CC BY
36ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
Сеидахмедов Н. С.
Директор
Азербайджанский Государственный Научно-Исследовательский Институт по Охране Труда и Технике Безопасности Азербайджан, г. Баку
RESEARCH OF BASIC PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF VALVES OF PISTON
COMPRESSORS
Seyidahmedov N.
Azerbaijan State Scientific-Research Institute of Labor Protection and Safety Engineering
Azerbaijan, Baku
АННОТАЦИЯ
В работе дается анализ основных эксплуатационных характеристик клапанов на основе изучения различных режимов работы поршневых компрессоров в системе газлифтной эксплуатации скважин. Исследования показывают, что экономичность, безопасность, безотказность и герметичность работы клапанов резко снижается вследствие динамических процессов. Причиной является частое изменение давления и физико-химического свойства газа в общей системе. При этих условиях высокочастотные составляющие изменения давления, а также вызванные за счет этого вибрационные механические колебания пластины, сопровождающиеся нарушением герметичности или поломкой пластины, является основной причиной возникновения отказов клапанов.
ABSTRACT
The paper provides an analysis of the main operational characteristics of the valves based on the study of various operating modes of reciprocating compressors in the system of gas-lift wells operation. Studies show that the efficiency, safety, reliability and tightness of valves are dramatically reduced due to dynamic processes. The reason is the frequent change in pressure and physical and chemical properties of the gas in the general system. Under these conditions, the high-frequency components of the pressure change, as well as the resulting vibrational mechanical vibrations of the plate, accompanied by a breach of tightness or breakage of the plate, is the main cause of valve failures.
Ключевые слова: компрессорной станции, пластины, попутный нефтяной газ, газлифт, нефть, газ, газомоторный поршневой компрессор.
Keywords: compressor station, plates, associated petroleum gas, gas lift, oil, gas, gas engine piston compressor.
Многообразие конструкции компрессорных машин обуславливает использование разнообразных самодействующих клапанов. Несмотря на большой опыт применения поршневых компрессоров, научно-практические работы по созданию, усовершенствованию и использованию самодействующих клапанов продолжается по сей день [29, 33, 40, 44, 97,126].
Самодействующие клапаны поршневых компрессоров по форме замыкающего органа можно разделить на два основных вида - тарельчатые и пластинчатые. Тарельчатые клапаны имеют замыкающие органы грибовидной или чашеобразной формы. Пластинчатые - замыкающие органы в виде пластин разнообразной формы и в зависимости от формы пластин они делятся на кольцевые, дисковые, полосовые (ленточные) и прямоточные.
Кольцевой клапан
Дисковый клапан
Полосовой (ленточный) клапан Прямоточный клапан ПИК
Рис. 1. Самодействующие клапаны для поршневых компрессоров
Кольцевые клапаны [1,2] применяют главным образом на ступенях высокого давления в газовых поршневых компрессорах (до 5,0 -Н0,0 МПа).
Замыкающий элемент кольцевых клапанов выполнен в виде плоских кольцевых пластин наружным диаметром 80 -250 мм, шириной 10 -12 мм и толщиной 1-3 мм. Пластина садится на седло, а при подъеме упирается в ограничитель подъема и после процесса всасывания или нагнетания, пружины возвращают пластины обратно. Кольцевые клапаны выпускаются в двух исполнениях: типа КК -кольцевые с концентрическими пружинами и типа КТ - кольцевые с точечными пружинами.
С переходом на более прогрессивные оппо-зитные компрессорные цилиндры с повышенной частотой вращения, кольцевые клапаны в меньшей степени стали удовлетворять предъявляемым к ним требованиям. Кольцевые клапаны, обладая целыми проходными сечениями и большими подъемными массами, увеличивают потребляемую мощность компрессора и имеют невысокий срок службы. Поэтому, кольцевые клапаны постепенно заменяются дисковыми и прямоточными клапанами с большими проходными сечениями без пружины.
Дисковые клапаны характеризуются тем, что защищающий элемент выполнен в виде плоских дисков с расположенными по концентрическим окружностям прорезями для прохода газа. Диаметр дисков обычно составляет 50-150 мм, толщина 1-3 мм. В зависимости от диаметра диска количество рядов концентрических прорезей может достигать восьми.
Достоинством новейших конструкций дисковых клапанов является большая высота подъема пластины по сравнению с кольцевыми клапанами, что достигается наличием демпферных пластин и применением пружин переменной жесткости.
Полосовые клапаны обеспечивают герметичность с самопружинящими пластинами, представляющими собой прямоугольные полоски толщиной 0,4 -1 мм [66].
Высота подъема в центре пластины значительно больше, чем у ее концов. Такая деформация пластины обуславливает ее возвращение в исходное состояние за счет собственных сил упругости. Использование таких клапанов ограничено только компрессорами низкого давления. При больших давлениях 5,0^10,0 МПа сила упругости быстро исчезает и пластины ломаются.
Язычковые клапаны обеспечивают герметичность с пластинами, один конец которых жестко защемлен. Форма пластин разнообразна и определяется конструкцией седла. Применяются язычковые клапаны только на компрессорах низкого давления или на вакуумных компрессорах.
Наиболее прогрессивным типом пластинчатых клапанов являются прямоточные клапаны, которые применяются, главным образом, на воздушных компрессорах общего назначения, поршневых компрессорах магистральных газопроводов, газ-лифтных и дожимных компрессорных станциях [3,4]. Во всех этих случаях они практически вытеснили самодействующие клапаны других конструкций.
Эффективные показатели компрессорных агрегатов, работающих в системе газлифтной эксплуатации нефтяных скважин, зависят от технико-эко-номичности, безопасности и герметичности их отдельных узлов. Так, технические дефекты и потеря энергии в клапанах практически составляет 10-12% от потребляемой мощности компрессора [5], при этом нижняя граница потерь достигнута сравнительно недавно благодаря применению более современных прямоточных клапанов. Число отказов по причине клапанов составляет 40-50% от общего числа отказов компрессорной установки. Затраты мощности на преодоление сопротивлений клапанов поршневых компрессоров составляют около 10% от номинальной, а в передвижных и специальных (высокого давления) компрессорах эти затраты достигают 20-30% от общей мощности [6, 7, 8].
Прямоточного клапан собран в пакет из однотипных элементов, состоящих из седла и примыкающей к нему пластины-пружины. Пакет элементов скреплен кольцами, фиксированными стопорными планками. Обратная сторона седла служит ограничителем подъема для пластины соседнего элемента. Седла клапанов изготовляют из алюминиевого сплава или из стали. Пластины установлены в клапане параллельно потоку газа, который входит в ячейки седла, отжимает их к ограничителю подъема и проходит в цилиндр (если клапан всасывающий) или выходит из него (если клапан нагнетательный).
В конструкции клапана ПИК-АМ сохранено взаимное расположение пластин и каналов для прохода газа. Пластина клапана состоит из нескольких замыкающих элементов, связанных общей перемычкой по защемляемому краю. Каждый подвижный элемент перекрывает несколько каналов в седле (обычно, не более трех-четырех). Такая форма пластин дает возможность значительно увеличить периметр щели, ее полезную площадь прохода и как следствие, снизить скорость газа в клапане. Кроме того, применение более узких замыкающих элементов в клапанах ПИК-АМ позволяет увеличить герметичность клапанов и сохранить производительность поршневого компрессора.
Опыт эксплуатации прямоточных клапанов марки ПИК с прямоугольными пластинами без прорезей показывает, что герметичность и долговечность клапанов зависит от ряда факторов: от перепада давления на клапане, наличия пульсации давления газа, присутствия в газе влаги, паров нефти и масла, механических примесей, величины хода пластины и ее формы и т.д.
Анализ отказов некоторых деталей и узлов газомоторных поршневых компрессоров установленных на компрессорных станциях показали, что каждый поршневой компрессор в среднем находился в работе 3665, в простое 550, в ремонте (или в резерве) 795 часов.
Данные полученные в результате исследований свидетельствуют о необходимости повышения безотказной работы поршневых компрессоров, где основной причиной отказов являются неполадки с клапанами (прямоточного типа).
Осуществлен анализ состояния вышедших из строя деталей, работавших в различных условиях, т.е. на приеме и нагнетание. Анализ результатов наблюдений за работой приемных и нагнетательных клапанов компрессорных цилиндров, установленных на I ступенях поршневых компрессоров показал, что в 67 случаев отказы относится к всасывающим клапанам и 148 к нагнетательным клапанам I ступени, а 95 к нагнетательным и 43 к всасывающим клапанам II ступени.
Установлено, что отказы клапанов, установленных на компрессорных цилиндрах I ступени по сравнению с другими значительно выше. Следовательно что, температура оказывает существенное влияние на количество отказов прямоточных клапанов, которые, в основном, имеют место в результате разрушения их пластин.
Положительный опыт эксплуатации прямоточных клапанов в воздушных компрессорах общего назначения, их высокие показатели по экономичности и долговечности диктует необходимость экспериментальных исследований, и разработки технических решений, которые обеспечили бы расширение области эффективного применения прямоточных клапанов, в частности, на компрессорах, применяемых для газлифтной эксплуатации нефтяных скважин.
В тяжелых условиях газлифтной эксплуатации нефтяных скважин клапаны типа ПИК практически имели время работы до отказа не более 1500^1700 час. Однако, усовершенствованием формы пластин (сделав в ней несколько прорезей) клапанов типа ПИК-А была достигнута большая их герметичность. При этом время их работы до отказа достигло 2500^3000 час.
Опыт эксплуатации поршневых компрессоров показывает [9], что прямоточные клапаны, по сравнению с клапанами других конструкций (тарельчатыми, пластинчатыми и т.п.) более надежные и отличаются эксплуатационной долговечностью.
Таким образом, анализ существующих работ в области повышения надежности поршневых компрессоров, условий их эксплуатации, оптимизации технологических параметров работы, а также изучение основных характеристик и причин отказов отдельных узлов, в том числе клапанов поршневых компрессоров показали, что использование прямоточных клапанов позволяет уменьшить удельный расход потребляемой мощности, увеличить надежность работы компрессора, сохранить производительность за счет уменьшения герметичности пластин клапанов компрессора согласно техническим паспортам, и снизить уровень производимого им шума.
Литература
1. Шкурков, Андрей Юрьевич Исследование усталостных свойств сталей для прямоточных клапанов поршневых компрессоров. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Курск, 2006.
2. Багирова Г.С. Повышение работоспособности уплотнительных узлов газлифтных клапанов: Автореф. дис. ... докт. философии по техн. наук, Баку: 2011, 22 с.
3. Costagliola E. The theory of spring-loobd valves for reciprocating compressor. Journal of Applid Mechanies №4, 1950. с. 12-14
4. Калекин В.В. Разработка и исследование поршневых пневмодвигателных агрегатов с самодействующими клапанами. М.: РГБ, 2005. 234с.
5. Поршневые компрессоры. Б. С. Фотин, И. Б. Пирумов, И. К. Прилуцкий, П. И. Пластине Под
общ.-ред. Б.С. Фотина. — Л.: Машиностроение. 1987. — 872 с.
6. Фролов П.П., Дмитриев В.Т. Прямоточные клапаны конструкции СТИ (Свердловский горный институт им. Вахрушева). Сб. Компрессорное и холодильное машиностроение, М., Цинтихимнефте-маш, 1971, №4.
7. Pont A., López J., Rigola J. Pérez-Segarra C.D. Numerical dynamic analysis of reciprocating compressor mechanism. Parametric studies for optimization purposes, Tribology International, 2017, p.1-14
8. Mara N.E. Reis, Hanriot S. Incompressible pulsating flow for low Reynolds numbers in orifice plates. Flow Measurement and Instrumentation. 2017. p. 146-157
9. Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. М.: Альянс. 2013. 588с.
