Оптимизация межремонтных периодов системы охлаждения турбокомпрессорных агрегатов

УДК 622.451

Ю.И. Чумак

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕЖРЕМОНТНЫХ ПЕРИОДОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Семинар № 16

ТУ статье приведены результаты

.О исследований работы кожухот-рубчатых воздухоохладителей первой и второй ступени турбокомпрессора, определена динамика изменения показателей (температуры, производительности,

удельного расхода электроэнергии) получены эмпирических зависимости, произведен расчет для оптимизации межремонтного периода.

Постановка проблемы. Наибольшее влияние на показатели работы турбокомпрессора оказывает система охлаждения, от эффективности которой зависит производительность и потребляемая мощность. Существующие две ступени промежуточного охлаждения оказывают влияние на характеристику работы турбокомпрессора. Их количественная оценка позволит оптимизировать межремонтный период системы в целом. Надежность компрессорного оборудования во многом зависит от своевременного и качественного технического обслуживания. Внеплановые остановки компрессорного оборудования приносят огромные убытки предприятиям. Чтобы уменьшить количество внеплановых остановок, которое в среднем составляет, например, по КГМК «Криворожсталь» 28 раз в год. Что превышает допустимое в число остановок в три раза. Изучение зависимостей, по которым происходят изменения производительности, мощности, удельного расхода электроэнергии от наработки на отказ турбокомпрессора; зависимости коэффициента эффективности от времени наработки теплообменного аппарата позволят в дальнейшем оптимизировать межремонтные периоды системы охлаждения турбокомпрессорных агрегатов.

За счет уменьшения количества остановок на ремонт, позволят прогнозировать и планировать все планово-предупредительные и капитальные ремонты.

Анализ последних исследований и публикаций. Анализу охлаждения сжатого воздуха турбокомпрессора посвящено большое число научных работ [1-3]. В работах авторов [2-4] научно-исследовательского института горной механики им. М.М. Федорова приводятся результаты исследования влияние минерального состава вод в условиях Донецкого угольного бассейна на показатели работы турбокомпрессоров. Авторами работ [4, 5] значительное внимание уделено влияние температуры сжатого воздуха на производительность турбокомпрессора. Увеличение потребления электроэнергии на 0,8-2 % на каждые 10 °С недоохлаж-денного сжатого воздуха приводит к уменьшению производительности.

Основная цель данной работы - исследование работы кожухотрубчатых воздухоохладителей первой и второй ступени охлаждения турбокомпрессора, определения динамики изменения показателей (температуры, производительности,

удельного расхода электроэнергии) с целью получения эмпирических зависимостей для оптимизации межремонтного периода. А также с учетом специфики вод Криворожского железорудного бассейна.

Анализ межремонтных периодов системы охлаждения турбокомпрессорных агрегатов.

Анализ информации по работе турбокомпрессора типа К 500-61-1(20 шт.), К 250-61-1 (3 шт.) проводился в период с 01.01.2000 по 01.09.2004 г.г. на шахтных

компрессорных станциях КС им. Кирова, КС Коммунар и КС Гвардейская в ходе исследования рабочих журналов. Анализ журналов наблюдений, показал: отсутствие данных относительно температурных режимов на промежуточных ступенях охлаждения. В журналах наблюдений фиксировались только: дата, наработка на отказ оборудования, причины остановок ком-прессора, замена вышедших из строя узлов, ремонтные работы по восстановлению работоспособности машины.

Процесс образования накипи и налета в трубных пучках воздухоохладителей одинаково происходит как на шахтных турбокомпрессорах так и в ходе работы турбокомпрессоров при производстве кислорода на КГМК «Криворожсталь». Это связано с одинаковым химическим составом окружающего воздуха и минерализацией воды. Анализ воды [1] показал, что содержание пыли (крупностью > 0,005 мм) доменных шлаков, кварца, песка, металлических частичек, а также растворенных солей окиси магния в 3 раза превышает норму, стандартизированную ГОСТ 20689-80 («Турбины паровые стационарные для привода компрессоров и нагнетателей Типы, основные параметры и общие технические требования»). Наличие в охлаждаемой жидкости окиси натрия превышает минимальное значение, требуемые по ГОСТ 20689—80 в 6,5 раза, нитратов в 10 раз, а ангидрида и хлор ионов в 3 раза.

В связи с недостаточным изучением влияния температурных режимов на промежуточных ступенях охлаждения в период с 01.01.2001 по 01.09.2004 г.г. на ВАТ КГМК «Криворожсталь» были проведены исследования для восполнения и дальнейшего анализа необходимой информации. Объектом наблюдения были турбокомпрессоры типа К 1500-61-1 (10 шт.). В ходе наблюдения за работающим оборудованием в журналах наблюдения фиксировались: наработка на отказ промежуточных систем воздухоохлаждения, производительность турбокомпрессора, затраты электроэнергии (мощность двигате-

ля), температура сжатого воздуха промежуточной ступени воздухоохлаждения, температура охлаждающей жидкости на входе и выходе теплообменника, температура окружающего воздуха, причины остановки турбокомпрессора, давление сжатого воздуха после каждой из ступеней сжатия, ремонтные работы по отдельным узлам и агрегатам машины. Данные пополнялись дополнительными сведениями из опроса механиков, рабочих, обслуживающих данный вид оборудования. Преимущество такого вида контроля за работающим оборудованием в том, что все режимы работы турбокомпрессоров фиксируются каждый час, данные получены в реальных условиях эксплуатации технологического оборудования.

Собранная информация была введена в компьютер для дальнейшей обработки с помощью программы Excel (пакета программ фирмы Microsoft Offices). Для обработки из журналов наблюдения бралась информация, содержащая показатели работы турбокомпрессора (производительность, расход электроэнергии, температурные данные) через каждые сто часов работы оборудования. Отдельно просчитано, сколько времени проработал каждый трубный пучок.

Выборка считается полной, когда имеются данные не менее чем 80 случаев отказов [6] теплообменного аппарата, поэтому в нее были включены и промежуточные данные по состоянию турбокомпрессора между заменами охладительной системы. Следующим этапом является проведение усредненного расчета полученных данных с шагом наработки 100 часов. По полученным данным были построены эмпирические зависимости коэффициента эффективности от времени наработки теплообменного аппарата (рис. 1, 2); зависимости производительности, потребление электроэнергии, удельный расход электроэнергии от наработки на отказ (рис. 3). Что позволило оценить работу как отдельных элементов так и всей системы турбокомпрессора в целом.

Процесс ухудшения работы охлаждения турбокомпрессора во времени определяется коэффициентом эффективности охлаждения сжатого воздуха /=

где Тн и Тк - начальная и конечная температура сжатого воздуха в кожухотрубча-том теплообменнике, Тв - температура охлаждающей воды, поступающая в тепло-обменный аппарат.

Анализ изменений коэффициента эффективности трубного пучка (рис. 1) связан с образованием во внутренних полостях трубок низкотемпературной накипи и налета. Отложения на внутренних поверхностях трубок резко ухудшают условия теплообмена, поскольку накипь имеет высокое термическое сопротивление. Кроме того, отложения сужают проходное сечение, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления охладителя. При ограниченных напорах (ниже 0,4 МПа), создаваемых насосами, снижается скорость движения охлаждающей жидкости в трубках и соответственно уменьшается ее расход через охладитель. Загрязнения со стороны охлаждаемого газа приводят к повышению гидравлического сопротивления охладителя сжатого воздуха, что вместе с повышением температуры газа снижает производительность компрессора.

На рис. 1 показаны кривые ухудшения

работы теплообменных аппаратов.

Кривые 1, 2 (рис. 1) описывает соответственно эффективность работы первого и второго воздухоохладителей

Рис. 1. Характеристика охлаждения турбокомпрессора по ступеням охлаждения

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

как видно из графиков с течением времени происходит плавное снижение коэффициента эффективности теплообменника. Это связано с тем, что при новом (или почищенном) кожухотрубчатом охладителе эффективность охлаждения более высокая, так как такой аппарат имеет низкие теплоизолирующие свойства и высокую теплопроводность. С началом эксплуатации происходит более интенсивный процесс оседания накипи в трубном пучке, вызванный высокой температурой. Стенки трубки, имеют свойство аккумулировать при высоких температурах отложения растворенных солей в воде. В результате чего происходит быстрое оседание на стенках трубок накипи. Дальнейшая эксплуатация трубного пучка приводит к уменьшению скорости потока охлаждающей жидкости, уменьшению эффективности охлаждения сжатого воздуха, возрастанию теплоизолирующих свойств стенки трубки за счет уменьшение скорости оседания из за низкой температуры.

Суммарное влияние коэффициента эффективности теплообменной системы на работу турбокомпрессора (рис. 2) подтверждает зависимости, полученные на рис. 1. И доказывает, что суммарное влияние температур недоохлажденного сжатого воздуха на эффективность теплообмена, чем отдельных ступеней охлаждения.

/ * 1 ♦ "V ^

♦

ю

20

30

40

50

60

70

Ь, дни

Рис. 2. Усредненная характеристика охлаждения турбокомпрессора

По полученным точкам была построена аналитическая зависимость эффективности теплообмена от наработки на отказ теплообменного аппарата. Полученная зависимость представляет собой полином третьей степени у = -4Е-06х3 + 0,0004х2 -

0.0152х + +0,7425,

(2) 2

с коэффициентом достоверности Я2 = 0,86.

Увеличение энергозатрат связано с удельным расходом электроэнергии следующей зависимостью кВт/м3

к =

где N - мощность электродвигателя, МВт; Q - производительность турбокомпрессора, м3/ч.

Изменение производительности мощности (Т), удельного расхода электроэнергии (к) от наработка на отказ турбокомпрессора показано на рис. 3. Как видно из рис. 3 кривая зависимости производительности турбокомпрессора от времени эксплуатации быстро снижается. В результате аппроксимации полученных данных было выявлено - зависимость имеет вид полинома третьей степени у = -5Е-07х3 + 0,0004х2 - 0,0565х + +8,9985

с коэффициентом достоверности отклонения точек от кривой Я2 = 0,9984.

Резкое изменение производительности турбокомпрессора с течением эксплуатации связано с процессом загрязнения трубного пучка более быстрыми темпами, чем системы промежуточного охлаждения.

Изменение мощности электродвигателя происходит медленно. Потребление электроэнергии связано лишь с дополнительными расходами на сжатие недоохла-

жденного воздуха. Поэтому повышенный расход электроэнергии незначительно влияет на износ узлов турбокомпрессора. Но оказывает влияние на износ подшипниковых узлов электродвигателя. Это отражает кривая линейной зависимости

с коэффициентом достоверности отклонения точек Я2 = 0,9365.

Кривая удельного расхода электроэнергии (к) увеличение расхода электроэнергии с увеличением длительности периода эксплуатации. Что в дальнейшем приводит к перерасходу электроэнергии на предприятии.

По расчетным точкам построено эмпирическое уравнение зависимости удельного расхода электроэнергии (к) от наработки на отказ

у = -8Е-07х3 - 9Е-05х2 + 0,0338х + +5,7821,

с коэффициентом достоверности отклонения точек от кривой Я2 = 0,9963.

Расчет оптимальных параметров, при которых турбокомпрессор работает с небольшим перерасходом электроэнергии. Полученные данные выхода из строя теп-лообменного аппарата во времени, позволяют судить о работе всей системы. Продолжительность наработки на отказ теп-лообменного аппарата составила 1275 ±

Рис. 3. Характеристика параметров турбокомпрессора

259 часа. Разброс данных колеблется от 1016 до 1534 часа. Это связано с условиями эксплуатации теплообменных аппаратов, величиной технического ресурса. Разброс температуры колеблется на выходе из первого воздухоохладителя в пределах 66° ± 6°, а на втором - 87°±13°. Минимальные значения соответствуют теплообменникам только, что введены в эксплуатацию, а максимальные значения для от ремонтированных трубных пучков.

Выводы. В результате исследований проведенных на КГМК «Криворожсталь» получены зависимости и уравнения, по которым происходят изменения производительности, мощности, удельного расхо-

да электроэнергии от наработки на отказ турбокомпрессора; зависимости коэффициента эффективности от времени наработки теплообменного аппарата. Проанализированы причины снижения эффективности работы турбокомпрессора. Осуществлен расчет граничных параметров работы турбокомпрессора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трегубов В.А., Замыцкий О.В., Копийка А.В. Оценка эффективности систем водоснабжения компрессорных станций // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: Минерал, 2000. -№77. - С. 118-121.

2. Архангельский Л.Н., Каплун А.А., Вишневец-кий В.М. Периодичность компрессорных установок //ВНИИ горной механики им. М.М. Федорова. Шахтные турбомашины.- Донецк: ВНИИ, 1974. -№ 47.- С. 83-88

3. Закиров Д.Г., Рыбкин А.А. Динамика образования накипи в трубках холодильников шахтных поршневых компрессоров // Известия вузов. Горный журнал. Свердловск: Свердловск, - 1986. - №6. - С.72-74.

4. Васильев В.В., Паршинцев В.П. Опыт эксплуатации турбокомпрессоров в шахтных условиях. - М.: Недра, 1973. - 44 с.

5. Башта В.А., Литовко Б.М., Трегубов В.А. Технико-экономическая оценка охлаждения турбокомпрессоров // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: Минерал, 2002 . - №81. - С. 25-127.

6. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа и контроля надежности. - М.: Советское радио, 1968. - 288 с.

7. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдения. - М.: Наука, 1970. - 105 с.

— Коротко об авторах -

Чумак Ю.И. - ассистент, Криворожский технический университет, Кривой Рог, Украина.