03.10.2011
Компрессоры на природном газе, принципы их работы и особенности смазочных систем.

Природный газ широко используется для отопления домов, производства электроэнергии и в качестве основного сырья, используемого в производстве многих видов химической продукции. Природный газ, как и нефть, относится к полезным ископаемым. Он, так же как и нефть, образуется в земной коре в результате рзложения растений и животных, которые жили на Земле миллионы лет назад. Газ может залегать на значительной глубине (от 1000 м до нескольких километров) в виде отдельных крупных скоплений (газовая залежь) или в виде газовой шапки в нефтегазовом месторождении, или в растворенном состоянии в нефти или воде.

В земной коре (преимущественно в районах распространения многолетнемерзлых пород, а также под дном Мирового океана) газ может переходить и в твердое состояние, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях (до 250 атм. ) и сравнительно низких температурах (до 295°К, или примерно 22 °С).

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. В России объём добычи природного газа в 2005 году составил 548 млрд м³. Внутренним потребителям было поставлено 307 млрд м³. В 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объему добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объему добычи товарного газа, идущего на продажу. Это объясняется ростом добычи сланцевого газа.

Из недр земли газ извлекается с помощью скважин, затем транспортируется на перерабатывающие предприятия, где он очищается от примесей, а затем транспортируется в распределительные центры для доставки конечному потребителю.
В настоящее время основным видом транспорта газа является трубопроводный. С использованием различных типов и размеров компрессоров газ охлаждается и под давлением 75 атмосфер прокачивается по распределительным трубам диаметром до 1,4 метра. Через определённые промежутки вдоль трубопровода для охлаждения газа и подкачки его до 75 атм. сооружаются компрессорные станции. Огромный лабиринт труб дистрибьюторской сети доставляет газ на рынок в чистой, полезной форме.

В этой статье далее рассматриваются некоторые аспекты устройства газового компрессора, а также сведения о компрессорных смазочных материалах и жидкостях технического обслуживания. Кратко даны некоторые принципы анализа проблем влияния масла на работу компрессора.

Состав природного газа на устье скважины может быть различным и часто содержит различные композиции летучих углеводородов в дополнение к примесям, включающим двуокись углерода, сероводорода и азота. Коммерческие трубопроводы природного газа содержат преимущественно метан и меньшее количество этана, пропана, а иногда и незначительное количество бутана, как показано в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Состав природного газа из скважин

Таблица 2. Температура выпускного газа для различных типов компрессоров

Газовые компрессоры
Компрессоры могут быть разделены на две основные категории - поршневые и ротационные. Все они относятся к типу объемного действия. Принципы их действия в основном аналогичны. Отличие состоит в том, что в поршневом компрессоре все процессы происходят в одном и том же месте (рабочем цилиндре), но в разное время, а в ротационном всасывание и нагнетание осуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Компрессоры используются также для сжатия воздуха.

Поршневые компрессоры
При работе поршневого компрессора происходит физическое сокращения объемов газа, содержащегося в цилиндре за счет поступательного движения поршня. Когда объем газа уменьшается, соответственно увеличивается давление. Поток воздуха или газа в камеру и из нее обычно регулируется автоматическими клапанами, открывающимися и закрывающимися от разницы давления на каждой их стороне.

Поршневые компрессоры могут быть дополнительно классифицированы как компрессоры одностороннего или двойного действия. Компрессоры одностороннего действия обычно относятся к тронковому типу и имеют одну камеру. В компрессорах двойного действия сжатие происходит попеременно в двух камерах, расположенных с каждой стороны поршня.

Рассмотрим процесс смазки компрессора, разделив его для удобства на две части, которые должны быть смазаны. Это цилиндровая часть и ходовая часть. Цилиндровая часть включает поршни, поршневые кольца, цилиндровые пальцы, цилиндровые уплотнители и клапаны. Все детали, связанные с вождением конца крейцкопфа, основные шатунные и крейцкопфные подшипники относятся к ходовой части.

Уравнение, рекомендуемое для оценки количества масла, впрыскиваемого в цилиндр для смазки:

Q = BxSxNx62.8 / 10000000

Где В - диаметр цилиндра (дюймы), S - длина хода поршня (в дюймах), N - скорость вращения (оборотов в минуту)
и Q - норма расхода масла в квартах за 24-часовой рабочий день. (дюйм=25,4 мм; кварта=1,14 л)
Смазочный материал подается непосредственно в цилиндры и уплотнители с помощью механического насоса и смазочного устройства. Машины простого действия, которые, как правило, открыты для картера, используют впрыск смазки для смазывания цилиндров. Клапаны компрессора смазываются из автоматического распылителя смазки. По сравнению со смазкой цилиндровой части, смазка ходовых частей, как правило, гораздо проще, потому что нет контакта с газом. Производитель оборудования обычно указывает необходимую степень вязкости масла.

В процессе работы компрессора температура газа возрастает с увеличением давления, и если тепло не удаляется, смазка будет подвергаться воздействию высоких температур и подвергаться тяжелым разложениям. Поэтому компрессорные цилиндры оснащены охлаждающими рубашками. Охлаждающей жидкостью, как правило, служит вода или водно-гликолевый хладагент. Во многих случаях смазочные материалы выполняют и охлаждающую роль, потому что смазываемые детали подвергается воздействию сжатого газа при высоких температурах. Те же смазки можно использовать для охлаждения как цилиндровых, так и ходовых частей. Таким образом, смазки кроме смазывания, должны проявлять термическую и антиокислительную стабильность. В таблице 2 сравниваются диапазоны рабочих температур различных типов компрессоров.

Ротационные компрессоры
Ротационные компрессоры используют сжатие газа для уменьшения его объема и увеличения давления. Примерами этого типа компрессоров являются винтовые, роторно-кулачковые и роторно-пластинчатые компрессоры (рис. 1, 2 и 3).

        Рисунок 1. Винтовой компрессор

        Рисунок 2. Роторно-кулачковый компрессор

        Рисунок 3. Роторно-пластинчатый компрессор

Винтовой компрессор, показанный на рисунке 1, состоит из двух сцепленных между собой роторов с зубчато-винтовыми лопастями. Процесс сжатия в винтовых компрессорах происходит в камерах, образующихся между боковыми поверхностями зубов рабочих винтов и корпусом винтового элемента. Торцы 2-х роторов, вращающихся в противоположных направлениях, открывают впускное отверстие, и газ поступает в компрессионную камеру. Газ всасывается и сжимается между роторами и картером, сформированным выступом одного ротора («папа») и желобом другого («мама»). По мере вращения роторов внутренний объем камеры постепенно уменьшается, сжимая газ. Достигнув заданной величины давления, газ выходит через выпускной канал, соединенный с трубопроводом.

Эти компрессоры доступны в виде сухого или влажного (маслонаполненного) типа.
Типовая конструкция компрессора сухого сжатия работает без подачи масла в рабочую полость. Ведущий и ведомый роторы расположены в корпусе, который может иметь водяную рубашку охлаждения. При отсутствии смазки касание винтов роторов недопустимо, поэтому между ними существует минимальный зазор, обеспечивающий безопасную работу компрессора. Большинство винтовых компрессоров относится к маслонаполненным. В них масло впрыскивается в компрессионную камеру через центральный канал. Масло смешивается с воздухом (или газом) и не позволяет роторам соприкасаться, герметизируя зазоры между ними и предотвращая газовую рекомпрессию. Она возникает, когда под высоким давлением горячий газ выходит через уплотнение между роторами или через другие неплотности и сжимается вновь. Разреженный газ нарушает предусмотренный режим работы блока, что часто приводит к потере производительности и низкой надежности. Смазка также действует как эффективный охладитель, отводя тепло во время сжатия газа. Например, для винтовых воздушных компрессоров, температура нагнетаемого воздуха может составлять от 80 ° С до +110 º C, ускоряя окисление масла из-за турбулентного перемешивания горячего воздуха и масла.

Упрощенная схема системы смазки типичного винтового компрессора показана на рисунке 4.

         Рисунок 4. Система смазки винтового компрессора

Сепаратор или маслоотделитель является важным компонентом системы смазки. .Здесь сжатый газ отделяется от масла. После разделения, масло охлаждается, фильтруется, а затем закачивается обратно в систему циркуляции масла. Подшипники ротора смазываются тем же самым маслом из отдельного лубрикатора.

Схема двухроторного или роторно-кулачкового компрессора показана на рисунке 2.
Принцип действия аналогичен винтовому компрессору, за исключением того, что два кулачковых ротора, вращающихся синхронно, не касаются друг друга. В ходе вращения роторов, пространство между ними и корпусом последовательно заполняется газом , который сжимается и перемещается к напорному патрубку. Поскольку при работе компрессора нет механического контакта вращающихся кулачков с корпусом, для этапа сжатия газа не требуется ни масляное, ни водяное уплотнение в течение длительного срока работы. Подшипники и приводы смазываются с использованием системы смазки под давлением.

Роторно-пластинчатый компрессор схематически показан на рисунке 3.
Компрессор состоит из цилиндрического корпуса (статора), в котором эксцентрично расположен ротор с пазами (слотами) по длине. В пазах ротора свободно располагаются пластины, перемещающиеся по пленке масла. Когда ротор начинает вращаться, пластины выдвигаются из пазов и скользят по внутренней стенке цилиндра. Между соседними пластинами образуются индивидуальные камеры сжатия. В процессе вращения ротора в камерах постоянно изменяется объем. Газ (или воздух) заходит в камеру через впускное отверстие до тех пор, пока следующая пластина не перекроет его. В этот момент камера замыкается, достигая в этом месте своего максимального объема. По мере удаления камеры от впускного отверстия, ее объем постоянно уменьшается, вследствие чего давление газа внутри нее увеличивается. Воздух высокого давления выпускается через выходное отверстие вместе с остаточным количеством масла, отделяемым в маслоуловителе. Выделение тепла, при вращении ротора, контролируется впрыском масла под давлением. Смазка, образуя тонкую пленку, обеспечивает свободное скользящее движение пластин по поверхности корпуса компрессора в условиях высокого давления.

Динамический компрессор (в данном случае центробежный), показан на рисунке 5. Он работает по другому принципу.

        Рисунок 5. Центробежный компрессор

Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, сжимается и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре, где скорость газа уменьшается, а кинетическая энергия преобразуется в статическое давление.

В центробежных компрессорах масло и газ не вступают в контакт друг с другом, что является основным отличием от компрессоров объемного действия. Требования к смазке проще и, как правило, смазка достаточно хорошо защищает от ржавчины, а слабо окисленное масло обеспечивает качественную смазку подшипников, зубчатых колес и уплотнений. Одним из преимуществ компрессора этого типа является возможность обработки больших объемов газа.

Выбор компрессорного масла зависит от типа и конструкции компрессора, степени сжатия газа и окончательной температуры на выходе.
Поршневые компрессоры обеспечивают высокое давление газа и являются одними из самых сложных с точки зрения технического обслуживания, смазки и надежности оборудования. Лаковые и углеродистые отложения, появляющиеся вследствие окисления, аккумулируются вокруг самых горячих деталей системы - выпускных клапанов и в нагнетательных трубах. Тем не менее, хорошие показатели R & O масла (подавление ржавчины и окисления ) часто бывает достаточным для смазки поршневого компрессора, например, маслом на основе сложных эфиров, таким как Corena AP. Винтовые компрессоры с окончательным давлением ниже 1 МПа менее трудны для смазки. Из-за потенциала контакта лопастей и цилиндра или кулачков друг с другом, ротационные винтовые и пластинчатые компрессоры требует использования противоизносного масла.

Выбор надлежащего компрессорного масла с соответствующими физико-химическим свойствами для каждого типа компрессора является жизненно важным для его успешной работы. Эти вопросы будут наиболее полно рассмотрены во второй части статьи.

По материалам журнала “Machinery Lubrication”