Геец Сист. наливных судов
.pdf
Рис. 47. Характеристики Н – Q поршневого насоса при трех значениях числа двойных ходов поршня
У поршневых насосов теоретическая подача Qт определяется объемом полостей и не зависит от напора. В действительности с увеличением напора подача несколько уменьшается из-за увеличения утечек в насосе. На рис. 47 сплошными линиями 1 показаны действительные, а штриховыми 3 – теоретические характеристики Hi=f(Qi) при трех значениях n – числа двойных ходов в минуту.
Такие характеристики называют «жесткими». Они удобны при перекачивании вязких жидкостей.
Для оценки работы поршневых насосов пользуются объемным КПД, т. е. отношением действительной и теоретической подач насоса
Q
о Qт .
.Действительную подачу находят из выражения:
Q o Qт 
о 60kFaSn ,
где F – площадь поршня, м2, S – ход поршня, м,
n – число двойных ходов в минуту, k – число рабочих полостей,
a= 1- fш/2F – поправка на уменьшение рабочей площади поршня за счет площади fш поршневого штока.
9.2. Винтовые насосы
На танкерах перевозящих вязкие нефтепродукты, хорошо зарекомендовали себя винтовые насосы (рис.48, 49). Они способны перекачивать нефтепродукты вязкостью до 800 – 1000 сСт, а также обладают и другими преимуществами перед поршневыми насосами. По всасывающей способности, по экономичности они им не уступают, но превосходят по равномерности
61
подачи, по массо-габаритным характеристикам. Они надежны, обладают малой шумностью. Высокая частота вращения позволяет использовать в качестве привода электродвигатели турбины, гидроприводы и даже дизели. Подача винтовых насосов достигает 1000 м3/ч, общий КПД находится в пре-
делах 0,7 - 0,9.
Рис. 48. Горизонтальный трехвинтовой насос ВС-200: 1 – винт ведущий; 2 – винт ведомый; 3 – патрубок подводящий; 4 – подшипник скольжения; 5 – канал для подвода жидкости; 6 – обечайка; 7 – патрубок отводящий; 8 – корпус насоса; 9 – крышка насоса; 10 – шарикоподшипник; 11 – уплотнение торцевое; 12 – крышка торцевого уплотнения; 13 – предохранительный клапан; 14 – канал для подвода смазочного материала; 15 – неподвижное резиновое уплотнение; 16 – каналы для подвода теплоносителя
Винтовые насосы делятся на герметичные и негерметичные. В первых из них камеры всасывания и нагнетания разделены герметичным циклоидальным или эвольвентным зацеплением роторов. У вторых зацепление не обеспечивает герметичности между камерами. Более широкое применение имеют негерметичные насосы, так как их трапециевидный или прямоугольный профиль позволяет прокачивать нефтепродукты с довольно крупными загрязнениями (до 0,2 мм). Ведущие роторы негерметичных насосов не
62
передают крутящего момента. Для передачи движения ведомым винтам предусматриваются синхронизирующие шестерни. КПД негерметичных насосов ближе к нижнему пределу (0,7). Винтовые насосы используются не только в зачистных, но и грузовых системах, в основном, с раздельной системой выгрузки, в которой установлены насосы погружного исполнения ( рис. 49.). Если танкер перевозит вязкие грузы, то такой насос имеет преимущества перед центробежным. Он не требует больших затрат тепла на
подогрев груза, его подача мало зависит от давления в системе выгрузки.
Насос, изображенный на рис. 49, применяется тогда, когда жидкость обладает хорошими смазочными свойствами. Если жидкость обладает плохими смазочными свойствами или имеет механические загрязнения, используются винтовые насосы с винтами негерме-
тичного, обычно, прямоугольного профиля. Чтобы обеспечить отсутствие контакта между поверхностями винтов, в насосе предусмотрена рабочая пара шестерен для передачи крутящего момента. У винтовых насосов возникают объемные, гидравлические и механические потери. Первые образуются вследствие протечек подаваемой жидкости через каналы и зазоры в насосе из камеры нагнетания в приемную камеру, особенно значительную в негерметичных насосах. Механические трения определяются трением между винтами и обоймой, раз-
грузочными поршнями и втулками, в подшипниках и сальниках, а в негерметичных насосах – также в синхронизирующих шестернях. Гидравлические потери объединяют с механическими, так как их трудно выделить. Величина объемных потерь зависит от конструкции насоса, формы профилей винтовых роторов, перепада давления между напорной трубой и камерами, вязкости перекачиваемой жидкости, величины зазоров. Частота вращения ротора при постоянных вязкости и давлении нагнетания практически не влияет на величину объемных потерь, однако от нее зависят механические потери. С увеличением вязкости объемные потери уменьшаются, а потери от трения увеличиваются. Объемные потери возрастают при повышении давления нагнетания.
63
Характеристики винтовых насосов принято строить в зависимости от давления нагнетания (рис. 50). Рассматривая характеристики, можно сделать выводы:
-с увеличением вязкости жидкости увеличивается подача и мощность, но снижается КПД насоса;
-напорная и мощностная характеристики практически прямолинейны;
-КПД насоса при перекачке вязких жидкостей по мере роста вязкости снижается (за счет механической составляющей), а воды – на малых нагрузках выше, чем у мазута, на больших – снижается в большей степени, чем у мазута. Это происходит за счет увеличения протечек воды в шестернях.
9.3. Струйные насосы
Рис. 51. Разрез гидроэжектора ГЭ-3: 1 – диффузор; 2 - цилиндрическая часть камеры смешения; 3 – конфузор; 4 – сопло; 5 – корпус 6 – приемный патрубок
Струйные насосы используются на танкерах в качестве зачистных и в грузовых и в балластных системах, а также для создания разрежения в вакуумных цистернах. В качестве рабочей среды в этих насосах применяется та же жидкость, для откачивания которой они используются.
На рис. 51 изображен разрез струйного насоса отечественного производства с подачей 475 м3/ч для откачки нефтепродуктов при зачистке танков. Перекачиваемая жидкость поступает в корпус 5 через приемный патрубок 6. Рабочая жидкость подается в сопло 4. Конфузорная часть 3 корпуса насоса вместе с цилиндрической частью 2, в которых рабочая жидкость перемешивается с перекачиваемой, называется камерой смешения. Цилиндрическая часть 2 служит для придания смеси большой скорости, за счет чего образуется вакуум. В некоторых конструкциях конфузорная часть может быть намного короче, чем в показанном эжекторе. В диффузоре 1 скорость жидкости падает, а ее давление растет.
Количество струйных насосов на танкере может быть различным. На некоторых танкерах зачистка полностью выполняется струйными насосами. Рабочая жидкость подается одним из грузовых или специальным насосом.
Применение струйных насосов в балластных системах крупнотоннажных танкеров позволяет ограничиться одним небольшим насосом для пода-
64
чи рабочей жидкости вместо больших центробежных насосов. Однако напор такого насоса должен быть значительно выше, чем напор обычного балластного насоса, и составлять 100 – 150 м вод. ст.
На рис. 52. представлена схема балластной системы танкера, в которой использованы струйные насосы. При откачивании балласта клинкеты А и С открыты, а клинкет В закрыт. Насос Н принимает воду из балластных танков и вместе с рабочей водой выбрасывает ее за борт. Чтобы обеспечить одинаковое время откачивания воды из всех балластных танков, объем и сопротивление труб которых могут быть различными, необходима индивидуальная регулировка подачи струйных насосов.
Рис. 52. Схема балластной системы со струйными насосами: БТ - балластные танки
При загрузке балласта насос Н принимает воду из-за борта и подает ее при закрытых клинкетах А и С и открытом клинкете В через струйные насосы и всасывающие трубопроводы в балластные танки. Вода проходит через эжекторы.
10. Газоотводная система нефтеналивного судна
Газоотводная система (ГС) предназначена для газообмена между грузовым танком и воздушной атмосферой. Этот газообмен аналогичен дыханию, поэтому получил свои образные названия – «большое дыхание» и «малое дыхание». Первое происходит при по-
грузочноразгрузочных операциях, второе при перепадах температур между газовоз-
65
душной средой в танке и окружающим воздухом. Обычно такие перепады происходят при смене дня и ночи. В любом случае давление или вакуум в танке не должны превышать допустимые значения. Для обычного нефтеналивного танка давление в нем не должно быть выше атмосферного на 20 кПа (0,2 кг/см2) и ниже его на 7 кПа (0,07 кг/см2). Для того, чтобы эти условия надежно соблюдались, пропускная способность газоотводной системы по объему должна превышать производительность грузовых насосов, работающих на этот танк не менее, чем на 25 %.
ГС по конструктивному признаку делятся на два типа:
- групповые с объединенными трубопроводами от нескольких грузовых танков;
Рис. 55. Высокоскоростное выпускное устройство: 1- подвижная тарелка; 2 – литой корпус; 3 – неподвижный профилированный конус; 4 – крышка
66
Рис. 54. Газоотводная колонна
-автономные с самостоятельными трубопроводами от каждого грузового танка.
В состав ГС в зависимости от конструктивного исполнения входят следующие элементы:
-высокоскоростные выпускные устройства (ВВУ);
-дыхательные клапаны;
-огнепреградители;
-пламепрерывающие сетки;
-запорная арматура;
-трубы.
Помимо указанных выше ограничений к ГС по давлению, вакууму и пропускной способности к ним предъявляются еще другие требования:
- трубопроводы ГС должны подсоединяться к верхней части грузовых цистерн, к комингсам или к горизонтальным участкам расши-
рительных шахт, к крышкам грузовых люков нефтенавалочных судов;
-ГС грузовых танков, предназначенных для перевозки однородного груза, допускается объединять в группы от нескольких танков или в одну общую систему. В этом случае на каждом отводе к танку необходимо устанавливать огнепреградители;
-ВВУ должны обеспечивать скорость истечения газовоздушной смеси при погрузке танкера не менее 30 м/с с целью их быстрого рассеивания предотвращения образования взрывоопасных концентраций газов на палубе судна.
Рис. 56. Дыхательный клапан и схема его работы
Групповая система (рис. 53) устанавливается на судах для перевозки однородных грузов. Диаметр магистрального трубопровода должен быть не менее 100 мм, трубопровода от расширителя танка до магистральной трубы
– 80 мм. Магистраль ГС прокладывается под переходным мостиком к мачтовому стояку, в котором прокладывается канал для выпуска газов вверх в
атмосферу. Если мачтовый стояк используется для нескольких групп танков, в нем прокладываю продольные каналы для каждой группы. При этом выпускное устройство выполняют в виде жалюзи или вентиляционной головки с вертикальным потоком газовоздушной смеси. Непосредственно перед выпускным устройством размещают пламепрерывающие сетки. Выпускное устройство должно располагаться на высоте не менее 6 м от палубы или 4 м от переходного мостика и отстоять не менее, чем в 10 м от мест забора воздуха и отверстий, ведущих в закрытые помещения, где находятся источники воспламенения, а также от механизмов и оборудования, которые могут создать опасность воспламенения.
Автономные системы устанавливаются на крупных танкерах и на наливных судах, перевозящих разнородные грузы. В состав системы входят
67
огнепреградитель 1, ВВУ 4, дыхательный клапан 6. Газоотводная колонна (рис. 54) соединена патрубком с верней частью расширителя танка (не показан). Измеритель перепада давления газов на огнепреградителе расположен за люком 2. Маховики 3 и 5 предназначены для ручного закрытия и открытия ВВУ и дыхательного клапана. Через лючок 7 досыпают и меняют наполнитель огнепреградителя. Выходной конец колонны, снабженный ВВУ, должен обеспечивать выпуск газовоздушной смеси со скоростью не менее 30 м/с, располагаться не менее, чем в 2 м над палубой и отстоять не менее, чем в 10 м от мест забора воздуха. Скорость газов на выходе из ВВУ может достигать 75 м/с.
На рис. 55. изображено ВВУ «Иотта». В цилиндрическом корпусе клапана расположен неподвижный внутренний конус. Над ним установлен полый усеченный конус, нижний край которого соединен с корпусом гофрированным сильфоном. В положении «закрыто» сильфон удерживает подвижный конус, плотно прижимая его к неподвижному. При заданном давлении в танке (обычно 1,76 кПа – 180 мм в. ст.) конус поднимается. Величина подъема пропорциональна давлению в танке. Минимальная скорость струи газа равняется 45 м/с. Нижний конус изготовлен из резины, а гофрированный сильфон из полотна, армированного нитриловой резиной. Клапан защищен кожухом, имеющим крышку, которая при необходимости может быть закрыта.
Дыхательные клапаны (рис. 56) по принципу действия аналогичны не- возвратно-запорным клапанам. Противодавление в дыхательных клапанах создается подбором необходимого веса тарелок, пружинами или постоянным электромагнитом. Клапан состоит из корпуса, нижней 1 и верхней 3 тарелок, груза 2 и маховика ручного открытия клапана 4. Вес груза 2 рассчитан для создания необходимого противодавления. Удаление газов из танка производится при создании избыточного давления около 13 кПа путем открытия нижней тарелки. Поступление воздуха в танк происходит при разрежении в танке около 7 кПа. Принудительное открытие клапана маховиком 4 производится в период погрузочно-разгрузочных операций.
На рис. 56 показана также схема действия дыхательного клапана: а –
при повышенном давлении в танке, б – при вакууме; в – во время погрузоч- но-разгрузочных операциях.
Рассеивание газа. Вытесняемый во время погрузки или дегазации газ может образовывать на палубе взрывоопасную концентрацию. При этом существует потенциальная угроза взрыва, если на палубе или рядом окажется источник воспламенения. При скорости ветра, превышающей 5 м/с обеспечивается рассеивание газов, достаточное для предотвращения опасного воспламенения. В безветренную погоду возможно значительное скопление газов на палубе, поэтому рекомендуется периодически прерывать погрузку. При погрузке грузов с высоким давлением насыщенного пара погрузка разрешается только при наличии ветра со скоростью не менее 2,6
68
м/с. На некоторых терминалах запрещается выброс паров в атмосферу, поэтому они отводятся по газовой линии в береговые резервуары или в порожний танк танкера.
Контрольные вопросы к лекции 6
1.Конструкция поршневого насоса.
2.Работа парораспределения поршневого насоса.
3.Объемный КПД поршневого насоса.
4.Подача поршневого насоса.
5.Характеристика H – Q поршневого насоса.
6.Типы, КПД, достоинства винтового насоса.
7.Конструкция горизонтального трехвинтового насоса.
8.Конструкция вертикального погружного винтового насоса.
9.Характеристики винтовых насосов, их трактовка.
10.Устройство струйного насоса.
11.Использование струйного насоса на танкерах.
12.Схема использования струйного насоса в балластной системе.
13.Типы газоотводных систем. Требования к ним.
14.Устройство групповой газоотводной системы.
15.Автономная газоотводная система.
16.Дыхательный клапан, его работа при давлении и вакууме.
17.Высокоскоростное выпускное устройство.
18.Рассеивание газа после удаления из танка.
Лекция 7
11.Системы инертных газов
11.1.Назначение и сущность инертизации емкостей
Ранее мы ознакомились с понятиями НПВ, ВПВ, условиями возникновения взрыва и пожара в грузовом танке. Для лучшего понимания этих условий рассмотрим диаграмму, рис. 57.
Назначением системы инертных газов (СИГ) является защита грузовых танков от пожара и взрыва. Как было сказано выше, пожар или взрыв могут произойти при наличии трех условий – содержании углеводорода выше НПВ и ниже ВПВ, источника воспламенения и содержании кислорода выше 11 %. Углеводороды в грузовом танке есть практически всегда, от неожиданного появления источника воспламенения нет гарантии даже при соблюдении противопожарных требований. Если же газовоздушную смесь разбавить нейтральным газом, то можно понизить концентрацию кислорода до значений ниже 11 % по объему, и тогда взрыв и пожар будут исключены. Это видно из диаграммы на рис. 57.
69
Рис. 57. Диаграмма образования взрывоопасных газовоздушных смесей: I - граница взрывоопасной концентрации; II – условная граница критических концентраций; III – граница безопасных концентраций углеводородов и кислорода
Некоторое понижение концентрации кислорода происходит уже при смешивании его с углеводородным газом, что показывает прямая АВ. Минимальная взрывоопасная концентрация углеводорода, соответствующая НПВ, обозначена буквой С, максимальная (ВПВ) – точкой D. По мере снижения концентрации кислорода изменяются и пределы образования взрывоопасной смеси. Линии СЕ и DE окаймляют заштрихованную на диаграмме зону образования взрывоопасной смеси. Левее точки Е, ниже линии СЕ и выше линии DE смесь не взрывопожароопасна. Любая точка в пределах заштрихованной области соответствует взрывоопасной концентрации. Область между линией I и пунктирной линией II является критической. За пределами линии III любая концентрация углеводорода не опасна. Следовательно, задача инертного газа снизить так концентрацию кислорода, чтобы она вышла за пределы не только заштрихованной зоны воспламеняемости, но и удалилась бы от критической концентрации. Для нефтетанкеров международными правилами установлена такая концентрация не выше 8 % в любой точке ее измерения в грузовом танке. Для химовозов и газовозов требования по допустимой концентрации кислорода более жесткие и зависят от конкретного груза. Некоторые грузы не допускают вообще присутствия кислорода, а некоторые – и наличия в газе углекислого газа. В этом случае в качестве инертного газа используется чистый азот.
Кроме надежного обеспечения взрывобезопасности СИГ создает дополнительные преимущества при эксплуатации танкера:
70