Принцип действия и устройство

Раздел 4. Центробежные компрессоры.

 

4.1 Принцип действия и устройство.

4.2 Рабочий процесс в центробежном компрессоре.

4.3 Удельная работа и внутренний политропический КПД компрессора.

4.4 Области применения центробежных компрессоров в нефтяной и газовой промышленности.

Привод центробежного компрессора.

Ротор центробежного компрессора.

Уплотнения.

Центробежные компрессоры нефтегазовой промышленности

4.9 Характеристики центробежных компрессоров

 

Принцип действия и устройство

Центробежные компрессоры по принципу действия и устрой­ству подобны центробежным насосам, но имеют особенности, связанные со сжимаемостью пере- качиваемой среды и высокими частотами вращения (десятки тысяч оборотов в минуту).

Центробежные компрессоры подразделяют по конструктивным признакам на следующие виды:

1) одно- и многоступенчатые;

2) одно- и многокорпусные;

3) консольные, с выносными опорами (по расположению рабо­чих органов и опор);

4) с осевым, боковым и двусторонним входом (по расположению входа в компрессор);

5) с торцовым разъемом, с осевым разъемом, с двойным корпу­сом (по виду разъема корпуса).

При неболь­ших выходных углах наклона лопастей применяют простую схему со спи­ральной камерой (улиткой) (рис. 4.1а). При окружных скоростях до 300 м/с используют закрытые рабочие колеса, обеспечива­ющие увеличение КПД. на 2-3% по сравнению с полуоткрытыми колесами (рис. 4.1б-г). Если угол наклона достаточно велик (>40°), то компрессоры выполняют с направляющими аппа­ратами, называемыми диффузорами. Кольцевой без­лопастный диффузор, предшествующий лопастному направляющему аппарату, способствует выравниванию потока и уменьше­нию шума при работе машины. Полуоткрытые рабочие колеса (рис. 4.1 в, г) позволяют достичь больших окружных скоростей (порядка 500 м/с). Рабочие колеса могут быть осерадиальными (рис. 4.1в) и диагональными (рис. 4.1г).

Рис. 4.1. Одноступенчатые лопастные компрессоры

а) со спиральной камерой (улиткой) и полуоткрытыми колесами;

б) с напраляющими аппаратами и закрытыми колесами;

в) с напраляющими аппаратами и осерадиальными колесами;

г) с напраляющими аппаратами и диагональными колесами

В многоступенчатом компрессоре имеются все характерные элементы многоступенчатого насоса — направля­ющие аппараты НА, обратные направляющие аппараты ОНА, диафрагмы с уплотнениями Д (рис. 4.2а). На эпюре показано изменение давления и скорости газа в рабочем колесе и в отводе между точками 1, 2, 3 и 4.

 

Рис. 4.2. Схемы многоступенчатых центробежных компрессоров

 

Многоступенчатые компрессоры выполняют в одном корпусе (рис. 4.2б). На выходе из последней ступени газ поступает в улитку или сборную камеру, а затем направляется в нагнета­тельный патрубок. Многоступенчатый компрессор (рис. 4.2в) состоит из не­скольких секций (при показателе адиабаты k = 1,40 до трех ступеней в каждой) с промежуточным охладителем X. Промежу­точное охлаждение необходимо для экономии мощности путем приближения процесса ступенчатого сжатия к изотермическому. Число промежуточных охлаждений уста­навливают, сопоставляя экономию мощности компрессора с до­полнительными затратами на охлаждение и усложнение компрес­сорной установки при увеличении числа охладителей.

Сжатие с одним промежуточным охладителем выгодно при ε = 2,5—6.

С уменьшением значения показателя адиабаты k указанный верхний предел величины ε возрастает. Сжатие в одном корпусе с двумя промежуточными охладителями эффективно при более высоких степенях повышения давления (до 10 при k = 1,4). С увеличением числа рабочих колес в одном корпусе и удлине­нием ротора снижаются критические частоты вращения вала, при которых возникают недопустимо большие вибрации отбаланси­рованного ротора. Когда рабочая частота существенно отличается от критической, прогибы вала и вибрационные нагрузки резко снижаются. Рабочая частота может быть меньше или больше пер­вой критической, при этом вал называют соответственно «жестким» или «гибким». Возможности повышения критических частот путем уменьшения массы роторов и увеличения их жесткости ограни­чены. В связи с этим при ε > 10 приходится размещать рабочие колеса в двух корпусах.

Например, компрессор К-380-101-1 с объемным расходом газа на входе 500 м³/мин, предназначенный для сжатия нефтяного газа от 0,15 до 4,2 МПа (ε = 28), выполнен с двумя корпусами. В каждом корпусе расположено по пять рабочих колес. Частота вращения ротора в первом корпусе составляет 7 350 об/мин, во втором — 17 тыс. об/мин. Компрессор имеет только один охла­дитель между корпусами, что объясняется низким значением показателя адиа­баты сжимаемого газа, а также возможностью выпадения жидкой фазы при его охлаждении.

В отличие от насосов рабочие колеса в компрессоре могут быть неодинаковыми по диаметру и по форме. Наружный диаметр.колеса уменьшается с увеличением порядкового номера секции; внутри секции колеса имеют, как правило, одинаковый диаметр, но могут отличаться шириной каналов в меридиональ­ном сечении. Это объясняется следующими причинами. Если диаметры и тип лопастного аппа­рата у всех колес в одном корпусе выполнять одинаковыми, что удобно технологически и удешевляет изготовление машины, то, поскольку объем протекающего газа уменьшается, а меридиональ­ная скорость сохраняется постоянной, последние колеса окажутся чрезмерно узкими, что приведет к росту аэродинамических потерь и снижению КПД.

С уменьшением диаметра колес снижается окружная скорость и, следо­вательно, требуется больше колес для заданной степени повышения давления ε. Это приводит к увеличению осевого габарита машины и к снижению крити­ческих частот вращения ротора, вследствие чего появляется опасность сближе­ния рабочей частоты вращения со второй критической. Поэтому в одном и том же компрессоре иногда применяют лопастные аппараты различного типа. При этом выходной угол наклона лопастей и скорость постепенно уменьшаются от первой ступени к последней, что позволяет сохранить диаметры ступеней внутри одного корпуса равными или близкими.

Для привода центробежных компрессоров применяют: стан­дартные электродвигатели, достоинствами которых являются простота запуска и удобства в эксплуатации; газовые турбины, обла­дающие автономностью, более высокой, нежели стандартные элек­тродвигатели, частотой вращения (5,5—6,0 тыс. об/мин) и возмож­ностью экономичного регулирования; паровые и воздушные (для холодильных компрессоров) турбины с высокой частотой вращения (до 100 тыс. об/мин).

В зависимости от вида привода возможны различные варианты компоновки двухкорпусных машин. При самостоятельном при­воде каждого корпуса K₁ и К₂ непосредственно от турбины Т (рис. 4.2г) или через мультипликатор М от электродвигателя Д (рис. 4.2д) возможно сообщить каждому ротору различную ча­стоту вращения, но компрессорный агрегат состоит из большого числа отдельных машин. Это усложняет обслуживание и уве­личивает эксплуатационные расходы. Более выгодны схемы с одним двигателем, но разными частотами вращения ротора в каждом корпусе компрессора. От высокооборотного двигателя (турбины) первый корпус K₁ низкого давления принимает мощность непо­средственно, а второй К₂ высокого давления — через мультипли­катор М (рис. 4.1 е). При электроприводе требуется повышение частоты вращения вала также и в первом корпусе (рис. 4.1 ж, з).

return false">ссылка скрыта

Рабочие колеса центробежных компрессоров различают в за­висимости от типа лопастей: 1) с лопастями, загнутыми назад и 2) с радиальными лопастями, имеющими входную часть простран­ственной формы. Первый тип используют в стацио­нарных компрессорах. Различают рабочие колеса насосного типа (β_2л =15—30°, число лопастей z = 6—9) и колеса компрессорного типа (β_2л =35—55°, z = 18—30). В последнее время для начальных ступеней компрессора применяют также рабочие колеса с β_2л = 55—90° (колеса авиационного типа). Эффективность лопастного аппарата такого типа несколько сни­жена, но степень повышения давления в ступени получается большей. Лопасти изготовляют постоянной толщины (2—8 мм), с округ­ленной входной и скошенной выходной кромками. Наиболее рас­пространена форма лопасти в виде дуги окружности. Способы крепления лопастей в закрытых рабочих: заклепками, шипами, сваркой и др.

Рабочее колесо — наиболее напряженная деталь центробежного компрес­сора. Диски изготовляют из кованой углеродистой или легиро­ванной стали, а при низких окружных скоростях — отлитыми из стали или из алюминиевых сплавов. С целью уменьшения потерь внутренняя поверхность рабочих колес выполняется гладкой, с наружной стороны диски полируют.