использованием погружного центробежного электронасоса

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-77-

25.Конструкция узла гидроразгрузки.

26.Определение мощности центробежных насосов.

27.КПД центробежных насосов.

28.Обвязка центробежных насосов, назначение узлов.

29.Регулирование параметров центробежных насосов.

30.Подготовка к запуску и пуск центробежных насосов.

31.Контроль за насосом во время работы.

32.Явление кавитации и борьба с ней.

33.Что такое геометрическая высота всасывания?

34.Влияние вязкости жидкости на работу центробежного насоса.

35.Причины снижения подачи в центробежных насосах.

36.Смазка насосов, быстроизнашивающиеся детали.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-78-

Тема3 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.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-79- 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).

Кобъемным 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.

Кроторным компрессорам относятся пластинчатые, жидкостно-кольцевые, коловратные, винтовые и некоторые другие типы компрессоров. В них, так же как

ив роторных насосах, осуществляется вращательное или вращательное и возвратно-поступательное движение рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. Их конструкция и принцип действия аналогичны.

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

Врезультате сжатия газа давление на выходе компрессора р2 становится больше давления на входе в него р1 .Отношение этих величин представляет собой степень

повышения давления компрессором

Когда требуется обеспечить ξ = 1...1,15, применяются вентиляторы (вентиляторы

практически не сжимают газ и поэтому их принцип действия мало отличается от принципа действия насоса). Для получения ξ> 1,15 применяют компрессоры. Для

ξ< 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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

-80-

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 плоскостью АA, соответствующей крайнему положению поршня);

2 - всасывание (расширение и всасывание происходят при движении поршня от плоскости АA до плоскости ВВ на длине хода поршня s; при этом всасывающий 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 3, и газ начнет поступать в цилиндр компрессора);

3 - сжатие (происходит при движении поршня от плоскости ВВ до плоскости СС); 4 - нагнетание (происходит при движении поршня от плоскости СС до плоскости АA; 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.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-81- Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются

частными случаями политропического процесса.

Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:

(3.1)

где - давление;

V - объем газа;

т - показатель 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:

(3.2)

где R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура газа в цилиндре в °К. Для политропического процесса температура после сжатия равна:

(3.3)

где Т2 - конечная температура газа после сжатия; Т1 - начальная температура газа в °К.

Вопрос 3.2. Индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса компрессора

При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах). 2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях

постоянны.

3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются.

4. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует. 5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

-82-

Индикаторная диаграмма идеального цикла представлена на рис. 3.2. Процесс сжатия газа поршнем характеризуют кривые 1-2. При изотермическом процессе это будет кривая 1-2'", при адиабатическом 1—2", а при политропическом 1-2 или 1-2". Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла, объем газа уменьшится с V1 до V2 давление изменится от р1 до р2, а температура -от Т1 до Т2. Далее идет нагнетание газа в трубопровод 2-3. Давление и температура газа остаются в этот период неизменными (p2 и T2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (p1) закрывается нагнетательный клапан и с началом движения поршня вправо

открывается всасывающий клапан. Период всасывания характеризуется линией 4-1. Здесь давление и температура газа равны р1 и T1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1.

Работа сжатия газа от давления всасывания р1 до давления нагнетания р2 в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы.

При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах.

Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

газа от давления p1 до давления р2 затрачивается меньше энергии (см. рис. 3.2, площадь 1- 2"'-3-4 наименьшая).

Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе.

-83-

Вопрос 3.3. Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре

Работа идеального цикла компрессора (Lполн) равна сумме работы сжатия газа (L1) и работы вытеснения газа в нагнетательный трубопровод (L2) за вычетом работы, обусловленной энергией газа, имевшейся у него уже во всасывающем трубопроводе

(L3).

Работа сжатия газа от давления р1 до давления р2 характеризуется площадью индикаторной диафаммы, офаниченной линиями 1-2-6-7 (см. рис. 3.2). При политропическом процессе (см. термодинамику):

(3.5)

При адиабатическом процессе:

(3.6)

При изотермическом процессе:

(3.7)

Работа нагнетания (площадь 2-3-5-6):

(3.8)

Работа, совершаемая газом благодаря имеющейся у него энергии (площадь 1-4-5-7):

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(3.9)

Тогда полная работа при политропическом процессе сжатия получится, если подставить формулы (3.5; 3.8; 3.9) в формулу (3.4):

Учитывая, что при политропическом процессе = последнее выражение примет вид:

(3.10)

Аналогично получаем работу и при адиабатическом процессе:

-84-

(3.11)

А полная работа при изотермическом процессе сжатия получится, если подставить формулы (3.7; 3.8; 3.9) в формулу (3.4):

или, так как в изотермическом процессе, имеем окончательно:

(3.12)

В этих формулах:

р1 - начальное давление в Н/м2,

p2 - конечное давление в конце процесса сжатия, V- удельный объем газа в м3/кг,

L- удельная работа в Н ·м/кг.

Вопрос 3.4. Индикаторная диаграмма реального рабочего процесса компрессора

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Реальный цилиндр компрессора отличается от идеального прежде всего наличием вредного пространства. В этом пространстве остается некоторый объем сжатого газа после окончания процесса вытеснения его в нагнетательный трубопровод. В реальном компрессоре пространство это обусловлено полостью цилиндра, ограниченной с одной стороны его торцом, а с другой - торцом и уплотнениями поршня (см. рис. 3.1, объем от торца цилиндра до сечения АА), полостями клапанной коробки и каналов у всасывающего и нагнетательного клапанов.

Вторым отличием является изменение давления, объема и температуры газа из-за затрат энергии на преодоление сопротивлений потоку газа в клапанах и каналах и непостоянного режима теплообмена газа в результате контакта с окружающими его деталями и смешения газа, поступающего в цилиндр, с газом, заполняющим вредное пространство.

Рассмотрим подробнее реальный рабочий цикл компрессора.

Процесс сжатия газа в цилиндре соответствует линии 1-2 на индикаторной диаграмме (рис. 3.3). В начальный момент сжатия относительно холодный газ получает тепло от нагретого цилиндра, вследствие чего процесс идет с подводом тепла к газу, и политропа отклоняется

-85-

вправо от политропы идеального процесса (пунктирная линия). В конце процесса сжатия газа температура его повышается и становится больше температуры цилиндра и клапанов, и процесс сжатия идет с отводом тепла от газа. Политропа на этом участке отклоняется влево от политропы идеального процесса. Эти явления приводят к тому, что показатель реальной политропы процесса сжатия газа становится переменным, и расчет процесса надо вести по условному эквивалентному показателю политропы.

Понижение давления в цилиндре против давления во всасывающей линии (см. рис. 3.3, точка 1), в начале сжатия обусловлено сопротивлением потоку газа во всасывающем клапане. Повышение давления против давления в нагнетательном

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

трубопроводе (точка 2) в конце сжатия обусловлено усилиями, затрачиваемыми на открытие нагнетательного клапана (сопротивление пружин клапана и инерция масс деталей клапана, приводимых в движение при его открытии).

Процесс нагнетания соответствует линии 2-3. Повышенное, против идеального процесса, давление нагнетания обусловливается сопротивлениями потоку газа в нагнетательном клапане и подводящих каналах. Некоторая волнистость линии нагнетания обусловливается непостоянством сопротивлений потоку газа из-за изменений скоростей поршня и газа, пульсацией давления в газопроводе и вибрацией клапанных пластин.

За процессом нагнетания в реальном цилиндре идет процесс расширения газа, оставшегося в мертвом (вредном) пространстве под давлением р2" (линия 3-4). Объем вредного пространства Vм. Газ расширяется, снижая давление от р2" до р4 и увеличивая свой объем до V4. При этом поршень движется вправо. Процесс расширения заканчивается при открытии всасывающего клапана. Давление в цилиндре при этом будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе, за счет усилий, затрачиваемых на открытие всасывающего клапана.

Процесс расширения газа идет вначале с отбором тепла от сжатого газа, а затем с подводом тепла к газу, и потому показатель политропы будет не постоянен (так же как и при сжатии газа).

За процессом расширения идет всасывание газа (линия 4-1). -86-

Давление в цилиндре при этом будет ниже давления в подводящем трубопроводе за счет сопротивления движению потока газа в клапане и каналах.

Колебание давления всасывания в цилиндре обусловлено теми же явлениями, которые наблюдаются и при нагнетании газа.

Работа, затрачиваемая на сжатие газа, в реальном цикле определяется площадью индикаторной диаграммы 1-2-3-4 (см. рис. 3.3). Сняв с цилиндра работающего компрессора индикаторную диаграмму, замеряют ее площадь (планиметром) и при известном масштабе объема и давления находят индикаторную работу (Lинд).

Работа затрачиваемая на сжатие газа в объем вредного пространства (см. рис. 3.3, площадь 3—3'—4’), возвращается при его расширении и в замеряемую площадь не входит. При расширении газ давит на поршень, за счет чего и возвращает накопленную энергию.

Работа Lинд включает заштрихованные участки 1'-2-3 и 1-4'-4. Эти участки увеличивают работу, затрачиваемую в полном реальном цикле, по сравнению с работой в идеальном цикле.

Вопрос 3.5. Подача поршневого компрессора, коэффициент подачи