Расчетная часть-Расчет компрессорной станции СД 10/101-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет компрессорной станции СД 10/101-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа
4 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

4.1 Выбор основных параметров

4.1.1 Расчет оптимального и максимального дебита эрлифтной скважины
Исходные данные:
глубина НКТ L=1250 м,
динамический уровень жидкости - 55 м
дебит скважины - 140 м3/сут.
давление у башмака Pб=2.2 МПа,
давление на устье скважины Pу=0.6 МПа,
плотность жидкости ρж=730 кг/м3,
диаметр подъемника d=60мм (внутренний диаметр НКТ d=53мм).
Решение:
4.1.2 Номинальный дебит

Qопт=15.625•10ֿ3• ;
Qопт=15.625•10ֿ3• 51м3/сут.

4.1.3 Максимальный дебит

Qопт=15.625•10ֿ3• ;
Qопт=15.625•10ֿ3• =161 м3/сут.


 


4.2 Основные положения технического задания на компрессорную станцию СД 10/101 Наименование и область применения.
4.2.1Наименование изделия и его шифр - компрессорная установка 2КВ 4-10/101М
Область применения – компрессорная установка предназначена для сжатия и перекачивания естественных или нефтяных горючих газов в систему магистральных газопроводов, газобензиновых или нефтеперерабатывающих заводов, а так же для газлифтной добычи.
Возможность использования изделия для поставки на экспорт - компрессорная установка 2КВ 4-10/101М может поставляться на экспорт самостоятельно при наличии патентной чистоты по стране поставок.
4.2.2 Основание для разработки.
Организация утвердившая документ Кафедра НГМО в лице заведующего кафедрой Сысоева Н.И.
Тема - этап отраслевого и тематического плана в рамках которого будет выполняться задание – дипломный проект.
4.2.3 Цель и назначение разработки.
Заменяемое старое или создание нового – Создается модифицированный вариант компрессорной установки большей мощности с модернизацией системы охлаждения компрессорных цилиндров.
Ориентировочная потребность по годам с начала серийного производства – выпуск по заказам предприятия.
Источники финансирования – предприятие - заказчик.
Количество и сроки изготовления – оговариваются с заказчиком.
Предполагаемые исполнители – инженеры, УВП кафедры и студент Прасол С.А.
4.2.4 Источники разработки:
Протоколы лабораторных и производственных испытаний – отсутствуют.
Конструктивные проработки – конструкторская и нормативная документация, требования по эксплуатации.

Перечень других источников:
-Абубакиров В.Ф. Справочное пособие «Буровое оборудование». М.: Недра, 2000 г. 240 с;
-Ильский А.Л,Миронов Ю.В,Чернобыльский А.Г. Расчёт и конструирование бурового оборудования. М.,Недра,1985. 250 с;
-Чичеров Л.Г.,Молчанов Г.В. Рабинович А.М. Расчёт и конструирование нефтепромыслового оборудования.М.:Недра,1987,422 с.
4.2.5 Технические требования.
Стандарты и нормативно-техническая документация (Конструкторская и нормативная документация, требования по эксплуатации, Стандарты и нормативно-технические документации, ГОСТ 16293-89, ГОСТ 12.2.041-79
Состав изделия, требования к устройству.
Компрессорная установка 2КВ 4-10/101М состоит из: цилиндров двигателя, компрессорных цилиндров, коленчатого вала, шатунного механизма, поршней, всасывающих и нагнетательных клапанов, топливной системы, измерительных приборов, воздухораспределителя, холодильника масла, маслонасоса, резервуара с маслом.
Требования к показателям назначения, надёжности и ремонтопригодности.
Компрессорная установка 2КВ 4-10/101М должна удовлетворять следующим требованием:
-простота конструкции необходимая для достижения высокой работоспособности оборудования, эксплуатируемого в среде абразивной жидкости и подверженного действию вибрационных и динамических нагрузок.
-надежность оборудования, определяемая временем безотказной работы добывающего оборудования. Обеспечивает безаварийное функционирование механизмов в течение расчетного времени.
-долговечность машин, механизмов и их деталей, представляющая собой время безотказной работы в нормальных условиях в часах, соответствующая межремонтному сроку или кратная ей, определяет сроки физического износа, соответствующего определенным технико-экономическим показателям.
-ремонтоспособность оборудования должна создавать возможность реставрации или замены отдельных быстроизнашивающихся деталей или узлов непосредственно в промысловых условиях или в условиях механических мастерских буровых предприятий.
-стандартизация и унификация, обеспечиваемая созданием ГОСТов на отдельные машины, механизмы и инструменты, приводит к конструктивному единообразию оборудования, уменьшению числа их типоразмеров и определению эксплуатационных параметров. Стандартизация, унификация и нормализация способствует значительному упрощению эксплуатации машин, облегчению ухода за оборудованием и их ремонтов. Уменьшению номенклатуры запасных частей.
Требования к унификации:
Основные сборочные единицы компрессорной установки 2КВ 4-9/101, должны быть максимально унифицированы с аналогичными узлами 2КВ 4-10/101М
Требования к безопасности эксплуатации - компрессорная станция установка 2КВ 4-9/101М необходимо выполнять в соответствии с правилами безопасности в нефтегазовой отрасли, правилами технической эксплуатации электроустановок, правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок и требованиями инструкций.
Эргономические и эстетические требования. Эргономические показатели должны обеспечить максимальную эффективность, безопасность и комфортность труда.
Требования к патентной чистоте - Компрессорная установка 2КВ 4-10/101М должна обладать патентной чистотой по странам СНГ, бывшим СЭВ, США, Англии, Франции, Японии, Германии.
Требования к номенклатуре изделия – компрессорные цилиндры, поршневые цилиндры, поршни, гильзы цилиндров изготавливают из чугуна.
Требования к эксплуатации – компрессор должен быть рассчитан на длительную безотказную работу:
допускается эксплуатация только в соответствии с технической характеристикой, перегрузки не допускаются ;

своевременная и правильная смазка узлов компрессора в соответствии с картой смазки ;
своевременный осмотр, подтяжка креплений, регулировка механизмов, замена быстроизнашивающихся деталей ;соблюдение других требований ведомственных инструкций, действующих в отрасли, по эксплуатации.
4.2.6 Экономические показатели.
Ориентировочный экономический эффект от применения одной компрессорной установки 2КВ 4-10/101М – в данном дипломном проекте подсчитывается:
Срок окупаемости компрессорной установки 5 месяцев капитальные вложения в новую технику подсчитывается.
Срок окупаемости затрат – в данном дипломном проекте подсчитывается.
Лимитная цена- в данном дипломном проекте подсчитывается.
Предполагаемая потребность по заказам предприятий.
4.2.7 Стадии и этапы разработки.
Разработка конструкторской документации для изготовления опытной партии компрессорной установки 2КВ 4-10/101М
Изготовление и предварительные испытания опытного образца компрессорной установки 2КВ 4-10/101М.
Приёмочные испытания опытной партии компрессорной установки 2КВ 4-10/101М
Корректировка конструкторской документации на установочную серию.
Изготовление установочной серии компрессорной установки 2КВ 4-10/101М

4.3 Расчет основных параметров компрессора

Основными параметрами характеризующими работу компрессора, являются: объемная подача Q, начальное P1 давление и конечное P2 давление, частота вращения n и мощность на валу N.
Объёмная подача Qобм= 161 м3/сут, переводим в минуты, и получаем -

объёмная подача Q=11 м3/мин, P1=0.1 МПа, P2=10.1 МПа.
Согласно технологической характеристики компрессора и учитывая условия эксплуатации число ступеней z=2.
Находим степень повышения давления в компрессоре:
;

4.3.1 Рабочий объем первой ступени
V′p= ;
V′p= = 0.0071 м3;
Где – объемный коэффициент;
– коэффициент давления;
а – величина мертвого пространства;
n- число оборотов коленчатого вала.
Для определения D1(диаметр цилиндра) имеем уравнение:
V′p=0.55•D13;
Откуда следует, что D1=55 мм.
S/D1=0.7, откуда S=35 мм.

4.3.2 Рабочий объем второй ступени
V”p = V′p • ;

V”p = 0.0071 • = 0.0035 м3.
Где Р1 –давление на входе в первую ступень;
Е – степень повышения давления;
- объемный коэффициент.


Определяем D2.
D22= ;
D22= = 0.41 м
D2=41 мм.

4.3.3 Выбор средней скорости поршня
n=1500/60=25 об/мин
То Ccp=13,6 м/c

4.3.4 Определение хода поршня
Sn= 1.4 /n0=1.4/13.6=0.11 м

4.3.5 Выбор и расчет проходного сечения клапанов

Выбираем для данной системы компрессора комбинированные кольцевые клапаны. Для кольцевого клапана скорость газа в щели клапана Wк=60 м/c
Fн=Fкт•Сср/ Wк•2=0.197•3.6/60•2=33•103 Нм
Fн -площадь проходного сечения клапана
Fкт -площадь поршня со стороны крышки
Сср - средняя скорость поршня.
Принимаем клапан ВПИК-220-6 с эквивалентной площадью 33 см2

4.3.6 Определение эквивалентных показателей политропы
Находим величины эквивалентного показателей полимеры: сжатия и
расширения.

nс1=(0.02-1.0)•к, к=1.16-показатель адиабаты.
nс1=(0.02-1.0)•1.16=1.14
nс2= nс1+0.015•к=1.14+0.015•1.16=1.157

Показатель политропы расширения.
npi=(0.94-1.0)• nс,
np1=(0.94-1.0)•1.14=1.12
np2=(0.94-1.0)•1.157=1.13

4.3.7 Выбор схемы охлаждения и определения газа по ступеням
Выбираем схему охлаждения компрессора:

Рисунок - Схема охлаждения
T12=Tв1+10К=(273+28)+10К=311К
Температура газа в конце сжатия в цилиндрах:
Tу21=T11/ • =298/• 353 К
Tу22=T12/ • =311/• 389.7 К

4.3.8 Расход воды
Расчетный расход воды для охлаждения цилиндров ведется по количеству отводимого тепла и по разности температур воды до и после цилиндра.
W=Q0•Nин/4.19•Δt, л/c

Где Q0 -относительное кол-во отводящей теплоты;
Nин- индикаторная мощность охлаждаемого цилиндра


4.3.9 Удельная теплоемкость воды
Δt -разность температур до и после цилиндра при смешанной схеме охлаждения Δt=2 C
W1=Q0•Nин1/4.19•Δt =0.15•258.9/4.19•2=4.63 л/c

4.4 Выбор силовых и энергетических параметров

4.4.1 Расчет силовых и энергетических параметров проектируемой машины

Выбор числа ступеней компрессорной установки.
Находим общее число отношений давлений в компрессоре:
Eоб =(P11 + Pк)/P11=12+0.1/0.1=31 МПа:
Согласно технологической характеристики по компрессору и учитывая условия эксплуатации число ступеней z=2 и находим отношения давления в ступени:
Ecт= = =5.5 МПа

4.4.2 Определение давлении газа по ступеням
Для первой ступени: P11=0.1 МПа;
P21=E1• P11 =5.5•0.1=2.2 МПа
где P21 -давление в нагнетательном патрубке первой ступени .
E1 -отношение давлений в первой ступени:
Для второй ступени: P12= P21=2.2 МПа :
P22= P12• E1• E2=0.4•5.5•5.5=12.1 МПа
Где P22-давление во всасывающем патрубке цилиндра второй ступени
E2 -естественное давление во второй ступени

4.4.3 Определение средних величин потерь давления по ступеням
Потери давления на всасывании i-ступени:


ΔP1i=δ1i•P1i ;
где: δ1i -относительная величина потерь давлений на всасывании i-ступени;
P1i -давление во всасывающем патрубке i-ступени, МПа.
ΔP11=δ11•P11=0.041•0.4=0.0164 МПа;
ΔP12=δ12•P12 =0.03•2.2=0.066 МПа;
Потери давления на поступающей i-ступени:
ΔP2i=δ2i•P2i ;
где: δ2 i -относительная величина потерь давления на поступающей i-ступени.
ΔP21=δ21•P1=0.084•2.2=0.0164 МПа;
ΔP22=δ22•P22 =0.022•12.2=0.066 МПа;

4.4.3 Определение средних расчетных давлений и отношений давлений по ступеням по ступеням компрессора при действительном рабочем процессе

Среднее расчетное давление всасывания в цилиндре:
Pу1i= P1i• ΔP1i : МПа
Pу11=P11• ΔP11=0.4-0.0164=0.384 МПа
Pу12= P12• ΔP12=2.2-0.066=2.134 МПа
Среднее расчетные давления нагнетания в цилиндре:
Pу2i= P2i• ΔP2i : МПа
Pу21= P21• ΔP21=2.2-0.0184=2.384 МПа
Pу22= P22• ΔP22=12.1-0.266=12.366 МПа
Отношения давлений в цилиндре по ступеням:
Eу1= Pу21/ P11=2.384/0.384=6.208
Eу2= Pу22/ P12=12.365/2.134=5.794

4.4.4 Определение эквивалентных показателей политропы
Находим величины эквивалентного показателей полимеры: сжатия и расширения.
nс1=(0.02-1.0)•к, к=1.16-показатель адиабаты.

nс1=(0.02-1.0)•1.16=1.14
nс2= nс1+0.015•к=1.14+0.015•1.16=1.157
Показатель политропы расширения
npi=(0.94-1.0)• nс,
np1=(0.94-1.0)•1.14=1.12
np2=(0.94-1.0)•1.157=1.13

4.4.5 Выбор относительных величин мертвого пространства
Для первой ступени: а1=0.1
Для второй ступени: а2=а1+0.025•(2-1)=0.125

4.4.6 Определение коэффициентов по ступеням
Для первой ступени коэффициент давления:
λδ1= Pу11/ P11=0.384/0.4=0.96
Для второй ступени:
Λδ2= Pу12/ P12=2.134/2.2=0.97
Коэффициент подогрева λm
Для первой ступени:
λm1=1-0.01•(Eу1-1)=1-0.01•(6.028-1)=0.947
Для второй ступени:
λm2=1-0.01•(Eу2-1)=1-0.01•(5.794-1)=0.952

4.4.7 Определения объемных коэффициентов по ступеням
Для ступеней среднего и высокого давлений:
λoi=1-аi•( -1)

где: nкi- показатель политропы параметров в процессе расширения, который вибираем:
nк1=1+0.5(к-1)=1+0.5(1,16-1)=1.08

λo1=1-а1•( -1)=1-0.1•( -1)=0.725
nк2=1+0.62•(1.16-1)= 1.099
λo2=1-а2•( -1)=1-0.125•( -1)=0.69

4.4.8 Выбор коэффициентов герметичности
λс1=0.96 , λс2=0.95
Для компрессоров со смазкой цилиндра принимаем:
λс1=0.96 , λс2=0.95

4.4.9 Определение коэффициента влажности
Коэффициент влажности:
λвл=0.985

4.4.10 Определения коэффициента подачи по ступеням
Для первой ступени:
λ1= λо1• λδ1 • λm1• λвл • λс1
λ1=0.725•0.96•0.047•0.985•0.95=0.605
Для второй ступени:
λ1=0.69•0.952•0.97•0.985•0.96=0.611

5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

5.1 Расчет основных деталей на прочность
5.1.1 Расчет поршня I-2 ступени
Определение удельного давления на опорную поверхность поршня.
Определяем удельное давление на опорную поверхность поршня по следующей формуле:

где : К - удельное давление на несущую поверхность скользящего поршня в горизонтально расположенном цилиндре, МПа;
G – Суммарный вес поршня и половины штока, МН;
b - ширина проекции несущей поверхности, М;



Рисунок - Эпюра сил, действующих на несущую поверхность
b=2R*Sin ,м ; Sin =Sin450=0,7;
bII=2*0,095*0,7=0,133 м. ;   bIV=2*0,0275*0,7=0,0385 м ;
Н!- Длина несущей поверхности, м.



5.1.2 Расчет шатуна
Рисунок - Эскиз шатуна
При работе стержень шатуна воспринимает силы от давления газа и сил инерции масс, движущихся возвратно поступательно. В итоге на стержень шатуна действует сила.

где: - сила, действующая на стержень шатуна, МН
П - сила от давления газа на поршень, МН

- сила инерции возвратно -поступательно движущихся масс, МН
- угол между осью шатуна и осью ряда.


Напряжение растяжения в среднем сечении, лежащем посередине между осями верхней и нижней головок шатуна определяем по формуле:

где: - напряжение растяжения в среднем сечении, МПа;
- площадь среднего сечения, м2 ;



Суммарное напряжение от сжатия и продольного изгиба в среднем сечении определяем по эмпирическим формулам:
- в плоскости качания шатуна, предполагая шарнирное закрепление концов шатуна.

- в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания, предполагая концы

стержня защемленными,

где - наибольшая сжимаемая сила, действующая на шатун, МН;
- характеристика материала, которая для применяемых в шатунах сортов сталей, лежит в пределах: C=0,0002 0,0005;
где: Е - модуль упругости ;
  - предел упругости ; МПа;
l ш- длина шатуна, м.
, М;
Здесь Д и d-головка цилиндра диаметры отверстий соответственно нижней и верхней головок шатуна, м

Jx -момент инерции среднего сечения шатуна относительно оси x-x , м4



Jy -момент инерции среднего сечения относительно оси Y-Y1, м4




Подставляя значения в формулы, получаем следующие суммарное
напряжение от сжатия и предельного изгиба
  



Запас прочности стержня шатуна на выносливость
определяется по уравнению
    

где: n - запас прочности стержня шатуна на выносливость ,
-1р – предел выносливости материала при симметричном цикле растяжение-сжатие, МПа

- предел прочности на растяжение материала шатуна, МПа
К - коэффициент концентрации напряжений,

- коэффициент влияния абсолютных размеров сечения, определяемых по наибольшему размеру рассчитываемого сечения ;
- коэффициент характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла;


- среднее напряжение цикла, МПа;
Для плоскости Х-Х:








Для плоскости Y-Y;









Подставляя в формулу соответственно для Х-Х и Y-Y, получим;
 




 





Эти значения удовлетворяют допускаемым [ n ] = 3 – 5.5






5.1.3 Расчет шатунного болта

Рисунок - Эскиз шатунного болта
Расчет выполнен как для обычного резьбового соединения. Предварительное определение площади сечения болта производим, рассчитывая его на действие статической силы Pmax , в качестве которой выбираем большую из двух:
- растягивающую шатун при работе компрессора под номинальной нагрузкой
-  силу инерции в верхней мертвой точке;
Pmax = 0,03898 МН.
Площадь сечения по внутреннему диаметру резьбы болта определяем из уравнения

где - площадь сечения по внутреннему диаметру резьбы болта, м2 ;
- статическая сила, МН;
- число болтов ;
- условное напряжение, МПа;

Здесь - предел текучести, МПа;

Коэффициент основной нагрузки принимаем в пределах
Вычисляем полную силу, действующую на болт

где Q – полная сила, действующая на болт , H ;
T0- сила предварительной затяжки, H ;

Здесь к – коэффициент затяжки. Для переменных нагрузок



5.1.4 Расчет на статическую прочность
Нормальные напряжения в поперечных сечениях болта определяем по формулам:
- в нарезанной части
     
где: - номинальное напряжение в поперечном сечении нарезной части
болта, МПа;

F1 – площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы, м2;

- в гладкой части

- номинальное напряжение в гладкой части болта, МПа;
Fс – площадь поперечного сечения болта в гладкой части, м2;

На стержень болта при его затяжке действует крутящий момент, возникающий за счет трения поверхностей витков нарезки болта и гайки.

где - крутящий момент при затяжке , H*M;

- коэффициент, зависящий от трения в нарезке, который обычно принимают
- наружный диаметр болта, М;




Касательные напряжения в поперечных сечениях болта определяются по формулам:
- в нарезанной части.

где -касательное напряжение в поперечном сечении болта в нарезанной части, МПа;
- внутренний диаметр резьбы, м;

- в гладкой части

где - касательное напряжение в поперечном сечении гладкой части болта, МПа;
- минимальный диаметр болта в гладкой части, м;

Приведенные напряжения в нарезанной и гладкой частях болта
соответственно равны:


где - приведенное напряжение в нарезанной части болта, МПа;
- напряжение в гладкой части болта, МПа;


Запасы прочности по пластическим деформациям:
- в нарезанной части

где: nТ - предел прочности по пластическим деформациям в нарезанной части болта

- в гладкой части

Что вполне удовлетворяет требуемым.
Запасы прочности до разрушения в резьбовой и гладкой частях болта
соответственно равны:


где : - запас прочности в резьбовой части;

- предел прочности при растяжении материала болта; МПа;
- запас прочности в гладкой части;


Что удовлетворяет значениям обычных запасов прочности
5.1.5 Расчет на выносливость

Переменные напряжения в сечение болта при пульсирующим характере нагрузки определяются по формуле:

где -переменное напряжение в сечении болта, МПа;

Среднее напряжение цикла

где - среднее напряжение цикла, МПа;
-напряжение затяжки, МПа;




Предел выносливости резьбового соединения вычисляется по формуле

где: -предел выносливости резьбового соединения, МПа;
- предел выносливости при изгибе, МПа;

Согласно [12] значение можно определить по приближенной эмпирической зависимости.


- эффективный коэффициент концентрации напряжений в резьбовом соединении;


Запас усталостной прочности по переменным напряжениям определяется по формуле:


где - запас усталостной прочности по переменным напряжениям;
- среднее напряжение цикла (без учета постоянных напряжений от

закручивания болта) МПа;

что удовлетворяет статистическим данным: