CC BY
17
Kharlamov Oleg Gennadievich, postgraduate, smspal@mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
УДК 621.512
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-499-503
АНАЛИЗ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ
КОМПРЕССОРОВ НА БАЗЕ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ СТУПЕНЕЙ
С.С. Бусаров, А.В. Беликов, А.А. Капелюховский, А.А. Капелюховская
В данной статье представлены результаты анализа возможности осуществления замены компрессорного оборудования, применяемого предприятиями непрерывного цикла производства на многоцилиндровые компрессоры, состоящие из тихоходных малорасходных ступеней. Выгода в такой замене будет в отсутствии необходимости резервирования оборудования и получение агрегатов с меньшими массогабаритными характеристиками с меньшей номенклатурой запасных деталей и узлов.
Ключевые слова: длинноходовой поршневой компрессор, рабочие процессы, предприятия непрерывного цикла, массогабаритные характеристики компрессоров.
Применение сжатых газов весьма разнообразно: в различных отраслях промышленности, для частного использования. В зависимости от специфики технологии рассматриваемого производства и вида сжимаемого газа требования к конструкциям и параметрам рабочего процесса поршневого компрессора могут быть различны, один и тот же компрессор может применяться на разных производствах, а требования к нему при этом будут различны, продиктованные отраслевыми нормами [1,2].
Существуют предприятия с так называемым непрерывным циклом - это предприятия, деятельность которых невозможно временно приостановить по техническим причинам. Например, это атомные станции и нефтеперерабатывающие организации, гостиничный сервис, металлургия. На таких предприятиях оборудование обязательно имеет двух и даже трёх кратный резерв, в том числе и компрессорное оборудование, для безостановочной работы во время аварий или проведения плановых ремонтных работ.
Альтернативой существующим поршневым компрессорам среднего и высокого давления могут служить тихоходный длинноходовые компрессорные ступени [3-6]. Такие ступени близки по своим характеристикам к изотермическим, достигаемый в них показатель политропы при сжатии воздуха, составляет - 1,04...1,08[7]. Данные ступени осуществляют сухое сжатие за счёт применения современных композиций на основе фторопласта [8,9], что позволяет применять их для сжатия опасных, ядовитых газов.
Целесообразно было бы рассмотреть возможность применения таких ступеней на нефтезаводах при сжатии водородосодержащего газа с отношением давления нагнетания к давлению всасывания не более 2,5. При таких режимах работы, если учесть известные данные, коэффициент подачи для тихоходных ступеней составляет не менее 0,95 и индикаторный изотермический кпд также близок к этому значению (см. рис. 1) [4].
В связи с малой производительностью одной тихоходной компрессорной ступени (порядка 0,001 нм3/с), возникнет вопрос об увеличении производительности.
Решение данного вопроса возможно за счёт создание многоцилиндровых компрессорных агрегатов на базе разработанных тихоходных длинноходовых ступеней.
В многоцилиндровых агрегатах каждая ступень или группа ступеней имеет собственный привод, поэтому в соответствии с заранее составленным планом графиком можно выводить поочередно небольшую часть ступеней для осуществления планового ремонта, при этом производительность агрегата будет пропорционально уменьшаться. Так если рассмотреть 14 цилиндровый агрегат, представленный на рис. 2, в котором каждая из ступеней имеет свой привод, то вывод на ТО одной из ступеней уменьшит производительность на 7,2%, что невозможно сделать для существующих агрегатов. При этом, зная производственную загрузку компрессора, можно совмещать изменение производительности с плановым ТО.
Рассмотрим эффективность замены существующих оппозитных поршневых компрессоров применяемы на Омском нефтеперерабатывающем заводе АО "Газпромнефть". Примеры заменяемых компрессоров представлены в табл. 1.
Объект исследования. Многоцилиндровые компрессоры на базе тихоходных компрессорных ступеней: диаметр цилиндра - 0,05м; ход поршня 0,5 м; сжимаемый газ - водородосодержащий.
Рвс - давление всасывания, Рн - давление нагнетания, Vе - производительность при нормальных условиях, Твс - температура всасывания (данные в соответствие с табл. 1).
499
1
Рис. 1. Зависимость индикаторного изотермического кпд от степени повышения давления:
1 - время цикла 2 с; 2 - время цикла 4 с
Рис. 2. Пример 14-ти цилиндрового тихоходного агрегата
Таблица 1
Характеристики поршневых оппозитных компрессоров__
Установка Обозначение Рвс, МПа Рн, МПа Ve, м3/ч Твс, К Число ступеней Число цилиндров
Установка гидроочистки дизельных топлив Л-24-9 4ТМ16-45/35-55С 3,43 5,3 5300 308 1 1
Секция С-100 установки КТ-1/1 4JBK 1,7 5,45 3000 305 1 4
Установка гидроочистки и депарафи-низации дизельного топлива 1TZL320 производства NEUMAN & ESSER GmbH & Co. KG Maschinenfabrik 6,98 9,22 2356 321 1 2
Секция гидроочистки узкой фракции бензина Worthington» тип BDCB 7 V4 X 7V4X8I/2 3,47 4,56 507 316 1 2
Метод исследования. Методика расчёта рабочих процессов тихоходных длинноходовых компрессорных агрегатов основана на известной математической модели с сосредоточенными параметрами [10,11]. Расчётная схема рассматриваемой ступени и основные упрощающие допущения подробно представлены в [12]. Входными данными для расчёта являются: температура всасывания; давление нагнетания и давление всасывания; газовая постоянная; теплоёмкость газа; коэффициент теплопроводности; диаметр цилиндра; ход поршня; величина мёртвого объёма; частота рабочего цикла; характеристики материала, из которого сделаны детали, образующие рабочую камеру; толщина стенок; конструктивные параметры клапанов; коэффициенты теплоотдачи на внешних поверхностях цилиндра ступени. Выходными данными результатов расчёта являются: текущие параметры состояния газа; температура стенок рабочей камеры; тепловые и массовые потоки; интегральные характеристики ступени, в том числе средняя температура нагнетания, индикаторная мощность и др.
Система основных расчётных уравнений уточненной методики расчёта аналогична известным методикам такого типа [13,14] и может быть записана в следующем виде:
р =2---, С1)
3 Г.хС .
3 V,-
500
dU. dL. dQ. dm. x i
dx
j_J
U.
dt dt dx
idU,
и, 0 d%
dL
j
dx
Pj x sD
dx d2 x
(2)
(3)
(4)
П0- начальное значение внутренней энергии газа, Дж; ёП^ - изменение внутренней энергии газа, Дж; dQj - элементарный тепловой поток, К; ёЬ^ - работа, совершённая над газом или самим газом, Дж; ёда,-изменение массы газа в рабочей камере, кг; / —энтальпия газа, Дж/кг; Я - газовая постоянная, Дж/К-кг; § - коэффициент сжимаемости реального газа; V - объём газа, м3; Сч- - объёмная теплоёмкость газа, Дж/м3.
Закон сохранения массы газа в рабочей камере поршневой ступени учитывает как элементарные массовые потоки через открытые клапаны, так и через зазоры в цилиндропоршневой группе и в закрытых клапанах; элементарные массовые потоки через клапаны и зазоры рассчитываются на основании уравнения течения газа через щели; процессы теплообмена описываются законом Фурье и уравнением Ньютона-Рихмана.
Система расчётных уравнений решалась численно методом конечных разностей. При разработке алгоритма был применён метод Эйлера 2-го порядка точности.
Особенность данной модели является применение в качестве тихоходной компрессорной ступени - ступени двойного действия.
Результаты. Проведённые расчёты по определению параметров компрессоров представленных в табл. 1 позволили создать модели альтернативных компрессорных агрегатов на базе малорасходных тихоходных компрессорных ступеней. Результаты сравнения массогабаритных параметров существующих и вновь созданных агрегатов представлены в табл. 2.
Характеристики поршневых оппозитных компрессоров
Таблица 2
Установка Обозначение Масса и занимаемый объём существующего компрессора Масса и занимаемый объём альтернативного компрессора
Установка гидроочистки дизельных топлив Л-24-9 4ТМ16-45/35-55С 24700 кг 43 м3 19000 29,1 м3
Секция С-100 установки КТ-1/1 4JBK 37000 кг 47 м3 10500 25 м3
Установка гидроочистки и депарафинизации дизельного топлива 1TZL320 производства NEUMAN & ESSER GmbH & Co. KG Maschinenfabrik 4500 кг 2,5 м3 4300 1 м3
Секция гидроочистки узкой фракции бензина Worthington» тип BDCB 7 V4 X 71/4X81/, 24700 кг 43 м3 19000 29,1 м3
Сравним показатели стандартизации и унификации, такие как коэффициент применяемости Кпр и коэффициента повторяемости К„.
Коэффициент применяемости К„р рассчитывается по формуле (5):
(5)
Кпр - • 100 %,
"г И
где п - общее количество типоразмеров составных частей в изделии; п0 - количество оригинальных типоразмеров составных частей.
Коэффициент повторяемости Кп рассчитывается по формуле (6):
Кп - —' п
(6)
где N - общее количество составных частей в изделии; п - общее количество типоразмеров составных частей в изделии.
Для существующих компрессоров коэффициент применяемости составляет до 0,94; коэффициент повторяемости 12.. .16.
Для тихоходных малорасходных ступеней: Кпр = 0,99 и Кпов = 15 . То есть разработанная квазиизотермическая ступень сжатия находится на передовом уровне по показателям унификации.
Представленные результаты позволяют констатировать тот факт, что создаваемые тихоходные агрегаты позволяют успешно конкурировать с поршневыми оппозитными компрессорами при этом, не уступая им в массогабаритных показателях.
Как было показано ранее и, учитывая конструктивные особенности таких компрессоров (см. рис. 1) - все цилиндры идентичны по исполнению и имеют каждый свой привод, планируемая замена позволит эксплуатировать их без резерва и с возможностью выведения части ступеней в ремонт или для проведения ТО.
Учитывая полученные результаты, и проведя дополнительные экспериментальные исследования по подтверждению ресурса тихоходных ступеней, в будущем замена существующего компрессорного оборудования на агрегаты, в составе которых находятся тихоходные компрессорные ступени, вполне возможна.
Список источников
1. ГОСТ 10393-2014. Компрессоры, агрегаты компрессорные с электрическим приводом и установки компрессорные с электрическим приводом для железнодорожного подвижного состава. М.: Стандартинформ, 2016. 21 с.
2. ГОСТ 31843-2013. Нефтяная и газовая промышленность. Компрессоры поршневые. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2015. 166 с.
3. Yusha V.L. Analysis of The Operating Cycle Efficiency of the Long-Stroke Slow Stage under the Changing Ratio of The Piston Forward and Backward Stroke Time / V.L. Yusha, S.S. Busarov, A.V. Ne-dovenchanyi // AIP Conf Proc 2018 Vol 2007. P030058-1-030058-5.
4. Nedovenchanyi A.V., Yusha V.L., Busarov S.S. Experimental evaluation of the efficiency of long-stroke, low-speed reciprocating compressor stages in compression of different gases // Chemical and Petroleum Engineering. 2018. Vol. 54. Р. 593-597. DOI: 10.1007/s10556-018-0520-1.
5. Yusha V.L., Busarov S.S., Gromov A.Yu. chemical and petroleum engineering. 2017. Chemical and Petroleum Engineering, 53(7-8). DOI: 10.1007/s10556-017-0362-2.
6. Busarov S.S., Goshlya R.Yu., Gromov A.Yu., Nedovenchanyy A.V., Busarov I.S., Titov D.S. Mathematical modeling of heat transfer processes in the working chamber of a low-speed stage of a piston compressor in Compressor technique and Pneumatics. 2016. No. 6. P. 6-10.
7. Busarov S.S. at all. Implementing the principles of operating processes schematization and of performance losses distribution when designing long-stroke reciprocating compressor stages // 12th International Conference on Compressors and their Systems City, University of London, 2021. P. 1-11. DOI: 10.1088/1757-899X/1180/1/012016.
8. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: справочник. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
9. Максимов В.А., Баткис Г.С. Основы триботехники и герметологии: учебник. Титул-Казань, 2007. 312 с.
10. Corberan J.M., Gonzalvez J., Urchueguia J., Calas A. Modelling of Refrigeration Piston Compressors // International Compressor Engineering Conference. 2000. P. 1436.
11. Davies R., Bell A. Mathematical modeling of reciprocation air compressors / Mining Technol. 1987. 69, №795. P. 13-14.
12. Busarov S.S., Yusha V.L., Nedovenchanyy A.V., Titov D.S. Analysis of the efficiency of external cooling of slow-speed long-stroke oil-free reciprocating compressor stages with asymmetric design scheme // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2007. P. 030055-1 - 030055-7.
13. Chrustalev B.S.; Zdalinsky V.B., Bulanov V.P.A. Mathematical Model of Reciprocating Compressor With One or Several Stages for the Real Gases // International Compressor Engineering Conference. 1996. P. 1108.
14. Plastinin P., S. Fedorenko. Simulation of Transient Gas-Temperatures in Cylinders of Reciprocating Compressors Using Identification Techniques with a Mathematical Model // International Compressor Engineering Conference. 1978. P. 295.
Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Беликов Александр Валерьевич, главный механик, Россия, Омск, АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-
ОНПЗ»,
Капелюховский Андрей Анатольевич, канд. техн. наук, главный специалист, Россия, Омск, АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ»,
Капелюховская Александра Александровна, ассистент, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
ANALYSIS OF THE COMPETITIVENESS OF HYDROGEN-CONTAINING CIRCULATION COMPRESSORS
BASED ON LOW-SPEED LONG-STROKE STAGES
S.S. Busarov, A.V. Belikov, A.A. Kapelyukhovsky, A.A. Kapelyukhovskaya
This article presents the results of the analysis of the possibility of replacing compressor equipment used by enterprises of a continuous production cycle with multi-cylinder compressors consisting of low-speed
502
low-flow stages. The benefit in such a replacement will be in the absence of the need to reserve equipment and obtain aggregates with smaller weight and size characteristics with a smaller range of spare parts and components.
Key words: long-stroke reciprocating compressor, work processes, continuous cycle enterprises, mass and dimensional characteristics of compressors.
Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Belikov Alexander Valerievich, chief mechanic, head of the chief mechanic's department, Russia, Omsk, JSC GAZPROMNEFT-ONPZ,
Kapelyukhovsky Andrey Anatolyevich, Employee, Russia, Omsk, JSC GAZPROMNEFT-ONPZ,
Kapelyukhovskaya Alexandra Alexandrovna, senior lecturer, shipunovaa@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 658.512.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-503-509
НОРМОКОНТРОЛЬ ВЫПУСКНЫХ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ РАБОТ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ СТАНДАРТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДЕЛЕЙ
М.С. Чепчуров, Б.С. Четвериков, А.Н. Масловская
Предложенная в работе процедура выполнения нормоконтроля выпускных квалификационных работ в ВУЗе по машиностроительным специальностям позволяет значительно сократить время выполнения процедур нормоконтроля за счет использования как шаблонов документов, так и автоматизации операций нормоконтроля. При этом согласно предложенному подходу нормоконтролер может выполнять свои функции удаленно, заполняя в электронном виде только те разделы соответствующих электронных форм документов, где предусмотрен «ручной» ввод, остальные разделы документов должны заполняться автоматически.
Ключевые слова: нормоконтроль, профессиональный стандарт, электронная модель, конструкторская документация, FreeCAD.
Введение. Профессиональные стандарты специалистов по проектированию продуктов в различных направлениях машиностроения, предусматривают умения и знания в разработке и оформлении конструкторской документации (КД) [1, 2]. Подготовка специалистов по направлению 15.03.05 и 15.04.05 - Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств в проектно-конструкторской деятельности прямо предусмотрено федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС). Одна из общепрофессиональных компетенций этого ФГОС требует от выпускника умений и навыков в разработке технической документации [3, 4].
Оформление конструкторской документации связано с соблюдением целого ряда требований к её оформлению, соблюдение которых должно контролироваться на этапе её выпуска, в случае с учебным заведением, на этапе допуска к защите выпускной квалификационной работы (ВКР). В Единую систему конструкторской документации (ЕСКД) [5] и Единую систему технологической документации (ЕСТД) [6] входят сотни стандартов [7-9], соблюдение которых необходимо при оформлении ВКР. Объем выпускной квалификационной работы бакалавра составляет от 7 до 10 листов формата А1 - графическая часть, и 70.100 листов формата А4 - теоретическая часть, без учета приложений. Оформление такого объёма конструкторской документации должно сформировать у выпускника компетенции инженера-конструктора в соответствии с требованиями профессионального стандарта.
Нормоконтроль в ВУЗе. Проведение процедуры нормоконтроля в ВУЗе основано на требованиях ГОСТ 2.111-2013 [10], и здесь стоит выделить документы, подвергаемые нормоконтролю, учитывая, что лицо, проводящее нормоконтроль ограничено во временных ресурсах (чаще всего объём учебной нагрузки на проверку одной ВКР не превышает одного академического часа).
