Модернизация и ремонт центробежных компрессоров промышленных предприятий

Семаков В.З., Репринцев А.И., Бганцов Д.Е.



Центробежные компрессорные машины (ЦКМ) составляют значительную долю основного технологического оборудования металлургических заводов, химической, нефтехимической, газовой и металлообрабатывающей промышленности и потребляют до 40% общей заводской мощности. В настоящее время, по экономическими причинам, существленное обновление парка старых компрессорных машин затруднено. Гораздо более целесообразным оказывается обновление лишь проточной части. Учитывая большой опыт ремонта этих машин нашей фирмой, работы все чаще производятся совместными усилиями на предприятии заказчика.

Ремонт оборудования проводится в плановом порядке, средний и капитальный ремонт - по мере выработки ресурса основных частей машины. Предварительно проводится дефектация собственно компрессора и его узлов.

Дефектация компрессора в собранном виде заключается в определении его технического состояния по значениям измеренных параметров путем сравнения с параметрами, которые соответствуют техническим условиям на поставку компрессора. Техническое состояние собственно компрессора определяется по результатам газодинамических и механических испытаний компрессора рядом основных параметров:

  • потребляемой мощностью (политропный КПД);
  • температурой опорных вкладышей;
  • температурой упорных колодок;
  • уровнем вибрации ротора компрессора;
  • безвозвратными потерями масла (при наличии торцовых уплотнений).

При превышении предельных значений указанных параметров, которые, как правило, указаны в эксплуатационной документации или определяются методом экспертной оценки, требуются вскрытие и ремонт компрессора.

Газодинамические испытания компрессора проводятся с целью получения зависимостей степени сжатия Рк/Рн, политропного КПД, потребляемой мощности Nпотр от производительности компрессора Q. 

При газодинамических испытаниях измеряют следующие параметры компрессоров или их секций:

  • начальную и конечную температуру сжимаемого газа;
  • начальное и конечное давление сжимаемого газа;
  • частоту вращения ротора;
  • состав газа;
  • производительность (при начальных условиях).

Как правило, испытания проводят, используя одни и те же штатные приборы при условии их исправности и достаточной точности. Установку приборов производят в соответствии с требованиями, изложенными в [1]. При таких условиях, не претендуя на абсолютную точность измерений, можно говорить о сравнительных данных газодинамических испытаний компрессора до и после ремонта (модернизации). 

В приведенном далее примере использована типичная схема установки приборов для измерения газодинамических характеристик (рис. 1). Компрессор был остановлен для проведения ремонта по причине повышенной вибрации ротора, достигавшей 6,5 мм/с. До вскрытия машины были проведены газодинамические и вибрационные испытания, которые позволили оценить состояние проточной части и установить причину повышенной вибрации ротора ЦНД. 

После анализа частотных характеристик ротора ЦНД специалистами НПФ "Энтехмаш" было принято решение о поэлементной балансировке ротора. Далее были проведены повторные испытания ротора на максимальной частоте вращения n=3350 об/мин. Результаты некоторых промежуточных измерений виброскорости на опорном и опорно-упорном подшипниках до и после балансировки приведены в таблицах 1 и 2. 

табл.1
Результаты вибрационных испытаний центробежного компрессора до проведения балансировки.

Частота вращения, об/мин 1100 1300 3000 3400
№ опоры 6 5 6 5 6 5 6 5
Виброскорость, мм/с:
   вертикальная 0,60 0,22 0,30 0,20 1,70 1,40 3,80 4,55
   поперечная 0,20 0,10 0,20 0,18 1,50 2,00 3,45 4,00
   осевая 0,38 0,30 0,28 0,13 1,48 1,35 3,40 3,00

 

табл.2
Результаты вибрационных испытаний центробежного компрессора после балансировки.

Частота вращения, об/мин 3348 3348 3345
Давление, МПа 0,30 0,45 0,60
№ опоры 6 5 6 5 6 5
Виброскорость, мм/с:
   вертикальная 0,90 1,60 0,90 1,70 1,25 1,80
   поперечная 0,90 1,60 1,00 1,20 1,40 1,45
   осевая 0,90 0,90 1,15 0,80 1,25 1,15



Газодинамические характеристики первой секции, а также суммарные характеристики центробежного компрессора до и после балансировки представлены на рис.2,3.

 

Рис.2
Газодинамические характеристики первой секции первого цилиндра центробежного компрессора:
1-до балансировки,
2-после балансировки,
3-по ТУ.

Рис.3
Газодинамические характеристики центробежного компрессора:
1-до балансировки,
2-после балансировки,
3-по ТУ.


При невозможности измерения производительности компрессора стандартными устройствами, производительность компрессора определяют по степени сжатия и частоте вращения ротора по специальной методике путем пересчета полученных режимных точек на начальные условия газа, соответствующие ТУ [2]. 

Полученные режимные точки наносятся на паспортную характеристику компрессора, и по результатам снижения параметров делается вывод о необходимости ремонта или модернизации компрессора. 

После вывода компрессора в ремонт проводят обследование и дефектацию его основных узлов: ротора, уплотнений, вкладышей, диффузоров, статорных элементов проточной части, соединительной муфты, а также корпуса, которые в первую очередь влияют на его работоспособность. 

При дефектации проводят следующие основные виды контроля:

  • внешний осмотр и снятие формулярных размеров и биений с занесением их в ремонтный формуляр;
  • поверхностную дефектоскопию;
  • оценку стабильности механических свойств металла путем измерения его твердости;
  • определение глубины распространения дефектов;
  • исследование микроструктуры материала.

На рис. 4 и 5 показаны детали нагнетателя во время внешнего осмотра,на рис.6 - микроструктура некоторых применяемых материалов. 

 

Рис.4
Внешний вид уплотнения нагнетателя сернистого газа после вскрытия проточной части машины.

Рис.5
Колесо нагнетателя, подлежащее замене при проведении ремонтно-восстановительных работ.

Рис.6
Микроструктура легированных конструкционных сталей:

1- 15ХМ (перлит и феррит),
2- 18ХН4ВА (мартенсит),
3- 12Х18Н10Т (зерна аустенита с двойниками скольжения).


После оценки результатов дефектации проводится исправление дефектов по специально разработанной технологии. 

Модернизация ЦКМ, проводится в случаях, когда по условиям эксплуатации компрессор работает на нерасчетных режимах или при технологической необходимости перехода на другие параметры сжимаемых сред. Ниже, в табл.3 представлены параметры модернизированного компрессора с увеличенными расходом и напором. 

Табл.3
Параметры центробежного компрессора до и после модернизации отдельных элементов машины.
Требовалось поднять производительность и увеличить напор компрессора, в связи с увеличением потребностей в сжатом воздухе.

параметры до модернизации после модернизации
Производительность массовая, кг/мин 1320 1450
Производительность объемная, отнесенная к начальным условиям, м3/мин 1210 1330
Давление воздуха конечное абсолютное при выходе из нагнетательного патрубка ЦВД, МПа 3,53 3,53
Мощность, потребляемая компрессором, кВт 13500 13600
Отношение давлений 38,3 38,3


В условиях эксплуатации часто требуется изменение номинальных параметров компрессора, как правило, увеличения производительности или напора. Существует множество способов изменения параметров компрессора, а именно:

  1. Изменение частоты вращения ротора;
  2. Изменение профиля лопатки рабочего колеса;
  3. Изменение геометрии рабочего колеса;
  4. Поворот лопаток диффузора;
  5. Изменение профиля лопаток диффузора;
  6. Изменение количества лопаток диффузора;
  7. Изменение закрутки перед входом в рабочие колеса;
  8. Перепуск сжимаемого газа на всасывание или в атмосферу;
  9. Дросселирование на всасывании;
  10. Дросселирование на нагнетании и др.

Наиболее эффективные из них - 1-й,2-й,4-й и 7-й способы.
Изменение параметров при таких способах регулирования приведены соответственно на рис.7-10.

 

Рис.7
Характеристики компрессора при различной частоте вращения:
1-n=3400 об/мин,
2-n=3200 об/мин,
3-n=3000 об/мин.

Рис.8
Влияние выходного угла лопаток рабочего колеса на характеристики компрессора:
1-BETa2=90º,
2-BETa2=45º,
3-BETa2=32º,
4-BETa2=22,5º.


Рис.9
Влияние входного угла лопаток диффузора на характеристики компрессора:
1-aLPHa3=20º,
2-aLPHa3=16º,
3-aLPHa3=13º.

Рис.10
Характеристики компрессора при изменении закрутки перед входом в рабочее колесо:
1-угол закрытия ВРА 0 градусов,
2-угол закрытия ВРА 30 градусов,
3-угол закрытия ВРА 45 градусов,
4-угол закрытия ВРА 60 градусов.


Изменение проточной части компрессора требует точного расчета. Наиболее надежный и достоверный расчет проточной части выполняется методом подобия на базе модельных характеристик центробежного компрессора.

На основе результатов экспериментальных исследований комплектных ступеней ЦКМ формируют банк данных модельных ступеней ЦКМ. В банке данных представлена подробная информация о геометрии и газодинамических характеристиках более 300 промежуточных и концевых ступеней различной расходности и напорности, с лопаточными и безлопаточными диффузорами, радиальными и осерадиальными колесами. Эта информация позволяет проектировать проточные части компрессоров с любыми параметрами и высокими экономическими показателями.

Банк данных является основой для компьютерных программ расчета газодинамических и конструктивных параметров проточных частей, суммарных характеристик компрессоров, осевых усилий, динамического поведения ротора.

Проектирование новых узлов компрессоров, ведется на основе подробного анализа проведенной дефектоскопии и газодинамических испытаний. Расчеты проводят с использованием банка данных газодинамических характеристик и конструктивных данных модельных ступеней.

Модернизированный компрессор поставляется вместе с ремонтной документацией, которая включает в себя ремонтные чертежи, ремонтный формуляр машины, сертификаты на материалы и карты измерений ответственных деталей.

В 2002-2003 гг. ООО НПФ «Энтехмаш» планирует расширить спектр модернизируемых компрессоров и турбин.

Список литературы
1. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л.: Машиностроение, 1964.
2. Евдокимов В.Е. Банк экспериментальных данных по модельным ступеням и их элементам для проектирования ЦКМ. Турбины и компрессоры. 1997. вып.3-4.