Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

Большинство современных машин имеет внешнее охлаждение. Промежуточные холодильники присоединяются либо к нижней части корпуса компрессора, либо к обеим частям корпуса. Охлаждаемый газ протекает в межтрубном пространстве холодильника, а в трубах протекает охлаждающая вода.

Центробежные компрессоры, как правило, представляют собой многоступенчатую машину.

Схема трехступенчатого центробежного нагнетателя приведена на рис. 2.216.

Газ в нем последовательно сжимается в трех колесах(ступенях), за каждым колесом обычно установлен диффузор. После выхода из диффузора поток газа по неподвижным каналам обратного направляющего аппарата при мало изменяющейся скорости подводится к следующему рабочему колесу. После выхода из последнего рабочего колеса или диффузора газ поступает в улитку или сборную камеру и затем в нагнетательный патрубок.

Схема многоступенчатого центробежного компрессора с промежуточным охлаждением приведена на рис. 2.217.

После сжатия в одной секции, состоящей обычно из 1…3 ступеней (колес), газ направляется в промежуточный холодильник,азатемсжимаетсявследующей секции.Какправило,водномкорпусевыполняют не более трех-четырех секций. Впоследнеевремявнекоторыхконструкциях компрессоров предусматривается охлаждение газа после каждой ступени.

Благодаря охлаждению газа удается значительно уменьшить работу сжатия. Во многих случаях наружный диаметр рабочих колес уменьшается с увеличением порядкового номера секции.

311

Характерные конструктивные особенности нагнетателей и компрессоров можно проследить, рассмотрев несколько конструкций. На рис. 2.218 показана конструкция одноступенчатого нагнетателя с двусторонним закрытым колесом, рассчитанного на расход газа около 67000м3/минипридавлении сжатия0,15МПа;приводосуществляется от паровой турбины мощностью 6000кВт.

На рис. 2.219 приведена типовая конструкция воздушного трехступенчатого нагнетателя.

Рис. 2.218. Одноступенчатый нагнетатель с двусторонним колесом

Рис. 2.219. Трехступенчатый нагнетатель типа 1200-25-1 НЗЛ:

1 — всасывающий патрубок; 2 — рабочее колесо; 3 — лопаточный диффузор; 4 — направляющий аппарат; 5 — улитка

312

Такие нагнетатели выпускают двух моделей:

1) расход воздуха VН = 880м3/мин, РК = 0,29МПа, n = 4600 мин–1; 2) VH = 970 м3/мин, РК = 0,34МПа, n = 5070 мин–1.

Привод осуществляется от синхронных электродвигателей СТМ- 3500-2. Все ступени имеют лопаточные диффузоры.

На рис. 2.220 показана конструкция первого корпуса двухкорпусного компрессора, предназначенного для комплектования крупных воздухоразделительных установок.

Рис. 2.220. Первый корпус двухкорпусного центробежного компрессора

Этоткорпус—четырехступенчатыйсоднимпромежуточнымохлаж- дением. На 1-й и 3-й (после охлаждения) ступенях применены диффузоры лопаточного типа, на 2-й и 4-й — короткие лопаточные диффузоры и улитки, отводящие воздух в охладители промежуточный и концевой.

Характеристики компрессора:

—расход газа 3200 м3/мин, РК = 0,66 МПа;

—привод осуществляется от паровой турбины, чем обеспечивается широкий диапазон регулирования расхода воздуха.

Вбольшинстве конструкций делают разъем в горизонтальной плоскости (рис. 2.218…2.220), а иногда в вертикальных плоскостях. Всасывающие и нагнетательные патрубки располагают в нижней или верхней половине корпуса с учетом удобства обслуживания, наличия промежуточных охладителей, подвального помещения и других соображений.

313

В одноступенчатых нагнетателях всасывающие патрубки часто располагают вдоль оси машины, обеспечивая равномерный осевой подвод газа к рабочему колесу.

Корпуса воздушных машин изготовляют из чугуна, толщина стенок

взависимости от размеров и давления составляет 15...30 мм, толщина фланцев в 1,3...1,5 раза больше толщины стенок.

Рабочие колеса многоступенчатых компрессоров в большинстве случаев радиального типа с покрывными дисками (рис. 2.219 и 2.221);

водноступенчатых нагнетателях применяют как радиальные, так и осерадиальные колеса (последние чаще без покрывного диска) с фрезерованными лопатками. Лопатки радиальных колес также часто выполняют фрезерованными из основного диска; покрывной диск крепят шипами,сделанныминалопатках,или заклепками, проходящими через лопатки и основной диск. Толщина заклепок 3...8 мм, шаг 25...50 мм.

Рабочие колеса центробежных многоступенчатых компрессоров (ЦКМ)изготовляютизлегированныхсталей(34ХН1М,34ХНЗМидр.), легкихсплавовнаосновеалюминия(АК6,АК8,Д16)ититана.Допустимая окружная скорость для колес стационарных ЦКМ, изготовленных излегированныхсталей,300...320,изалюминиевыхититановыхсплавов

400...450 м/с.

Вавиационных нагнетателях для осерадиальных колес без покрывных дисков с радиальными лопатками на выходе, изготовленных из специальных сталей, допускается окружная скорость 500...550 м/с. Допустимые окружные скорости для литых колес — до 250 м/с.

Валы изготовляют из углеродистых сталей 35, 40, 45; колеса насаживают на вал с натягом после разогрева в электропечах до температуры

450...470 К.

ВкачествеопорстационарныхЦКМприменяютподшипникискольжения;вавиационныхнагнетателяхивнекоторыхсерияхвентиляторов наряду с подшипниками скольжения применяют подшипники качения. Последние проще в эксплуатации, однако менее долговечны. Кроме того, подшипники скольжения, которые смазывают маслом, обладают значительнобольшейдемпфирующейспособностью,чтоособенноважно для гибких валов. Один из подшипников делают опорно-упорным, другой опорным. Температура подшипников не должна превышать 65...70°С; ее контролируют ртутными термометрами, реже терморезисторами. Корпусы подшипников скольжения в большинстве случаев отливают заодно с нижней половиной корпуса машины, крышки делают отдельно, чтобы подшипник можно было вскрыть не поднимая верхней половины корпуса машины.

314

Диффузоры в основном изготовляют в виде общего неподвижного элемента, который называется диафрагмой. В машинах, имеющих горизонтальный разъем, диафрагма также имеет разъем. Диафрагмы делают из чугуна. В целях уменьшения перетока газа между вращающимися частями и неподвижными элементами устанавливают лабиринтные уплотнения на покрывных дисках колес и на уплотнительных втулках между колесами; за последней ступенью часто помещают разгрузочный поршень,навнешнейповерхностикотороготакженаходитсялабиринтное уплотнение.

Для предотвращения утечек вредных для окружающей среды газов (аммиак, природный газ, фреон и др.) корпус делается герметичным: перед выходом вала из корпуса устанавливают сальник. Он может быть выполнен в виде графитового торцового уплотнения с масляной камерой.

Число ступеней в одном корпусе компрессора обычно не превышает восьми. Ограничение числа колес связано с возрастанием прогиба вала, так как его длина увеличивается, а диаметр вала ограничен конструктивными соображениями, прежде всего размерами колес.

Охлаждениеприменяютглавнымобразомвнешнее—впромежуточ- ных охладителях; внутреннее охлаждение используют в случаях, когда нежелательновыпадениевлагиизсжимаемогогаза.Иногдаиспользуют охлаждение впрыском, однако при этом возникает опасность коррозии и эрозии. Промежуточный охладитель обычно выполняют в виде кожухотрубного аппарата, по межтрубному пространству которого идет газ, а по трубкам вода. Для улучшения теплообмена вода делает один или несколько ходов, газ движется поперек трубок.

Трубки диаметром 10...20 мм изготовляют из меди, латуни, а при газах, вызывающих коррозию,применяютлегированнуюсталь.Эффективны охладители с оребренными трубками; ребра латунные, медные, алюминиевые или стальные. Скорость воды в трубках 1...3 м/с, подогревводывпределах6...12°С.Корпусохладителявыполняетсясварным или литым из чугуна.

Фирма «Броун-Вовери» (Швейцария) выпускала ЦКМ с охлаждением газа после каждой ступени, что приближает процесс сжатия к изотермному и повышает КПД машины (рис. 2.222). Охлаждение осуществляется в трубчатых охладителях, расположенных над компрессором и под ним. Такие конструкции иногда называют изотермкомпрессорами. Осевое усилие воспринимается разгрузочным поршнем и упорным подшипником. Для регулирования расхода газа установлен направляющий аппарат с поворотными лопатками.

315

Рис. 2.221. Центробежный компрессор фирмы «Броун-Бовери»

Компрессоры рассмотренного типа выпускают на расходы воздуха

25000...200000м3/ч при степени сжатия 6,5...8.

В компрессоростроении широко развита унификация узлов и деталей, что снижает трудоемкость изготовления и стоимость машин. Так, в СКБК разработаны восемь баз для конструирования ЦКМ на различные рабочие давления. Каждая база характеризуется определенным диаметром рабочих колес и может включать конструкции корпусов с горизонтальным или вертикальным разъемом.

Например,уагрегататретьейбазыдиаметррабочихколес380мм,корпусы агрегатов с горизонтальным разъемом предназначены для макси-

316

мального рабочего давления 4МПа, корпус с вертикальным разъемом – для давления 38МПа. На этой базе в СКБК разработан однокорпусный азотныйагрегатЗЦКК-160/6мощностью1250кВт,однокорпусныйвоз- душный агрегат ЗВЦ 1-95/6-28 мощностью 3150кВт, двухкорпусный фреоновый агрегат 33 ЦКК-105/1,8-8 мощностью 500кВт. Корпусы этой базы используют в двух- и трехкорпусных кислородных агрегатах

43ЦКК-250/15,543ЦКК400/40,543ЦК2440/35,углеводородныхагре- гатах 43 ЦКО-160/15.

На рис. 2.222 показан продольный разрез одного корпуса компрессорасгоризонтальнымразъемом,вкоторомрасположенычетыреступени сжатия. Для машины с рабочим давлением 1МПа корпус изготовляют из чугуна, для давления 4МПа — из стали. Рабочий газ проходит последовательно через всасывающую камеру, рабочее колесо, диффузор и через направляющий аппарат поступает во 2-ю ступень компрессора. Привод компрессора осуществляется электродвигателем с частотой вращения 18000 мин–1.

Основными элементами конструкции являются корпус с подводящими коммуникациями, ротор и узлы подшипников скольжения с жидкостной смазкой маслом. Внутри корпуса расположены диафрагмы, несущие лопатки диффузоров и направляющие аппараты промежуточных ступеней. Диффузоры с фрезерованными лопатками выполнены из стали марки 12Х18Н9Т или стали 20. Литые направляющие аппараты изготовлены из медистого чугуна с последующим старением. Проставки и диафрагмы выполнены из стали 20.

Рис. 2.222. Унифицированный 4-ступенчатый корпус центробежного компрессора СКБК

317

Между ступенями расположены лабиринтные уплотнения с латунной (Л63) или алюминиевой (Д1) втулкой и одиннадцатью гребнями.

Роторсостоитизвала(сталь40Х),накоторомспомощьюустановочных винтов закреплены четыре рабочих колеса. Колеса всех ступеней изготовлены из легированной стали с фрезерованными на основном диске лопатками. Покрывной диск припаивают к основному припоем ПЖК-1000. Возможно изготовление колес со штампованными лопатками, припаянными к основному и покрывному дискам. Число рабочих лопаток варьируется в зависимости от типа агрегата. После пайки все колеса подвергают дефектоскопии и статической балансировке, а ротор после сборки вала с рабочими колесами – динамической балансировке.

Ротор опирается на два гидродинамических подшипника скольжения с самоустанавливающимися подушками. Смазка — жидкостная маслом. Корпус и вкладыши подшипника выполнены из стали 20. Рабочие поверхности покрыты баббитом Б83. Для предотвращения утечек рабочего газа и его загрязнения маслом между подшипниками ипроточнойчастьюмашиныустановленымасляныеловушкииобоймы уплотнения.

Представляет интерес конструкция четырехступенчатого компрессора фирмы «Демаг», имеющая два ротора, вращающиеся с разной частотой, и внешние перепуски газа из ступени в ступень (рис. 2.223).

Рис. 2.223. Схема двухроторного четырехступенчатого нагнетателя фиры «Демаг» (Германия)

318

2.8.Конструкционные материалы, применяемые для изготовления оборудования нефтегазопереработки

2.8.1.Требования, предъявляемые к конструкционным материалам

для технологической аппаратуры и их выбор

Специфические условия работы технологической аппаратуры, характеризуемые диапазоном давлений от глубокого разрежения (вакуума) до избыточных давлений порядка 250МПа и выше, большим интервалом рабочих температур (от –254 до +1000°С и выше) при агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов проектируемой аппаратуры.

Нарядусобычнымитребованиямивысокойкоррозионнойстойкости

вопределенных агрессивных средах к конструкционным материалам, применяемым в технологическом аппаратостроении, одновременно предъявляются также требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных пластических свойств при высоких и низких температурах, устойчивости при знакопеременных или повторных однозначных нагрузках (циклической прочности), малой склонности к старению и др.

Врасчетах на прочность технологической аппаратуры конструктору часто приходится учитывать общую равномерную по поверхности коррозию металлов и сплавов, для чего необходимо знать проницаемость материала в мм/год при заданных рабочих условиях агрессивной среды (концентрация, температура, давление). Она учитывается при выборе величины прибавки на коррозию к рассчитанной толщине стенки аппарата. В ряде случаев при конструировании технологической аппаратуры необходимо учитывать также и другие виды коррозионного разрушения материалов. Например, в химических аппаратах, выполненных из кислотостойкой стали и находящихся под постоянным повышенным давлением, при совместном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений в ряде случаев наблюдается коррозионное растрескивание металла, происходящее обычно внезапно без видимых изменений материала. Это явление не имеет места при наличии

вметалле напряжений сжатия. Кроме того, коррозионное растрескивание происходит в небольшом количестве агрессивных сред и зависит от величины давления и температуры. Известно, что ускоренное растрескивание аппаратуры из кислостойких сталей, находящейся под постоянно действующей нагрузкой, имеет место в растворах NaCl, MgCl2,

319

ZnCI2,LiCL,H2S,морскойводеит.д.Латуниобнаруживаютсклонность к коррозионному растрескиванию в среде аммиака.

Для технологической аппаратуры химических и нефтехимических производств преимущественно применяются конструкционные материалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах. Материалы пониженной стойкости применяются в исключительных случаях, когда доказана целесообразность использования их вместо стойких, но более дорогих и дефицитных материалов.

При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких.

Пристатическомприложениинагрузкиважнымихарактеристиками для оценки прочности материала являются предел текучести σТ (или условный предел текучести σ0,2 или σ1,0) и предел прочности σВ. Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости Е и коэффициентом Пуассона µ.

Указанные характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низких (от –40 до –254°С), средних (от +200 до –40°С) и высоких (выше +200°С) температурах.

Для работы при низких температурах по нормам Госгортехнадзора следуетвыбиратьметаллы,укоторыхпорогхладоломкостилежитниже заданнойрабочейтемпературы.Однаковхимическойпромышленности на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих температурах до –40°С большое количество аппаратов, трубопроводов, арматуры, насосов и другого оборудования, изготовленных из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна, т.е. из материалов, имеющих ударную вязкость KCU при указанной температуре менее 2 Дж/см2.

Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует исходить не только из величины ударной вязкости, но также учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статическая, динамическая, пульсирующая),наличие и характерконцентраторовнапряжений и чувствительность металла к надрезам, начальные напряжения в конструкции, способ охлаждения металла (за счет содержащегося в аппарате хладоносителя или за счет окружающей среды).

При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается изготовление аппаратов из металлов, приобретающих хрупкость при

320