Определение технического состояния центробежных нагнетателей

Паспортные характеристики нагнетателей представляют собой, как отмечалось выше, зависимости приведенной внутренней мощности (Ж/р_н)_п, политропического КПД Т|_пол и степени сжатия е от приведен­ной объемной подачи газа Q_n.

Практика эксплуатации нагнетателей показывает, что в эксплуата­ционных условиях происходит сдвиг главным образом характеристик Г|_пол =/(2_пр) ие=/[(2_пр,(п/И|,)]. Особенно заметный сдвиг имеет харак­теристика т)_пол =/(6_прХ которую и следует выбирать за основную при оценке технического состояния нагнетателя. Практически отсутствует сдвиг характеристики (Л^г./р_и)_п =/(0).

В расчетной практике по определению показателей нагнетателя во многих случаях удобно использование и ряда других характеристик,

248

глава 5

получаемых на основе паспортных данных [5]. К таким характеристи- Л

кам следует отнести:

1. Приведенную разность энтальпии газа

^- =/(е_пр), кВт/(кг/мин); (5.7) Щ

2. Приведенную удельную потенциальную работу сжатия газа

со =со,, (ЧАО² = Л -А/г = f (Q), кДж/кг; (5.8)

пр      1,2 ' 0 '       'пол        пр •> ^^пр" гл        '                  V /

3. Разность температуры газа

Показателъ надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 249

кого состояния нагнетателя необходимо, как показано выше, фактичес­кий КПД соотнести с паспортным (или исходным) при одинаковом расходе газа (<2_П =idem), хотя более правильно определять этот коэф­фициент, как отношение оптимумов КПД на фактической и паспортной (исходной) характеристике Л_пол-.Аб_Пр)- Однако на практике это трудно выполнимо, поскольку для этого необходимо определить эксперимен­тальные характеристики нагнетателя в условиях КС.

5.5.7. Определение фактического политропического КПД нагнетателя

где

Учитывая относительную стабильность характеристики 1 (Мр_н)_п ⁼ AQ_n)> можно утверждать, что коэффициенты сдвига характе- 1 ристик (Жр_н), А/г_п и Дг практически одинаковы между собой и численно;| равны единице [12], т.е. характеризуют отсутствие сдвига. Коэффици- I енты сдвига характеристик со_п и т] _пол практически также равны между собой, но численно меньше единицы.

Основными причинами ухудшения технического состояния нагнета- I теля (уменьшение КПД и увеличение потребляемой мощности) являют- 1 ся следующие:

• эрозионный износ рабочих колес (70%);

• увеличение зазоров в уплотнениях покрывающего диска (20%);

• эрозионный износ лопаточных диффузоров и загрязнение проточной части (10%).

При уменьшении политропического КПД нагнетателя обеспечение постоянства выходных параметров (напора и расхода) сопровождает- 1 ся пропорциональным увеличением потребляемой мощности. Как пока­зывает практика, снижение г|_пол в процессе эксплуатации может дости­гать 10% по абсолютной величине, что вызывает необходимость вести постоянный контроль за состоянием нагнетателя, особенно после прове- | дения капитального ремонта. Для определения коэффициента техничес-

Фактический КПД нагнетателя может быть определен, в частности, следующими методами:

• с использованием термодинамических свойств природного газа и параметров газа по нагнетателю (Р, t) [12];

• с использованием показателя изоэнтропы газа по методике ВНИИГАЗ.

Для расчета КПД по первому способу необходимо знать химический со­став природного газа. На практике целесообразно использовать упрощен­ные эмпирическиесоотношения,предложенныевработе[12],ддя определе­ния основных термодинамических величин природного газа по метану:

(СД)_СН = (0,000т² - 0,0135/ + 0,31)Р - 0,0463/ +

⁴   +11,19, кДж/кг-МПа;.                                              (5.10)

(Сро, = (0,003-0,0009Р)Ж),11Р+2,08,кДж/кг-К;   (5.11) (^Pv)_CH4 =(0,017P+0,555)f - 2,73Р+139,4, кДж/кг.    (5.12)

(5.13) (5.14) (5.15)

С D = (С D.) r р h ч р (кС ср=(сл

По данным [12] эти же параметры для полного состава газа (содер­жание метана 94-100 %) могут быть определены соотношениями:

(0,37+0,63 г_сн); Pv - (Pv) _rH • (1,49 - 0,49 г_га),

(,н₄                                      <_н₄

(5.16) (5.17)

где г_сн - мольное содержание метана в долях единицы.
Тогда                                 г| = со

250

глава 5

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 251

 

где (Pv) - среднее значение потенциальной функции Pv ях входа и выхода; е - степень сжатия С = (0,37+0,63 г) [ (0,003-0,0009Р ) t + "                                           4                                                      " + 0,1 1 Р,+2,08 ], кДж/кг -К; (СД)ш =(1,37-0,37 гСН4) [(0,00012г22-0,0135г2+ +0,31>.Рт-0,0463Г2+1 1,19], кДж/кг-МПа;

при услови-(5.18) (5.19) (5.20)

Р_т=(Р₁+Р₂)/2,МШ;

(5.21)

АР = Р₂ - Р_г МПа.

. Для определения фактического КПД по второму методу необходимо знать параметры газа на входе и выходе нагнетателя (P, t), а также со­став газа.

Задача определения г| _пол сводится к использованию уравнения, ши­роко применяемого при построении характеристик нагнетателя

(5.22)

^Лпол п-\ к ''

к₀ ~

= ~^f~ - показатель адиабаты газа в его идеальном состоянии;

R

где С - теплоемкость идеального газа; r - универсальная газовая постоянная 8314 Дж/(моль-К)= 1,9858 ккал/моль-К; ц- мольная масса газа

_Ко   545+ (5,65+ 0,017 •/„,)• А

(5.26)

R

К₀-1

поправка на теплоемкость при постоянном давлении

(5.27)

-^- =.^.(0,41 + 0,02*;); R 1

вспомогательная функция

(5.28)

£^-^;

Х = — • Tz,

кр

; Т =162,8-(0,613+А),К;   (5.29)

кр

(5.30)

⁷¹ = р~;  Р_кр = (47,9 - А) 0,0981, МПа; средняя температура газа в нагнетателе, °С

где и_т - показатель политропического (внешнеадиабатного) про­цесса сжатия; к - показатель адиабаты. При проведении ориентировоч­ных инженерных расчетов его можно принимать к= 1,30

(5.23)

' *•»-  2    '

А - относительная масса газа по воздуху; P_rt_l - соответственно, давление и температура газа на входе нагнетателя; P ₂, t ₂ - соответствен­но, давление и температура газа на выходе нагнетателя.

-- Z, - X

(5.24)

к  1

п-\ '

R

к-1 z_l

где z, - коэффициент сжимаемости газа, определяемый по парамет­рам газа на входе либо по данным рис. 1.1, либо по соотношению

(5.25)

. (0,41 0,06 Л  0,04, ^{= 1}-~———*———•*>

5.3.2. Определение паспортного (исходного) КПД нагнетателя

Паспортный политропный КПД нагнетателя, как показано выше, является функцией приведенного расхода газа i"l,_IOJ1⁼/(6_llp)- Сложность выявления паспортного значения КПД заключается в определении производительности нагнетателя, что связано:

• с отсутствием замерного узла расхода газа на нагнетателе;

• с отсутствием датчиков перепада давления газа на входном конфу-

252

глава 5

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 253

 

зоре нагнетателя и достоверного значения коэффициента расхода ij газа через него;

•   с невозможностью точного измерения эффективной мощности газо­турбинного привода.

Поэтому выбор метода определения паспортного значения КПД на- 1 гнетателя зависит от объема исходной информации, необходимой для t| расчета производительности нагнетателя.

При наличии замерного узла (погрешность определения производи­тельности ±1-2%) задача сводится к определению приведенного рас- 1 хода, используемого в качестве аргумента при аппроксимации функции Ц r|_noji=f (Q_np) полиномом вида

Ввиду относительной стабильности характеристики 7Г~ ⁼ •> ' *^р '

ч"^н /пр

в эксплуатации коэффициент технического состояния нагнетателя по мощности Т^можно принимать равным единице.

Пример 5.7. Определить техническое состояние нагнетателя типа 370- 18-1, если режим его работы характеризуется следующими данны­ми: давление газа на входе в нагнетатель Р, = 6,03 МПа, давление газа на выходе нагнетателя Р₂ = 7,4 МПа, температура газа на входе в на­гнетатель г, = 30,2 °С, температура газа за нагнетателем /₂ = 49,1 °С, частота вращения силового вала л = 4950 об/мин. Содержание метана в газе г = 0,97.

(5.31) I

Как показывает практика, зависимость г|_пол - f (Q) необходимо ап- т проксимировать полиномом не менее 4-го порядка, а значения постоян- Я ных коэффициентов С₀, С,,..... С_п, должны определятся с точностью до 1 3-го знака для обеспечения приемлемой точности расчета.

При наличии датчика перепада давления газа на входном конфу- | зоре производительность нагнетателя определяется как

/. Решение по первому способу

1. С использованием уравнения (5.12) определяем значение потенци-.альной функции (Pv) для метана:

^у)_1СН=(0,017-6,03+0,555)-30,2-2,73-6,03+139,4=142,795кДж/кг-МПа; ГРу),_гн=(0,017-7,4+0,555)-49Д-2,73-7,4+139,4=152,625кДж/кг-МПа.

(5-32)1

где А - коэффициент расхода; АР - перепад давления газа на вход­ном конфузоре, кгс/см²; р_вх - плотность газа на входе, кг/м³. Погреш- <| ность этого метода = 5 %.

При отсутствии прямого или косвенного измерения производитель- 1 ности следует использовать паспортную характеристику нагнетателя, щ при этом рабочая точка определяется приведенной относительной час- I тотой вращения Л _п и степенью сжатия е, однако точность определе- р ния производительности при этом очень низка (до 20 %) из-за «рассло- 1 ения» характеристики е =/(б„) в эксплуатации.

При использовании обоих методов расчета фактического КПД на­гнетателя для получения достоверных результатов необходимо произ- i водить измерения давления газа на входе и выходе нагнетателя образ- |> цовыми манометрами класса точности не ниже 0,4 и температуры газа с точностью 0,1-0,2 °С.

С использованием уравнения (5.15) определяем значение потенци­альной функции (Pv) для газа в целом:

(Ту)₁=142,795-(1,49-0.49-0,97)=144,9кДж/кг-МПа; (Tv)₂=152,625-(l,49-0,49-0,97)=154,86 кДж/кг-МПа;,9+ 154,86) / 2 =149,88 кДж/кг-МПа.

2. Потенциальная работа сжатия

о>₁₂ = 149,88-1п (7,4 /6,03)= 149,88-0,204=30,575 кДж/кг. 3. Средние значения температуры и давления газа:

t_m = (30,2+49,1) /2 = 39,65 °С; Р =(6,03+7,4) /2 = 6,715 МПа.

254

глава 5

4. Средняя изобарная теплоемкость газа

С_рга=(0,37+0,63-0,97)-[(0,003-0,0009-6,03) -39,65+ 0,11-6,03+2,08]=2,9, кДж/кг-К.

5. По уравнению (5.13) определяем среднее значение комплекса

(СД)_т=(1,37-0,37-0,97)[(0,00012-49,1²-0,0135-49,1+0,31)-6,715--0,0463-49,1+11,19]= 10,772 кДж/кг-МПа.

6. По уравнению (5.18) определяем разность энтальпий газа a/z = 2,9-18,9-10,772-1,37=40,05 кДж / кг.

7. Политропный КПД нагнетателя

й_пол= 30,575 / 40,05 = 0,763.

//. Решение по второму способу

1. По соотношению (5.23) определяем показатель политропического процесса сжатия

n_{r =} Ig7,4/6,06 ₌lgl. 227 ₌ 0,08884 и_т-1 ^g322,3/30^4 ^gl,063 0,0263 ' '

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 255

4. По соотношению (5.27) определяем поправку на теплоемкость при постоянном давлении

- (0,41 + 0,02 -1,3) = 0,846.

5. По уравнению (5.26) определяем показатель изоэнтропы в идеаль­ном газовом состоянии

к₀  5,15+(5,65 + 0,017 • 39,65) • 0,56 _
с~Ч ~                      1,9858

6. Вспомогательная функция X определяется по уравнению (5.28)

1,59"

1,59-0,9 Ц,59²

7. По уравнению (5.24) определяем показатель изоэнтропы процесса сжатия

= -. (4,377 + 0,846 - 0,9 • 0,42 • 3,378) = 4,3 1.

К i

"

2. По соотношениям (5.29) и (5.30) определяем критические парамет-?| рыгаза (А =0,56):

Г_р=162,8 (0,613+0,56) = 190,96 К;

t = 1,59;

Р_кр=(47,9-0,56)0,0981 = 4,644 МПа; л = 60,3 /4,644 = 1,3.

3. По соотношению (5.25) определяем коэффициент сжимаемости газа по параметрам входа его в нагнетатель

8. Политропный КПД нагнетателя

Т1 =3,378/4,31 =0,78.

¹ пол  '                                                                                       '             '

Ввиду отсутствия данных по замеру производительности нагнетате­ля для определения паспортного КПД используем альбомную характе­ристику rj _пол=/(е_пр) и е_пр=/(л_пр,е)

е = PJ Р, = 7,4 / 6,03 = 1,227,

= 0,992.

n ^znp7V.K_np 4950 / 0,888-288-51,8

Vo,'

zR Т     4800 V 0,9025 • 303,4 • 52,27

По характеристике для п р=0,992 и е = 1,227 определяем Qn = 460м3/мин, т\1т = 0"855,

_ [l,593 1,59 J  i,59

004. 2

 

256

глава 5

Показатель надежности, диагностика и снижение энергозатрат ГПА 257

 

(5.34)

ВТГп =1-0,75 (1-ЛГ);

тогда коэффициенты технического состояния нагнетателя, соответ­ственно по первому и второму методам расчета составят:

°'78

0,855

0,855