Влияние тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей на энергопотребление центробежных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Шамеко, Сергей Леонидович

• Шамеко, Сергей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шамеко, Сергей Леонидович

Введение.

Глава 1.Состояние парка центробежных компрессоров и задачи по сбережению энергоресурсов при их эксплуатации.

1.1 Характеристика отечественного парка центробежного компрессорного оборудования.

1.2 Системы и способы охлаждения ЦКМ.

1.3 Характеристики промежуточных охладителей. Задачи и способы их улучшения.

1.4 Влияние различных факторов на энергопотребление ЦКМ.

1.5 Состояние ЦКМ после длительной эксплуатации.

1.6 Постановка задач дальнейших исследований.

Глава 2. Методика и результаты расчетных исследований.

2.1 Исследуемые параметры и критерии оценки работы ЦКМ.

2.2 Влияние параметров 5р/рн, т и 7tk на оптимальное число охлаждений Z.

2.3 Влияние показателя адиабаты к и политропного КПД т]1ЮЛ на т]из и Э.

2.4 Влияние относительных потерь давления 5р/рн и фактора недоохлаждения т на т]из и Э.

2.5 Результаты расчетных исследований.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований влияния характеристик промежуточных воздухоохладителей на энергопотребление центробежных компрессоров.

3.1 Методика и объекты экспериментальных исследований.

3.2 Компрессор для блоков разделения воздуха К500-61

3.3 Компрессоры для блоков разделения воздуха К250-61-2(5).

3.4 Компрессор технологического воздуха типа 2MCL 1006+2MCL 456 для установки крупнотоннажного производства аммиака ТЕС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей на энергопотребление центробежных компрессоров»

Центробежные компрессорные машины (ЦКМ) нашли широкое применение практически во всех ведущих отраслях промышленности, в том числе в криогенной технике для подачи воздуха в воздухоразделительные установки (ВРУ). На долю центробежных компрессоров (ЦКМ с промежуточным охлаждением газа в процессе сжатия) приходится более 90 % энергии, потребляемой всем парком ЦКМ.

При проектировании центробежных компрессоров расчетный режим выбирается вблизи максимальных значений политропного КПД неохлаждаемых секций. Вместе с тем, тепловые и аэродинамические характеристики промежуточных охладителей определяют режимы работы последующей секции. Следовательно, суммарная характеристика компрессора, оптимальный рабочий режим и энергопотребление зависят от сочетания газодинамических характеристик секций компрессора и характеристик теплообменных аппаратов промежуточного охлаждения. Это важно учитывать при новом проектировании, модернизации и эксплуатации компрессоров.

Под энергопотреблением понимается мощность на муфте привода, потребляемая компрессором при заданных параметрах назначения (производительности и конечном давлении). От потребляемой компрессором мощности зависит расход пара в случае паротурбинного привода, либо затраты электроэнергии при использовании в качестве привода электродвигателя. Ухудшение характеристик промежуточных охладителей в процессе эксплуатации приводит к повышению удельных энергозатрат. Например, обследование ряда компрессоров общего назначения с водяными промежуточными воздухоохладителями показало, что в течение 2^-5 лет эксплуатации снижение производительности достигает 25-К30 %, а удельное энергопотребление при этом возрастает на 1СН-15 % по сравнению с проектными величинами.

Освоение промышленностью новых технологических процессов требует от ЦКМ все более высоких значений конечных давлений и, следовательно, эффективного охлаждения газа в процессе сжатия. Однако, многообразие существующих схем ЦКМ, предназначенных для обеспечения близких параметров назначения, свидетельствует об отсутствии единого направления проектирования. В свете изложенного, задачи изучения влияния тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей на энергопотребление центробежных компрессоров являются актуальными.

Целью настоящей работы является оценка влияния тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей на энергопотребление ЦКМ.

В соответствии с этим было предусмотрено решение следующих основных задач:

- расчетно-теоретическое исследование влияния тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей на энергопотребление ЦКМ для различных сжимаемых сред в широкой области отношения давлений 7Гк=9-К36;

- построение основных обобщенных графических зависимостей, позволяющих выбрать оптимальные значения числа охлаждений, потерь давления и коэффициента недоохлаждения при новом проектировании центробежных компрессоров;

- выбор критериев, позволяющих корректно оценить работу охлаждаемых ЦКМ как при новом проектировании, так и находящихся в эксплуатации машин;

- сопоставление всех расчетно-теоретических исследований с экспериментальными данными и обоснование их возможного расхождения;

- разработка рекомендаций по выбору характеристик промежуточных охладителей с целью снижения энергопотребления.

Научная новизна работы обосновывается следующими положениями: - получен ряд обобщенных графических зависимостей для газообразных сред с различными термодинамическими свойствами, позволяющих выбрать оптимальные значения числа охлаждений, относительных потерь давления и фактора недоохлаждения при проектировании и модернизации центробежных компрессоров;

- усовершенствована методика теоретической оценки эффективности работы компрессоров;

- определены границы параметров, при которых решающую роль играет с одной стороны аэродинамическая, с другой - тепловая характеристика охладителей в широком диапазоне отношения давлений 7гк=9-К36 для многоатомных и одноатомных газов;

- расчетным и экспериментальным путем определена доля, вносимая характеристиками промежуточных охладителей в энергопотребление центробежных компрессоров, позволяющая обоснованно внедрять мероприятия по их усовершенствованию;

- с помощью коэффициента эффективности Кэф выполнен экспресс -анализ энергетической эффективности работы ЦКМ.

Рекомендации настоящей работы по изменению тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей внедрены на предприятиях ЗАО «Еврохим» при модернизации турбокомпрессорных агрегатов производства аммиака: в ОАО «Невинномысский Азот» и ОАО HAK «Азот».

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования», Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.г; на научно-технических конференциях СПбГУНиПТ, 2006, 2007, 2008 г.г.

Основной материал диссертации опубликован в четырех печатных работах.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 91 странице машинописного текста, содержит 79 иллюстраций и 29 таблиц. Список литературы включает 61 наименование. В приложении представлена справка о внедрении результатов диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Шамеко, Сергей Леонидович

Заключение

По результатам настоящей работы можно сделать следующие выводы:

1. Получен ряд обобщенных графических зависимостей, позволяющих выбрать оптимальные значения числа охлаждений Z, относительных потерь давления 5р/р„ и недоохлаждения т в охладителе при проектировании ЦКМ в широком диапазоне начальных условий.

2. Теоретические исследования по влиянию параметров 5р/р„ и т на энергопотребление ЦКМ позволили получить кривую, разделяющую исследуемую область параметров на две зоны, в одной из которых решающее значение играет параметр 6р/рн, а в другой — параметр т; полученная кривая удобна для использования не только при новом проектировании, но и при выполнении работ по модернизации существующего компрессорного оборудования.

3. Расчетные исследования выполнены для трех сред с различными значениями к и R, что позволило существенно расширить область применения полученных зависимостей.

4. Отличие значений изотермных КПД, вычисленных по расчетным зависимостям и по экспериментальным данным, во всех случаях не превышало 2 %; это дает основание использовать все полученные расчетные графики при проектировании центробежных компрессоров.

5. Для достижения значительного эффекта энергосбережения при улучшении промежуточных охладителей необходимо обеспечить их согласование с газодинамическими характеристиками секций компрессора.

6. Опыт совместного изменения тепловых и аэродинамических характеристик промежуточных охладителей и ГДХ неохлаждаемых секций компрессора показал, что доля, вносимая характеристиками промежуточных охладителей в снижение энергопотребления центробежного компрессора, может достигать 1/3 от общей экономии энергии при модернизации.

7. Разработана методика экспресс - анализа энергетической эффективности работы ЦКМ, позволяющая оценить энергопотребление компрессоров, не прибегая к многоитерационным пересчетам посекционных ГДХ с последующим построением суммарных ГДХ компрессора.

160

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шамеко, Сергей Леонидович, 2008 год

1. Архаров A.M. с соавторами. Криогенные системы. Том 2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. М.: Машиностроение, 1999. -С.13-119.

2. Беркович A.JI. Опыт применения впрыска воды в тракт компрессоров для улучшения показателей их работы // Труды 2-го междунар. симпозиума "Потребители производители компрессоров и компрессорного оборудования".-СПб.:СП6ГПУ, 1996. -С. 171-174.

3. Берман Я.А., Маньковский О.Н., Рафалович А.П. Об оптимальном значении коэффициента оребрения пластинчато-ребристой теплопередающей поверхности. Теплоэнергетика. - 1982. №3. -С.38.

4. Берман Я.А., Марр Ю.Н., Рафалович А.П. К расчету теплообменника с минимальной площадью теплопередающей поверхности // Теплоэнергетика. -1982. №10. -С.62-63.

5. Берман Я.А., Марр Ю.Н., Рябов В.А. О связи работы сжатия центробежной компрессорной секции с режимом работы и конфигурацией газоохладителя // Химическое и нефтяное машиностроение. 1974. №3. -С. 7-8.

6. Булыгин В.Г. Испарительное охлаждение в центробежных компрессорных установках. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Каунас, ИФТПЭ, 1982.-23с.

7. Галеркин Ю.Б. Состояние и перспективы развития компрессорной техники в России // Компрессорная техника и пневматика. 2006. №6. - С. 2-16.

8. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. М.: ГОСХИМИЗДАТ, 1962.

9. Горбунцов Д. М. Ремонт охладителей компрессоров// Компрессорная техника и пневматика. 2008. №1.-С.34-35.

10. ГОСТ 23467-79. Компрессоры воздушные для доменных печей и воздухоразделительных установок. Общие технические требования. М., "Стандарты", 1979. -С. 7.

11. Дальский В.И., Евдокимов В.Е., Парийский В.А., Иоффе О.Б. О промежуточных воздухоохладителях стационарных центробежных компрессоров // Турбины и компрессоры. -2004. №3,4. С. 8-15.

12. Дальский В. И., Евдокимов В. Е., Парийский В. А., Степанов В. М. Предложения по улучшению эксплуатационных характеристик установленного оборудования// Турбины и компрессоры. Специальный выпуск. 2000. №12.

13. Дальский В.И., Орбис-Дияс B.C. О диагностике газоохладителей центробежных компрессоров // Турбины и компрессоры. 2001. №3,4.- С.54-57.

14. Ден Г.Н. Введение в термогазодинамику реальных газов. Курс лекций. СПб: СПбГПУ, 1998. 139с.

15. Ден Г.Н. Влияние числа промежуточных охлаждений на мощность, потребляемую компрессором с высоким отношением давлений. — Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха. Межвуз. сб. научн. тр. Л., 1978. -С.34-40.

16. Ден Г.Н., Малышев A.A., Одегов A.C. К получению газодинамических характеристик компрессора с промежуточными воздухоохладителями приконденсации влаги перед секциями // Турбины и компрессоры. 2005. №1,2. -С.27-30.

17. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров: термогазодинамические расчеты. JL: Машиностроение, 1980. 232 с.

18. Ден Г.Н., Тилевич И.А. Регламент "Газодинамические испытания центробежных компрессорных машин на предприятии изготовителе" ТМ 84-001-97, СПб, 1997, 210 с.

19. Евдокимов В.Е. Банк экспериментальных данных по модельным ступеням и их элементам для проектирования ЦКМ // Турбины и компрессоры. 1997. №3,4. - С.12-20.

20. Евдокимов В.Е., Попов A.A., Холодковский C.B. Центробежные компрессоры для воздух оразделительных установок большой производительности // Турбины и компрессоры. 2003. №3,4. - С. 14-22.

21. Евдокимов В.Е. Современные радиальные компрессоры общего назначения. М.: НИИЭинформэнергомаш, 1980. 41с.

22. Евстафьев В.А., Коротков В.А. Влияние ширины безлопаточного диффузора на характеристики концевой ступени фреонового турбокомпрессора. Повышение эффективности холодильных машин. Межвуз. сб. науч. тр. Д.: ЛТИ им. Ленсовета, 1980. -С.107-111.

23. Закиров С.Г., Вахабов A.A., Ризаев Т. Экспериментальное исследование солеотложения на высокоэффективных поверхностях теплообмена. — В кн.: Теплопроводность и конвективный теплообмен. Киев: Наукова думка, 1980. -С.531-539.

24. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ.-М.: Мир, 2000. -688с., ил.

25. Конструктивные особенности изотермических компрессоров MAN // Труды 8-го междунар. симпозиума "Потребители — производители компрессоров и компрессорного оборудования". СПб.:СПбГПУ, 2002. - С. 36-39.

26. Криогенное оборудование: Каталог. Издание четвертое, исправленное и дополненное. ЦШТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1966. №1. -С35-42.

27. Маковец JI.B. О работе воздухоохладителей центробежных компрессоров // Энергомашиностроение. 1985. №8 -С. 11-12.

28. Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.: Химия, 1976.-367с.

29. Москаленко A.C., Зельдес Н.Л. Результаты экспериментального исследования влияния воды, подаваемой на входе в центробежный компрессор, на параметры компрессора. В кн.: Самолетостроение. Техника воздушного флота. Харьков: ХГУ. - 1970. вып.22. -С.39-46.

30. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник / Под общ. ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонного -СПб.: Недра, 1996. 512 с.

31. ОСТ 26-02-1309-87. Аппараты воздушного охлаждения. Общие технические условия.

32. Парафейник В.П. Системный анализ эффективности турбокомпрессорных установок для газовой и нефтяной промышленности // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №8.-С.44-48.

33. Прохоров В. И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. М.: Стройиздат, 1980. -160с.

34. Рафалович А.П. Исследование влияния конденсации водяных паров на теплообмен и гидродинамику воздухоохладителей центробежных компрессоров. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л. ЛИИ им. М.И. Калинина, 1973.- 22с.

35. Рис В. Ф. Влияние воздухоохладителей на работу компрессора. Советское котлотурбостроение. 1946. №5.

36. Рис В.Ф. Критерии экономичности центробежных и осевых компрессоров// Энергомашиностроение. 1982. №10. -С.6-10.

37. Рис В.Ф. Об экономии энергии при эксплуатации компрессоров // Турбины и компрессоры. -2002. №3,4. С.53-57.

38. Рис В. Ф. Охлаждение компрессорных машин. 1950.

39. Рис В.Ф. Уточненный метод испытаний и расчета характеристик компрессоров // Турбины и компрессоры. 1997. №1.- С.56-64.

40. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. M.;JI.: Машгиз, 1951. -245с.

41. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. M.;JI.: Машиностроение, 1964.-336с.

42. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.;Л.: Машиностроение, 1981.-351с.

43. Сафин А.Х. Области применения и тенденции развития турбокомпрессоров в промышленно развитых странах // Турбины и компрессоры. 2005. №1,2.-С. 13-21.

44. Селезнев К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчет турбокомпрессоров. Л.: Машиностроение, 1968. -406 с.

45. Системы охлаждения компрессорных установок /Я.А. Берман, О.Н. Маньковский, Ю.Н. Марр, А.П. Рафалович. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 228с., ил.

46. Смагоринский A.M., Шамеко С.Л. Модернизация турбокомпрессорного агрегата с целью увеличения выхода конечного продукта // Компрессорная техника и пневматика. 2007. №3. -С.38-40.

47. Совершенствование систем охлаждения компрессорных установок/С.Г. Соколов, Я.А Берман, Ю.Н. Марр, А.П. Рафалович// Химическое и нефтяное машиностроение. 1981. №9. -С. 19-21.

48. Современная технология производства аммиака. Вопросы модернизации и реконструкции. Под ред. Систер В.Г. М. Российский союз химиков. «Инфохим», 2006.-166 с.

49. Страхович К.И. Центробежные компрессорные машины.- M.;JI.: Машгиз, 1940.-401с.

50. Теплообменные аппараты холодильных установок/ Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов и др. JL: Машиностроение, 1973. -328с.

51. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе/ Пер. с нем., И.Н. Дулькина. М.: Энергоиздат, 1981. 383с.

52. Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности "Техника и физика низких температур"/ Под общ.ред. JI.C. Тимофеевского. -СПб.: Политехника, 2006. 944с.

53. Центробежные компрессорные машины. Чистяков Ф.М., Игнатенко В.В., Романенко Н.Т., Фролов Е.С. М.: Машиностроение, 1969. 328с.

54. Шайдак Б.П., Архипов В.В., Васильев A.B. Развитие турбокомпрессоростроения на ПО «Невский Завод» // Компрессорная техника и пневматика. 1992. №1.-С.25-29.

55. Шамеко C.JI. Исследование проточной части центробежного компрессора с промежуточным охлаждением с целью снижения энергопотребления // Компрессорная техника и пневматика. 2008. №3. -С.13-18.

56. Шерстюк А.Н. Компрессоры. М., 1959. - 191с.