Расчет основных параметров оборудования ГРС

Рис. 37. Расчетная характеристика нагнетателя Н-1676-1,37

Определение технического состояния нагнетателя

 

Расход газа через ЦБН известен. Оценка технического состояния ЦБН

(его газового тракта) проводится путем сравнения эксплуатационного значения

политропического КПД с его эталонным значением на подобном режиме т.е.

= const.

Объемный приведенный к оборотам расход (QiH)

 

где - коэффициент пропорциональности дается в зависимости от ти-

па ЦБН;

- перепад давлений на измерительном устройстве (тарированный

патрубок, либо конфузор, либо что-то другое), Па;

- плотность газа на входе в ЦБН, кг/м3;

~ номинальное значение частоты вращения, об/мин;

n - замеренное значение частоты вращения, об/мин.

Далее определяется коэффициент технического состояния

 

Отклонение от единицы свидетельствует об ухудшении в процессе экс-

плуатации характеристики ЦБН, за счет увеличения внутренних потерь (подре-

зы лопаток, износ колеса и др.).

Эксплуатационная мощность ГТУ определяется на основе замера пара-

метров перекачиваемого газа ЦБН.

Внутренняя мощность ЦБН , Вт

 

где - мощность, определяемая по измеренным параметрам

природного газа до и после ЦБН (температура и давление

на входе нагнетателя piH, tiH, Р2н, t2H), Вт:;

где К/К-1 - коэффициент, определяемый по таблице 4 по значениям

приведенным в зависимости от:

- от средней температуры газа в ЦБН 1фн = (ti +12) /2;

- от относительной плотности газа по воздуху, определен-

ной в химической лаборатории Дв = ргаза/РвозД;

К - коэффициент адиабаты природного газа, определяется из

таблицы 4;


 

 

- коэффициент сжимаемости природного газа, принимается

по расчетным данным характеристик ЦБН из ТУ агрегата;

R - газовая постоянная, принимается по расчетным характери-

стикам ЦБН (ТУ или ИЭ);

- расход перекачиваемого природного газа, определяемый

специальными измерениями ( по тарированным конфузорам,

измерительными шайбами, измерительными соплами), м3/с;

- механические потери в подшипниках ЦБН, определяются

при проектировании агрегата, Вт.

Таблица 14

Значения расчетных коэффициентов для различного состава газа

 

Далее определяется степень сжатия в ЦБН n

 

По измерениям на агрегате определяется относительная частота вращения

п. Затем по расчетной характеристике ЦБН, представленной на рисунке 37, оп-

ределяют зону расположения , К/К - 1, и уточненное значение

 


 

 

Данный метод распространяется на любые типы агрегатов и обладает

наибольшей точностью.

 

3.1.4 Расчёт торцевого уплотнения

 

Считается, что поверхность трения вращающегося и неподвижного ко-

лей установлена строго перпендикулярно и концентрично к оси вращения

вала, и что эти поверхности абсолютно плоские. Наличие в зазоре пары тре-

ния уплотняемой жидкости, находящейся под действием перепада давления

(Р - ) (где -;-), приводит к возникновению расклинивающей силы R, дей-

ствующей на аксиально-подвижную втулку.

Эпюра распределения давления в щели имеет вид трапеции: падение давле-

ния происходит по линейному закону. Тогда среднее давление в щели определяется

как полусумма рабочего давления и давление на выходе из щели , Па

 

где Р - рабочее давление, Па;

- давление на выходе из щели, Па, как правило, барометрическое

= 0;


Заметим что, определение среднего давления в щели между контакти-

рующими кольцами по данной формуле вносит некоторую ошибку.

В центробежных насосах для нефтепродуктов диаметры рабочих колес ко-

леблются от 50 до 150 мм, а ширина контактной поверхности b составляет при-

мерно 5 мм. Ошибка составляет 1,4... 3,8%, чем практически можно пренебречь.

Расклинивающая сила R, Н

 

F – площадь контакта в паре трения, м2

 

Для реальных пар трения кривые изменения давления по длине щели ха-

рактеризуются степенными законами. На характер эпюры давления оказывает

влияние вязкость жидкости. Удельное давление в паре трения одинарного тор-

цового уплотнения определяют из баланса сил, действующих в торцовом уп-

лотнении. На аксиально-подвижную пару действуют:

- сила гидростатического давления G уплотняемой жидкости, действую-

щая на неуравновешенную площадь втулки/ м2

 

-усилия пружины;

-силы трении по уплотни тельному элементу T (в уплотнениях сильфо-

Ном T = 0);

-расклинивающая R.

Результирующую силу W, H, с которой аксиальное - подвижное кольцо

Прижимается к неподвижному, можно описать как

 

W=G+S-R-T

Где G – сила гидростатического давления, H:

G=ƒ*P

Удельное давление в паре трения , Па

 

Это выражение можно преобразовать


Иногда принимают , считая, что усилие пружины уравновешивается

силой трения. Тогда окончательно удельное давление в паре трения =( -0,5)*Р,

где - коэффициент разгрузки:

 

Коэффициент разгрузки оказывает влияние на конструкцию торцового

уплотнения. При > 1 торцовое уплотнение считают неразгруженным, а при

< 1 - разгруженным.

При монтаже уплотнения с вращающимся аксиально-подвижным коль-

цом па валу постоянного диаметра из-за необходимости обеспечивать зазоры

между валом и превращающейся втулкой всегда имеемся условие, когда > F,

то есть > 1.

Разгруженное уплотнение с вращающимся аксиально-подвижным коль-

цом монтируют на ступенчатом валу или на гильзе, с помощью которой обес-

печивается необходимая разность диаметров.

Для установки неразгруженного уплотнения ( = 1) с вращающимся ак-

сиально-подвижным кольцом также нужен ступенчатый вал. Но, поскольку в

разгруженном уплотнении с таким же ступенчатым валом удельное давление на

контактные поверхности рабочих колец меньше, это уплотнение применяют

чаще, чем уплотнение, у которого = 1. При монтаже уплотнения с внешним

нагружением и невращаюгцимся аксиально-подвижным кольцом на валу посто-

янного диаметра любой коэффициент разгрузки может быть получен при изме-

нении размера .

Уплотнения, имеющие > 1, используют при легких рабочих условиях -

при низких давлениях уплотняемой жидкости. При повышенных давлениях

жидкости применяют разгруженные уплотнения, имеющие < 1.

В практике наиболее распространены значения коэффициента кр от 0,56

(для разгруженных уплотнений) до 1,2 (для неразгруженных).

Уплотнения с коэффициентом кр = 0,5 называется полностью разгружен-

ным, так как для них = 0.

При дальнейшем снижении коэффициента разгрузки ( <0,5) расклини-

вающая сила оказывается преобладающей и стремится отжать аксиально-

подвижное кольцо, что приводит к нарушению герметичности в паре трения. В

разгруженных торцовых уплотнениях нефтяных центробежных насосов реко-

мендуется удельное давление в паре трения принимать в пределах 5... 7 кгс/см2

при давлениях уплотняемой жидкости 25... 30 кгс/см2.


 

При конструировании уплотнении и их расчете существенное значение

имеет выбор поверхности трения, то есть ширины b уплотнительных поясков

рабочих колец. С уменьшением значения b снижается выделение тепла. В то же

время утечка через уплотнение практически не зависит от радиальной ширины

уплотнительной поверхности колец. Применяемые на практике значения шири-

ны кольца b находятся в пределах 2... 10 мм, а для нефтяных насосов с диамет-

ром валов от 40 мм до 100 мм - 3,5...6 мм.

 

3.1.4.1 Пример расчета торцового уплотнения

 

Частота вращения вала n = 2950об/мин, диаметр вала - 115 мм, диаметр

гильзы с расточкой под торцовое уплотнение - 125 мм. Конструктивные разме-

ры рабочих колец: d1 = 151 мм; d2 = 142 мм; d0 = 146мм.

Поверхность трения F, см2

 

 

Неуравновешенная площадь аксиально-подвижного кольца, по которому

осуществляется гидравлический прижим ƒ, см2

 

 

Коэффициент разгрузки кр = 0,56.

Для равномерного распределения давление трущихся поверхностей реко-

мендуется устанавливать по периметру не менее шести пружин. Принимаем

шесть пружин, равномерно распределенных по окружности.

При максимальном сжатии каждая пружина создает усилие 10 кгс. Удель-

ное давление от усилий всех пружин при максимальном их сжатии без учета

сил трения , кгс/см2

 

 

где т - количество пружин, т = 6;

S - сила сжатия одной пружины, кгс, S = 10 кгс,

Т - сила трения, кгс, Т = 0 кгс;


 

 

Удельное давление , кгс/ см2

 

Р - давлении среды в камере уплотнения, кгс/см2, Р = 40 кгс/см2;

= (0,56 - 0,5)*40 = 2,4 кгс/ см2.

Результирующее удельное давление в паре трения по формуле макси-

мальном сжатии пружин РУд, кгс/см2

 

Руд'уд``уд

Руд = 2,4 + 2,9 = 5,3 кгс/см2

Такое значение удельного давления соответствует рекомендуемому

3,5...7 кгс/см2.

 

 

3.1.5.1 Температурный режим газораспределительных станций

 

В связи с тем, что на ГРС производится снижение давления газа, это приво-

дит к соответствующему его охлаждению. В результате могут образоваться гидра-

ты и сильно охладиться регулирующие клапаны, запорная аппаратура,

контрольно-измерительные приборы и трубопроводы, что нарушает работу стан-

ций. Для борьбы с гидратообразованиями на ГРС применяют автоматическую по-

дачу в газопровод метанола и подогрев газа. На некоторых ГРС внедрены

пневматические автоматы для подачи метанола (ввод метанола в поток газа).

Подогрев газа применяют главным образом на ГРС, где ожидается посту-

пление неосушенного газа при резких перепадах давления, когда наблюдается

значительное охлаждение газа. Для подогрева используются специальные теп-

лообменники. Конструкция теплообменников, а также схема блока подогрева

зависит от давления, температуры и количества поступающего на ГРС газа.

Количество тепла, необходимое для подогрева газа Q, ккал/ч (кДж/ч)

 

Vo - расход газа, м3/ч, при 0°С и 760 мм рт. ст.;

рo - плотность газа, кг/м , при 0°С и 760 мм рт. ст.;

Ср - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, для

природных газов, равная 0,5 ккал/(кг-°С)(2,3 кДж/(кг-°С));

∆t - температура подогрева газа, °С, равная примерно 4... 5°С и более

в зависимости от температуры и давления газа до и после ГРС.


 

 

Поскольку температура газа зависит от перепада давления, коэффициента

Джоуля-Томсона и изменения скорости движения газа, температуру газа после

регулирующего клапана t2, °С, определяют по формуле

 

- температура газа до регулятора давления, °С;

- коэффициент Джоуля-Томсона, С/ Па;

- давление газа до регулятора, МПа;

- давление газа после регулятора, МПа;

2 - линейная скорость газа после регулятора, м/с;

1 - линейная скорость газа до регулятора, м/с.

Зададимся необходимыми данными и определим температуру газа (ме-

тана) на выходе из ГРС и количество тепла, необходимого для подогрева газа

до регулятора давления.

Исходные данные:

- температура газа до регулятора давления = 29,8 С;

- абсолютное давление до редуцирующего клапана = 2,3*106 Па;

- абсолютное давление после редуцирующего клапана = 1,2*106 Па;

- линейная скорость газа до клапана 1 = 25м/с;

- теплоемкость метана Ср = 2300 Дж/(кг-°С);

- коэффициент Джоуля-Томсона =4-106 С/Па;

- расход газа Vo = 42250 м3/ч;

- плотность газа рo = 0,71 кг/м3.

Диаметры трубопроводов до и после регуляторов равны.

Линейная скорость газа после регулятора из условия равенства диаметров

до и после клапана 2, м/с

2= 2*

2=

 

Температура газа после регулирующего клапана t2, °С

 

°С


 

 

Количество тепла, необходимого для подогрева газа до регулятора давле-

ния Q, кДж/ч

 

Q = 42250*0,71 *2,3*(29,8-25) = 331172 кДж/ч.

 

3.1.5.2 Выбор предохранительных и регулирующих клапанов для ГРС

 

При выборе типоразмеров предохранительных и регулирующих клапанов

для ГРС пользуются следующей методикой расчета.

Предохранительные клапаны рассчитывают на полную пропускную спо-

собность ГРС с тем, чтобы после сброса давления (превышающего нормальное

рабочее) за клапанами не могло создаваться давление, выше рабочего более чем

на 15%. Клапаны должны открываться при повышении давления газа на 25%

сверх рабочего. Для быстрого сброса газа низкого давления (0,5...2,8 кгс/см2)

применяют специальные предохранительные клапаны типа С1111К, для сброса

газа среднего давления (16 кгс/см2) - клапаны типа ППК, величина открытия

которых составляет (0,25... 0,36)-dc (где dc - диаметр сопла или седла).

Предохранительные клапаны выбирают по их пропускной способности

G, кг/ч:

 

а - коэффициент расхода газа клапаном (для стандартных конст-

рукций типов СППК4 и ППК4 а = 0,5... 0,8);

F - площадь сечения клапана, равная наименьшей площади в про-

точной части, мм2;

- максимальное избыточное давление перед предохранительным

клапаном, кгс/см2;

- избыточное давление за предохранительным клапаном, кгс/см2;

- плотность среды для параметров рг' и \ кг/м3;

t1' - температура газа перед клапаном, °С;

В - коэффициент, зависящий от показателя адиабаты К и перепада дав-

ления pi/pi \ при сбросе в атмосферу В принимается по таблице 15.

Таблица 15

Значение коэффициента В

 


 

 

Из вышеприведенной формулы определяют величину F, а затем по ката-

логу подбирают предохранительный клапан, у которого ближайшая величина F

больше расчетной величины.

Регулирующие клапаны выбирают также по их пропускной способности.

Поскольку пропускная способность регулирующего клапана зависит от режима

истечения газового потока через регулирующий клапан, необходимую макси-

мальную пропускную способность Ку, м3/ч, определяют по двум уравнениям:

- при

 

- при

 

- перепад давления на регулирующем клапане, кгс/см2:

 

: - абсолютное давление до регулирующего клапана, кгс/см2;

- абсолютное давление после регулирующего клапана, кгс/см2;

Q - максимальный расход среды, м3/ч;

- плотность среды (при 760 мм вод. ст. и 0° С), кг/м3;

Т - абсолютная температура среды, К.

Условная пропускная способность регулирующего клапана , м3/ч

 

По найденной условной пропускной способности по каталогу подбирают

ближайший больший по отношению к условный проход регулирующего

клапана.

Подберем предохранительный клапан. Исходные данные:

- среда - природный газ (98% метана);

- расход газа Vo = 42250 м3/ч;

- абсолютное давление защищаемой системы

12 кгс/см2 (1,2 МПа);

- температура газа t2 =25 °С.

Сброс происходит из предохранительного клапана в атмосферу:

- коэффициент адиабаты газа К = 1,31;

- коэффициент сжимаемости газа z = 0,9.

Необходимое проходное сечение предохранительного клапана F, мм2

 


 


 

 

Условная пропускная способность

 

 

По каталогу выбираем регулирующий клапан типа 25 с 40 нж условной пропускной способностью = 100 м3/ч и условным проходом Dy = 65 мм.