книги из ГПНТБ / Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин

значительному уменьшению расхода через параллельно подключенный маслоохладитель, в котором произойдет снижение коэффициента теплопередачи [Л. 125].

Снижение холостых перетечек масла достигается различными способами: установкой внутренних кожухов

Рис. 2-7. Кожухотрубные маслоохладители (МО).

а — МО с кольцевыми перегородками; б — МО с сегментными перегородками; в, г, д, е — варианты расположения трубной системы МО (узел М); 1 — кор­ пус; 2 — перегородка; 3 — кожух внутренний; 4 — внутренний маслоподводящий штуцер; 5 — трубная доска; 6 — мембрана.

ПО

ко (6—9) раз повысить коэффициент теплопередачи и резко сократить число трубок, массу цветного металла и размеры трубного пучка. Сокращение числа мест крепления трубок упрощает изготовление аппарата и повышает надежность его работы [Л. 1, 80, 100, 146, 147]. Так, для охлаждения масла в системе смазки турбины К-300-240 ЛМЗ установлены маслоохладители типа М-240 [Л. 100], рабочая поверхность которых набрана из латунных трубок с наружным проволочным оребрением. Вода движется внутри трубок, масло — в продоль­ ных каналах, образованных специальными вставками, закрывающими промежутки между соседними оребренными трубками. Преимуществом такого охладителя по сравнению с гладкотрубным является и применение корпуса, внутренняя поверхность которого не требует трудоемкой проточки.

Более перспективными являются маслоохладители с трубками, снабженными низким накатным винтовым оребрением по наружной поверхности ]Л. 80, 100]. В за­ рубежной практике применяются маслоохладители из латунных трубок, оребренных волнистой железной лен­ той (завод «Шкода»), медной проволокой (фирма Вроун-Бовери), с низкими спиральными ребрами. При одинаковой тепловой мощности такие маслоохладители по сравнению с гладкотрубными имеют примерно в 5 раз меньшие габариты и в 2,7 раза меньшие расходы цветного металла [Л. 1, 2].

Интенсификация процесса теплообмена в маслоохла­ дителях может быть также достигнута путем увеличения числа трубок при уменьшении их диаметра [Л. 106].

В зарубежной практике для получения высоких зна­ чений удельной поверхности теплообмена появилась тен­ денция к созданию компактных пластинчато-оребренных маслоохладителей, набираемых на прокладках из штам­ пованных пластин различной формы и стягиваемых дву­ мя нажимными плитами ![Л. 168]. Обычно пластины изготавливаются из нержавеющей стали. Достоинством такой конструкции является возможность быстрой раз­ борки маслоохладителя и легкость очистки поверхностей теплообмена, недостатками — сложность достижения надлежащей плотности при сборке и возможность при­ менения невысоких давлений воды и масла.

Температура масла, поступающего, в охладитель, может быть довольно высока (75 °С) и непостоянна.

112

трубок, разорванные или поломанные трубки. Методами борьбы с коррозией являются выбор устойчивого мате­ риала и правильная термическая обработка трубок. Например, вместо недостаточно коррозионно-стойких трубок из латуни Л-68 рекомендуется применять трубки из латуни ЛО-70-1 {Л. 101]. Есть сведения о применении в опытных маслоохладителях латунных и стальных тру­ бок с антикоррозионным покрытием и даже алюминие­ вых [Л. 168].

При проектировании маслоохладителей конструктор обычно располагает данными по теплоотдаче и сопро­ тивлениям какой-либо поверхности теплообмена в широ­ ком диапазоне ее геометрических размеров. В [Л. 101, 106, 125— 127, 146—150] приведены критериальные зави­ симости для конкретных типов маслоохладителей и ука­ заны границы их применения. Единые расчетные зависи­ мости, обобщающие опыты по теплопередаче и сопро­ тивлению натурных маслоохладителей с гладкими и оребренными трубками, собранными в пучок с шахмат­ ной разбивкой, приведены в [Л. 81].

Следует заметить, что выбор конструктивных пара­ метров маслоохладителей и потерь давления в них яв­ ляется технико-экономической задачей [Л. 147]. Допу­ стимое гидродинамическое сопротивление по маслу Ар существенно влияет на размеры и массу маслоохлади­ теля. При прочих равных условиях с увеличением Ар существенно уменьшаются необходимая поверхность теплообмена, масса и размеры аппарата, одновременно повышаются затраты электроэнергии на прокачивание масла.

Сопротивление по воде в гладкотрубных маслоохла­ дителях выбирается исходя из условия получения кри­ терия Re = 5 000—10 000. Дальнейшее увеличение скоро­ сти воды нецелесообразно, поскольку теплопередача бу­ дет ограничиваться термическим сопротивлением со сто­ роны масла. Однако не следует допускать и ламинар­ ного режима движения воды в трубках, так как при этом очень возрастает термическое сопротивление по отношению к воде. Например, в маслоохладителе типа МП-37 из-за малой скорости «воды (R e<2 300), движу­ щейся сверху вниз, выделившийся при нагревании воздух образует на стенках трубок пленку, ухудшающую теп­ лообмен. Целесообразно изменить направление тепло­ носителей, что и было сделано в эксплуатации.

114

В трубках оребренных охладителей термические со­ противления с масляной и водяной стороны сопостави­ мы, поэтому в них принимают наибольшую скорость во­ ды (2—3 м/с), которая бы только исключала эрозионно­ коррозионные разрушения материала трубок.

Результатом расчета маслоохладителя на перемен­ ный режим является его характеристика, связывающая температуру масла tzMна выходе из аппарата с темпе-

1

2

1

г

1

г

1

г

входящего масла tiM. Эта характеристика может слу­ жить паспортом маслоохладителя, позволяющим сле­ дить за состоянием аппарата в условиях эксплуатации [Л. 127, 149]. Надежнее, однако, использовать не рас­ четные, а опытные зависимости /гм=/(Лв, fiм> G, Q), полученные при теплотехнических испытаниях серийных маслоохладителей (рис. 2-8).

На паровой турбине устанавливают несколько мас­ лоохладителей (3—6 шт.) с таким расчетом, чтобы иметь возможность отключать их для чистки при пол­ ной нагрузке турбины и температуре охлаждающей воды до 30°С. Включение маслоохладителей по воде и

маслу чаще всего бывает параллельное. В ряде случаев: для интенсификации теплообмена производят последо­ вательное и смешанное (параллельно-последовательное) включение '[Л. 13]. Например, маслоохладители типа МП-37, широко применяемые на турбинах средней мощ­ ности, имели низкие технико-экономические показатели и требовали модернизации. Последовательное включе­ ние их по маслу заметно интенсифицировало тепло­ обмен.

В каждом отдельном случае при переходе схемы включения маслоохладителей с параллельной на парал­ лельно-последовательную необходимо производить рас­ чет. Основным показателем, характеризующим работу всей системы маслоохлаждения, является произведение поверхности теплообмена и усредненного коэффициента теплопередачи [Л. 13]. Если обозначить через /д и F2 суммарные поверхности маслоохладителей до и после изменения схемы, а через ki и k2— усредненные коэф­ фициенты теплопередачи, то при Flki = F2k2 изменение схемы включения маслоохладителей эффекта не дает; при F2k2~>Fiki изменение схемы целесообразно; при F2k2<Fiki работа маслоохладителей ухудшится. Кроме того, при реконструкции схем необходимо контролиро­ вать общее сопротивление маслоохладителей по маслу и воде.

При наличии избыточной производительности масля­ ных насосов для интенсификации отвода тепла в охла­ дителях может быть использована схема с увеличенным сбросом масла через сливные клапаны в бак [Л. 109].

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ТУРБИННОГО МАСЛА

3-1. ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТУРБИННОГО МАСЛА

В предыдущих главах было показано, в каких напряженных усло­ виях работают детали турбоагрегата, так или иначе связанные с мас­ лом. Повышенный нагрев, аэрация, обводнение и загрязнение масла приводят к постепенному изменению его физико-химических харак­ теристик: увеличению вязкости, кислотности, коррозионной агрес­ сивности, вспенивания, осадкообразования (Л. 44, 77, 85, 124, 442,

116

[143]. Эти изменения непосредственно или косвенно содействуют на­ рушению нормального режима системы смазки и вызывают необхо­ димость смены масла. Существуют большие возможности увели­ чения срока службы масла путем улучшения исходного его каче­ ства и создания оптимальных условий для эксплуатации. Персонал турбинных цехов тепловых электростанций интересуется маслом для систем смазки преимущественно с точки зрения его эксплуатацион­ ных показателей. Однако работа масла в системе зависит от всех его показателей, в том числе и от тех, которые связаны с химиче­ ским составом масла. Поэтому знание химической природы масла, представление о влиянии физических и химических свойств масел на его эксплуатационные характеристики очень важны для надеж­ ного и экономичного обслуживания систем смазки паровых турбин.

Рассмотрим химическую природу и основные свойства нефтяно­ го турбинного масла, нашедшего наибольшее применение на стацио­ нарных паротурбинных установках *.

Турбинное масло является продуктом переработки нефти — слож­ ной смеси углеводородов различного строения и происхождения. Химическую основу турбинных масел составляют нафтеновые угле­ водороды. В масле также содержатся предельные углеводороды ряда метана, ароматические и смешанные углеводороды. Кроме того, в масле имеются смолы, асфальтены, карбены, серо- и азотсо­ держащие органические соединения, нафтеновые кислоты, эфиры, спирты. Соединения этого типа, несмотря на сравнительно невы­ сокую их концентрацию, оказывают существенное влияние на экс­ плуатационные свойства турбинных масел. Так, асфальтосмолистые соединения придают маслу характерный цвет; одни из них обладают ингибирующим действием, другие, наоборот, пассивируют противоокислительные присадки; смолы при окислении переходят в состав осадка. Среди сернистых соединений, содержащихся в товарных турбинных маслах, могут находиться коррозионно-активные соеди­ нения. Ряд азотистых соединений является катализатором окисле­ ния, остальные — активными антиокислителями.

После первичной перегонки нефти при атмосферном давлении получают легкокипящие бензиновые, лигроиновые, керосиновые и газойлевые фракции, а также остаток — мазут, продуктом вакуумной перегонки которого являются масляные дистилляты. Турбинные мас­ ла получают путем специальной очистки указанных дистиллятов. Цель очистки — удаление тех компонентов, которые ухудшают ста­ бильность масла, повышают коррозионную агрессивность, снижают текучесть. Способ очистки масляных дистиллятов от нежелательных примесей в значительной мере влияет на качество готового масла, поэтому очень часто в названии масла указывают и его способ очистки.

Турбинные масла по способу очистки классифицируются на мас­ ла кислотной, селективной, гидрогенизационной и земельной очистки.

В зависимости от качества сырой нефти и мазута, а также от назначения получаемых масел используются те или иные способы очистки, причем в большинстве случаев применяют комбинацию раз­ личных способов ее. Известны, например, турбинные масла селектив­ ной очистки с последующей гидроочисткой или кислотно-земельной

ит. д.1

1Основные характеристики отечественных синтетических огне­ стойких турбинных масел приведены в приложении 2.

117

В -настоящее время масла иногда все еще классифицируют по географическому признаку: бакинское, уфимское, ферганское и др. В связи с применением современных методов очистки -подобная классификация в большинстве случаев потеряла смысл.

Кислотная очистка сводится первоначально к обработке масля­ ного дистиллята серной кислотой. Непредельные и некоторые аро­ матические углеводороды, вступая в реакцию с серной кислотой, об­ разуют кислый гудрон, который осаждается на дно реакционного аппарата и удаляется. Асфальтосмолистые вещества частично рас­ творяются в кислоте без изменения, частично осаждаются с кислым гудроном. Азотистые соединения почти полностью переходят в кис­ лый гудрон. Нафтеновые кислоты растворяются и сульфируются.

Увеличивая концентрацию и количество кислоты, можно до­ биться почти полного удаления смолистых веществ и ароматических углеводородов. Однако такое переочищенное масло будет неста­ бильным.

Кислотной очистке масла присущи существенные недостатки: серная кислота взаимодействует с рядом ценных компонентов масла; не полностью удаляются из сырья нежелательные низкоиндексные ароматические углеводороды и некоторые сернистые соединения; получается большое количество кислого гудрона, содержащего около 50% непрореагировавшей серной кислоты, регенерация которой за­ труднительна.

Кислотный способ очистки масел до середины 30-х годов счи­ тался основным. В настоящее же время все большее применение на­ ходит селективная очистка масла, позволяющая более полно и ка­ чественно использовать сырье. Она заключается в избирательном извлечении растворителем из масляных дистиллятов определенных компонентов. Масло смешивается с растворителем, в результате чего получаются две жидкие фазы. Верхняя, более легкая (рафинатная) фаза содержит нафтеновые и парафиновые углеводороды и опре­ деленное количество растворителя, нижняя, более тяжелая фаза (экстрактный раствор) — растворитель и нежелательные компоненты масла. Избирательный растворитель не взаимодействует с масляным сырьем и может полностью регенерироваться. После отгона раство­ рителя из рафинатной фазы получается целевой продукт экстрак­ ции— рафинат (масло). В настоящее время применяют в качестве селективных растворителей фенол и фурфурол, а иногда нитробен­ зол, пропан, ацетон и др.

Способом селективной очистки получают высококачественные турбинные масла, в частности, из сернистых нефтей. Однако при фенольной и фурфурольной очистке, так же как и при кислотной, не удается удалить твердые -парафиновые углеводороды. Для извле­ чения из масла указанных продуктов применяют способ очистки, называемый депарафинизацией. Масло растворяют в лигроине, жид­ ком пропане или другом разбавителе, снижающем вязкость смеси, затем охлаждают, фильтруют или центрифугируют.

При селективной i(фенольной и фурфурольной) очистке масля­ ных дистиллятов одновременно с удалением смолистых веществ и ароматических углеводородов идет частичная экстракция сернистых соединений. Для более глубокой очистки масляного сырья от серы производят обработку масла водородом, -под воздействием которого сера в присутствии катализатора (кобальта или молибдена) пере­ ходит в сероводород, уходящий с газообразными продуктами. Обра­ зовавшиеся при этом в углеводородах свободные валентности насы-

118

Щйкэтся водородом. Йри гидроочистке сернистых масел содержание серы снижается до 0,2%• Во многих случаях масло подвергается вначале селективной очистке, а гидрогенизация используется как дополнительный способ очистки.

Завершающей операцией после кислотной, селективной и гидрогенизационной очистки является очистка масла отбеливающими землями. В некоторых случаях последний вид очистки может при­ меняться самостоятельно, например, для очистки дистиллятных ма­ сел из маслосмолистых нефтей.

Отбеливающие земли — различные виды природных гидросили­ катов алюминия. Их действие основано на адсорбции, т. е. на по­ глощении порами твердого сорбента жидких и полужидких веществ различного химического состава. Контактная очистка заключается в том, что масло смешивается с размолотой отбеливающей землей, подвергается нагреву в течение времени, необходимого для заверше­ ния процесса адсорбции, и фильтруется. В процессе контактной очистки турбинное масло окончательно «шлифуется» и приобретает хорошие качества и цвет.

Кроме контактной очистки масла отбеливающими землями, иногда применяется перколяционная очистка, заключающаяся в том, что нагретое масло пропускается через слой зернистого адсорбента. Многолетний опыт производства и применения нефтяных турбинных масел показал, что использование самых совершенных методов пере­ гонки и очистки не позволяет получать масла, полностью удовлетво­ ряющие требованиям современных паровых турбин.

В таких случаях улучшение эксплуатационных свойств масел

док, являющихся обычно продуктами химического синтеза <(см. при­ ложение 3).

3-2. ПЛОТНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ МАСЛА

а] Плотность масла

Плотность имеет чрезвычайно большое значение при расчете режимов течения масла через различные сопро­ тивления (дроссели, золотники, трубопроводы, подшип­ ники), так как перепад давления Ар на них зависит от плотности р {Л. 3, 50, 94]:

единицу измерения кг/м3. По ГОСТ 3900-47 плотность масла определяется ареометром. Для более точных измерений пользуются гидростатическими весами или

119