Устройство и работа компрессорных машин

 

Назначение компрессоров состоит в сжатии газов и перемещении их к потребителям по трубопроводным системам.

Компрессоры, применяемые для отсасывания газа из емкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления, называют вакуум-насосами.

Основными величинами (параметрами), характеризующими работу компрессора, являются объемная подача Q (исчисляется обычно при условиях всасывания), начальное p ₁ и конечное р ₂ давления или степень повышения давления, частота оборотов ротора и мощность N на валу компрессора.

Компрессоры по способу действия можно разделить на три основные группы: объемные, лопастные и струйные.

При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные - на центробежные и осевые.

Возможно разделение компрессоров на группы в зависимости от рода перемещаемого газа, вида привода, назначения компрессора. Каждый из этих типов может выполняться в различных конструктивных формах. Ниже рассмотрим принципиальные конструктивные схемы компрессоров.

В поршневом компрессоре при возвратно-поступательном движении поршня осуществляются фазы процесса: расширение, всасывание, сжатие и выталкивание. Способ действия поршневого компрессора, основанный на вытеснении газа поршнем, позволяет строить конструкции с малым диаметром и ходом поршня, развивающие высокое давление при относительно малой подаче.

В роторном компрессоре (например, пластинчатого типа) при вращении массивного ротора в продольных пазах, которого могут свободно перемещаться стальные пластины, газ захватывается в межлопастные пространства, переносится от всасывающего патрубка к напорному и вытесняется в трубопровод.

Вал роторного компрессора может соединяться с валом приводного двигателя непосредственно, без редуктора. Это обусловливает компактность и малый вес установки в целом.

Конструкция осевого компрессора состоит из массивного ротора с несколькими венцами рабочих лопастей и корпуса, несущего венцы неподвижных направляющих лопастей. Газ всасывается в приемный патрубок и, двигаясь в осевом направлении, сжимается последовательно в лопастных ступенях компрессора. Через напорный патрубок газ вытесняется в трубопровод, ведущий к потребителям. Привод осевых компрессоров - от электродвигателей, паровых и газовых турбин.

Центробежным компрессором называется лопаточная машина, в которой происходит преобразование подводимой механической работы в энергию давления, при этом сжатиеосуществляется за счет действия центробежных сил инерции на массы рабочего тела, увлекаемые во вращательное движение совместно с рабочим колесом компрессора. Центробежные компрессоры, применяемые для компремирования природного газа, называются центробежными нагнетателями.

Центробежный нагнетатель действует аналогично центробежному насосу. Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя (электродвигатель, паровая или газовая турбина) или непосредственно, или через механическую передачу, повышающую частоту вращения вала компрессора. Последним достигается уменьшение размеров компрессора, снижается его масса и стоимость.

 

 

Практическое занятие № 8.

Оборудование конечных пунктов МНП

 

Нефтеналивные терминалы

Для осуществления морских и речных перевозок нефти необходимо сооружать специальные причальные сооружения для швартовки и налива нефти в танки нефтеналивных судов (танкеров, барж). Комплекс таких объектов обычно называют нефтеналивными терминалами.

В состав нефтеналивных терминалов входят: резервуарные парки; технологические трубопроводы; технологические насосные; узлы учета; узлы защиты от гидроударов; причальные сооружения (береговые причалы, пирсы, выносные приемные устройства и др.); шлангующие устройства (стендера, гибкие резиновые армированные шланги); очистные сооружения; вспомогательные здания и сооружения (химическая лаборатория, центральный диспетчерский пункт, котельная и др.); системы диспетчерского управления и сбора данных (SKADA и системы связи.

Нефтяные терминалы выполняют ряд сопутствующих функций по обслуживанию судов: прием с судов балластных и льяльных вод; прием и обезвреживание парогазовых смесей из нефтяных танков судов; погрузку (бункеровку) на суда топлива (мазута, дизельного топлива) для энергосиловых установок; погрузку пресной воды для хозяйственно-бытовых нужд и др.

На рис. 8.1 приведена принципиальная схема нефтеналивного терминала.

Оборудование нефтяных терминалов должно обеспечивать загрузку танкера с максимально возможной производительностью с целью минимизации простоя судна и риска возникновения аварийных ситуаций.

1 - нефтепродукты; 2 - нефть из магистральных нефтепроводов;

3, 4- трубопроводы; 5 - узел учета; 6- очистные сооружения

Рис. 8.1. Принципиальная схема нефтеналивного терминала

 

Причальные сооружения

Современные нефтеналивные суда для перевозки сырой нефти по способу передвижения подразделяются на самоходные - танкеры (морские, речные, озерные и река - море) и не самоходные - баржи (морские и речные) и имеют дедвейт (суммарная масса транспортируемой нефти и хозяйственных грузов) 30 - 250 тыс. т. Отдельные супертанкеры имеют дедвейт от 450 тыс. т до 1 млн. т. Нефтеналивные суда типа река - море из-за необходимости прохождения рек небольшой глубины имеют дедвейт до 20 тыс. т.

Гидротехнические сооружения нефтеналивных терминалов проектируются с учетом нагрузок от волн, льда и судов определенного класса и типоразмера, а оборудование должно обеспечивать выполнение норм времени обработки судов.

Наиболее крупными специализированными комплексами, получающими нефть по магистральным нефтепроводам и осуществляющими обработку крупнотоннажных танкеров дедвейтом до 120 тыс. т, являются порты РФ: Новороссийск, Туапсе, Приморск и др.

Причалы для перегрузки нефти могут быть в виде пирсов, расположенных параллельно, перпендикулярно или под углом к берегу, что делается для ориентации причала по направлению преобладающих ветров и волнения с целью уменьшения нагрузок со стороны танкера на причал.

Параллельно берегу причалы располагают при наличии удобной глубоководной гавани. В этом случае танкер может близко подходить к берегу и строительство волнозащитных дамб и причальных сооружений экономически целесообразно, так как их размеры сравнимы с длиной судна, а дноуглубительные работы невелики или не требуются вообще. Если причал примыкает к берегу, то его называют набережной, их преимущество в непосредственно близкой связи с территорией терминала. При удалении от берега причал соединяется с ним молами, дамбами, эстакадами или пирсами, по которым проложены нефте-, нефтепродукто- и трубопроводы балластной воды, а также другие коммуникации для обеспечения погрузки танкера.

На причалах сооружается технологическая площадка для размещения основного и вспомогательного технологического оборудования. На причалы выходят грузовые трубопроводы с задвижками, к которым подключаются шлангующие устройства, размещаемые на технологической площадке.

Шлангующие устройства предназначены для подключения грузовых трубопроводов терминала к приемным манифольдам танкера (клинкетам) и обеспечения погрузки-выгрузки в условиях ограниченного перемещения танкера относительно причала. На причалах размещают также устройства регулирования производительности налива, коммутационные и запорные задвижки, узлы учета нефти, нефтепродуктов и балласта, предохранительные устройства, в том числе от гидроудара, технологические емкости и другое оборудование. Неотъемлемой частью причала является операторная, в которой размещается аппаратура управления шлангующими устройствами и которая является местом пребывания оперативного персонала во время погрузки танкера. За исключением шлангующих устройств и трубопроводов с задвижками все выше названные технологические узлы и устройства могут располагаться на берегу, что определяется проектом.

Возможные перемещения танкера относительно причала ограничены изменением осадки в ходе погрузки, колебаниями в пределах 0,5 - 1,5 м вызванными волнениями моря, ветрами и т.д., а также зависят от разрешающей способности шлангующих устройств.

По конструкции основания пирсы могут быть сквозной конструкции (на металлических или железобетонных сваях), испытывающих из-за этого небольшие нагрузки от волн и в виде сплошной гравитационной стенки.

При больших колебаниях уровня воды (особенно на судоходных реках), неблагоприятном состоянии грунтов, а также при наличии возможности размыва берега сооружают плавучие причалы, выполненные в виде понтонов различных конструкций. На реках плавучие причалы устанавливаются только на период навигации, с окончанием которой они отводятся в затон. Такие плавучие причалы имеют невысокую стоимость и могут использоваться в любых гидрогеологических условиях.

Снижение затрат на морскую транспортировку нефти и увеличение морских перевозок нефти возможно за счет использования танкеров большой грузоподъемности, что в свою очередь требует создания больших глубин в акватории портов и реконструкции действующих причалов. Значительные затраты, связанные с дноуглубительными работами и сооружением пирсов с волнозащитными сооружениями, привели к разработке новых технических решений, основой которых являлся вынос нефтеналивных причалов за пределы существующих акваторий с сооружением рейдовых причалов и размещением их в открытом море и на искусственных островах.

Конструкции причалов должны предусматривать снижение до минимума усилий от навала судна на технологическую площадку, как при швартовке, так и при стоянке под загрузкой. Это достигается сооружением специальных отбойных (швартовных) палов на свайном основании, из массивов гигантов, оболочек большого диаметра и других гравитационных конструкций.

Рейдовые причалы, называемые также выносными приемными устройствами (ВПУ) имеют различные конструкции, выбор которых определяется грузоподъемностью танкера, возможными метеоусловиями, стоимостью и необходимой интенсивностью работы. На рис. 8.2 показана конструкция выносного приемного устройства типа CALM (Catenery Anchor Leg Mooring) в виде плавучего буя с креплением якорными цепями.

Это устройство широко применяют в различных странах мира. Буй 3 удерживается в заданной точке посредством якорных цепей 1. Подводящий стальной трубопровод 9от береговой насосной прокладывается по дну моря и с помощью гибкого шланга 8 подсоединяется через шарнир к свободно вращающемуся поворотному кругу ВПУ. В центральной части ВПУ расположена поворотная балка, крепящаяся к шарнирному вертлюгу и швартовному оголовку, которые свободно поворачиваются относительно корпуса буя.

Поворотная балка облегчает закрепление швартовых танкера 6 в рабочее положение, чем способствует обеспечению возможности перекачки сырой нефти по плавающим шлангам 7 на танкер после того, как они будут закреплены на манифольдах танкера.

1 - якорные цепи; 2 - оконечный трубопроводный манифольд;

3 - буй; 4 - поворотное устройство; 5 - причальный трос;

6 - танкер; 7 - плавучие шланги; 8 - подводные шланги;

9 - морской трубопровод с берега

Рис. 8.2. Выносное приемное устройство типа CALM

 

Благодаря такому конструктивному исполнению системы ВПУ возможен налив танкеров большой грузоподъемности на глубинах до 450 м, которые недостижимы из-за высокой стоимости неподвижных причалов. Швартовка у ВПУ обычно осуществляется без привлечения буксиров, поскольку на глубоководных участках танкер имеет лучшую маневренность в условиях, когда отсутствуют помехи со стороны других судов. При швартовке танкер должен подобрать плавучий причальный трос 5 и закрепить его, а затем подобрать плавучие шланги 7 и подключить их к клинкетам.

Основными компонентами буя ВПУ типа CALM являются:

- камеры плавучести, часть которых заполняется пористым материалом для обеспечения непотопляемости;

- узлы крепления якорных цепей;

- поворотный вертлюг;

- подшипниковый узел;

- узел поворотной балки с фитингами, запорной арматурой и технологическим трубопроводом до внешнего окружного периметра буя;

- вспомогательные навигационные средства;

- швартов и швартовное соединение;

- лебедка для ремонтно-технического обслуживания;

- рабочие площадки.

Достоинство ВПУ типа CALM заключается в возможности причаленного танкера свободно поворачиваться вокруг точки швартовки на нежесткой или гибкой швартовной связи и занимать положения наименьшего сопротивления относительно ветровой нагрузки, течений и волн. Стоимость сооружения ВПУ ориентировочно в пять раз меньше стоимости неподвижного причала.

Плавучий шланг крепится к трубной обвязке буя у его внешней образующей и свободно поворачивается вместе с танкером. Плавучий шланг поднимают на танкер лебедкой и подсоединяют к манифольдам танкера обычно в средней части судна. Срок службы гибких нефтеналивных шлангов составляет 8 - 10 лет. Швартовные канаты также делают плавучими.

При расчете нагрузок от судов на причальные сооружения необходимо руководствоваться требованиями СНиП 2.06.04 - 82, в соответствии с которым определяются нагрузки: от ветра, течения и волн; от навала пришвартованного судна при действии ветра и течения; от навала судна при его подходе к причальному сооружению; от натяжения швартовов при действии на судно ветра и течения.

Максимальные нагрузки, воздействующие на ВПУ, примерно в десять раз меньше значений, которые характерны в тех же условиях при швартовке к неподвижному причалу.

 

Шлангующие устройства

Для быстрого и подвижного соединения грузовых трубопроводов терминала с приемораздаточными патрубками (манифольдами) танкера применяют шлангующие устройства. Шлангующие устройства должны обеспечивать максимально возможную производительность перекачки для сокращения стояночного времени судна, непрерывность грузовых операций вне зависимости от числа сортов перекачиваемого груза, выполнение вспомогательных операций по бункеровке, сбросу балласта, подъему на судно грузов материально-технического снабжения, а также минимальные нагрузки на манифольд танкера при его перемещениях во время загрузки.

Первые шлангующие устройства представляли собой гибкие резинотканевые армированные стальной проволокой шланги с фланцем для подсоединения к клинкету танкера. Их подъем и перемещение на борт судна осуществляются специальным устройством (ручные тали, стрелы судового типа, крановые подъемники и др.).

Для подачи грузов на танкер применяют шланги трех основных типов:

- шланг с шероховатым каналомтипа R, имеющий многослойную оболочку, армированную внутренней спиралью из стальной проволоки, что придает ему значительную жесткость и большой вес; такие шланги применяются для перегрузки нефти у причалов терминала, а также для использования под водой и на плаву (тип RхМ);

- шланг с гладким каналомтипа S, отличающийся от шланга типа R отсутствием армирующей спирали и меньшим весом, его пропускная способность выше из-за меньших гидравлических сопротивлений; такие шланги могут использоваться под водой и на плаву (тип SхМ);

- облегченный шланг,применяемый только для выгрузки продукта или бункеровки судов, где гибкость и малый вес имеют решающее значение.

По конструкции шланги всех типов могут поставляться проводящими или не проводящими электрический ток. Существует также ряд шлангов особых типов, имеющих одинаковую конструкцию и используемых для специальных целей, например в качестве подводных трубопроводов или плавучих звеньев.

Грузовой шланг, подаваемый на борт танкера, в соответствии с "Общими и специальными правилами перевозки наливных грузов" ММФ РФ, должен удовлетворять следующим требованиям:

- разрывное давление не менее 4,2 МПа или, по крайней мере, в 4 раза выше максимального давления, развиваемого грузовыми насосами;

- рабочее давление не менее максимального, развиваемого насосами, но не менее 1 МПа.

В соответствии с международными стандартами грузовые шланги должны обеспечивать перекачку продуктов, имеющих температуру в диапазоне от -20 °С до +82 °С, при этом содержание ароматических углеводородов не должно превышать 25 %.

Каждый грузовой шланг должен иметь спецификацию изготовителя, в которой указывается: для каких грузов может быть использован шланг; наименование фирмы изготовителя или торговая марка; дата изготовления; значение разрывного и рабочего давлений; дата последнего испытания и значение давления при испытании; является ли шланг электропроводящим или нет. Грузовые шланги должны иметь достаточную длину, чтобы исключить их разрыв при изменении осадки судна в процессе грузовых операций, а также возможного перемещения танкера вдоль причала и от причала на значение растяжения швартовных канатов. Они должны быть оснащены фланцами международного образца.

К недостаткам налива танкеров через грузовые шланги следует отнести их недолговечность, трудность в управлении (при диаметрах выше 300 мм они имеют значительный вес), высокое гидравлическое сопротивление и необходимость использования значительной площади. Жесткая конструкция крепления шлангов к танкеру часто приводит к их разрыву в случае внезапного отхода танкера от причальной стенки.

Увеличение грузоподъемности танкеров потребовало разработки нового сливоналивного оборудования, так как шланги не могли обеспечить требуемой производительности сливо-наливных операций. Они оказались непригодными для использования в крупных портах, где требуемая производительность отпуска нефтегрузов достигала 400 - 500 тыс. т/сут.

Поэтому ведущие зарубежные компании в 50 - 60-х годах разработали конструкцию цельнометаллического шлангующего устройства, получившего название стендер.

На рис. 8.3 приведен общий вид морского стендера типа RSMA-S "Чиксан" с комбинированным управлением фирмы "FMS Europe SA Equipement" (Франция).

Стендер состоит из опорного стояка, шарнирного рукава (включающего внутреннее и внешнее плечи металлического рукава с вертлюгом), системы пантографа с вспомогательными противовесами для удержания в равновесии внешнего плеча и основными противовесами для удержания в равновесии всего рукава и замка для фиксации стендера в нерабочем состоянии. Опорный стояк является основанием всей конструкции и рассчитывается на нагрузку собственного веса рукава, максимальных ветровых нагрузок и веса жидкости, находящейся в рукаве во время перекачки. По нему осуществляется перенос жидкости (нефти) из причального трубопровода в рукав и наоборот. Внутреннее плечо рукава крепится к верхней части опорного стояка, и его продолжение служит коромыслом основного противовеса, а внутреннее - между внутренним плечом и судном. Вертлюг - шарнирное устройство для подвижного соединения трубопроводов стендера "Чиксан" состоит из одного, двух или трех подшипников, обеспечивающих поворот элементов рукава относительно друг друга.

Герметичность вертлюга обеспечивается рядом прокладок, подбираемых в зависимости от физико-химических свойств нефти. Система противовесов позволяет сбалансировать рукав стендера и уменьшить нагрузку на присоединительный фланец танкера. Для подсоединения стендера к фланцам танкера на конце внешнего плеча устанавливается быстроразъемное присоединительное устройство с ручным или автоматизированным управлением.

Имеются конструкции стендеров, в которых внешнее плечо выполнено в виде гибкого грузового шланга. При подсоединении к танкеру грузовой шланг (стендер) должен быть освобожден от нефти для уменьшения нагрузок.

После окончания погрузки грузовой шланг (стендер) должен быть осушен для исключения разлива остатка нефти на палубу или в море. Грузовые шланги должны иметь достаточную длину, а стендеры - достаточную безопасную рабочую зону движения, чтобы неизбежное движение танкера у причала не вызвало опасных напряжений в шлангах и стендерах. Рабочая зона стендера должна подразделяться на следующие зоны: рабочую, предупреждения и отключения.При неожиданном перемещении танкера у причала, когда стыковочный фланец стендера и судового приемника попадает в зону предупреждения, все рабочие клинкеты на стендере автоматически закрываются, а когда стыковочный фланец попадает в зону отключения, происходит автоматическое отключение стендера от судового приемника.

1 - внутреннее плечо рукава; 2 - силовой цилиндр внутреннего

плеча рукава; 3 - замок для фиксации стендера в нерабочем

положении; 4 - патрубок для подсоединения к причальному

трубопроводу; 5, 16 -   шкив; б - вертлюг типа 40 со съемным

коленом; 7 - внутренний элемент конструкции; 8 – приводной

трос; 9 - трос пантографа; 10 - стяжной замок; 11 - вертлюг типа

50 со схемным коленом; 12- поворотный силовой цилиндр;

13, 17 - противовесы; 14 - силовой цилиндр внешнего плеча

рукава; 15 - опорный стояк; 18 - опорная плита; 19 – наружный

элемент конструкции; 20 - поворотное соединение; 21 – внешнее

плечо рукава; 22 –вертлюг типа 80; 23 – быстроразъемное

соединение с ручным управлением; 24 - приводная муфта для

аварийного отсоединения

Рис. 8.3. Морской стендер типа RSMA-S "Чиксан"

 

В сочетании с высокой стоимостью судов, перевозящих нефть и нефтепродукты, высокая стоимость и затраты по эксплуатации причальных и технологических сооружений обусловливают необходимость их интенсивной эксплуатации.

Достижение максимальной интенсивности диктует необходимость увеличения единичных мощностей всего терминала и их дублирования на случай ремонтных работ. В настоящее время интенсивность погрузки танкеров дедвейтом 100 - 150 тыс. т достигает 13 - 15 тыс. м³/ч, что позволяет выполнить погрузку танкера за 10 - 12 ч.