RU2340794C1 - No-lubricant gas-compressor plant - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to turbine building and can be used in production of steam turbines to allow lower production costs by replacing lubricants with desalted process water. The proposed no-lubricant gas-compressor plant incorporates a drive gas-turbine unit and a centrifugal compressor. Note here that to cool the pairs of friction, to seal rotor joints and to allow operation of the plant control components, the aforesaid pairs of friction are made of silicon carbide that allows using desalted process water for cooling purposes.

EFFECT: reduced production costs by replacing lubrication with desalted process water.

1 dwg

Description

Изобретение «Безмасляный газоперекачивающий агрегат» относится к машиностроению, а конкретно к области турбостроения, и может быть использовано в газовой промышленности на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также в па-ротурбостроении.The invention "Oil-free gas pumping unit" relates to mechanical engineering, and in particular to the field of turbine construction, and can be used in the gas industry at compressor stations of gas pipelines, as well as in steam turbine construction.

В настоящее время на тысячах газоперекачивающих агрегатов (ГПА), структурно включающих в себя газотурбинную установку (ГТУ) в качестве привода центробежного нагнетателя (ЦБН) для компремирования и транспортировки природного газа по магистральным газопроводам отечественным и зарубежным потребителям, для функционирования гидравлических систем регулирования нагрузки ГПА, охлаждения и смазки баббитовых пар трения, уплотнения разъемов роторов ГТУ и ЦБН применяется дорогостоящее, пожароопасное и экологически вредное турбинное масло марки ТП-22 и ТП-30 (ГОСТ 99 72-74).Currently, in thousands of gas pumping units (GPU), which structurally include a gas turbine unit (GTU) as a centrifugal supercharger drive (CBN) for compressing and transporting natural gas through gas pipelines to domestic and foreign consumers, for the functioning of hydraulic systems for regulating the GPU load, of cooling and lubrication of babbitt friction pairs, sealing of rotor joints of gas turbine engines and pulp and paper mill uses expensive, fire hazardous and environmentally harmful turbine oil mark and TP-22 and TP-30 (GOST 99 72-74).

При общем количестве типовых неисправностей ГПА порядка 81 наименования при 153 причинах их возникновения доля «масляных» неисправностей составляет величину 29 при 67 причинах их возникновения, что в процентном соотношении эквивалентно 36% и 45% соответственно.With the total number of typical GPA malfunctions of about 81 names with 153 causes of their occurrence, the proportion of “oil” malfunctions is 29 with 67 causes of their occurrence, which is the percentage ratio of 36% and 45%, respectively.

Это объясняется физико-механической уязвимостью масла смазки (коксование, окисление и др.) пар трения ГПА на чувствительной к повышению температуры баббитовой основе подшипника и контактом с попутным конденсатом природного газа в зоне уплотнений ротора ЦБН. Утечки масла через неплотности в соединительных маслопроводах являются причиной пожаров на ГПА.This is explained by the physicomechanical vulnerability of lubricating oil (coking, oxidation, etc.) of GPA friction pairs on a temperature-sensitive babbitt bearing base and contact with associated natural gas condensate in the sealing zone of the CBN rotor. Oil leaks through leaks in connecting oil lines cause fires on the gas compressor unit.

Несоблюдение жестких требований к стабильности нормативных параметров температуры и давления масла в парах трения, системе гидравлического регулирования ГТУ и в уплотнениях ротора ЦБН обусловливают большое количество разнообразных причин возникновения неисправностей ГПА и загрязнение окружающей среды через выхлопные трубы ГТУ и слив в выгребные ямы или канализацию отходов от регенерации масла.Failure to comply with stringent requirements for the stability of the regulatory parameters of temperature and oil pressure in friction pairs, the hydraulic control system of the gas turbine unit and in the rotor seals of the central pulp block cause a large number of various causes of GPU malfunctions and environmental pollution through the exhaust pipes of the gas turbine unit and discharge into cesspools or sewage from regeneration oils.

Известна разработка по замене масла смазки опорных пар трения барабана, измельчающих различные материалы, мельницы на среду [7], участвующую в размоле и транспортировке измельчающего материала (на базе очищенной технической воды).It is known to develop oil for changing the lubrication of reference friction pairs of a drum grinding various materials, mills on a medium [7], which is involved in grinding and transportation of grinding material (based on purified industrial water).

Это решение приемлемо для барабанов мельниц со скоростью вращения до 150 об/мин, когда достаточно смачивать, но не смазывать поверхность пар трения, но исключено для газоперекачивающих агрегатов со скоростью вращения роторов до 6000 об/мин с обязательным масляным клином между шейками роторов и опорно-упорными подшипниками для исключения губительного фактора трения металлов. Известна разработка [8] по замене штатных смазочных жидкостей для гидроприводов горных машин на более перспективную (по мнению авторов) смазочную жидкость, включающую в себя 28-30% глицерина, 25-30% обессоленной воды и 40-50% натриевого жидкого стекла. Но это не имеет отношения к созданию безмасляного газоперекачивающего агрегата с разветвленной системой функционирования карбидокремниевых опорных и опорно-упорных пар трения роторов, уплотнения их разъемов, функционирования системы гидравлического регулирования режимов нагрузки агрегата, несмотря на повторяемость упоминания обобщенных терминов, таких как вода, масло, пара трения (в энергетике это постоянный и переменный ток и т.п.).This solution is acceptable for mill drums with rotational speeds up to 150 rpm, when it is enough to wet, but not lubricate the surface of the friction pairs, but it is excluded for gas pumping units with rotor speeds up to 6000 rpm with an obligatory oil wedge between the rotor necks and supporting thrust bearings to eliminate the detrimental factor of friction of metals. A well-known development [8] is the replacement of regular lubricating fluids for hydraulic drives of mining machines with a more promising (according to the authors) lubricating fluid, which includes 28-30% glycerol, 25-30% demineralized water, and 40-50% sodium liquid glass. But this is not related to the creation of an oil-free gas pumping unit with a branched system of functioning of silicon carbide support and support-resistant pairs of rotor friction, sealing of their connectors, the functioning of the hydraulic control system of the unit's load conditions, despite the repeated mention of generalized terms such as water, oil, steam friction (in the energy sector it is direct and alternating current, etc.).

Принципиальным отличием безмасляного газоперекачивающего агрегата (ГПА) является полное исключение масла в структуре ГПА путем использования обессоленной технической воды для смачивания поверхности трущихся пар, а не смазывания их, как это предлагается в вышеназванных разработках [7, 8].The principal difference between an oil-free gas pumping unit (GPU) is the complete exclusion of oil in the structure of the GPU by using desalted process water to wet the surface of the rubbing pairs, rather than lubricating them, as is proposed in the above developments [7, 8].

Целью предлагаемого изобретения является разработка и промышленное внедрение пожаробезопасного и эффективного ГПА с карбидокремниевыми опорными и опорно-упорными парами трения, системой гидравлического регулирования режимами ГПА и уплотнениями ротора ЦБН с использованием обессоленной технической воды.The aim of the invention is the development and industrial implementation of a fireproof and efficient gas treatment unit with silicon carbide support and support-resistant friction pairs, a hydraulic control system for gas treatment units and rotor pulp seals using demineralized technical water.

Краткое описание структурной схемы безмасляного газоперекачивающего агрегатаBrief description of the structural diagram of an oil-free gas pumping unit

Структурная схема безмасляного газоперекачивающего агрегата (ГПА) включает в себя следующее технологическое оборудование (фиг.1):The structural diagram of an oil-free gas pumping unit (GPA) includes the following process equipment (figure 1):

1 - газотурбинную установку (ГТУ);1 - gas turbine unit (GTU);

2 - центробежный нагнетатель (ЦБН);2 - centrifugal supercharger (CBN);

3 - соединительную муфту роторов ГТУ и ЦБН;3 - the coupling of the rotors of the gas turbine and pulp and paper mill;

4 - схему гидравлического регулирования нагрузки ГПА;4 is a diagram of hydraulic control of the load of the gas compressor;

5 - аккумулятор обессоленной технической воды для уплотнения ротора ЦБН;5 - battery demineralized technical water for sealing the rotor of the pulp and paper mill;

6 - холодильник;6 - refrigerator;

7 - нагреватель;7 - heater;

8 - трубчатая буферная емкость обессоленной технической воды;8 - tubular buffer capacity of demineralized industrial water;

9 - водяной насос;9 - water pump;

10 - цеховая обессоливающая установка;10 - workshop desalting plant;

11 - цеховая накопительная емкость технической воды;11 - workshop storage capacity of industrial water;

- водяное уплотнение ротора ЦБН;

- water seal rotor CBN;

- запорный вентиль;

- shutoff valve;

- опорный карбидокремниевый подшипник;

- bearing silicon carbide bearing;

- опорно-упорный карбидокремниевый подшипник.

- thrust bearing silicon carbide bearing.

Газотурбинная установка, конструктивно включающая в себя осевой воздушный компрессор, ротор турбины высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления, камеру сгорания, обеспечивает вращение ротора ЦБН, компремирующего транспортируемый технологический газ по магистральным трубопроводам.A gas turbine unit, which structurally includes an axial air compressor, a turbine rotor of high (HPH) and low (HPH) pressure, a combustion chamber, provides rotation of the rotor of the central pulp and paper compressor, which compresses the transported process gas through main pipelines.

Регулирование режимов нагрузки ГТУ (ЦБН) и давления подаваемой обессоленной технической воды на подшипники и уплотнения осуществляется автоматически со щита управления компрессорным цехом через систему гидравлического регулирования (4).The control of the GTU (CBN) loading modes and the pressure of the supplied demineralized technical water to the bearings and seals is carried out automatically from the control panel of the compressor shop through the hydraulic control system (4).

Для поддержания расчетной температуры обессоленной технической воды предусмотрен холодильник (в летнее время эксплуатации) и обогреватель (в зимнее время эксплуатации).To maintain the calculated temperature of demineralized technical water, a refrigerator (in summertime) and a heater (in wintertime) are provided.

Для поддержания требуемой подачи обессоленной технической воды предусмотрена внутритрубчатая емкость (8).To maintain the required supply of demineralized technical water, an intratubular container (8) is provided.

В случае нарушения режима работы водяного насоса (9) предусмотрен аккумулятор обессоленной технической воды, исключающий нарушение режима уплотнения ротора ЦБН.In case of violation of the operating mode of the water pump (9), a demineralized industrial water battery is provided, which excludes violation of the sealing regime of the rotor of the central pulp and paper mill.

Переход к созданию вместо масляного газоперекачивающего агрегата безмасляного (карбидокремниевого) газоперекачивающего агрегата снижает пожароопасность эксплуатации агрегата, улучшает экологическую обстановку на газотранспортном предприятии, а также существенно уменьшает эксплуатационные и ремонтные затраты на технологическое оборудование и т.п.The transition to the creation of an oil-free (silicon carbide) gas-pumping unit instead of an oil-gas pumping unit reduces the fire hazard of the unit’s operation, improves the environmental situation at the gas transmission enterprise, and significantly reduces operating and repair costs for technological equipment, etc.

В качестве показателей физико-механических преимуществ карбидокремниевых пар трения над баббитовыми вкладышами подшипников можно привести для сравнения их температуры плавления и ресурс эксплуатации:As indicators of the physicomechanical advantages of silicon carbide friction pairs over babbit bearings, we can cite their melting temperature and service life:

- у наиболее распространенных в газотурбостроении баббитов марки Б83, Б16 и БЗ температура плавления не превышает 250°С, а ресурс эксплуатации 25 тыс.часов при условии качественной смазки турбинным маслом зоны трения. В случае перегрева масла свыше 80°С или прекращения его подачи в зону трения газотурбинный агрегат должен быть аварийно остановлен, после чего баббитовые вкладыши подшипников перезаливаются;- the B83, B16 and BZ babbits, the most common in gas turbine building, have a melting temperature of not more than 250 ° C, and a service life of 25 thousand hours, provided that the friction zone is lubricated with high-quality turbine oil. In the event of oil overheating above 80 ° C or stopping its supply to the friction zone, the gas turbine unit must be emergency stopped, after which the babbit bearings are reloaded;

- у карбидокремниевой марки SiR температуры плавления составляют величину свыше 1000°С, а ресурс эксплуатации 100 тыс.часов при условии охлаждения зоны трения технической водой, причем в случае прекращения подачи воды карбидокремниевая пара трения может работать 60 минут, в течение которых восстанавливается подача воды или останавливается газотурбинный агрегат без ущерба для турбины. Карбидокремниевые пары трения значительно дороже баббитовых подшипников, но окупаются в короткий срок за счет замены дорогостоящего турбинного масла на техническую обессоленную воду, а также за счет значительно более долгого срока эксплуатации карбидокремниевых пар трения по сравнению с баббитовыми подшипниками.- for silicon carbide grade SiR, the melting temperature is over 1000 ° С, and the service life is 100 thousand hours provided that the friction zone is cooled with technical water, and in case of a water supply interruption, the silicon carbide friction pair can work for 60 minutes, during which the water supply is restored or the gas turbine unit stops without damage to the turbine. Silicon carbide friction pairs are much more expensive than babbit bearings, but pay off in a short time due to the replacement of expensive turbine oil with technical demineralized water, as well as due to the significantly longer life of silicon carbide friction pairs compared to babbit bearings.

В заключении следует отметить факт большой зависимости виброустойчивости пары трения - баббитового подшипника и стальной шейки ротора - от величины давления масляного клина, которая в свою очередь зависит от параметров температуры, расхода и чистоты турбинного масла. Пары трения из карбидокремния не нуждаются в формировании устойчивой прослойки (клина) между трущимися поверхностями подшипника и шейки ротора, поскольку обессоленная техническая вода даже с незначительными механическими примесями исключает сухое трение, что подтверждено многолетними промышленными внедрениями таких пар трения для центробежных насосов, используемых для добычи нефти, закачивания пластовой жидкости в скважины, перекачивания сжиженных газов, для герметичных (экологически безопасных) насосов в нефтехимии. Подшипники скольжения и опорные элементы (опорные пяты) из карбида кремния имеют исключительно высокую износостойкость в агрессивных и абразивсодержащих средах (десятки тысяч часов), которые одновременно являются смазочной средой для указанных подшипников и пят, что исключает применение специальных смазочных масляных контуров в конструкциях агрегатов.In conclusion, it should be noted that there is a large dependence of the vibration resistance of a friction pair - a babbit bearing and a steel neck of a rotor - on the pressure value of the oil wedge, which in turn depends on the temperature, flow rate and purity of turbine oil. Silicon carbide friction pairs do not need to form a stable interlayer (wedge) between the friction surfaces of the bearing and the rotor neck, since desalted process water even with insignificant mechanical impurities excludes dry friction, which is confirmed by many years of industrial introduction of such friction pairs for centrifugal pumps used for oil extraction , pumping formation fluid into wells, pumping liquefied gases, for sealed (environmentally friendly) pumps in the petrochemical industry. Plain bearings and support elements (support heels) made of silicon carbide have extremely high wear resistance in aggressive and abrasive environments (tens of thousands of hours), which are at the same time a lubricating medium for these bearings and heels, which eliminates the use of special lubricating oil circuits in unit designs.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2173423 С2, 10.09.2001 г.1. Patent RU 2173423 C2, 09/10/2001

2. Патент США №4841184, F16С 39/06, 20.06.1989 г.2. US Patent No. 4841184, F16C 39/06, 06/20/1989

3. Патент СССР №1049684, F16С 32/04, 1987 г.3. USSR patent No. 1049684, F16C 32/04, 1987

4. Особенности работы сухих уплотнений ЦБН газотурбинной установки, журнал «Газотурбинные технологии» ОАО «Газпром», апрель 2004 г.4. Peculiarities of dry seals operation of pulp and paper mill of a gas turbine installation, journal "Gas Turbine Technologies" of OJSC "Gazprom", April 2004

5. Опыт создания безмасляных уплотнений ЦБН для ГПА Волга-16 и Урал-12, журнал «Газотурбинные технологии» ОАО «Газпром», сентябрь - ноябрь 2001 г.5. Experience in creating oil-free pulp and paper seals for gas turbine units for the Volga-16 and Ural-12 gas turbine units, Gazprom Gas Turbine Technologies magazine, September - November 2001.

6. Результаты испытаний безмасляных уплотнений ЦБН ГПА-Ц-16 С/16 на стендах ОАО Сумского НПО им. М.И.Фрунзе, журнал «Газотурбинные технологии» ОАО «Газпром», сентябрь 2005 г.6. Test results of oil-free seals TsBN GPA-Ts-16 S / 16 at the stands of Sumy NPO named after M.I. Frunze, Gas Turbine Technology magazine, Gazprom OJSC, September 2005

7. Патент RU 2054967 С1, МПК В02С 17/02, 1996.7. Patent RU 2054967 C1, IPC В02С 17/02, 1996.

8. Патент SU 988859 A1, МПК С10М 3/02, 1983.8. Patent SU 988859 A1, IPC С10М 3/02, 1983.

Claims (1)

Безмасляный газоперекачивающий агрегат (ГПА), включающий приводную газотурбинную установку (ГТУ) и центробежный нагнетатель (ЦБН), причем для охлаждения пар трения, уплотнения разъемов роторов и функционирования системы регулирования нагрузки агрегата, пары трения роторов изготовлены из карбида кремния, допускающего использование для их охлаждения обессоленной технической воды.Oil-free gas pumping unit (GPU), including a driving gas turbine unit (GTU) and a centrifugal supercharger (CBN), moreover, to cool the friction pairs, seal the rotor connectors and the functioning of the load control system of the unit, the friction pairs of the rotors are made of silicon carbide, which can be used for cooling demineralized industrial water.