CC BY
33
МРНТИ 55.39.31
https://doi.org/10.48081/OHDB4182
*А. Б. Шаймардан1, А. Х. Мустафин2, Г. Ж. Сейтенова3, Д. Н. Цабылцайыр4
1,2,3,4 Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ С ДВОЙНЫМИ ТОРЦЕВЫМИ УПЛОТНЕНИЯМИ
В данной статье приведена методика проектирования системы охлаждения центробежных насосов с двойными торцевыми уплотнениями, с целью разработать систему охлаждения торцевых уплотнений горизонтального многоступенчатого насоса для перекачки сжиженных газов. Задачами исследования являлось: проведение гидравлического и теплотехнического расчета системы охлаждения торцевых уплотнений насоса; разработка рекомендации по подбору основных узлов и их обвязки в системе охлаждения.
В результате анализа причин возникновения неисправности одного из торцевых уплотнений установлено, что насос был подключен к цеховой системе охлаждения с выполнением требований по обеспечению подачи и давления в рекомендуемом изготовителем (согласно требованиям чертежа) диапазоне. Подключенная система охлаждения обеспечивала подачу охлаждающей жидкости (раствор этиленгликоля) с подачей 8 л/мин. и давлением 0,4 Мпа (4 атм.). Однако, проработав не более 10 мин. его пришлось остановить по причине утечки перегоняемого сжиженного газа через одно из торцевых уплотнений. После снятия поврежденного уплотнения установлено, что оно представляет собой сдвоенное торцевое, выполненное по схеме «спина к спине», т.е. двух одинарных, расположенных противоположно друг к другу.
Такая схема установки требует других технических требований по величине давления охлаждающей жидкости, выполняющей одновременно функцию затворной, т.е., запирающей камеру уплотнения. Для такого типа уплотнений давление должно быть выше давления насоса на 0,1-0,15 МПа, т.е. для рассматриваемого насоса 4 МПа + (0,1-0,15) МПа. Таким образом, создаваемое системой охлаждения давление 0,4 МПа оказалось не достаточным, и в течении короткого периода работы насоса привело к выходу из строя уплотнения.
Ключевые слова: система охлаждения, насосы, центробежные насосы, двойные торцевые уплотнения, плунжерные агрегаты, затворная (охлаждающая) жидкость.
Введение
Актуальность темы. Торцевые уплотнения центробежных насосов вследствии напряженного режима работы при повышенной температуре рабочей жидкости и высоких давлений, являются наиболее ненадежными деталями, поскольку из-за их интенсивного износа происходит утечка нагреваемой жидкости и загрязнение окружающей среды.
Предполагаемая научная новизна. В отличие от существующих систем охлаждения торцевых уплотнений, предлогаемое устройство имеет автономную схему, приводимую плунжерным дозировочным насосом.
Практическая значимость. Для повышения долговечности двойных торцевых уплотнений разработана автономная система охлаждения с
принудительной циркуляцией жидкости, которая может применяться в центробежных насосах.
Цель исследования. Разработка системы охлаждения торцевых уплотнений горизонтального многоступенчатого насоса для перекачки сжиженных газов.
Задачи исследования. Проведение гидравлического и теплотехнического расчета системы охлаждения торцевых уплотнений насоса; разработка рекомендации по подбору основных узлов и их обвязки в системе охлаждения.
Материалы и методы
Для решения задач по проектированию системы охлаждения необходимо учитывать допустимость параметров рабочих сред, которые целесообразно рассматривать с учетом следующих факторов:
- тип уплотнения;
- давление и температура среды в камере уплотнения насоса;
- параметры охлаждающей жидкости и окружающей среды.
Для торцевых уплотнений характерно использование автономной системы, включающей бачок с охлаждающей жидкостью, выполненной по замкнутой схеме с принудительной циркуляцией или без нее, с внешним охладителем или без него.
Причины повышенной вибрации насосных агрегатов существенно зависит от уровня создаваемых при их работе. По данным авторитетных источников [1], исследовавших 32 площадки насосных станции магистральных нефтепроводов, около 38-45 % от всех отказов происходит по причине повышенных вибрации.
Разработка систем охлаждений торцевых уплотнений центробежных насосов, которая позволяет исследовать и рассматривать многоступенчатый секционный насос производства китайской компании ЛТД. Данный насос предназначен для перекачки сжиженных углеводородов. Передача крутящего момента от электрического двигателя РН=75 кВт, пН=2950 об/ мин к насосу осуществляется через упругую втулочно-пальцевую муфту. При эксплуатации горячих насосов, а также перекачивающих сжиженные газы могут возникнуть неисправности. Существует несколько источников передачи тепла среде: тепло, выделяемое при трении и напряжении, возникающем при сдвиге жидкости; тепло, выделяемое из-за возникновения сопротивления воздуха (турбулентности), вызванного вращением
частей уплотнения, и тепло, передаваемое от насоса к камере уплотнения и валу (при положительном теплопоглощении) [2].
При проектировании системы необходимо учитывать все факторы, влияющие на условия эксплуатации торцевых уплотнений. Лучшими теплофизическими свойствами, как охлаждающая жидкость, обладает вода, однако, могут использоваться антифризы различной концентрации. Температура охлаждающей жидкости на выходе из уплотнения с целью исключения кипения и коксования её на горячих поверхностях, например, сильфонов, не должна превышать 100 °С и рекомендуется к поддержанию при эксплуатации около 65...85 °С. Следует учитывать, что в расчете на прочность бачка как правило закладывается температура не более 100 °С, когда не требуется учитывать уменьшение прочностных свойств материала с ростом температуры. Температура охлаждающей жидкости на выходе из бачка, аналогично температуре охлаждающей жидкости на выходе из кольцевого холодильника, не должна превышать 40 °С во избежание интенсивного выпадения солей жесткости и биологического обрастания их. При использовании торцевых уплотнений типа тандем в бачке устанавливают избыточное давление от 0,05 до 0,15 МПа, обеспечивающее обнаружение утечки через атмосферную ступень [3]. Устанавливать большее давление не следует, так как при снятии давления с насоса или образованием вакуума его контурная ступень уплотнения может открыться в связи с изменением направления действия усилия на подвижную обойму. В случаях уплотнения среды с температурой до 50 °С возможно использование бачка без установки в нем змеевика и подачи в него охлаждающей жидкости. В этом случае рассеивание тепла от затворной жидкости происходит в окружающую среду через поверхности бачка, корпуса торцового уплотнения и частично корпуса насоса. При значительных низких температурах, приводящих к загустению затворной жидкости, перед пуском насоса в работу необходимо прогреть систему обеспечения работоспособности торцового уплотнения. Уплотнение прогревается совместно с насосом. Рекомендуемая скорость разогрева не более 100 °С/час [4].
Существует множество типов уплотнений и схем установки. Наиболее распространены три схемы:
- одинарное торцевое уплотнение;
- двойное торцовое уплотнение вала типа «Тандем» или «друг за другом»;
- двойное торцевое уплотнение вала типа «спина к спине».
Двойное торцевое уплотнение, состоящее из двух одинарных торцевых уплотнений.
Двойные торцевые уплотнения вала «Тандем» с гидравлическим затвором применяют в насосах при перекачивании:
- жидкостей с высокой температурой (выше 110 °С);
- для растворов соли и щелочей;
-для взрывоопасных, легковоспламеняющихся, ядовитых, едких, канцерогенных жидкостей;
- сред, не допускающих контакта с атмосферой.
Рисунок 1 - Конструкция двойного торцевого уплотнения вала типа «Тандем»
Схема расположения «Тандем» широко используется при применении двух одинарных торцевых уплотнений, которые размещены на валу оборудования друг за другом и работают в этой же последовательности. Такая схема обычно применяется при высоком давлении рабочей среды, образующих двойное торцевое уплотнение [5]. Основное (внутреннее) торцевое уплотнение является гидравлически разгруженным и разделяет рабочую уплотняемую среду и затворную жидкость, а вспомогательное (внешнее) торцевое уплотнение является гидравлически нагруженным и разделяет затворную жидкость и атмосферу. Вспомогательное одинарное торцевое уплотнение с конической пружиной сжатия, расположенное в камере с затворной (охлаждающей) жидкостью, разделяющая атмосферу, обеспечивает снижение перепада давления между отдельными ступенями уплотнений - для основного торцевого уплотнения, а также возможность контроля работы основного торцевого уплотнения. Обычно затворная жидкость находится под давлением атмосферы, реже это жидкость имеет давление выше атмосферного, но ниже давления рабочей (уплотняемой) среды. Для работы возможно изготовление автономного бачка с жидкостью для охлаждения узла уплотнения. Уплотнения этого типа могут работать до температуры +140 °С [6].
Схема расположения «спина к спине» является наиболее распространенной и простой по конструкции, и используется, когда необходимо применение двойного торцевого уплотнения (двух одинарных торцевых уплотнений). Оба торцевых уплотнения находятся в камере с затворной жидкостью. Основное торцевое разделяет рабочую среду и затворную жидкость, а вспомогательное торцевое уплотнение разделяет затворную жидкость и атмосферу. Давление затворной жидкости всегда должно превышать давление рабочей среды на 0,1...0,2 МПа, но не менее 0,05 МПа. Давление затворной жидкости при большом давлении
перекачиваемой жидкости обеспечиваются специальными гидравлическими усилителями или плунжерными насосами. Температура и расход затворной жидкости через уплотнительную камеру должны обеспечивать необходимый тепловой отвод от колец пар трения обоих уплотнений для надежной работы уплотнительного узла [7].
Рисунок 2 - Конструкция двойного торцевого уплотнения вала типа «спина к спине»
1 - винт стопорный; 2 - вкладыш; 3 - обойма; 4 - кольцо вращающаяся; 5 - кольцо неподвижное; 6,7 - уплотнительные кольца; 8 - пружина волнистая; 9 - втулка упорная. Рисунок 3 - Схема торцевого уплотнения 231/231
Результаты и обсуждение
Согласно техническим требованиям завода - изготовителя подача охлаждающей жидкости для торцевых уплотнений горизонтального многоступенчатого насоса должна составлять 4-10 л/мин или 0,24-0,6 м3/час. После возникновения неисправности в виде образования течи в одном из сдвоенных торцевых уплотнений установлено, что вместо предполагаемых по техническим требованиям давлению затворной жидкости, выполняющей одновременно функцию охлаждающей, 0,2-0,6 МПа необходимо для уплотнения типа «спина к спине» применить давление на 0,1-0,2 МПа, превышающее давление перекачиваемой среды, т.е 4 МПа или 40 атм. Как показано в главе 3 для этих целей обычно используется специальный бачок
СБТУ, в который закачивается газ, большей частью, азот с необходимым давлением. Циркуляция жидкости осуществляется импеллером, встроенным в основной насос. Поскольку в многоступенчатом насосе нет импеллера, то использование охлаждения системы с применением СБТУ, т.е. закачкой газа в бачок становится затруднительным [8]. Предлагается разработать и применить замкнутую автономную систему с принудительным охлаждением от вспомогательного насоса. Использование для этих целей центробежного или поршневого насоса, или группы насосов для обеспечения требуемого давления не менее 40 + (1-2) атм. нецелесообразно из-за значительных затрат и габаритных размеров этих насосов. Для обеспечения необходимых рабочих параметров по давлению и подаче, а также циркуляции жидкости в системе рекомендуется устанавливать компактные, не дорогие и простые в обслуживании плунжерные насосы. При выборе следует обратить внимание на возможность регулировать давление и подачу, количество плунжеров желательно иметь не менее 2-х, на возможность эксплуатации во взрывоопасных и пожароопасных помещениях [9].
Потери напора в нагнетательной линии незначительны 0,160.10-3 МПа, т.е. напор, создаваемый насосом, сохраняется на всем участке нагнетания практически без изменений [10]. Выбор производится из номенклатуры плунжерных насосов малой производительности и среднего давления с небольшим расходом
V
Рисунок 4 - Плунжерные дозировочные агрегаты
электроэнергии, что достаточно дешевле и удобнее, чем применение других насосов.
Выводы
В результате анализа причин возникновения неисправности одного из торцевых уплотнений установлено, что насос был подключен к цеховой системе охлаждения с выполнением требований по обеспечению подачи и давления в рекомендуемом изготовителем (согласно требованиям чертежа) диапазоне. Подключенная система охлаждения обеспечивала подачу охлаждающей жидкости (раствор этиленгликоля) с подачей 8 л/мин. и давлением 0,4 Мпа (4атм.). Однако, проработав не более 10 мин. его пришлось остановить по причине утечки перегоняемого сжиженного газа через одно из торцевых уплотнений. После снятия поврежденного уплотнения установлено, что оно представляет собой сдвоенное торцевое, выполненное по схеме «спина к спине», т.е. двух одинарных, расположенных противоположно друг к другу. Такая схема установки требует других технических требовании по величине давления охлаждающей жидкости, выполняющей одновременно функцию затворной, т.е., запирающей камеру уплотнения. Для такого типа уплотнений давление должна быть выше давления насоса на 0,1-0,15 МПа, т.е. для рассматриваемого насоса 4 МПа + (0,1-0,15) МПа. Таким образом, создаваемое системой охлаждения давление 0,4 МПа оказалось не достаточным, и в течении короткого периода работы насоса привело к выходу из строя уплотнения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Сейтенова, Г. Ж. Основы нефтепереработки: Учебное пособие. -Павлодар : Кереку, 2014. - С. 23-27.
2 Мустафин, А. Х., Кайролла Б. К., Абдирахман А. Ш. Разработка системы охлаждений торцевых уплотнений центробежных насосов.- 2021. - С. 114-121.
3 Кораблева, О. Н., Смирнов Д. Ю., Макаровская К. Е., Небольсина, Л. А. Применение торцевых уплотнений в насосах нефтеперерабатывающих заводов.-2020. - С. 17-21.
4 Голубев, А. И. Торцевые уплотнения вращающихся валов.- 2019. - С. 212.
5 Папков, С. В. Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.- 2017. - С. 20-21.
6 Годжаев, З. А., Зайцев С. Д., Суминов И. В., Сомов О. В. Долговечность торцевого уплотнения центробежного насоса с нанокерамическими композиционными покрытиями по технологии МДО. - 2019. - С. 44-47.
7 Зазулов, В. И. Центробежный насос. - 2018. - С. 24-28.
8 Широбоков, П. Э. Двойные торцевые уплотнения для центробежных насосов. - 2017. - С. 67-69.
9 Майер, Э. Торцевые уплотнения. - 2018. - С. 288.
10 Рахмилеевич, З. З. Насосы в химической промышленности. - 2017. -С. 240-245.
REFERENCES
1 Seytenova, G. Zh. Osnovy neftepererabotki: Uchebnoe posobie. [Fundamentals of petroleum refining: training manual].- Pavlodar: Kereku 2014. - P. 23-27.
2 Mustafin, A. Kh., Kairolla, B. K., Abdirahman, A. Sh. Razrabotka sistemy ohlazhdenii torcevyh uplotnenii centrobezhnyh nasosov [Development of a cooling system for mechanical seals of centrifugal pumps] 2021. - P. 114-121.
3 Korableva, O. N., Smirnov, D. Yu., Makarovskaya K. E., Nebolsina L. A. Primenenie torcevyh uplotnenii v nasosah neftepererabatyvayushih zavodov. [Application of mechanical seals in pumps of oil refineries].- 2020. - P. 17-21.
4 Golubev, A. I. Torcevye uplotneniya vrashayushihsya valov [Mechanical seals of rotating shafts].- 2019. - P. 212.
5 Papkov, S. V. Nauka i tehnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov [Science and technology of pipeline transport of oil and petroleum products].- 2017.
- P. 20-21.
6 Gojaev, Z. A., Zaitsev, S. D., Suminov, I. V., Somov O. V. Dolgovechnost torcevogo uplotneniya centrobezhnogo nasosa s nanokeramicheskimi kompozicionnymi pokrytiyami po tehnologii MDO [Durability of the mechanical seal of the centrifugal pump with nanoceramic composite coatings according to the MDO technology].- 2019.
- P. 44-47.
7 Zazulov, V. I. Centrobezhnyi nasos [Centrifugal pump].- 2018. - P. 24-28.
8 Shirobokov, P. E Dvoinye torcevye uplotneniya dlya centrobezhnyh nasosov [Double mechanical seals for centrifugal pumps].- 2017. - P. 67-69.
9 Maier, E. Torcevye uplotneniya [Mechanical seals] 2018. - P. 288.
10 Rakhmilevich, Z. Z. Nasosy v himicheskoi promyshlennosti [Pumps in the chemical industry].- 2017. - P. 240-245.
Материал поступил в редакцию 17.12.21.
*А. Б. Шаймардан1, А. Х. Мустафин2, Г. Ж. Сейтенова3, Д. Н. К,абылцайыр4 1,2,3,4TopaftFbipoB университет^ Казахстан Республикасы, Павлодар к. Материал бaспaFa 17.12.21 тYстi.
ЕК1 БYЙIРЛI ТЫFЫЗДАFЫШТАРЫ БАР ОРТАДАН ТЕПК1Ш СОРFЫЛАРДЫ САЛЦЫНДАТУ ЖYЙЕСIН ЖОБАЛАУ
Бул мацалада суйытылган газдарды айдауга арналган квлденец квп сатылы соргыныц соцгы тыгыздагыштарын салцындату жуйест жасау ушт цос тыгыздагыштары бар ортадан тепкш соргылардыц салцындату жуйест жобалау эдiсi келтiрiлген. Зерттеу мтдеттертщ бiрi: соргыныц соцгы тыгыздагыштарын салцындату жуйестщ гидравликалыц жэне
жылу техникалъщ есебт жург^зу; салцындату жуйестде неггзгг тораптарды тацдау жэне оларды байлау бойынша усыныстар эз1рлеу.
Соцгы тыгыздагыштардыц б1р1н1ц ацаулыц себептерт талдау нэтижестде соргы внд1руш1 усынган диапазонда (сызба талаптарына сэйкес) беру мен цысымды цамтамасыз ету талаптарын орындай отырып, салцындату цехыныц жуйесте цосылганы аныцталды. Косылган салцындату жуйес1 салцындату суйыцтыгын (этиленгликоль ерШтдШ) 8 л/мин берумен жэне 0,4 Мпа (4атм) цысыммен цамтамасыз етт1.). Алайда, 10 минуттан артыц жумыс iстемегеннен кешн, оны соцгы тыгыздагыштардыц бiрi арцылы тазартылган суйытылган газдыц агып кетуте байланысты тоцтатуга тура келдi. Зацымдалган тыгыздагышты алып тастаганнан кейт, ол «артца-артца» схемасына сэйкес жасалган, ягни бiр-бiрiне царама-царсы орналасцан ек жацты болып табылады.
Мундай орнату схемасы салцындатцыштыц цысымыныц басца техникалыцталаптарын талап етедi, ол бiруацытта Ысырма функциясын орындайды, ягни тыгыздау камерасын цулыптайды. Тыгыздаудыц бул myрi ушт цысым соргыныц цысымынан 0,1—0,15 МПа жогары болуы керек, ягни царастырылып отырган соргы ушт 4 МПа + (0,1—0,15) МПа. Осылайша, салцындату жyйесiмен жасалган 0,4 МПа цысымы жеткШксьз болды жэне соргыныц цысца уацыт штде тыгыздагыштыц wтен шыгуына экелдi.
Кiлmmi свздер: салцындату жуйеЫ, соргылар, ортадан тепкш соргылар, ек жацты тыгыздагыштар, плунжер агрегаттары, ысырма (салцындатцыш) суйыцтыц.
*A. B. Shaimardan1, A. H. Mustafin2, G. J. Seitenova3, D. N. Kabylkaiyr4
1,2,3,4Toraighyrov University,
Republic of Kazakhstan, Pavlodar. Material received on 17.12.21.
DESIGN OF A COOLING SYSTEM FOR CENTRIFUGAL PUMPS WITH DOUBLE MECHANICAL SEALS
This article describes the design methodology for the cooling system of centrifugal pumps with double mechanical seals in order to develop a cooling system for the mechanical seals of a horizontal multi-stage pump for pumping liquefied gases. The objectives of the study were: hydraulic and thermal engineering calculation of the pump mechanical seal cooling system; development of recommendations for the selection of the main components and their binding in the cooling system.
As a result of the analysis of the malfunction causes in one of the mechanical seals, it was found that the pump was connected to the shop cooling system ensuring supply and pressure in the range recommended by the manufacturer (according to the requirements of the drawing). The connected cooling system provided the supply of coolant (ethylene glycol solution) with a supply of 8 liters/ min. and a pressure of 0.4 Mpa (4atm.). However, after working for no more than
10 minutes. it had to be stopped due to a leak of distilled liquefied gas through one of the mechanical seals. After removing the damaged seal, it was found that it is a double end seal made according to the «back to back» scheme, i.e. two single seals located opposite to each other.
Such an installation scheme requires other technical requirements in terms of the pressure of the coolant, which simultaneously performs the function of a gate, i.e., locking the sealing chamber. For this type of seals, the pressure should be 0.1—0.15 MPa higher than the pump pressure, i.e. for the pump in question 4 MPa + (0.1-0.15) MPa. Thus, the pressure created by the cooling system of 0.4 MPa was not sufficient, and during a short period of operation of the pump led to the failure of the seal.
Keywords: cooling system, pumps, centrifugal pumps, double mechanical seals, plunger units, shut-off (cooling) fluid.
Теруге 17.12.21 ж. жiберiлдi. БасуFа 27.12.21 ж. кол койылды. Электрондык баспа 5,07 Mb RAM
Шартты баспа Ta6aFbi 9,15 Таралымы 300 дана. БаFасы келiciм бойынша. Компьютерде беттеген: Е. Е. Калихан Корректор: А. Р. Омарова
Тапсырыс № 3875
«Toraighyrov University» баспасынан басылып шьиарыетан ТораЙFыров университетi 140008, Павлодар к., Ломов кеш., 64, 137 каб.
«Toraighyrov University» баспасы ТораЙFыров университет 140008, Павлодар к., Ломов к., 64, 137 каб. 67-36-69
e-mail: kereku@tou.edu.kz nitk.tou.edu.kz
