книги из ГПНТБ / Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин
.pdfзначительному 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
[Л. 2, 5, 13, 82, 125, 126], приваркой металлических коЛёЦ к направляющим перегородкам |Л. 13], применением полимерных уплотняющих прокладок [Л. 35], пружиня щих колец [Л. 5].
Маслоохладитель с внутренними кожухами показан на рис. 2-7,а. Трубный пучок снаружи закрыт секциями из листовой стали, зажатыми между большими пере городками. Дляпоступления масла внутрь кожуха к входному патрубку подсоединяется штуцер, который плотно входит в кольцо, приваренное к нижней секции кожуха. Кольцевой зазор между большими перегород ками и наружным корпусом уже не должен бы влиять на работу аппарата и поэтому был принят большим (8—10 мм). В ходе испытаний было установлено ,{Л. 82, 125], что при высоком качестве изготовления и тщатель ной сборке кожухов холостые протечки масла невелики. При неплотном прилегании кожухов к перегородкам протечки значительно возрастают. При ревизиях и чист ках маслоохладителей часто не обращают внимания на указанные факторы и небрежно собирают трубные си стемы и кожухи. Были случаи, когда внутренний масло подводящий штуцер при повторной сборке вообще не устанавливался, что сводило к нулю все преимущества рассматриваемой конструкции охладителя [Л. 82].
Коэффициент теплопередачи в охладителях типов М-37, МП-21, МП-37 не превышает 150—180 Вт/(м2-К),
гидравлическое сопротивление по маслу находится в пре делах 104—4 - 104 Па, а по воде — менее 104 Па. В более совершенных поздних конструкциях маслоохладителей (типа МП-65) за счет введения механической обработки корпуса уменьшены холостые протечки масла, повыше ны скорости воды и масла, достигнут коэффициент теп лопередачи до 400—520 Вт/(м2-К), при этом сопротив
ление |
по |
маслу возросло до |
2 - 105 Па, |
а по воде до |
3-104 |
Па. |
Расчетный анализ |
процесса |
теплообмена |
в гладкотрубных маслоохладителях и данные исследо ваний показывают, что коэффициент теплоотдачи в них с масляной стороны в 10—20 раз меньше, чем с водяной. Поэтому увеличивать поверхность и интенсифицировать теплообмен целесообразно со стороны масла; при этом одновременно будет решаться задача по снижению ме таллоемкости охладителей [Л. 2].
В последние годы находят применение маслоохлади тели с ребристыми трубками, позволяющими в несколь-
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
В кожухотрубных маслоохладителях для компенсации удлинений трубок верхняя трубная доска делается по движной и поэтому нуждается в уплотнении. В совре менных маслоохладителях применяется, как правило, мембранное уплотнение кольцевого типа (рис. 2-7,в). Известны нередкие случаи выхода из строя этой мембра ны [Л. 82]. При наличии перекоса (рис. 2-7,д) верхней трубной доски относительно фланца корпуса на вели чину 4—5 мм мембрана, обычно изготовляемая из ла тунного листа, выходит из строя за 3—4 месяца работы. Недопустимо и эксцентричное расположение трубной системы относительно вертикальной оси корпуса (рис. 2-7,а). При изготовлении маслоохладителей строго следят за тем, чтобы верхняя плоскость верхней трубной доски находилась точно на уровне обработанной плоско сти верхнего фланца корпуса (рис. 2-7,в). Между тем известны случаи, когда на электростанциях используют укороченные трубки для восстановления трубной систе мы охладителя и занижают ее на 10—15 мм. Увеличение или уменьшение осевых размеров трубной системы вы зывает изгиб мембраны уже при сборке. Предваритель но изогнутая мембрана менее надежна в эксплуатации
(рис. 2-7,е).
Для уменьшения деформации мембраны в верхней части корпуса иногда устанавливаются линзовые ком пенсаторы. Проверка работы охладителей при подаче масла с температурой 70 °С и прекращении подвода воды показала [Л. 101], что максимальные раскрытия компенсаторов не превышают 2—2,5 мм, поэтому в по следнее время отказываются от их установки.
При эксплуатации нередко нарушается герметич ность трубной системы. По правилам ПТЭ в охладите лях давление масла поддерживается всегда выше дав ления воды1. Поэтому масло утекает через неплотности, увеличиваются доливки свежего масла, интенсивно за грязняется водяной бассейн. Проблема снижения загряз нения сточных вод на электростанциях настолько серьез на, что в ряде случаев вынуждены выделять маслоохла дители в замкнутый контур охлаждения. Масло в водяную полость охладителя протекает через неплотности в валь цовке трубок, места сквозной эрозии или коррозии
1 При использовании дорогостоящих или токсичных огнестойких синтетических масел давление воды в охладителях следует держать
выше давления масла. |
|
8—501 |
113 |
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
|
|
|
|
10 |
|
20 |
SO |
°С 40 |
Рис. 2-8. Паспорт |
маслоохладителя типа |
МБ-90-135 |
ХТГЗ |
|||||
|
|
[Л. |
1]. |
|
|
|
|
|
Расход охлаждающей воды: |
1 — 27,8 кг/с; |
2 — 69,5 |
кг/с. |
|
||||
ратурой |
входа охлаждающей |
воды |
tlB для |
различных |
||||
значений |
расхода |
масла G, |
воды |
Q |
и температуры |
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
8* |
115 |
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
достигается добавлением |
к ним в |
небольших количествах (от 0,01 |
до ’1%> иногда и более) |
различных |
химических соединений — приса |
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]:
|
Ap = |
-^-pv2 |
|
|
|
(3-1) |
|
(v — скорость потока). Знание плотности |
необходимо и |
||||||
для расчета |
процесса |
выделения |
примесей |
из |
масла |
||
в баке (§ 4-2). |
измеряется |
массой |
тела, |
заключенной |
|||
Плотность |
|||||||
в единице его объема, |
и |
в системе |
единиц |
СИ |
имеет |
единицу измерения кг/м3. По ГОСТ 3900-47 плотность масла определяется ареометром. Для более точных измерений пользуются гидростатическими весами или
119