Разработка и внедрение «Сухих» газодинамических уплотнений для центробежных компрессорных машин

Г. С. Баткис, В. К. Хайсанов, Е. А. Новиков,

Н. М. Лившиц, В. А. Максимов

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ «СУХИХ» ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УПЛОТНЕНИЙ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Ключевые слова: газодинамическое уплотнение, центробежный компрессор.

В статье изложена целесообразность применения «сухих» газодинамических уплотнений разработки ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» в газовых центробежных компрессорах и этапы работ по внедрению такого типа уплотнений на объектах нефтегазовой промышленности. Освоению типоразмерного ряда газодинамических уплотнений предшествовало изучение конструкций, мирового опыта и совместные работы с ведущими производителями уплотнений такого типа. В результате опытно-конструкторсих работ были созданы испытательные и доводочные стенды, конструкции уплотнений и системы их регулирования и контроля, оригинальная термоупругогазодинамическая методика расчёта.

Key words: gasdynamic seal, centrifugal compressor.

The paper presents advantages of application of «dry» gasdynamic seals, developed at JSC «NIIturbocompressor n.a. V.B. Shnepp» for gas centrifugal compressor. Stages of work on introduction of such seals at the enterprises of oil and gas industry have been shown as well. Bringing standard size series of gasdynamic seals to commercial status was preceded by consideration of various designs, study of world-wide experience and joint efforts with leading manufacturersof such type of seals. As a result of experimental and design work carried out, testing and operational development facilities have been built, design of the seals and systems for their control and regulation have been created, and an original thermoelastic and gasdynamic procedure for the analysis has been worked out.

В настоящее время большинство пользователей газовых центробежных компрессоров и нагнетателей столкнулось с проблемами, которым прежде не уделялось должного внимания, они возникли с появлением новых требований по экологии, безопасности, экономичности и надёжности систем уплотнений [1].

В связи с этим наметилась тенденция к переходу от уплотнений валов с масляным гидрозатвором, имеющих довольно громоздкую, ненадежную и энергоёмкую систему вспомогательного оборудования к безмасляным (сухим) газодинамическим уплотнениям.

Система «сухих» газодинамических уплотнений имеет следующие преимущества перед масляной с гидрозатвором:

- отсутствие систем обеспечения циркуляции уплотнительного масла, что ведёт к существенной экономии на обслуживании, сказывается на энергосбережении и существенно снижает уровень пожароопасности;

- резко снижаются потери рабочего газа на уплотнении (до 1...5 м3/ч на одно уплотнение);

- в 20 и более раз снижаются потери на трение в уплотнениях;

- эффект от применения газодинамических уплотнений увеличивается в компрессорах с газотурбинным приводом;

- при снижении потребляемой компрессором мощности на 1% расход топлива на газовой турбине уменьшается на несколько процентов;

- исключается загрязнение сжимаемого газа маслом, в то время как в случае использования масляных уплотнений из-за загрязнения газотранспортного трубопровода затворным маслом уплотнений на 1% уменьшается его пропускная способность;

- ресурс газодинамического уплотнения соизмерим со сроком эксплуатации компрессора;

- уменьшается объём обслуживания уплотнений: контроль за работой уплотнений производится с панели управления: обслуживание системы газодинамических уплотнений минимально периодическое (раз в 1...3 года) и предусматривает в основном визуальный осмотр и замену по необходимости фильтрующих элементов панели и резиновых уплотнительных колец уплотнений.

При относительно высоких первоначальных затратах на оснащение компрессора «сухими» газодинамическими уплотнениями они быстро (в течении 2-3 лет) окупаются в процессе их эксплуатации за счёт преимуществ, оговоренных выше. Ведущие мировые производители компрессоров отреагировали на требования рынка, и на сегодняшний день большинство компрессоров предлагается заказчикам именно с газодинамическими уплотнениями в качестве стандартного варианта.

Внедрение газодинамических уплотнений в стационарных центробежных компрессорах началось с середины 70-х годов. Первый патент на «сухие» газодинамические уплотнения был получен в 1968 году фирмой «John Crane» (Великобритания) срок действия которого истёк в 1987 году. С этого времени началось их массовое производство и использование. На мировом рынке появились уплотнения фирм «Pacific Wielz» (США), «Burgmann» (Германия), «EG&G Sealol» (США), «Flexibox» (Англия), «Dresser Rend» (США), «Flow Serve» (США) «Грейс-инжиниринг» (Украина).

За прошедшие годы фирмой «John Crane» изготовлено и внедрено более 5000 уплотнений при общей наработке более 1,5 млн. часов, фирмой «Burgmann» более 500 уплотнений, фирмой «Dresser Rend» более 250 уплотнений, фирмой «Грейс-инжиниринг» более 200 уплотнений на центробежных компрессорах и нагнетателях в том числе и Российского производства.

Уплотнения фирмы «John Crane» устанавливались и вводились в эксплуатацию совместно с ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» (ЗАО НТК) на ряде компрессоров производства ОАО «Казанькомпрессормаш»: на ОАО “Мозырьский НПЗ” (Беларусь), на «Павлодарском НПЗ» (Казахстан), в ПО «Шимкентнефтеоргсинтез» (Казахстан), на Помарской КС (ООО Волготрансгаз). В этих случаях фирма «Джон Крейн» выступила в качестве поставщика уплотнений, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им В.Б. Шнеппа» проводило инжиниринговое обеспечение (разработка рабочей документации на переоснащение, доработки роторов и корпусов, переоснащение системы автоматики, пуско-наладочные работы).

«Сухие» уплотнения фирмы «Джон Крейн» применены совместно с ЗАО «НИИтурбокомпрессор им В.Б. Шнеппа» в нагнетателях: ГПА-16 «Волга» на Помарской КС, ГПА-12 «Урал» на Пермской КС и компрессорах 542-300/4,5-64 для Приобской КС ООО «Юганскнефтегаз», 2ГЦ2-41/58-79 для Комсомольского НПЗ ООО «Кедр 89».

К сожалению, такие уплотнения не всегда доступны потребителям из-за их высокой стоимости. Многие заказчики компрессорных машин предпочитают приобретение надёжных узлов отечественного производства, т.к. они сталкиваются с большими проблемами при закупке импортных запасных частей.

В связи с этим в начале 90-х годов ЗАО НТК приступило к созданию отечественных уплотнений для центробежных компрессоров.

Специалистами ЗАО НТК был проведён анализ существующих конструкций и схем исполнения газодинамических уплотнений. В результате было выявлено три основных конструкции уплотнений, используемых в зависимости от условий применения: одинарное, тандемное и двойное.

Одинарное уплотнение применяется для оборудования, утечки продукта в атмосферу из которого не представляют опасности (по заказу может комплектоваться лабиринтом со стороны газа и манжетой со стороны подшипника). Такой вариант в сочетании с подключением к факельной линии обеспечивает отсутствие утечек в окружающую среду.

Тандемное уплотнение применяется в оборудовании с допустимыми небольшими утечками газа. Уплотнение со стороны атмосферы функционирует как аварийное. Тандемное расположение обеспечивает повышенную эксплуатационную безопасность.

Двойное уплотнение применяется в оборудовании, для которого недопустима утечка компримируемого газа в атмосферу.

В качестве основной, наиболее приемлемой для газовых центробежных машин и нагнетателей, была принята конструкция и схема исполнения тандемного уплотнения (рис.

1), отработка которой явилась объектом теоретических, экспериментальных и опытноконструкторских исследований.

Рис. 1 - Тандемное газодинамическое уплотнение для ГПА-16

На рабочих поверхностях вращающихся колец пар трения «сухих» уплотнений у различных фирм-производителей имеется различное исполнение газодинамических канавок, отличающихся формой и профилем, основные из которых представлены на рис. 2.

В результате проведённых нами теоретических исследований было доказано преимущество спиральных канавок над всеми остальными моделями с точки зрения жесткости газового слоя и равномерности распределения давлений. Этот тип канавок был принят в качестве модели исследования для разработки собственных уплотнений. Расчётная схема уплотнений со спиральными канавками (не реверсивное) и симметричными канавками (реверсивное) представлены на рис. 3. В ходе этих исследований был определён основной принцип функционирования бесконтактных уплотнений - образование стабильного, ламинарного, изовязкого, дозвукового потока рабочего газа, что и стало определяющим направлением всех последующих изысканий в этой области.

Основы создания отечественной газодинамической модели «сухих» уплотнений были заложены в работах профессора Пинегина С.В. (Институт машиноведения г. Москва), дальнейшее развитие теоретические исследования получили в работах профессора Максимова В. А. (КГТУ г. Казань). Им была разработана математическая модель торцового газодинамического уплотнения, учитывающая критическое истечение газа из щели. Работы были продолжены М.Б.Хадиевым, В.В. Можановым и А.П. Репиным. Однако, они не полностью учитывали процессы протекающие при работе уплотнений. В программе, разработанной М. Б. Хадиевым не учитывались термоупругие деформации колец, в программе В.В.Можанова, температура в газовом слое рассчитывалась по упрощённой аналитической зависимости, для работы по программе А.П. Репина требовались эмпирические коэффициенты определяемые из эксперимента, из-за отсутствия которых работа не была завершена. В настоящее время профессором С.В. Фалалеевым и доцентом А.С. Виноградовым (Самарский аэрокосмический университет) разработаны методы расчёта, учитывающие форму зазора в уплотняющей паре (паре трения), которые показали, что расчёты, проводимые предыдущими авторами, имеют погрешность до 50 %. В работах этих авторов анализируются влияние геометрии аксиально-подвижного кольца на величины силовых и температурных деформаций уплотнительных колец. Задачу решения дифференциальных уравнений Ламе для элементов уплотнения они проводят с использованием программных компонентов типа АК81Б.

В ЗАО НТК были разработаны методика и программа расчёта с реверсивными и нереверсивными канавками, учитывающие результаты работ С.В. Пинегина, С.В.Фалалеева,

В. А. Максимова и профессора Г.Н. Дена (Санкт -Питербургский институт пищевой промышленности), которые позволяют учитывать силовые и температурные деформации уплотнительных, влияние геометрии элементов пары трения.

Целью проводимых в ЗАО НТК исследований является создание надёжных, конкурентоспособных, отвечающих требованиям эксплуатации отечественных газодинамических уплотнений для центробежных компрессоров и нагнетателей.

Для достижения поставленной цели специалистами ЗАО НТК были решены следующие задачи:

1) разработаны конструкции «сухих» газодинамических уплотнений, отвечающие «Типовым техническим требованиям к «сухим» (газодинамическим) уплотнениям центробежных нагнетателей природного газа и системам, обеспечивающим их работоспособность», предъявляемыми ОАО «Газпром» и другими потребителями (покупателями) уплотнений;

2) разработаны системы регулирования и контроля за работой уплотнений, учитывающие особенности эксплуатации компрессорных машин;

3) разработана математическая модель, методика и программа расчёта на ЭВМ газодинамических уплотнений, которая учитывает:

- силовые деформации рабочих пар трения под действием давления уплотняемого

газа;

- тепловые деформации пар трения вследствие разогрева уплотнения во время работы компрессора;

Такая модель получила название термоупругогазодинамической (ТУГД).

Разработана программа расчёта, скорректировання с учётом результатов экспериментальных исследований.

В ЗАО НТК достигнуты значительные успехи в создании панелей регулирования и контроля (стоек) «сухих» газодинамических уплотнений. Созданная для центробежного

компрессора 5ЦД-208/35-45М успешно эксплуатируется в сочетании с уплотнениями фирмы «Джон Крейн» на ОАО «Мозырьский НПЗ» в непрерывном режиме в течении 7-ми лет. В разработанной стойке используются импортные фитинги и приборы и отечественные арматура и регуляторы давления. При этом её стоимость почти вдвое ниже стоимости стойки производства фирмы «Джон Крейн». Кроме того, в разрабатываемых нами стойках предусмотрены элементы, учитывающие условия эксплуатации нагнетателя или компрессора, что не учитывается зарубежными поставщиками, их стойки поставляются в общепромышленном исполнении.

Для нагнетателей ГПА-16 разработана документация 4Х модификаций стоек с различной комплектацией приборами и арматурой, что даёт заказчику возможностьосущест-вить выбор при заказе систем уплотнений.

Для проверки работоспособности, выводов теоретических исследований, а также для проведения приёмо-сдаточных заводских испытаний уплотнений в ЗАО НТК были изготовлены стенды испытаний газодинамических уплотнений, которые позволяют моделировать режимы работы компрессора близкие к реальным условиям эксплуатации.

Экспериментальный стенд включает в себя установку (рис. 4), электродвигатель, мультипликатор, систему смазки подшипников, автоматическую защиту, контрольноизмерительную и регулировочную аппаратуру, испытуемые уплотнения, систему регулирования и контроля уплотнений.

В установку устанавливаются два испытуемых узла, между которыми под требуемым давлением подаётся сжатый азот.

Размеры уплотнений соответствуют устанавливаемым в компрессорах и нагнетателях.

Результаты приёмо-сдаточных уплотнений для компрессоров 5ЦД-208/35-45М и 2ГЦ2-16/27-37 приведены в таблицах 1 и 2. Испытания уплотнений на стенде проводились со штатной стойкой, разработанной и изготовленной для указанных компрессоров. Основным, определяющим работоспособность уплотнений, параметром является величина утечки уплотняемого газа, замеряемого на каждом уплотнении поплавковыми расходомерами. Исследования показали, что уплотнения обоих компрессоров работоспособны и имеют незначительные утечки после 1ой ступени - менее 1 нм3/час. Однако они не были зафиксированы расходомерами, имеющими шкалу измерения от 1 до 10 нм3/час, т.к. величина утечек была ниже предела измерения.

Допустимая максимальная величина утечек для такого типа уплотнений составляет 5 нм3/час, при этом подаётся сигнал «авария» и компрессор идёт в останов, после чего проводится ревизия уплотнений с целью выявления причины повышенных утечек. Оптимальной для работы уплотнений является величина утечек до 2 нм3/час, при 3 нм3/час на работающих компрессорах выдаётся сигнал «предавария».

В настоящее время наши уплотнения успешно работают в составе компрессора 2ГЦ2-23/21-37 УХЛ4 с 2003 года на комплексе глубокой переработки нефти в ОАО «Лу-койл-Пермнефтеоргсинтез», с 2006 года в компрессоре 5ЦД-208/35-45М на ОАО «Куйбышевский НПЗ», с 2009 года в компрессоре 4ГЦ2-124/14-79 ГТУ на ОАО «Южно-Балыкский ГПК», с августа 2010 года сданы в эксплуатацию уплотнения для водородосодержащего газа на компрессоре 2ГЦ2-16/27-37 УХЛ 4 на ОАО «Ангарская НХК».

Таблица 1 - Результаты испытания сухих газодинамических уплотнений на воздухе компрессора 5ЦД-208/35-45М

Частота вращения п, об/мин Давление перед уплотнением Рн, кг/см2 3 Величина утечек, нм /ч

1650 3 0

3000 10 0

3000 15 0

4000 20 0

4000 25 0

7000 27 0

Таблица 2 - Результаты приёмочных испытания сухих газодинамических уплотнений на водородосодержащем газе компрессора 2ГЦ2-16/27-37 УХЛ

Частота вращения, об/мин Давление перед уплотнениями, кгс/см 3 Величина утечек, нм /ч

ОП ОУП

12700 27,03 2,6 2,7

Специалисты ЗАО НТК способны квалифицированно разработать, изготовить, проконтролировать качество готовых изделий, испытать их на стенде, на компрессоре или нагнетателе в условиях эксплуатации и провести их сервисное обслуживание в эксплуатации.

В таблице 3 приведены результаты внедрения систем сухих газодинамических уплотнений производства ЗАО НТК.

Таблица 3 - Поставка системы сухих газодинамических уплотнений разработки ЗАО «НИИТурбокомпреспоставка системы сухих газодинамических уплотнений разработки заосор им. В.Б. Шнеппа» осуществлена на следующие объекты

Год пуска в эксплуатацию Марка компрессора и уплотняемая среда Место эксплуатации Давление уплотняемого газа, кгс/см2 Комплектация системы уплотнений Примечание

Панель регулирования и контроля Узлы уплотнений

2002 5ЦД-208/30-45 М Водород ОАО «Мозырьский НПЗ» 30 ЗАО «НИИтурбоком-прессор им В.Б. Шнеппа» (ЗАО НТК) «Джон Крейн» В эксплуатации

2003 2ГЦ2-23/21-37 Метан ООО «Лукойл-Пермьнефтеоргзинтез» 21 ЗАО НТК ЗАО НТК ЗИП -«Грейс-инжиниринг» В эксплуатации

2006 5ЦД-208/30-45 М Водород ОАО «Куйбышевский НПЗ» 30 ЗАО НТК ЗАО НТК В эксплуатации

2008 3ГЦ2-61/41-54 Водород ОАО «Уфанефтехим» 40 ЗАО НТК «Грейс- инжиниринг» В эксплуатации

2008 3ГЦ2-174/1,2-17 Жирный газ ООО «РН-Комсомольский НПЗ» 1,2 ЗАО НТК «Джон Крейн» Монтаж установки

2009 4ГЦ2-124/14-79 ГТУ Природный газ ОАО «Южнобалык-ский ГПК» СибурТюменьГаз 14 ЗАО НТК ЗАО НТК ЗИП -«Грейс-инжиниринг» В эксплуатации

2010 2ГЦ2-14/25-40 Водород ООО «Лукойл-Нижегоднефтеоргсин- тез» 25 ЗАО НТК «Грейс- инжиниринг» Пусконаладочные работы

2010 2ГЦ2-16/27-37 Водород ОАО «Ангарский НПЗ» 27 ЗАО НТК ЗАО НТК ЗИП - «Джон Крейн» Проведены приёмочные испытания в августе

2010 6ГЦ2-260/2-38 ГТУ Природный газ Усинский ГПЗ 2 ЗАО НТК ЗАО НТК Изготовление и испытания для трёх компрессоров

2010 5ГЦ2-216/14-26 Водород ОАО «Сызранский ГПЗ» 14 ЗАО НТК ЗАО НТК Изготовление и испытания

2010 4ГЦ2-184/13,5-76 Природный газ ОАО «Губкинский ГПЗ» 13,5 ЗАО НТК ЗАО НТК Изготовление и испытания

С целью широкомасштабного внедрения «сухих» уплотнений и панелей управления и контроля необходимо в в кратчайшие сроки решить следующие задачи:

1. провести всесторонние натурные испытания уплотнений и их систем управления и контроля в условиях эксплуатации ГПА на линейных магистральных газопроводах;

2. разработать типоразмерный ряд ТГДУ и систем их управления и контроля;

3. разработать технологию и освоить серийное производство уплотнений;

4. откорректировать алгоритм комплексного проектирования, учитывающий совместные действия силовых и температурных деформаций уплотняющих колец, а также течение газа в щели с учетом переменной глубины канавок по результатам испытаний уплотнений на натурных объектах;

5. создать современную экспериментальную базу для исследования ТГДУ на давление уплотняемого газа до 300 кгс/см2.

Литература

1. Максимов, В.А. Компрессорное и холодильное машиностроение на современном этапе /

B. А. Максимов, А. А. Мифтахов, И.Г. Хисамеев// Вестник Казан. технол. ун-та. - 1998. - №1. -

C. 104-113.

© Г. С. Баткис - д-р техн. наук, проф., зам. ген. директора по производству, ЗАО «Научноисследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа», niitk@kazan.ru; В. К. Хайсанов - канд. техн. наук, нач. отделения маслосистем, подшипников, уплотнений и модернизации, ЗАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа», niitk@kazan.ru; Е. А. Новиков - сотр. ЗАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа»; Н. М. Лившиц - нач. отдела маслосистем и модернизации, ЗАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа», niitk@kazan.ru; В. А. Максимов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. компрессорных машин и установок КГТУ.