image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 7-8 2017

Насосы. Компрессоры

01.7-8.2017 10:00 Модернизация вспомогательного контура охлаждения магнитной муфты
Отмечено соответствие использования герметичных насосов общемировой парадигме устойчивого развития. Перечислены основные причины выхода из строя насосов с приводом через магнитную муфту. Описаны возможные способы уменьшения числа отказов насосов с приводом через магнитную муфту. Рассчитана величина потерь в экране магнитной муфты. Представлена расчетная схема контура охлаждения магнитной муфты. Перечислены уравнения, на которых основан метод численного моделирования. Рассмотрено три модели контура охлаждения магнитной муфты, приведены пояснения. Подготовлены предложения по модернизации контура охлаждения магнитной муфты на основе результатов гидродинамического моделирования в STAR-CCM+. На основе расчетных данных составлены таблица значений и графики распределения давления и температуры по точкам контура охлаждения магнитной муфты. Доказано улучшение условий работы магнитной муфты при использовании внутренней магнитной полумуфты с радиальными каналами за счет повышения давления, снижения вероятности парообразования в кольцевом канале и, как следствие, перегрева при сохранении величины объемных потерь на охлаждение герметизирующего экрана магнитной муфты. Приведены ссылки на экспериментальные данные, подтверждающие возможность применения методов CFD-моделирования для контуров охлаждения магнитной муфты. Выявлены критерии и параметры оптимизации нового варианта контура охлаждения. Выявлено влияние критериев оптимизации на эффективность охлаждения экрана магнитной муфты. Указаны возможные области применения модернизированного контура охлаждения магнитной муфты.
Ключевые слова: герметичный насос, магнитная муфта, гидродинамическое моделирование, CFD, охлаждение.
Ссылка для цитирования: Ломакин В.О., Кукушкин П.А., Крылов В.И. Модернизация вспомогательного контура охлаждения магнитной муфты // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. С. 84–90.
Открыть PDF


Применение герметичных насосных агрегатов идеально вписывается в общемировую парадигму устойчивого развития. Отсутствие утечек в атмосферу дает основание считать этот вид оборудования экологичным. Отсутствие механических уплотнений позволяет сократить число случаев ремонтов и простоев, повысить коэффициент готовности оборудования, тем самым обеспечить экономическую выгоду. Отсутствие запахов, исключение загазованности позволяют улучшить условия труда обслуживающего персонала, тем самым выполняется и социальная функция парадигмы устойчивого развития.

1_1.png

Однако герметичным насосам, как и любым сложным техническим устройствам, присущи недостатки, основными из которых являются высокие требования к стабильному обеспечению параметров жидкости во всасывающем трубопроводе (давления, температуры, содержания газа). Охлаждение герметизирующего экрана магнитной муфты (рис. 1) осуществляется следующим образом: часть перекачиваемой жидкости отбирается с первой или второй ступени насоса и подается в контур охлаждения магнитной муфты по каналу 1. Затем при протекании жидкости по кольцевому каналу 2 происходят повышение температуры и падение давления из-за теплоотдачи от экрана 3 и потерь на трение. После происходит сброс жидкости на вход в насос или в камеру разгрузки. При небольшом превышении давления на входе в контур охлаждения над давлением насыщенных паров жидкость в кольцевом канале 2 может приближаться к состоянию кипения. Факторами, способствующими парообразованию и, как следствие, перегреву магнитов внутренней магнитной полумуфты 4, являются:

  • появление газовой пробки на входе в насос;

  • скопление газа под герметизирующим экраном во время остановки насоса и невозможность или непроведение процедуры сдува перед пуском;

  • кавитационные явления на входе в насос;

  • наличие растворенного газа на входе в насос;

  • ошибки при проектировании контура охлаждения магнитной муфты со стороны производителя насоса.

При перегреве защитная обечайка 5 на внутренней магнитной полумуфте 4 деформируется под действием магнитов, так как они больше не удерживаются на полумуфте силами магнитного взаимодействия, происходит заклинивание полумуфты в экране 3. По этим причинам происходит львиная доля (около 80 %) отказов и поломок насосов с магнитной муфтой [1].

1_1_1.png

Избежать подобных отказов можно лишь при соблюдении условий бескавитационной работы насоса и при отсутствии растворенного газа в перекачиваемой жидкости. На местах эксплуатации оборудования условия правильной работы часто нарушаются, в связи с чем производители герметичных насосов предлагают различные решения для уменьшения числа отказов при нарушении теплоотдачи от экрана магнитной муфты 4.

Возможный способ устранения указанного недостатка был предложен компанией Ruhrpumpen: полость под экраном промывается жидкостью из стороннего источника. Промывочная жидкость должна обладать низким давлением насыщения и высокой теплоемкостью. Недостатком этого способа является необходимость организации вспомогательного контура и подбора охлаждающей жидкости, совместимой по свойствам с перекачиваемой [2].

1_1_2.png

Для снижения выделения газа в кольцевом канале 2 при одновременном отказе от организации вспомогательного контура авторами предлагается доработка контура охлаждения магнитной муфты. Во внутренней магнитной полумуфте 4 выполняются радиальные каналы 6, по которым жидкость, имеющая температуру, равную температуре жидкости на входе в контур охлаждения магнитной муфты, подводится в кольцевой канал 2. Дополнительный расход жидкости, не нагретой при контакте с экраном 3, позволяет снизить температуру и повысить давление в кольцевом канале 2 и тем самым уменьшить выделение газа из жидкости.

 1_1_3.png

Математическая модель

Объектом, на котором проводились исследования, была магнитная муфта с герметизирующим титановым экраном, рассчитанная на передачу мощности 200 кВт при 2970 об/мин. Жидкость из напорного патрубка поступает в контур охлаждения магнитной муфты, из контура жидкость сбрасывается на вход насосного агрегата. При прохождении по контуру охлаждения жидкость нагревается от экрана. Габариты магнитной муфты, число магнитов, схема их расположения выбраны по методике, предложенной С.П. Субботиным [3]. Неподвижный титановый экран находится во вращающемся магнитном поле. Потери на нагрев титанового экрана составляют 33 кВт и вычисляются по формуле:

1_1_4.png 

где ВД = βДKiBr – значение действующей индукции в зазоре, где βД = 0,64, Кi = 0,94 – коэффициенты [3]; 

Br = 1,37 Тл – остаточная индукция материала постоянного магнита N48M [4];
DЭ = 0,1932 м – диаметр экрана по средней линии; nном = 49,5 Гц – номинальная частота вращения магнитной муфты; B = 0,04 м – длина магнита N48M [4]; Nмаг = 3 – число рядов магнитов в полумуфтах; δэ = 0,0012 м – толщина стенки герметизирующего экрана; ρ = 1,6.10–9 Ом.м – удельное электрическое сопротивление титана ВТ-6 [5].

Расчетная схема контура охлаждения магнитной муфты представлена на рис. 2. Исходными данными являются:
Рвх = 0,85 МПа – давление на входе в контур охлаждения магнитной муфты; 

Рвых = 0,15 Па – давление на выходе из контура охлаждения магнитной муфты; 

tвх = 300 К – температура на входе в контур охлаждения магнитной муфты; 

Dвх1 = 0,01 м – диаметр канала на входе в контур охлаждения магнитной муфты; 

Dвых = 0,01 м – диаметр канала на выходе из контура охлаждения магнитной муфты; 

D1 – диаметр канала во внутренней магнитной полумуфте; 

D2 – диаметр канала во внутренней магнитной полумуфте; 

Dвх2 – диаметр канала на входе в контур охлаждения магнитной муфты; 

α – угол наклона радиального канала; вода – охлаждающая жидкость магнитной муфты.

Метод численного моделирования основан на решении аналогов базовых уравнений гидродинамики и тепломассообмена.

Уравнение сохранения массы (неразрывности):

1_1_5.png 

где 1_1_6.png – осредненное значение скорости жидкости в проекции на j-ю ось (j = 1, 2, 3).

Уравнение изменения количества движения (осреднение по Рейнольдсу) в стационарной постановке:

1_1_7.png

где 1_1_8.png – осредненное значение давления; 1_1_9.png – тензор вязких напряжений для несжимаемой жидкости;

1_1_10.png– 

тензор скорости деформации; 1_1_11.png – рейнольдсовы напряжения; ρ – плотность жидкости; µ – динамическая вязкость жидкости. Рейнольдсовы напряжения моделировались на основе k–ω SST – модели турбулентности, успешно примененной в [6, 7].

1_1_13.png

1_1_14.png

1_1_15.png

Для расчета температурных эффектов была использована модель температуры разделенной жидкости (Segregated Fluid Temperature) [8]. Использование этой модели позволяет задать мощность теплового излучения (Pэ) на внутренней поверхности герметизирующего экрана. Уравнение энергии в стационарной постановке:

1_1_12.png

где u – скорость жидкости; h – удельная энтальпия; k – коэффициент теплопроводности; Sh – объемная скорость выделения теплоты; ∇(k*gradT) – член уравнения, описывающий влияние переноса теплоты теплопроводностью внутри жидкости согласно закону Фурье.

Результаты расчета

Были исследованы три варианта контуров охлаждения магнитной муфты. Для всех контуров значения Рвх = 0,85 МПа, Рвых = 0,15 МПа, tвх = 300 К, Dвх1 = 0,01 м, Dвых = 0,01 м одинаковы. Значения Dвх2, D1, D2 изменяются в трех вариантах контура охлаждения. Охлаждающая жидкость магнитной муфты – вода. Точками, в которых фиксировались давление и температура, были выбраны: вход в контур, шесть сечений кольцевого канала, выход из контура (рис. 2). Искомым значением также являлась величина расхода через контур – Qк (рис. 2). Результаты расчетов по всем вариантам контуров сведены в таблицу.

Контур 1 – модель контура охлаждения, применяемая в большинстве герметичных насосов с приводом через магнитную муфту. Для этого варианта контура Dвх2 = 0,006 м, D1 = 0 м, D2 = 0 м. На рис. 4 представлено распределение давления в контуре, на рис. 5 – распределение температуры.

Контур 2 – модель контура охлаждения, в которой имеются радиальные каналы во внутренней магнитной полумуфте. Для этих вариантов контуров Dвх2 = 0,006 м, D1 = 0,004 м. Исследовано шесть вариантов контура охлаждения, у которых различное число каналов n во внутренней магнитной полумуфте, различные значения диаметров D2, различные углы наклона радиальных каналов . По результатам исследований отмечено снижение температуры на выходе из контура охлаждения, повышение давления в кольцевом канале по сравнению с контуром 1. На рис. 6 представлено распределение давления в контуре 2.4, на рис. 7 – распределение температуры в контуре 2.4.

1_1_16.png

1_1_17.png

1_1_18.png

Контур 3 – модель контура охлаждения, которая аналогична контуру 1 с измененным диаметром Dвх2. Для этого варианта контура Dвх2 = 0,0073 м, D1 = 0 м, D2 = 0 м. Рассмотрение этой модели контура необходимо, так как сравнение контуров 1 и 2 приводит к необъективным результатам. В контуре 2 ниже температура жидкости на выходе, выше давление в кольцевом канале, однако это можно объяснить увеличением расхода через контур 1. Увеличить расход можно более простым способом – снижением сопротивления контура охлаждения путем увеличения диаметра Dвх2. Контур 3 имеет диаметр Dвх2 = 0,0073 м, в этом случае расходы жидкости через контуры 2 и 3 равны (соответственно, равны объемные потери насоса на охлаждение экрана магнитной муфты), что позволяет сравнивать эти варианты. На рис. 8 представлено распределение давления в контуре 3, на рис. 9 – распределение температуры в контуре 3.

На основании данных из таблицы построены графики распределения давления (рис. 10) и температуры (рис. 11) по контуру охлаждения магнитной муфты.

Из графиков на рис. 10 видно, что предложенные изменения в конструкции магнитной муфты (варианты контура охлаждения 2.1–2.6) позволяют повысить давление в точках 2–7 контура по сравнению с контуром 1 и в точках 4–7 контура по сравнению с контуром 3.

Из графиков на рис. 11 видно, что предложенные изменения в конструкции магнитной муфты (варианты контура охлаждения 2.1–2.4) позволяют понизить температуру в точках 2–8 контура по сравнению с контуром 1, температура жидкости на выходе из контура в вариантах 2.1–2.4 и контура 3 одинакова.

Из графиков на рис. 10, 11 видно, что изменение угла наклона радиального канала в вариантах контура 2.1–2.3 не сказывается на давлении и температуре в точках контура охлаждения. Также видно, что увеличение диаметра канала D2 в варианте контура 2.5 и увеличение числа радиальных каналов n в варианте контура 2.6 не сказывается на давлении в точках контура, но приводит к локальному повышению температуры перед точкой входа дополнительного расхода из радиальных каналов в кольцевой канал.

В рамках работы над магистерской диссертацией «Исследование герметичного насосного агрегата с приводом через магнитную муфту», написанной в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина в 2015 г. П.А. Кукушкиным, были проведены CFD-моделирование и стендовые испытания контура охлаждения магнитной муфты на предприятии ООО «Гидромос». По результатам исследований была получена корреляция между расчетными и экспериментальными данными. Погрешность расчета составила не более 5 %. На основании результатов работы был спроектирован контур охлаждения магнитной муфты и внедрен на полупогружном насосном агрегате ЦМП, установленном на Береговом газовом промысле компании ОАО «Сибнефтегаз» для откачки метанола из емкости аварийного сброса. Учитывая экспериментальное подтверждение расчетных данных, коллектив авторов считает возможным делать выводы на основе результатов CFD-моделирования контура охлаждения магнитной муфты.

1_1_19.png 

Выводы

По результатам CFD-моделирования трех вариантов контура можно сделать следующие выводы:

  • предложенные изменения конструкции магнитной муфты позволяют повысить давление в кольцевом канале (в рассматриваемом примере – на величину 0,06 МПа) при сохранении температуры в кольцевом канале и объемных потерь на охлаждение экрана, что позволяет снизить парообразование, риск перегрева и, как следствие, повысить надежность насоса с приводом через магнитную муфту;

  • изменение угла наклона радиального канала практически не сказывается на давлении и температуре в кольцевом канале, тогда как число радиальных каналов n и диаметр канала D2 являются критериями оптимизации предложенного контура охлаждения магнитной муфты.

Предложенный способ модернизации контура охлаждения может быть внедрен в насосных агрегатах с приводом через магнитную муфту:

  • при низком создаваемом напоре и высокой потребляемой мощности и, как следствие, высокой теплоотдаче от экрана;

  • высоком давлении насыщенных паров перекачиваемой жидкости и, как следствие, высоком давлении на входе в насос и невозможности провести отбор жидкости для охлаждения со второй и последующей ступеней в силу прочностных ограничений у герметизирующего экрана;

  • компоновке опор скольжения и магнитной муфты, при которой максимально возможное давление под экраном приведет к снижению перепада давления на подшипнике скольжения и ухудшению условий его работы.

Результаты исследований защищены российским патентом [10]. В настоящее время идет подготовка стенда для экспериментального подтверждения полученных результатов.


Результаты расчетов по трем вариантам контуров охлаждения магнитной муфты

Calculation results with regard to three options of the cooling circuits of a magnetic coupling

Параметр 

Сharacteristic

№ 

No.

Контур 

Contour          

1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

3

D2, м 

(m)

0,002

0,002

0,002

0,0015

0,003

0,002

0,002

n, шт. 

(units)

0

2

2

2

2

2

4

0

α, °

75

85

95

90

90

90

tвх

K

1

300,0

300,0

300,0

300,0

300,0

300,0

300,0

300,0

t1

K

2

301,9

301,7

301,7

301,7

301,6

302,0

301,8

301,5

t2

K

3

304,6

303,8

303,8

303,8

303,7

304,5

304,2

303,7

t3

K

4

307,3

306,3

306,3

306,3

306,1

307,8

307,2

305,9

t4

K

5

310,0

308,8

308,8

308,8

308,5

310,7

310,0

308,1

t5

K

6

312,7

310,2

310,2

310,2

310,2

310,1

310,2

310,2

t6

K

7

315,4

312,4

312,4

312,4

312,4

312,3

312,4

312,4

tвых

K

8

318,9

313,4

313,2

313,1

313,5

313,3

313,5

313,6

Pin, МПа 

(mPA)

1

0,850

0,850

0,850

0,850

0,850

0,850

0,850

0,850

P1, МПа

 (mPA)

2

0,426

0,474

0,474

0,473

0,474

0,472

0,471

0,491

P2, МПа 

(mPA)

3

0,428

0,460

0,461

0,460

0,460

0,460

0,459

0,495

P3, МПа 

(mPA)

4

0,428

0,521

0,522

0,520

0,519

0,528

0,523

0,496

P4, МПа 

(mPA)

5

0,427

0,555

0,555

0,554

0,554

0,557

0,555

0,496

P5, МПа 

(mPA)

6

0,427

0,558

0,559

0,560

0,557

0,564

0,562

0,495

P6, МПа 

(mPA)

7

0,426

0,556

0,556

0,555

0,556

0,557

0,555

0,495

Pout, МПа 

(mPA)

8

0,168

0,184

0,184

0,184

0,184

0,184

0,184

0,185

Qк, м3/ч 

(m3/hr)

1,630

2,243

2,235

2,238

2,238

2,245

2,233

2,266

 



← Назад к списку


im - научные статьи.