытаний нагнетателя по методике на основе

БВРУ. Рабочее вещество - чистый пропилен.

3.3 Обработка результатов испытаний нагнетателя по методике на основе

БВРУ. Рабочее вещество - трех компонентная смесь.

3.4 Влияние источников информации об энтальпии реального газа на результаты обработки опытных данных ЦКМ.

4. Глава III. Компрессор типа К105-61-1 для обслуживания пропиленового холодильного цикла этиленовой установки.

4.1 Влияние выбора опорных точек при составлении БВРУ на результаты обработки данных испытаний.

4.2 Особенности обработки результатов испытаний низкотемпературных и среднетемпературных ступеней холодильных турбокомпрессоров.

5. Глава IV. Нагнетатель для магистральных газопроводов типа

395-24-1.

6. Глава V. Пересчет результатов обработки опытных данных на номинальные» условия работы турбокомпрессора.

0 - при номинальных условиях.

1. Введение

Крупные турбокомпрессоры паровых холодильных машин, используемых в нефтехимической промышленности, проектируются для заданного состава рабочих веществ, однако опыт проведения газодинамических испытаний холодильных турбокомпрессоров, спроектированных и изготовленных в своё время Невским машиностроительным заводом свидетельствует о том, что турбокомпрессоры в период испытаний работали на смесях рабочих веществ состав которых менялся в течении суток и оказывается в разные месяцы различен [17, 18, 19].

Для обработки результатов испытаний необходимо располагать тепловыми диаграммами или термическим и калорическим уравнениями состояния для каждого состава рабочего вещества. Однако, составление тепловых диаграмм для каждого состава требует большого времени и материальных затрат, поэтому обработка результатов испытаний с использованием диаграмм, составляемых одновременно с проведением опытов оказывается практически нереальной. Сказанное относится, например, к холодильным компрессорам на три температуры кипения типа К210, К105, К60 для сжатия пропилена или этилена, работающим на нефтехимических предприятиях, производящих полиэтилен и полипропилен. Перечисленные типы машин и их модификации обеспечивают трехизотермные циклы. Например, температуры кипения минус 33, минус 7 и плюс 22 градусов Цельсия в пропиленовом компрессоре К105, температуры кипения минус 62, минус 10 и 0 градусов Цельсия в этиленовом турбокомпрессоре К60. Нагнетатели типа 50 и 45 обеспечивают циркуляцию этилена или пропилена в ректификационных колоннах. Фактический состав рабочего вещества в этих машинах так же бывает различным [37, 38].

В холодильной технике широко используются смеси хладонов, состав которых также может быть различным, в этом случае задача составления уравнений состояния таких смесей является актуальной, тем более что, при расчётах на персональном компьютере удобней использовать аналитическую, а не графическую или табличную форму представления этих данных.

При появлении новых рабочих веществ, используемых в холодильной технике, так же актуальна задача получения их уравнений состояния по минимальному количеству информации (критическим параметрам и нормальным температурам кипения) [35].

Проблема получения уравнения состояния природных газов различного состава оказывается актуальной и в случае испытаний различных нагнетателей используемых на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов. Этот же вопрос актуален и для дожимных КС и при закачке природных газов в подземные хранилища [37, 38].

При испытаниях центробежных компрессоров (ЦК) с целью получения ГДХ, то - есть зависимостей политропного КПД г| пол, отношения давлений 8 - Рк/Рн и удельной работы, затрачиваемой на сжатие А/ = iK — iH, от объёмной производительности измеряемыми величинами при различных массовых расходах G и частотах вращения ротора п являются РН,ТН и Рк,Тк. Кроме того, в результате газового анализа должен быть установлен состав рабочего вещества при каждом режиме работы машины. Последний вопрос практически не возникает при работе воздушных машин, однако опыт, накопленный при испытаниях ЦК, например, многосекционных, входящих в состав многотоннажных технологических линий для полиэтилена и пропилена, работающих по разомкнутому контуру, свидетельствует о том, что состав рабочего вещества может существенно изменяться в ходе испытаний. Аналогичная ситуация может наблюдаться и во время работы машины по замкнутому контуру, при работе её на смесевом холодильном агенте, отсутствие герметичности системы обуславливает утечку рабочего вещества, но из-за различия в свойствах компонент смеси невозможно прогнозировать состав, а следовательно, и свойства оставшегося в системе холодильного агента. Поэтому для обработки опытных данных и приведения их к номинальным условиям работы машины необходимо располагать методикой оперативного составления уравнений состояния рабочего вещества, для каждого состава рабочего тела при испытаниях. Эта задача должна решаться в ходе самих испытаний с тем, чтобы не задерживать их обработку.

Цель работы заключается в разработке и апробации метода обработки опытных данных и приведения их к номинальным условиям работы ЦК, на основе метода оперативного составления уравнений состояния, для каждого состава рабочего вещества при испытаниях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, 50 таблиц, 27 рисунков. Список литературы включает 46 наименований.

7. Заключение.

Разработана методика обработки результатов газодинамических испытаний турбокомпрессоров, сжимающих смеси реальных газов с переменным составом на месте их эксплуатации.

Разработан универсальный метод оперативного составления термического и калорического уравнений состояния для смесевого рабочего вещества в интервале рабочих параметров ТК на основе упрощенного уравнения БВР.

В процессе апробации разработанной методики при обработке испытаний нагнетателя 45-21-1 работающего на этилен-пропилен-пропановой смеси определены условия, значительно сокращающие обработку опытных данных. Близкие по значениям коэффициенты ацентричности со компонент газовой смеси позволяют распространять коэффициенты термического и калорического уравнения для некоторого среднего состава рабочего вещества на широкий диапазон изменения состава смеси.

Сравнение получаемых результатов с обработками по методике используемой ранее H3JI основанной на термодинамических диаграммах позволяет заключить о достаточной точности и достоверности разработанной методики.

Произведен анализ существующей в различной справочной литературе информации о термических и калорических свойствах веществ. Различие в термодинамических свойствах веществ в различных литературных источниках приводит к искажению получаемых ГДХ. Для получения ГДХ по различным методикам обработки опытных данных на основе одних и тех же результатов измерений необходимо при обработке опытных данных и приведении ГДХ к номинальным условиям работы машины использовать одну и ту же исходную информацию о физических свойствах веществ, опираясь на одни и те же литературные источники.

Разработан особый подход к обработке опытных данных для холодильных турбокомпрессоров область сжатия, которых находится в непосредственной близости от правой пограничной кривой на термодинамической диаграмме. Анализ результатов обработки опытных данных полученных при газодинамических испытаниях холодильных центробежных секций компрессора К105-61-1 показал, что с целью повышения точности обработки при определении коэффициентов термического уравнения необходимо использовать таблицы Ли-Кеслера коэффициента сжимаемости, а для нахождения коэффициентов калорического уравнения применять таблицы коэффициента сжимаемости совместно с таблицами поправки к энтальпии реального газа.

На основе обработки испытаний нагнетателя природного газа типа 39524-1 рассмотрены различные составы природного газа, для которых ВНИИГАЗ рекомендует различные коэффициенты уравнения БВРУ. Ввиду существенных интервалов между получаемыми характеристиками для различных составов, более рациональным является составление собственных уравнений БВРУ для каждого состава природного газа.

Разработанный метод пересчёта опытных газодинамических характеристик на условия, отличные от условий, оговоренных в технической документации на поставку машины, позволяет получать ГДХ для различных номинальных условий.

Метод используется при испытаниях турбокомпрессоров для сжатия смесей углеводородов в специализированных организациях. Справка о внедрении представлена в приложениях.

1. Бадылькес И. С. Свойства холодильных агентов М.: Пищевая промышленность, 1974. 176 с.

2. Богданов С. Н., Бурцев С. И., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. С. Н. Богданова. 4-е изд., перераб. И доп. СПб.: СПбГАХПТ, 1999. - 320 с.

3. Бухарин Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. JL: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1983. - 212 е., ил.

4. Варгафтик Н. Б., Филиппов Л. П., Тарзиманов А. А, Тоцкий Е. Е. Теплопроводность жидкостей и газов. М.: Издательство стандартов, 1928. 506 с.

5. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение. 1972. 670 с.

6. Газодинамические испытания центробежных компрессорных машин на предприятии-изготовителе. Регламент. АОЗТ НИКТИТ ТМ 84-001-97.

7. Гнатюк И. В., Ден Г. Н., Малышев А. А. К обработке испытаний ЦКМ для сжатия реальных газов и газовых смесей// Турбины и компрессоры. -2000.-№13.-С. 10-13.

8. Гнатюк И. В., Ден Г. Н., Малышев А. А. Термогазодинамические расчеты процессов сжатия реальных газов в турбокомпрессорах на основе упрощенного уравнения БВР//Вестник МАХ. 2001. Вып.1 С. 10-11.

9. Ден Г.Н. Введение в термогазодинамику реальных газов: Монография. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1998.

10. Ден Г.Н. К использованию метода Ли-Кеслера при газодинамических расчётах ЦКМ для сжатия реальных газов // Турбины и компрессоры. Вып.8, 9, 1999-е. 78-82.

11. И. Ден Г.Н., Евдокимов В.Е. Главный конструктор компрессорных машин

12. В.Ф.Рис/ЛГурбины и компрессоры. Вып. 3,4. 1997. С. 73-80.

13. Ден Г. Н., Малышев А. А., Прошкин Д. В. К получениюгазодинамических характеристик неохлаждаемых ЦКМ для сжатия реальных газов// Турбины и компрессоры. 2002. №3,4. - С. 34-40.

14. Ден Г. Н. О связи между внутренним КПД неохлаждаемых ЦКМ и политропным КПД по полным параметрам // Турбины и компрессоры. -2002. №1,2.-С. 67-71.

15. Ден Г. Н. О коэффициенте «к» в реальном газе и при идеальногазовом состоянии вещества// Турбины и компрессоры. Вып. 14 (1-2001). С. 27-30.

16. Ден Г. Н. Проектирование проточной части центробежного компрессора. Л.: Машиностроение, 1980. — 232 с.

17. Ершова Н.С., Петрунина Е.Б., Клецкий. А. В. Уравнение состояния и термодинамические свойства пропана.- Холодильная техника, 1981, №1, с.ЗО-33.

18. Испытания компрессора К105-61-1. Отчет H3JI ТМ 2706-64.

19. Испытания компрессора К105-61-1. Отчет H3JI ТМ 3928-70.

20. Испытания нагнетателя 45-21-1. Отчет H3J1 ТМ 3071-66.

21. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.:ИЛ, 1951.-828с.

22. Клецкий А. В. Структура взаимосогласованных уравнений состояния хладагентов. В кн.: Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1976, № 1, с. 169-174 (Межвузовский сборник научных трудов).

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. 4-е изд. М.: Наука, 1978. 832 с.

24. Крылов А. Н. Лекции о приближенных вычислениях. 6-е изд. М.: Гостехиздат, 1954. 400 с.

25. Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчётов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов / Щуровский В.А., Синицын Ю.Н., Корнеев И. В. и др.-М.: ВНИИГАЗ, 1999-51с.

26. Прошкин Д.В. К определению повышения энтальпии пригазодинамических испытаниях центробежных турбокомпрессоров// Турбины и компрессоры. Вып. №3,4 (28, 29), 2004-С. 65-69.

27. Рид Д., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. -Л.:"Химия",1982.-542 с.

28. Рис В.Ф. Расчеты сжатия реальных газов. Турбины и компрессоры. Вып.№ 8,9 ( 1,2 - 1999 ). СПб.: АО НИКТИТ, 1999, с.73-77.

29. Рис В.Ф. К Вопросу о моделировании центробежных компрессорных машин. «Советское котлотурбостроение», 1938. №8-9, с. 355-360.

30. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л.: Машгиз; 1951. 245 с.

31. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л.: Машиностроение, 1964. 336 с.

32. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1981. 351 с.

33. Таблицы справочных данных. Газ природный расчетный. ГСССД 81-84. -М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1984.

34. Термодинамические и транспортные свойства этилена и пропилена. М.: Издательство стандартов, 1976. - 184 с.

35. Физические величины. Справ./ Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М: Энергоатомиздат., 1991, - 1232 с.

36. Хладоагенты фирмы «Дюпон». «Холодильная техника», №1, 1998, с. 1819.

37. Холодильные компрессоры. Справ./ Под ред. А. В. Быкова. М: Колос, 1992.-304 с.

38. Центробежные компрессорные машины. Каталог-справочник. М.: НИИ информации по тяжелому, энергетическому и транспортному машиностроению. 1970. С. 94-99.

39. Центробежные компрессорные машины производства ОАО «Компрессорный комплекс». Каталог. С-Пб. «Компрессорный комплекс», 2004.-184 с.

40. Чистяков Ф. М. Холодильные турбоагрегаты. М.: Машиностроение, 1967. 288 с.

41. Beattie J. A., Bridgerman О. С. A new equation of state for fluids. J. Amer. Chem. Soc., 1927, №7, v. 49, p. 1665-1667.

42. Beattie J. A., Bridgerman О. C. A new equation of state for fluids. In: Proceedings of American Academy of Arts and Sciences, 1928, №5, v. 63, p. 229308.

43. Benedict M., Webb G. В., Rubin L. C. An An empirical equations for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures. J. Chem. Eng. Progr., 1951, v. 47, №8. p. 419-422.

44. Benedict M., Webb G. В., Rubin L. C. An An empirical equations for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures. P. I. Methane, ethane and n-Butane. J. Chem. Phys., 1940, v. 8, p. 334-345.

45. Edmister W., Vairogs J., Klekers A. A generalized B-W-R equation of state. J. Amer. Inst. Chem. Eng., 1968, v. 14, №3. p. 479-482.

46. Su G. J., Chung С. H. Generalized Beattie Bridgerman equation of state for real gases. - J. Amer. Chem. Soc., 1946, v. 68, p. 1080.

47. Turbocompressors. Performance test code. International Standard ISO 5389; 1991 (E).-172 p.