Средства защиты гидросистем торцевого уплотнения компрессоров от волновых процессов

Авторы: Заслуженный изобретатель РФ, д.т.н., Х.Н. Низамов; к.т.н. В.Н. Применко; Назик Юсиф; Российский университет дружбы народов

Журнал «Двойные Технологии», №3, 1999г.

Совершенствование технологических процессов в химической, нефтехимической и перерабатываю­щей промышленности и трубопроводном транспорте нефти и газа привело к значительному увеличению мощности и производительности насосных агрегатов и компрессорных установок, что вызвало повышение рабочих давлений в технологических и магистраль­ных трубопроводах и потребовало усовершенствова­ния систем уплотнения.

Высокооборотные газовые компрессоры, осна­щенные авиационными двигателями, в настоящее время оборудуются гидросистемами торцевого уп­лотнения валов. Герметизация — защита от утечек перекачиваемого продукта — обеспечивается гидравли­ческим сжатием поверхностей уплотнения маслом под давлением.

Наибольшее распространение гидро­система торцевого уплотнения получила в компрес­сорах высокого давления для сжатия природного, токсичного и агрессивного газов, в которой уплотнительная жидкость (масло) циркулирует по замкнуто­му контуру «маслобак > насос > торцевое уплотне­ние > маслобак» под высоким давлением. Такая сис­тема может оснащаться поршневым, плунжерным или аксиально-поршневым насосом с рабочим давле­нием до 32 МПа [1,2].

Поршневые насосные агрегаты являются мощными возбудителями вынужденных колебаний давления, которые распространяются по смежным трубопроводам до торцевого уплотнения, вызывая вибрацию и разрывы. Это приводит к раз­герметизации уплотнения и попаданию взрыво-пожароопасных и ядовитых веществ, перекачиваемых компрессором, в окружающую среду, создавая аварийные ситуации. Кроме того, вибрационные процес­сы значительно сокращают срок службы трубопрово­дов гидросистемы торцевого уплотнения и приводят к дополнительным затратам на ремонт и обслужива­ние оборудования.

Традиционно применяемые средства гашения колебаний давления в этих системах, такие как акку­муляторы давления и воздушные колпаки, оказались малоэффективными и не обеспечивали требуемою снижения интенсивности вынужденных колебаний давления. Это обусловлено отсутствием в указанных устройствах диссипативных элементов. Кроме того, эти устройства имеют значительную массу и габа­ритные размеры, что затрудняет их использование.

Для гашения вынужденных колебаний давления в гидросистеме торцевого уплотнения компрессоров высокого давления предлагается использовать но­вейшие перспективные гасители - стабилизаторы давления (СД). Они лишены конструктивных и тех­нологических недостатков традиционно применяе­мых гасителей и во много раз превосходят их по эффективности при малых массе и габаритах. Принцип их действия основан на комплексном воздействии на энергию колебаний: диссипации волновой энергии на отверстиях распределенной перфорации с последую­щим гашением колебаний при упругом взаимодействии в демпфирующей камере.

СД выполняются как вставка в трубопровод, не создающая гидравлическо­го сопротивления потоку перекачивающей среды, и не требуют технического обслуживания в процессе эксплуатации, что является их важным достоинством. Стабилизаторы давления устанавливаются вблизи ис­точника волновых процессов (насосный агрегат, за­порная арматура), обеспечивая гашение колебаний давления и защиту трубопроводов от аварийных си­туаций. Все устройства защищены авторскими свиде­тельствами СССР и патентами РФ. Ниже приведено описание типовых конструкций СД для гидросистем торцевого уплотнения.

Рис. 1. Пневмостабилизатор давления

Для гашения вынужденных колебаний на входе в поршневой насос гидросистемы торцевого уплотне­ния, где рабочее давление не превышает 3 МПа, предлагается использовать пневмостабилизатор дав­ления, представленный на рис. 1 [2], отличительным конструктивным признаком которого является разде­ление с помощью упругой мембраны его внутренней полости на жидкостную и газовую. Пневмостабилизатор состоит из металлического корпуса 2, в котором размещается участок трубопровода 1 с равномерно распределенной по длине перфорацией 3. Для разде­ления жидкой и газовой сред в пневмостабилизаторе служит гибкий элемент 5, который может переме­щаться между внутренней поверхностью стенки кор­пуса 2 и наружной поверхностью стенки перфорированной трубы 1. Жидкостная полость пневмостабилизатора соединена посредством перфорации с основ­ной гидромагистралью, а газовая - через штуцер 4 с аккумулятором давления газа. В зависимости от агрессивности рабочей среды гибкий разделитель 5 может быть как неметалличе­ским (различные резины, каучуки, фторопласт и пр.), так и металлическим.

Пневмостабилизатор работает следующим обра­зом. В установившемся режиме движения жидкость, протекающая по трубопроводу 1, через перфорацию 3, заполняет полость, охватываемую разделителем 5. Полость между корпусом 2 и разделителем 5 запол­нена газом с тем же давлением, что и в основной ма­гистрали. При появлении пульсаций в трубопроводе 1 давление в жидкостной полости пневмостабилизатора не совпадает с давлением в газовой полости, и разде­литель 5 под воздействием этого перепада испытывает упругие деформации, при которых объем жидко­стной полости изменяется, т.е. обеспечивается по­датливость стабилизатора для демпфирования коле­баний. Вследствие большой податливости разделите­ля 5 и газовой полости происходит увеличение скорости перетекания среды из трубопровода в жидкост­ную полость (или наоборот), что приводит к дисси­пации энергии колебаний давления на сосредоточен­ных сопротивлениях перфорационных отверстий. Выбором упругих характеристик разделителя, давле­ния в газовой полости и ее объема, размеров перфо­рационных отверстий и их суммарной площади мож­но добиться требуемой степени уменьшения ампли­туды колебаний.

Рис. 2. Стабилизатор давления с упругой камерой

Рассмотренная конструкция легко трансформи­руется в стабилизатор с упругой камерой (рис. 2), ес­ли газовую полость заполнить упруго-эластичным материалом 4. обладающим высокой податливостью [2]. Такой стабилизатор также целесообразно использо­вать во входном трубопроводе поршневого насоса гидросистемы торцевого уплотнения, так как при давлениях свыше 3 МПа эффективность его работы мала.

Для защиты напорных трубопроводов гидросис­темы торцевого уплотнения от волновых процессов необходимо использовать стабилизаторы давления, способные эффективно работать в условиях высокого давления. В них применяются метал­лические упругие элементы эллиптического попереч­ного сечения, обладающие высокой податливостью.

Увеличение податливости упругих камер дости­гается за счет наращивания их суммарного объема при секционировании.

Рис. 3. Многосекционный стабилизатор давления с разделением потока

Стабилизатор, изображенный на рис. 3 [1, 3], состоит из кожуха 5, связанного с присоединительными патрубками 10 посредством предкамер-переходников 9. В кожухе 5 по продоль­ной оси установлен центральный трубопровод 2 с за­глушками 11 обтекаемой формы. Между внутренней поверхностью кожуха 5 и центральным трубопрово­дом 2 установлены герметичные перегородки 3 и 7. Кожух 5 охватывает упругие камеры 4, выполненные в виде секций эллиптического поперечного сечения. Секции последовательно соединяются друг с другом. Внутри упругих камер 4 установлены сквозные трубы 1 с распределенной по длине перфорацией 12, посредством которых полости упругих камер 4 сообщаются с предкамерами 9. Полость кожуха 5 вокруг упругих камер может быть заполнена упругодемпфирующим материалом 14. Стабилизатор уста­навливают в корпус 5.

Регулирование диапазона гасимых частот достигается варьированием таких параметров, как длина и количество секций упругих камер, размеры перфорационных отверстий и суммарная площадь перфора­ции, податливость упругодемпфирующего материала, заполняющего полость кожуха вокруг упругих камер. Кроме того, существует возможность изменения статического нагружения демпфирующих элементов по торцам и, следователь­но, частотных характеристик стабилизатора.

Использование рассматриваемого стабилизатора обеспечивает по сравнению с аналогами следующие преимущества:

• установка упругих камер в едином кожухе с центральным трубопроводом с образованием общей предкамеры-переходника обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и равномерное распределение потока рабочей среды по сечению стабилизатора;
• секционирование упругих камер позволяет исключить: изгибные колебания упругих труб, улучшить технологичность изготовления, обеспечить возможность расширения диапазона гасимых частот за счет наращивания длины упругих камер;
• заполнение полостей между кожухом и упру­гими трубами упругодемпфирующим материалом да­ет возможность повысить рабочее давление в трубо­проводе.

Рис. 4. Стабилизатор давления с секционированием упругих камер с внешним погружением

Стабилизатор давления, схема которого приведена на рис. 4 [1, 2, 4], заключен в кожух 1, связан­ный с присоединительными патрубками 2. В кожухе 1 по продольной оси установлен центральный трубопровод 4 с перфо­рационными отверстиями 5 для протекания рабочей среды в расширительную полость между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью центрального трубопровода. Кожух 1 охватывает демпфирующие элементы, выполненные в виде сек­ционных упругих труб 6 эллиптического поперечного сечения. Внутренняя полость упругих труб может быть заполнена упругодемпфирующим материалом 9. Легко увидеть, что прототипом рассматриваемого устройства является стабилизатор, изо­браженный на рис. 3.

Регулирование диапазона гасимых частот дости­гается варьированием таких параметров, как длина и количество секций упругих труб 6, размеры перфорационных отверстий 5 и суммарная площадь перфора­ции, податливость упругодемпфирующего материала 9.

Упругие трубы могут быть установлены в расши­рительной полости с ориентацией малой полуоси по радиусам, соединяющим продольную ось централь­ного трубопровода с продольными осями упругих труб. При этом происходит рациональное нагружение cтенок упругих труб, создаваемое затопленными струями рабочей среды, истекающими из перфораци­онных отверстий, вследствие чего повышается сте­пень сжатия упругих труб и увеличивается податли­вость расширительной полости.

Данное устройство обладает рядом преимуществ:

• установка демпфирующих элементов непо­средственно в расширительной полости и их работа на сжатие от внешнего давления рабочей среды обес­печивает снижение гидравлического сопротивления системы сообщения упругих труб с центральным трубопроводом и уменьшение поперечных размеров стабилизатора;
• секционирование упругих труб позволяет на­ращивать их длину, что обеспечивает расширение диапазона регулирова­ния податливости расширительной полости, особенно в конструкциях, характеризующихся малыми попе­речными размерами и большими длинами;
• заполнение полостей упругих труб упругодемпфирующим материалом и их рациональная ори­ентация относительно центрального трубопровода дают возможность регулировать нагружение стенок упругих труб внешним давлением, что также улучша­ет характеристики податливости, расширяет диапазон гасимых частот.

Литература

1. Низамов Х.Н., Максимов В.А., Шнепп В.Б., Прунцов А.В. Современные методы стабилизации колебаний давления и расхода газожидкостных сред в компрессорных установках — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983г.
2. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий в трубопроводных системах. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996г.
3. Патент РФ № 2041415, МКИ³ F16 L 55/04. Стабилизатор давления / Х.Н. Низамов, К.С. Колес­ников, В.Н. Применко.
4. Патент РФ № 2083908, МКИ³ F16 L 55/04. Стабилизатор давления / Х.Н. Низамов, Е.И. Дербу­ков, В.Н. Применко, Ф.Х. Хатмуллин.