Вопрос 3.1. Принцип работы и термодинамические условия работы поршневого компрессора

Лекция 7

КОМПРЕССОРЫ

Компрессоры представляют собой машины для сжатия и переме­щения газообразных агентов, например, воздуха, кислорода, водоро­да, природного газа и т. п. (далее по тексту - газа). Они нашли широкое применение в народном хозяйстве, в том числе в нефтяной и га­зовой промышленности.

Области применения компрессоров в этих отраслях следующие: - подъем пластовой жидкости на поверхность при компрессорном способе добычи нефти;

- закачка газа в нефтяные пласты с целью поддержания и восстановления пластового давления;

- закачка газа в подземные хранилища;

- освоение скважин после бурения и ремонта;

- подача воздуха в пневматические системы буровых установок;

- подача окислителя (воздуха) в нефтяные пласты при эксплуатации месторождений с применением внутрипластового движущегося очага горения;

- сбор газа при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений и подача его на головную компрессорную станцию;

- сжатие нефтяного газа в сепарационных установках;

- транспортирование газа по магистральным трубопроводам;

- подача воздуха в пневматические системы различных грузоподъемных, транспортных и других машин, приборов, инструментов и приспособлений, применяемых в нефте – и газодобыче;

- опрессовка трубопроводов, емкостей и т. п. В процессе испыта­ния их на прочность и плотность;

- перемещение газа в установках заводов по переработке нефти и газа;

- удаление газа с целью создания в какой-либо полости вакуума;

- вентиляция с целью охлаждения оборудования и циркуляции воздуха в помещениях;

- теплопередача (в охлаждающих рубашках машин, подогревате­лях, холодильных установках).

Все компрессоры можно условно подразделить на два вида: динамические и объемные.

В динамических компрессорах газ сжимается путем увеличения его скорости и превращения кинетической энергии газа в энергию давления. В объемных компрессорах - в результате уменьшения объе­ма рабочего пространства.

К динамическим компрессорам относятся центробежные, осевые компрессоры и центробежные вентиляторы.

Центробежные компрессоры и вентиляторы по принципу дей­ствия и конструкции подобны центробежным насосам; осевой комп­рессор - осевому насосу. Конструктивные особенности динамичес­ких компрессоров в отличие от насосов связаны со сжимаемостью пе­ремещаемой газовой среды (это свойство газа определяет конструк­тивные особенности и объемных компрессоров) и большими часто­тами вращения валов компрессоров (более 200 С^-1).

К объемным компрессорам, по аналогии с объемными насосами, относятся поршневые и роторные. Классификационным признаком поршневого компрессора является наличие в качестве рабочего орга­на поршня или плунжера. Принцип его действия подобен принципу действия поршневого насоса.

К роторным компрессорам относятся пластинчатые, жидкостно-­кольцевые, коловратные, винтовые и некоторые другие типы комп­рессоров. В них, так же как и в роторных насосах, осуществляется вращательное или вращательное и возвратно-поступательное движе­ние рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. Их конструкция и принцип действия аналогичны.

К компрессорам (компрессорным машинам) относятся собствен­но компрессоры, вентиляторы и вакуумные компрессоры.

В результате сжатия газа давление на выходе компрессора Р₂ ста­новится больше давления на входе в него p₁ Отношение этих вели­чии представляет собой степень повышения давления компрессором

ε = p₂/p_1.

Когда требуется обеспечить ε = 1 .. .1,15, применяются вентилято­ры (вентиляторы практически не сжимают газ и поэтому их принцип действия мало отличается от принципа действия насоса). Для полу­чения ε > 1,15 применяют компрессоры. Для ε~ < 2,5 ... 3 - неохлажда­емые компрессоры, так называемые нагнетатели, воздуходувки, про­дувочные насосы.

Вакуумные компрессоры применяются для удаления газа из ог­раниченного пространства (сосуда, резервуара). Давление на выходе . вакуумного компрессора обычно равно атмосферному, но в результа­те создания разряжения в сосуде или в резервуаре, степень повыше­ния давления вакуумным компрессором может достигать больших значений, по сравнению с другими компрессорными машинами.

Вопрос 3.6 Многоступенчатое сжатие

Газомотокомпрессор

Стационарные газомотокомпрессоры 8ГК и 10ГК имеют V - об­разный газовый двигатель внутреннего сгорания, шатуны которого соединены с коленчатым валом компрессора (см. рис.). Топли­вом для двигателя служит перекачиваемый газ. Мощность компрес­соров 8ГКМ достигает 220 кВт, а 10ГКМ - до 1100 кBт. Давление на выкиде ссостовляет - 5 МПа и 12,5 МПа, соответственно, а подачи у основных типоразмеров этих компрессоров от 0,28 до 8,33 и от 0,58 до 10 М^З/С.

Эти газомотокомпрессоры имеют шифры типа 8ГКМ 1/38 - 55.

Цифры в этом шифре обозначают: первая - число цилиндров двига­теля, вторая - число ступеней сжатия, третья и четвертая - давление газа на приеме и нагнетании компрессора.

Каждый из этих компрессоров имеет около 20 типоразмеров на различные подачи и давления. База компрессора 8ГКМ (как и 10ГКМ) одна под все типоразмеры.

Основными деталями газомотокомпрессора (см. рис.) явля­ются: рама-картер 1, на которой базируются узлы компрессора; фо­нарная часть 13 для подсоединения цилиндра компрессора к стани­не; цилиндр компрессора 11 с находящимся в нем поршнем 12, .што­ком, сальником и клапанами.

В торце цилиндра компрессора располагаются детали системы регулирования 10. Шток поршня соединен с крейцкопфом, шатуном компрессора 5 и коленчатым валом, через который осуществляется связь с приводящим двигателем.

В газомотокомпрессоре на шейке коленчатого вала 4 размещает­ся шатун компрессора, соединенный пальцами 3 с шатунами 2 двига­теля. Через патрубок 6 и всасывающий клапан продувочного цилинд­ра 7 воздух попадает в продувочный насос, который имеет поршень 9, соединенный с крейцкопфом. Продувочный насос по каналам 16по­дает воздух в цилиндры двигателя 17 для вытеснения продуктов сгорания через выхлопной патрубок 22 и наполнения цилиндров возду­хом перед подачей в них топлива через инжекторный клапан 19. Смесь топлива с воздухом в конце сжатия воспламеняется с помощью тока высокого напряжения, подаваемого на свечу зажигания 20.

Газомотокомпрессоры запускаются энергией сжатого воздуха и имеют несколько периодов, когда надо включать и отключать неко­торые устройства. Для ручного управления пуск и остановка газомо­токомпрессора сложны. Поэтому часть периода пуска автоматизиро­вана. Перед пуском компрессора необходимо вручную подать масло насосом к движущимся и трущимся узлам. После этого нажи­мается кнопка «Пуск», и автоматический пуск производится в следу­ющем порядке:

1. Из пусковых баллонов в пусковое устройство (им оснащается часть цилиндров двигателя компрессора) подается воздух, раскручи­вающий двигатель

2. По мере повышения давления масла включается зажигание (дав­ление масла 0,02 МПа), подается топливный газ (0,04 МПа), включа­ется защита (0,15 МПа).

3. При достижении давления топливного газа 0,05 ... 0,07 МПа, пре­кращается подача сжатого воздуха.

4. При нагреве масла до 25 ^оС давление топливного газа поднима­ется до 0,3 МПа и подается воздух на систему регулировки частоты вращения вала.

5. При нагреве масла до 40 ... 45 ^оС и нагреве конденсата на выходе из двигателя до 57 ... 60 ^оС (машина прогрелась) устанавливают рабо­чий режим компрессора; закрывается перепуск и повышается давле­ние сжатия газа. Эта операция выполняется кранами с пневматичес­ким приводом.

Рис. Газомоторный компрессор 10 ГК:

1 - станина; 2 - шатун; 3 - палец; 4 - шейка коленчатого вала; 5 - главный шатун;

6 - воздушный патрубок; 7 - всасывающий клапан продувочного насоса;

8 - поршневые кольца продувочного насоса; 9 - поршень продувочного насоса; 10 - регулятор мертвого, пространства компрессора;

11 - цилиндр компрессора; 12 - поршень; 13 - фонарная часть; 14 -продувочный насос; 15 - крышка средника; 16 -- полости для продувания воздухом; 17 – силовой цилиндр; 18 - поршень силового цилиндра; 19 – инжекторный клапан; 20 - свеча зажигания; 21 - масляная полость поршня силового цилиндра; 22 - выпускной патрубок

Основные требования по техническому обслуживанию следую­щие:

1.Содержать компрессор в чистоте.

2.Ежедневно проверять уровень масла щупом и при необходи­мости доливать. Масло заменять через 300 ч работы, а у нового и отремонтированного компрессора - через 60 ч работы дважды. Применяемое компрессорное масло должно иметь сертификаты. Масло надо сливать сразу после остановки компрессора, пока оно не остыло.

3.Продувать водомаслоотделитель через 3 .. .4 ч работы.

4.Ежедневно проверять натяжение ремня вентилятора. Нормаль­ный прогиб ремня между шкивами должен быть равен 10 ... 15 мм при нажатии на него с усилием 30 .. .40 Н.

5. Следить за промежуточным и конечным давлением воздуха.

В случае повышения промежуточного давления более чем на 0,23 МПа или понижения до 0,2 МПа необходимо остановить компрессор и сде­лать ревизию клапанов, сменить поломанные пластины. В случае по­вышения конечного давления в воздухосборнике более чем на 0,85 МПа следует остановить компрессор, сбросить давление в воз­духосборнике, сделать ревизию предохранительного клапана и отре­гулировать на давление сброса 0,82-0,85 МПа.

6.Периодически проверять затяжку всех болтовых соединений.

Ремонт газомотокомпрессора рассмотрим исходя из следующих неполадок.

-ненормальное повышение давления в какой-либо ступени вызывается неисправностью клапанов на следующей ступени.

- ненормальное повышение температуры сжимаемого газа может быть следствием неправильного распределения давления по ступе­ням или неисправностью системы охлаждения.

- неисправность системы охлаждения заключается в образовании накипи в водяных рубашках компрессора и в трубах холодильника.

- внезапное падение давления масла в циркуляционной системе смазки может бытъ вызвано: поломкой шестеренного насоса с внут­ренним зацеплением; разрывом маслопровода; поломкой пружины предохранительного клапана.

- постепенное падение давления в циркуляционной системе может быть обусловлено: засорением масляного фильтра или приемной сет­ки насоса; неплотностью предохранительного клапана; большой вы­работкой вкладышей подшипников скольжения; разжижением смаз­ки вследствие перегрева.

- повышение температуры масла вызывается загрязнением масляного холодильника или повышением температуры движущихся ча­стей компрессора вследствие их износа.

- резкий стук в цилиндре компрессора может быть следствием ряда неполадок: попадания куска пружины, обломка клапана между пор­шнем и крышкой; непосредственных ударов поршня о крышку; ос­лабления соединения поршня со штоком; ослабления поршневых колец в канавках поршня; ослабления соединения штока с крейцкоп­фом; попадания в цилиндр жидкости или чрезмерной смазки его; большого износа продувочного цилиндра или крейцкопфа и увели­ченного зазора между ними; износа пальца крейцкопфа или разра­ботки бронзовых втулок его; слабой посадки клапанов в гнездах цилиндра.

- снижение подачи компрессора является следствием негерметичности клапанов, износа поршневых колец, цилиндров или сальников.

- газомотокомпрессор не запускается или запускается с трудом.

В этом случае необходимо проверить давление пускового воздуха; продуть линию пускового воздуха от конденсата, загрязняющего све­чи; продуть газовую линию от воздуха; проверить, правильно ли ус­тановлено начало открытия клапанов воздухораспределителя; про­верить, не заедают ли пусковые клапана воздухораспределителя и не пропускает ли пусковой трубопровод; отрегулировать систему зажигания. Свечи зажигания должны быть сухими и иметь правильный зазор. Контакты магнето не должны быть обгоревшими, щетки изно­шенными.

- цилиндры двигателя перегреваются, если пропускают поршне­вые кольца продувочного насоса; установлено позднее зажигание; засорен воздушный фильтр или загрязнены выхлопной коллектор и глушитель; недостаточно давление охлаждающей воды или на стен­ках рубашек охлаждения имеется накипь. Перегрев цилиндров обна­руживают по температуре выхлопных газов.

- повышенная дымность двигателя наблюдается в следующих слу­чаях: велика подача масла лубрикатором в цилиндры двигателя и к газорегулирующему клапану; неисправен маслосбрасывающий кла­пан продувочного насоса; в ресивере и выхлопном тракте скопил ось значительное количество несгоревшего масла.

- двигатель не принимает нагрузку, т. е. под нагрузкой уменьша­ются обороты вала и ручной регулировкой натяжения пружины цен­тробежного регулятора не удается довести частоту вращения до нор­мальной. В этом случае необходимо проверить давление топливного газа, систему зажигания, работу топливных клапанов, клапаны про­дувочных цилиндров, воздушные фильтры, состояние поршней и цилиндров двигателя.

Компрессорные станции.

Описание компрессора показывает, что процесс сжатия и нагне­тания газа сложен и требует, кроме основной машины-компрессора, ряд сложных вспомогательных узлов. Сам компрессор требует нали­чия системы охлаждения и смазки. Кроме того, сжатый газ до транс­портировки должен быть отделен от влаги и масла, которые достав­ляют много неудобств и создают аварийные положения при эксплуа­тации газовых трубопроводов. Все это приводит к сложному хозяй­ству компрессорной промысловой станции.

По газопроводам 1 и 2 к станции поступает газ после предвари­тельной обработки на установках подготовки нефти. Газ проходит сепараторы 3 для отделения жидкости и механических примесей и подается к компрессорам по линии 5. Через регулятор давления «пос­ле себя» 4 газ подается к двигателям компрессоров 10ГК. Остальная, основная часть газа по трубопроводу идет в цилиндры компрессоров 7. После сжатия в ступени 1 газ направляется по линии 9 в маслоотде­лители 11, холодильники первой ступени 12 и сепараторы среднего давления 14, где отделяется влага. Ко второй ступени газ подается по линии 8.

Такая же обработка газа проводится и после второй ступени в ап­паратах 11, 13 и 15. К этим аппаратам газ подается по линии 10. Влага от всех сепараторов поступает в емкости для конденсата 16,17 и 18 и отбирается насосами насосной 19. Газ после сжатия и обработки на­правляется по линии 20 к потребителю (на газобензиновый завод, на скважины для газлифта и т. п.). Для охлаждения воды холодного и горячего цикла применяют градирни 21, где имеются емкость и на­сосная, расширительный бак с насосом горячего цикла. Для компрес­сорной, на которой установлено обычно 7 ... 10 компрессоров, необхо­димо масляное хозяйство, так как расход масел различных марок ве­лик (емкости и насосы маслохозяйства 22). Кроме того, запуск комп­рессора производится сжатым воздухом, запас которого в специаль­ной емкости пополняется небольшими вспомогательными компрес­сорами 23.

Все эти машины и аппараты связаны трубопроводами, оснащен­ными ручными и моторными задвижками. Большое хозяйство комп­рессорной станции требует наличия механической мастерской, хра­нилищ горючих и смазочных материалов, запасных частей. В поме­щении компрессорной имеется крановое хозяйство, позволяющее монтировать и демонтировать громоздкие и тяжелые детали комп­рессоров.

Имеющийся в газе конденсат может образовать жидкостные проб­ки в трубопроводах, особенно если трасса трубопровода имеет чере­дующиеся подъемы и спуски. В зимнее время возможно замерзание этих жидкостных пробок. Наличие масла в газе может привести к образованию взрывоопасных смесей. Поэтому в системе трубопро­водов имеются масло- и влагоотделители.

Компрессоры, сепараторы и емкости, находящиеся под давлени­ем, оснащены предохранительными клапанами, грузовыми или пру­жинными.

Рис. Схема оборудования компрессорной станции

Лекция 7

КОМПРЕССОРЫ

Компрессоры представляют собой машины для сжатия и переме­щения газообразных агентов, например, воздуха, кислорода, водоро­да, природного газа и т. п. (далее по тексту - газа). Они нашли широкое применение в народном хозяйстве, в том числе в нефтяной и га­зовой промышленности.

Области применения компрессоров в этих отраслях следующие: - подъем пластовой жидкости на поверхность при компрессорном способе добычи нефти;

- закачка газа в нефтяные пласты с целью поддержания и восстановления пластового давления;

- закачка газа в подземные хранилища;

- освоение скважин после бурения и ремонта;

- подача воздуха в пневматические системы буровых установок;

- подача окислителя (воздуха) в нефтяные пласты при эксплуатации месторождений с применением внутрипластового движущегося очага горения;

- сбор газа при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений и подача его на головную компрессорную станцию;

- сжатие нефтяного газа в сепарационных установках;

- транспортирование газа по магистральным трубопроводам;

- подача воздуха в пневматические системы различных грузоподъемных, транспортных и других машин, приборов, инструментов и приспособлений, применяемых в нефте – и газодобыче;

- опрессовка трубопроводов, емкостей и т. п. В процессе испыта­ния их на прочность и плотность;

- перемещение газа в установках заводов по переработке нефти и газа;

- удаление газа с целью создания в какой-либо полости вакуума;

- вентиляция с целью охлаждения оборудования и циркуляции воздуха в помещениях;

- теплопередача (в охлаждающих рубашках машин, подогревате­лях, холодильных установках).

Все компрессоры можно условно подразделить на два вида: динамические и объемные.

В динамических компрессорах газ сжимается путем увеличения его скорости и превращения кинетической энергии газа в энергию давления. В объемных компрессорах - в результате уменьшения объе­ма рабочего пространства.

К динамическим компрессорам относятся центробежные, осевые компрессоры и центробежные вентиляторы.

Центробежные компрессоры и вентиляторы по принципу дей­ствия и конструкции подобны центробежным насосам; осевой комп­рессор - осевому насосу. Конструктивные особенности динамичес­ких компрессоров в отличие от насосов связаны со сжимаемостью пе­ремещаемой газовой среды (это свойство газа определяет конструк­тивные особенности и объемных компрессоров) и большими часто­тами вращения валов компрессоров (более 200 С^-1).

К объемным компрессорам, по аналогии с объемными насосами, относятся поршневые и роторные. Классификационным признаком поршневого компрессора является наличие в качестве рабочего орга­на поршня или плунжера. Принцип его действия подобен принципу действия поршневого насоса.

К роторным компрессорам относятся пластинчатые, жидкостно-­кольцевые, коловратные, винтовые и некоторые другие типы комп­рессоров. В них, так же как и в роторных насосах, осуществляется вращательное или вращательное и возвратно-поступательное движе­ние рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. Их конструкция и принцип действия аналогичны.

К компрессорам (компрессорным машинам) относятся собствен­но компрессоры, вентиляторы и вакуумные компрессоры.

В результате сжатия газа давление на выходе компрессора Р₂ ста­новится больше давления на входе в него p₁ Отношение этих вели­чии представляет собой степень повышения давления компрессором

ε = p₂/p_1.

Когда требуется обеспечить ε = 1 .. .1,15, применяются вентилято­ры (вентиляторы практически не сжимают газ и поэтому их принцип действия мало отличается от принципа действия насоса). Для полу­чения ε > 1,15 применяют компрессоры. Для ε~ < 2,5 ... 3 - неохлажда­емые компрессоры, так называемые нагнетатели, воздуходувки, про­дувочные насосы.

Вакуумные компрессоры применяются для удаления газа из ог­раниченного пространства (сосуда, резервуара). Давление на выходе . вакуумного компрессора обычно равно атмосферному, но в результа­те создания разряжения в сосуде или в резервуаре, степень повыше­ния давления вакуумным компрессором может достигать больших значений, по сравнению с другими компрессорными машинами.

Вопрос 3.1. Принцип работы и термодинамические условия работы поршневого компрессора

Принципиальная схема поршневого компрессора (рис. 3.1) вклю­чает цилиндр 1, поршень 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 кла­паны, шток 5 и кривошипно- шатунный механизм, состоящий из крей­цкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8

Рис 3.1. Схема поршневого компрессора

Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:

1 - расширение газа во вредном пространстве цилиндра компрес­сора (в клапанах и околоклапанном пространстве, в зазоре между крышкой цилиндра и плоскостыо АА, соответствующей крайнему положению поршня);

2 - всасывание (расширение и всасывание происходят при дви­жении поршня от плоскости АА до плоскости ВВна длине хода пор­шня s; при этом всасываюший клапан открывается не сразу, а лишь после того, как газ, находящийся во вредном пространстве цилиндра, расширится, и его давление станет меньше давления во всасывающей линии, в этот момент откроется клапан З, и газ начнет поступать в цилиндр компрессора);

3 - сжатие (происходит при движении поршня от плоскости ВВдо плоскости СС);

4 - нагнетание (происходит при движении поршня от плоскости сс до плоскости АА; нагнетание газа в трубопровод начинается тог­да, когда давление газа в цилиндре превысит давление в нагнетатель­ной линии, в этот момент откроется клапан 4, и газ начнет поступать в трубопровод).

Расширение и сжатие газа в компрессоре связаны с изменением его температуры и являются объектом изучения технической термо­динамики.

Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зави­симости от этого сжатие или расширение могут происходить:

- без теплообмена (адиабатический процесс); т. е. с нагревом газа при его сжатии или охлаждением газа при его расширении;

- с частичным теплообменом (политропический процесс);

- с полным теплообменом (изотермический процесс), т.е. с сохранением одной и той же, постоянной при сжатии и расширении, тем­пературы газа.

Как видно из определений, адиабатический и изотермический про­цессы являются частными случаями политропического процесса.

Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:

pV^m = const,

где р - давление;

V - объем газа;

т - показателъ политропы.

При адиабатических процессах т обозначается через k и называ­ется показателем адиабаты и равен 1,67 для одноатомных газов, 1,4.,.1,41 для двухатомных и 1,2 . .,1,3 для трех- и многоатомных газов.

При изотермическом процессе т = 1.

Из условий работы поршневого компрессора видно, что процес­сы сжатия и расширения газа происходят в основном при политро­пическом процессе.

Изменение температуры газа можно определить, используя урав­нение состояния идеального газа:

р . V = R . Т,

где R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура газа в цилиндре в 'к.

Для политропического процесса температура после сжатия равна:

Т₂ =Т₁ (Р₂/Р₁) ^m-1/m

где Т₂ - конечная температура газа после сжатия;

. Т₁ - начальная температура газа в 'к.