автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Разработка и исследование винтового маслозаполненного компрессора с раздельной системой смазки для сжатия попутного нефтяного газа

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований винтовых компрессоров.

1.1. Обзор работ по исследованию и разработке винтовых компрессоров.

1.2. Методы расчета проточной части и характеристик винтовых маслозаполненных компрессоров.

1.3. Цель и задачи исследования.

2. Математическая модель рабочего процесса маслозаполненного винтового компрессора.

2.1. Основные исходные положения и теоретическая модель рабочего процесса.

2.2. Дифференциальные уравнения действительного рабочего процесса.

2.3. Определение коэффициентов расхода через зазоры и окно нагнетания винтового маслозаполненного компрессора.

2.3.1. Расчет зазоров между рабочими органами компрессора.

2.3.2. Определение коэффициентов расхода газомасляной смеси через зазоры.

2.3.3. Определение среднего коэффициента расхода через нагнетательное окно компрессора.

3. Расчетное исследование процесса контакта газа и масла в винтовых маслозаполненных компрессорах.

3.1. Физическая сущность процесса.

3.2. Описание математической модели.

3.3. Краткий обзор методов расчета фазового равновесия многокомпонентных систем.

3.4. Характеристика контактируемых веществ.

3.5. Выбор углеводородов, идентифицирующих компрессорное масло при проведении расчетов.

3.6. Анализ результатов расчетного исследования.

4. Экспериментальное исследование винтового маслозаполненного компрессора с раздельной подачей масла.

4.1. Экспериментальный стенд и система измерений.

4.2. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных.

4.3. Оценка погрешностей при определении характеристик компрессора.

4.4. Анализ влияния различных факторов на характеристики винтовых маслозаполненных компрессоров.

5. Методика расчета характеристик маслозаполненных винтовых компрессоров для сжатия углеводородных газов.

5.1. Расчет коэффициента подачи и индикаторной мощности компрессора.

5.2. Определение потерь мощности на трение роторов компрессора о газомасляную смесь.

5.3. Внедрение результатов исследований в промышленности.

Интенсификация любого производства обусловлена в первую очередь созданием и внедрением новой техники с высокими технико-экономическими показателями.

В системах промышленного сбора и транспорта нефтяного газа на протяжении ряда лет широко используются винтовые маслозаполненные компрессоры.

Широкому применению винтовых компрессоров при сборе нефтяного газа способствует обеспечение возможности работы компрессоров при достаточно глубоком вакууме для отбора газа из газонефтяной смеси, что влияет на снижение давления насыщенных паров и сокращение потерь легких фракций углеводородов при транспорте нефти [37; 63].

В связи с этим разработка надежных и экономичных компрессорных установок для компримирования нефтяных газов является актуальной задачей.

Помимо высоких требований по надежности, к компрессорному агрегату для транспорта и обработки попутного нефтяного газа предъявляются также другие требования, среди которых:

- надежная эксплуатация в зонах с холодным климатом;

- полная автоматизация при дистанционном управлении;

- экономичность при полной нагрузке и регулировании производительности;

- моноблочность поставки, компактность и малый вес;

- герметичность, как в рабочем состоянии, так и во время стоянки;

- высокая чистота компримируемого газа на выходе из компрессорного агрегата.

Наиболее полно требованиям по надежности отвечают винтовые маслозаполненные компрессоры. Средняя наработка на отказ для этих машин составляет 5000. 10000 часов, а по зарубежным данным, может доходить до

20000 часов, что значительно выше, чем у поршневых машин. При этом ресурс компрессора до капитального ремонта - 50000 часов.

Среди других преимуществ винтовых маслозаполненных компрессоров можно отметить [3,4,51]: по сравнению с поршневыми

- равномерность подачи газа, что исключает необходимость в газосборниках большой емкости:

- меньшую удельную металлоемкость и габариты установки;

- полную уравновешенность роторов и, как следствие, отсутствие необходимости в тяжелых фундаментах;

- простоту конструкции и обслуживания, возможность полной автоматизации;

- стабильность рабочих характеристик в процессе длительной эксплуатации. по сравнению с центробежными

- отсутствие помпажных зон;

- незначительное изменение производительности и КПД машины в широких пределах изменения степени повышения давления;

- низкие скорости вращения роторов и, как следствие, более высокая надежность;

- возможность получения в одной ступени степени повышения давления П = 8. 9.

Винтовые компрессоры находят основное применение в области произ-водительностей от 2-х до 400 м3/мин при давлении нагнетания до 20.25 кгс/см2 [77].

В последние годы наметилась тенденция к расширению области применения винтовых машин как в сторону низких давлений всасывания (вакуум-компрессоры), так и в сторону повышения давления нагнетания до 40 и более атмосфер.

Проведенные опытно-конструкторские и исследовательские работы по оптимизации профиля зубьев роторов [65,79], разработке уплотняющих покрытий [12], совершенствованию способов регулирования производительности и конструкции компрессорных установок [31, 78], снижению уровня звукового давления [10], резкому снижению уноса масла в маслозапол-ненных компрессорах [74, 82] позволили повысить технико-экономические показатели винтовых машин. Подсчитано, что в диапазоне производитель-ностей от 10 до 50 м3/мин маслозаполненный винтовой компрессор обеспечивает самую низкую стоимость 1 м3 сжатого газа по сравнению с другими типами компрессоров [83].

Отечественными компрессоростроительными заводами на базе разработанных унифицированных рядов выпускаются винтовые компрессорные машины для различных отраслей народного хозяйства, в основном, маслоза-полненного типа [10, 69]. К ним относятся воздушные компрессоры для дорожно-строительных работ и буровой техники, газовые компрессоры для нефтяной и газовой промышленности, компрессоры для холодильной техники, работающие на аммиаке и хладоне-22 [8, 13, 30], компрессоры для компримирования гелия в криогенной технике [71] и др.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, Главному специалисту отдела винтовых компрессоров ЗАО «НИИТурбо-компрессор» КУПРИЯНОВУ А.Н. за оказанную помощь и критические замечания при обсуждении основных теоретических положений диссертации.

Автор также благодарен сотрудникам отдела № 420 ЗАО «НИИТурбо-компрессор» за помощь и поддержку, оказанную при выполнении данной работы.

1. Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные иссле дования физических процессов, происходящих в проточной части масло заполненных винтовых компрессоров с привлечением приемов математи ческого моделирования.2. Разработана математическая модель рабочего процесса винтового маслозаполненного компрессора, в которой процесс сжатия газомасляной смеси рассматривается как сжатие псевдосухого газа и описывается урав нениями, подобными уравнениям для однофазной среды. Составлены уравнения состояния и изоэнтропического сжатия псевдосухого газа, из которых определены его газовая постоянная и показатель изоэнтропы.Использование такой модели позволило достаточно точно, и вместе с тем достаточно просто, описать процесс сжатия в компрессоре и использовать математическую модель для расчёта и оптимизации винтовых маслозапол ненных компрессоров, сжимающих попутный нефтяной газ с высоким со держанием высококипящих компонентов с учётом изменения вязкости в процессе эксплуатации за счет конденсации части тяжелых компонентов

3. Подтверждена адекватность разработанной математической модели и проверена сходимость результатов при отработке конструкции компрессора с раздельной системой смазки.4. На основе результатов расчетно-теоретического и эксперименталь ного исследований маслозаполненных винтовых компрессоров разработаны конкретные рекомендации по проектированию винтовых маслозаполненных компрессоров с раздельной системой смазки, имеющих повышенную эффек тивность работы.5. Предложен метод расчёта и выполнены технологические расчёты процесса контакта масла, подаваемого на впрыск в полость сжатия, и попутного нефтяного газа в процессе сжатия в компрессоре. Расчётным путём показано влияние режимных параметров компрессора и состава газа на величину вязкости масла в процессе эксплуатации компрессора.6. Создан экспериментальный образец компрессора и стенд для его испытаний. Испытания показали, что компрессор, имеющий раздельную подачу масла на смазку подшипников и на впрыск в полость сжатия, имеет более высокий изотермический КПД (до 4%) и коэффициент подачи (до 5%) по сравнению с компрессором, где масло, сливаемое с подшипников, по даётся на всасывание компрессора.7. По имеющимся в ЗАО "НИИтурбокомпрессор" экспериментальным данным по индицированию рабочего процесса и тёрмометрированию ро торов и корпуса винтового маслоэаполненного компрессора проведены расчёты действительных зазоров в компрессорах для сжатия попутного нефтяного газа и определены коэффициенты расхода в зазорах и окне нагнетания. Результаты расчётов были использованы при расчёте рабочего процесса компрессоров с раздельной системой смазки.8. На основе математической модели рабочего процесса и проведённых теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и программа расчёта на ЭВМ характеристик винтовых маслозаполненных компрессоров.Сравнение расчётных и экспериментальных характеристик показало их хорошее совпадение на различных режимах работы компрессора. Расхож дение не превышает 1... 1,5%.9. Полученные рекомендации были использованы при создании винто вых компрессоров, используемых при транспорте попутного нефтяного газа, таких как ТАКАТ-50.07.М2, 6ГВ-18.06-19М1, 5ГВ-12/6М1 У2. Компрессоры указанных типов успешно эксплуатируются на нефтепромыслах и газоперерабатывающих заводах России и за рубежом.

1. Алешин В.И. Исследование винтового маслозаполненного вакуум-компрессора. Автореферат дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М., 1977, 16с.

2. Амосов П.Е., Трофимов В.Л. Гидравлическое сопротивление окна нагнетания винтовой компрессорной машины. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. Л., 1975, вып. 127, с.27.34.

3. Амосов П.Е., Бобриков Н.И., Шварц А.И., Верный А.Л. Винтовые компрессорные машины. Справочник. Л., «Машиностроение», 1977, 256 с.

4. Андреев П.А. Винтовые компрессорные машины. Л., Судпромгиз, 1961, 251 с.

5. Андреев П.А., Шварц А.И. Основные геометрические характеристики профилей роторов винтового компрессора. В сб.: Компрессорные и дутьевые машины», Л., 1970, вып. 102, с. 133.141.

6. Бобриков Н.И. Определение параметров конца процесса всасывания винтового компрессора. В сб.: «Винтовые компрессоры в энергомашиностроении», Л., 1975, вып. 127, с.54.63.

7. Бейзельман Р.Д., Ципкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. М., «Машиностроение», 1975, 572 с.

8. Быков А.В., Калнинь И.М., Канышев Г.А., Шнепп В.Б., Шварц А.И., Верный А.Л. Освоение холодильных винтовых компрессоров. «Холодильная техника», 1974, № 2, с.8. 13.

9. Верный А.Л. Исследование и метод расчета винтовых маслозаполненных компрессоров. Сборник научных трудов под редакцией доктора техн. наук, проф. Белякова В.П. «Процессы, технология и контроль в криогенном машиностроении», г.Балашиха, 1978, с.72.82.

10. Шварц А.И., Верный A.JI. Современное состояние и тенденции развития винтовых компрессоров в Советском Союзе и за рубежом. ЦТЕНТМ-химнефтемаш, М., 1978, 52 с.

11. Верный A.JL, Куприянов А.Н. Экспериментальное определение коэффициентов расхода газомасляной смеси через щели и окно нагнета;:;!:: винтовых маслозаполненных компрессоров. В со: Проектирование iT исследование компрессорных машин: Казань, 1982, с.9. 17.

12. Верный А.Л., Селютин А.В., Винокуров Ш.С. Испытание уплотняющих покрытий в винтовых компрессорах. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. Л., 1975, вып. 127, с. 69. .73.

13. Винты винтовых компрессоров. Основные размеры. ГОСТ 23005-78. Издание официальное. Госкомитет стандартов Совета Министров СССР. М., 1978, 5с.

14. Винты винтовых компрессоров. Допуски. ГОСТ 23006 78. Издание официальное. Госкомитет стандартов Совета Министров СССР. М., 1978, 8с.

15. ВНИПИНефть. Методы расчета свойств газов и жидкостей. М.; Химия- 1963, 246 с.

16. Вукалович М.П. Новиков И.И. Термодинамика. «Машиностроение»,1972, 672с.

17. Голубев С.Н., Рахманов П.Ф., Сакун И.А. Теоретический анализ процесса наполнения полостей винтового компрессора. Судовые силовые установки. JT., 1974, № 12, с.

18. Голубев С.Н. Термодинамическое исследование процессов всасывания винтового судового компрессора. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. Л., 1974. 19 с.

19. Гуревич Г.Р., Брусиловский А.И. Справочное пособие по расчету фазового состояния и свойств газоконденсатных смесей. М.; Недра, 1984, -264с.

20. Давыдов Б.Л., Скородумов Б.А., Бубырь Ю.В. Редукторы. Конструкция, расчет и испытания. М., Машгиз, 1963, 474 с.

21. Диментов Ю.И. Исследование процесса нагнетания в винтовом компрессоре. Автореферат дис. на соис. ученой степени канд.техн.наук. Л., 1974, 19 с.

22. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. М., Изд-во физико-математической литературы, 1960, 260 с.

23. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л., «Наука», 1974, 108 с.

24. Зарубин В.М., Тарасов A.M. Исследование протечек воздуха через зазоры в роторных компрессорах. В сб.: Вопросы совершенствования и повышения надежности работы локомотивов. Тр.ХИИТа, вып.138, Харьков,1973, с.73.83.

25. Захаренко С.Е. К вопросу о перетечках газа через щели. Тр. ЛПИ, 1953, №2, с. 144. 160.

26. Захаренко С.Е. Экспериментальные исследования протечек газа через щели. Тр. ЛПИ, 1953, №2, с. 161. 170.

27. Кабаков А.Н., Щерба В.Е., Математическое моделирование рабочего процесса поршневого компрессора с впрыском воды в поток сжимаемого воздуха. Изв. вузов. Горный журнал. - 1981, №1, с.71 .76.

28. Канышев Г.А., Куръянов А.П., Шварц А.И., Верный A.JI. Отечественные судовые аммиачные винтовые компрессорные агрегаты. «Холодильная техника», 1976, № 11, с. 13. 18.

29. Караганов JI.T., Вужба Д.А., Онучин М.Ф., Фардеев Э.А., Вих-ляевА.А., Бодик И.С. Ротационные и винтовые компрессоры на специализированной иностранной выставке «Насосы и компрессоры-75». М., НИНТИ-Химнефтемаш, 1976, 83с.

30. Кетов Х.Ф., Колчин Н.И. Теория механизмов и машин. М. Я., Машгиз, 1939, 608 с.

31. Коренев A.M. Исследование винтовой расширительной машины. Дис. на соис. учен. степ. канд. тенх. наук: 05.194/МВТУ им. Н.Э. Баумана. -М., 1970, 146с.

32. Кошмаров Ю.А. Гидродинамика и теплообмен турбулентного потока несжимаемой жидкости в зазоре между вращающимися коаксиальными цилиндрами. Инженерно-физический журнал, 1962, том У, № 5, с.5. 14.

33. Лобков A.M. Сбор и обработка нефти и газа на промысле. М.; Недра, 1968, 284 с.

34. Мамонтов A.M. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М., Оборонгиз, 1961, 56 с.

35. Миронов В.Н. Опыт эксплуатации винтовых компрессоров в объединении «Татнефть». Реф. сб. ВНИИОЭНГ, Сер. «Машины и нефтяное оборудование», 1981, С.30.31.

36. Миронов В.Н., Хисамеев И.Г. Метод расчета вязкости масла при компримировании углеводородных газов в винтовых маслозаполненных компрессорах . // Проектирование и исследование компрессорных машин. -Казань, 1999. Вып. 4. - с.285.,.292.

37. Миронов В.Н., Мифтахов А.А., Хисамеев И.Г. Экспериментальное исследование винтового маслозаполненного компрессора с раздельной подачей масла. Казань, Изд-во КГТУ, Тезисы научной сессии, 2000 г, с.118.119.

38. Миронов В.Н., Мифтахов А.А., Хисамеев И.Г. Методика расчета характеристик маслозаполненных винтовых компрессоров для сжатия углеводородных газов. Казань, изд-во КГТУ, Тезисы научной сессии, 2000 г., с.119.

39. Михайловский Г.А. Термодинамические расчеты процессов парогазовых смесей. М., Машгиз, 1962, 184 с.

40. Моторные и реактивные масла и жидкости. Под ред. Папок' К.К., Семенидо Е.Г. М.; Химия. 1963, 704 с.

41. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JT., «Энергоатомиздат», 1985. - 248 с.

42. Онучин М.Ф. Воздушные винтовые компрессорные установки второго поколения: Экспресс-информация о работах НИИ и КБ отрасли. № 3, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1980. 11с. (серия ХМ-5. Компрессорное машиностроение).

43. Петриченко P.M., Оносовский В.В. Рабочие процессы поршневых машин. JL, «Машиностроение», 1972, 168с.

44. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М., «Энергия», 1978,704 с.

45. Ребриков В.Д., Фотин Б.С., Хрусталев Б.С., Сидора Н.Н. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. Л., 1975, вып. 127, с.82.88.

46. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Л., Машиностроение», 1970, 400 с.

47. Сакун И.А., Диментова Ю.И. Метод расчета термодинамических параметров винтового компрессора. «Химическое и нефтяное машиностроение», 1970, №6, с. 1.4.

48. Сакун И.А., Пекарев В.И., Носков А.Н. Исследование процессов сжатия и выталкивания в холодильном винтовом компрессоре сухого сжатия. //Труды XIУ научно-технической конференции /ЛТИХП.-Л., 1984. с. 2.9.

49. Сидора Н.Н. Исследование рабочего процесса винтового маслозаполненного компрессора. Дис. на соис. учен. степ, канд.техн.наук. Л., 1969, 131 с.

50. Сидора Н.Н., Афонин Е.Н., Винокуров Ш.С. Основные характеристики винтового маслозаполненного компрессора. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. Л., 1975, вып. 127, с.35-43.

51. Степанова Г.С., Выборное Н.М. и др. Расчет фазовых равновесий углеводородных смесей газоконденсатных месторождений. М.; Недра, -1969. 64с.

52. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Л.; Химия. 1976. 112 с.

53. Тарасов A.M. Теоретические основы и метод расчета рабочего процесса роторных компрессоров. В сб.: Тепловозные двигатели и локомотивные компрессоры. Труды ХИИТ, М., 1970. № 119. с.38.55.

54. Тарасов A.M., Егоров В.Г. Методика и расчет рабочего процесса винтовых компрессоров. Энергомашиностроение, 1970, №6, с.43.,.45.

55. Тарасов A.M., Егоров В.Г., Меркулова Р.Г. Расчетное исследование параметров винтовых компрессоров сухого сжатия большой производительности. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. «Труды ЦКТИ», вып. 127, 1975, с.22.,.26.

56. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. Перев. с англ. «Мир», 1972,440с.

57. Хисамеев И.Г. Разработка и исследование нового типа роторного компрессора с полным внутренним сжатием: Дис. на соис. учен. степ. канд. техн. наук: / ЛПИ им. М.И.Калинина. JI., 1980. 238с.

58. Хисамеев И.Г., Миронов В.Н. Опыт эксплуатации винтовых компрессоров для компримирования попутного нефтяного газа // Тезисы докладов одинадцатой международной научн.-техн.конф. по компрессорной технике. Казань., 1998. - с.61 .62.

59. Шварц А.И. Исследование влияния профилей зубьев роторов на энергетические показатели винтового компрессора. Дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Казань, 1971, 174с.

60. Шварц А.И. Определение конфигурации щелей по линии контакта в винтовом компрессоре с различными профилями винтов. «Компрессорное и холодильное машиностроение», 1971, №1, с.4.5.

61. Шварц А.И., Верный А.Л., Хисамеев И.Г., Меркулова Р.Г. Экспериментальное исследование винтового компрессора с различными профилями зубьев роторов. В сб.: Винтовые компрессоры в энергомашиностроении. Л., 1975, вып. 127, с. 16.21.

62. Шварц А.И., Верный А.Л., Цирлин Б.Л. Характеристики и конструкция унифиципрованного типоразмерного ряда винтовых холодильных компрессоров. В сб.: Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и пищевой промышленности. Л., 1972, с.8. 14.

63. ШлихТинг Г. Теория пограничного слоя. Перев. с немецк. М., «Наука», 1974, 712с.

64. Шнепп В.Б., Мирзоев Т.Б., Яскин Л.Н. Винтовые компрессорные машины для сбора и транспорта газа. Обзорная информация ВНИИОЭНГ. Сер. «Машины и нефтяное оборудование». 1980. 48с.

65. Шульц У. Политропический анализ центробежного компрессора. -Труды американского общества инженеров-механиков. Серия А. 1962. № 1, с.87. 101.

66. A new twist to the quiet revolution. "Power", vol. 24, № 284, 1978, pp. 364.366.

67. Benediet M., Webb G., Rubin L An empirical equation for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures. Cliem. Eng. Progr., No. 8, p.419, No 9, p.449, 1951.

68. Brablik I. Analyticity model bezmazneho sroubovero komresom // Stro-yirenstvi.- 1980. 30, №12. - c. 756 .760.

69. Compact oil-free screw type industrial compreccor. «Fluid Power. Power. International», 1970, vol.35, №415, pp.64.65.

70. Compressor aims at power sawing. By William О 'Keefe', associate Editor. " Power", March 1976, pp.63.64.

71. Rjttentidt H. Wie wirtschaftlich sind Schraubenverdichter. -"Industrie Anzieger", 1974, Bd. 96, № 11, S.223.225.

72. Lang H. Merkmale und Banarten der Drehkolbenverdichtern. Betriebs-technik. 1969. № 12. SS. 301.303.

73. Redlich O., Kwong J.W.S. Cher.Rev., 1949, 44, s. 233.

74. Schneider H. Neue Technologie in der Drucklufffiltration. „Pneum.Dig.", 1977, 11, №4, S.33.36.

75. Weissinger W. Schraubenkompressoren zur wirtschaftlichtn Druckluft-erzeugung. „Vaschine", dima doku 73, S. 191. 198.

76. Steidel R.F., Weiss I.H. and Flower S.F. Performance Characteristics of4the Lysholm Engine as Tested for Geothermal Power Application in the Imperial Valley // A.S.M.E., Journal of Engineering for Power. January, 1982. Vol. 104. -H. 231.