Nghiên cứu máy nén khí piston 4BY-5/9 trong công tác khoan, khai thác dầu khí

Nghiên cứu máy nén khí piston 4BY-5/9 trong công tác khoan, khai thác dầu khí. Và phương pháp phục hồi cụm piston – xilanh của máy nén khí 4BY-5/9

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOPETRO 8

1.1 Tổng quan về ngành dầu khí 8

1.1.1 Sơ lược về liên doanh dầu khí Việt-Xô 8

1.1.2 Tình hình khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ 8

1.2 Mục đích sử dụng máy nén khí 9

1.3 Phân loại máy nén khí 9

1.3.1 Máy nén khí động học 9

1.3.2 Máy nén khí thể tích 9

1.4 Một số loại máy nén khí đang được sử dụng tại liên doanh Vietsopetro (VSP) 11

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MÁY NÉN KHÍ 14

2.1 Nhiệt động lực học của máy nén khí 14

2.2 Các thông số cơ bản của máy nén khí 20

2.2.1 Tỷ số nén 20

2.2.2 Năng suất Q (m 3 /phút) 20

2.2.3 Công suất N (KW) 20

2.2.4 Hiệu suất máy nén khí 21

2.3 Phương pháp làm mát ở máy nén khí 22

2.4 Cấp nén 23

CHƯƠNG III: MÁY NÉN KHÍ PISTON 25

3.1 Định nghĩa máy nén khí piston 25

3.2 Ưu khuyết điểm của máy nén piston 25

3.2.1 Ưu điểm 25

3.2.2 Nhược điểm 25

3.3 Phân loại máy nén khí piston 25

3.3.1 Máy nén khí piston theo phương nằm ngang 25

3.3.2 Máy nén khí piston dạng đứng 25

3.3.3 Máy nén khí piston dạng góc 26

3.3.4 Máy nén khí dạng không có con trượt 26

3.3.5 Máy nén khí piston có con trượt 26

3.3.6 Máy nén khí piston xung đối 26

3.4 Nguyên lý tác dụng và cơ sở lý thuyết 26

3.4.1 Nguyên lý tác dụng 26

3.4.2 Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí piston 27

3.5 Chu trình nén lý thuyết 29

3.5.1 Công nén riêng 29

3.5.2 Thông số của chu trình nén lý thuyết của máy nén khí piston 30

3.6 Chu trình nén thực tế 34

3.6 Máy nén piston nhiều cấp: 36

3.6.1 Tại sao phải chế tạo máy nén khí nhiều cấp: 36

3.6.2 Phân phối áp suất nén giữa các cấp nén 38

3.6.3 Sơ đồ tổng quát của máy nén khí dạng chuỗi 40

3.7 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng máy nén khí piston 42

CHƯƠNG IV: CẤU TẠO, THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ 4BY – 5/9 44

4.1 Thông số kỹ thuật của máy nén khí 4BY-5/9 44

4.1.1 Phạm vi ứng dụng 44

4.1.2 Ý nghĩa các kí hiệu tên máy 44

4.1.3 Các thông số làm việc của máy 44

4.1.4 Sơ đồ cấu tạo máy nén khí 4BY - 5/9 (Hình 4.1) 45

4.2 Nguyên lý làm việc 47

4.3 Thành phần cấu tạo 48

4.3.1 Cácte 48

4.3.2 Trục khuỷu 48

4.3.3 Tay biên 48

4.3.4 Piston và chốt piston 49

4.3.5 Xilanh 51

4.2.6 Van 51

4.3.7 Bầu lọc khí, quạt gió và két làm mát trung gian 54

4.3.8 Hệ thống điều khiển tự động và bảo vệ 55

CHƯƠNG V: VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA MÁY NÉN KHÍ 4BY – 5/9 57

5.1 Vận hành 57

5.1.1 Công tác chuẩn bị và vận hành 57

5.1.2 Bảo dưỡng kỹ thuật trong thời gian vận hành 58

5.1.3 Kết thúc vận hành 58

5.2 Bảo dưỡng 58

5.3 Sửa chữa 59

5.3.1 Quy trình tháo dỡ máy nén 61

5.3.2 Rửa chi tiết, kiểm tra và phân loại chi tiết 61

5.4 Sửa chữa trục cơ 62

5.4.1 Vai trò và yêu cầu kỹ thuật 62

5.4.2 Nguyên nhân và hư hỏng thường gặp 62

5.4.3 Quy trình công nghệ sửa chữa 64

5.5 Sửa chữa tay biên 69

5.6 Trình tự lắp ráp và thử máy 70

5.6.1 Trình tự lắp ráp 70

5.6.2 Chạy thử máy 70

5.6 Hư hỏng thường gặp và cách khắc phục 71

CHƯƠNG VI: SỬA CHỮA CỤM PISTON - XILANH TRONG MÁY NÉN KHÍ 4BY-5/9 74

6.1 Vai trò của cụm piston – xilanh trong máy nén khí 74

6.1.1 Xilanh 74

6.1.2 Cụm piston 75

6.2 Sự mòn hỏng của cụm piston – xilanh 77

6.2.1 Sự mòn của xilanh trong máy nén khí 4BY-5/9 77

6.2.2 Sự mòn của cụm piston trong máy nén khí 4BY-5/9 78

6.2.3 Ảnh hưởng của sự mòn cụm piston-xilanh tới quá trình làm việc của máy nén khí 79

6.3 Phương pháp khắc phục sự mòn hỏng 79

6.4 Phương pháp sửa chữa cụm piston – xilanh 79

6.4.1 Lưu ý khi sửa chữa 80

6.4.2 Sửa chữa xilanh 80

6.4.3 Sửa chữa piston 81

6.4.4 Sửa chữa chốt piston 81

6.4.5 Xécmăng 82

CHƯƠNG VII: AN TOÀN TRONG VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA MÁY NÉN KHÍ 83

7.1 An toàn trong vận hành 83

7.2 An toàn khi vận hành bình chứa khí nén và đường ống dẫn khí 84

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Danh mục hình vẽ có trong đồ án.

Danh mục bảng biểu có trong đồ án.

LỜI MỞ ĐẦU

Năm 2007, Việt Nam chính thức gia nhập WTO đồng nghĩa với đó lànền kinh tế Việt Nam hoà nhập vào nền kinh tế chung toàn cầu Đây là mộtmốc son đánh dấu một bước phát triển mới, cao hơn sâu sắc hơn của nền kinh

tế, đồng thời nó cũng là cơ hội lớn của nền kinh tế Việt Nam phát triển nhanhhơn mạnh hơn Nhưng đi cùng với đó là những khó khăn, thách thức đối vớinền kinh tế trong nước bởi sự cạnh tranh của hơn 100 nền kinh tế trên toàncầu Với chính sách mở cửa thông thoáng của Nhà nước nhằm thực hiện đúngmục tiêu đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp phát triển vào năm2020.Vì vậy từng ngành cần phải nỗ lực, phấn đấu, đổi mới, sáng tạo, nắm bắtđược công nghệ – kỹ thuật mới để nâng cao năng suất cũng như chất lượngsản phẩm.Trong thời kỳ hội nhập kinh tế WTO,với vai trò là ngành đóng gópphần quan trọng vào GDP toàn quốc,dầu khí càng được chú trọng đầu tư pháttriển Hiện nay có rất nhiều công ty dầu khí trong và ngoài nước như:Vietsopetro, BHP, BP, Mobil, Schlumberger… với nhiều mỏ dầu mới đượcphát hiện và khai thác đã chứng tỏ tiềm năng rất lớn về dầu khí của nước ta

Trước thực tế đó,một nhiệm vụ quan trọng được đặt ra là phải có một

hệ thống thiết bị hiện đại, phù hợp, mang lại hiệu quả kinh tế cao Hiện nay,máy móc, thiết bị phục vụ cho công tác tìm kiếm , thăm dò, khai thác dầu khírất đa dạng và phong phú Việc tìm kiếm, tiếp cận công nghệ mới, tìm hiểu vềnguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc thường gặp của thiết bị để tìm biệnpháp nâng cao tuổi thọ thiết bị là rất quan trọng vì từ đó ta có thể nắm bắtđược ưu, nhược điểm từng thiết bị để có thể sử dụng hợp lí mang lại năng suấtlàm việc cao nhất, với thời gian lâu nhất

Với mục tiêu là sử dụng sao cho có năng suất cao nhất với khả năng

làm việc của máy nén piston, nên em đã quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu

máy nén khí piston 4BY-5/9 trong công tác khoan, khai thác dầu khí và phương pháp phục hồi cụm piston – xilanh của máy nén khí 4BY-5/9 ”.Với

mục đích đó, đồ án của em tập trung vào tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí vận hành

và bảo dưỡng, sửa chữa máy nén khí, từ đó đưa ra các phương pháp sửa chữacụm piston – xilanh của máy nén

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Vũ Nam Ngạn đã hướng dẫn tận

tình và đưa ra nhiều ý kiến quý báu giúp em thực hiện đề tài tốt nhất Là một

đề tài kỹ thuật nên cần sự nghiên cứu sâu; song do kiến thức chuyên môn vàkinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên ảnh hưởng nhất định đến kết quả đề tài,rất mong thầy cô và các bạn góp ý

Sinh viên thực hiện.Nguyễn văn Thoan

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH

DẦU KHÍ VIETSOPETRO 1.1 Tổng quan về ngành dầu khí

1.1.1 Sơ lược về liên doanh dầu khí Việt-Xô

Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Việt-Xô hay Vietsopetro là liên doanh

thăm dò và khai thác dầu khí giữa Việt Nam và Liên bang Nga, hiện hoạtđộng chủ yếu tại các mỏ dầu ở biển Đông như Mỏ Bạch Hổ, Mỏ Rồng

Trụ sở chính của Vietsopetro đặt tại số 105 đường Lê Lợi, thành phốVũng Tàu, Việt Nam

Liên doanh được thành lập từ ngày 19 tháng 11 năm 1981, có trụ sở tạiVũng Tàu Nga (lúc đó còn là Liên Xô) và Việt Nam hiện có mỗi bên một nửatrong tổng vốn đầu tư 1,5 tỷ đô la Đại diện cho phía Việt Nam trong liêndoanh là Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, còn đại diện phía Nga là Liên đoànKinh tế đối ngoại Liên bang Nga (Zarubezneft) Hiện nay đây là mảng hợp táchiệu quả của hai nước, riêng ngân sách của Nga hàng năm nhận khoảng 500-

700 triệu USD từ liên doanh, tổng doanh thu phía Nga đạt trên 4,5 tỷ USD

Khai thác tấn dầu đầu tiên: ngày 26 tháng 6 năm 1986

Hoạt động: đến 1992 đạt 10 triệu tấn, 20 triệu tấn vào năm 1993, 50triệu tấn năm 1997, 100 triệu tấn năm 2001 và đến 4 tháng 12 năm 2005 đạttổng sản lượng khai thác 150 triệu tấn dầu thô

Quy mô: Vietsopetro đóng góp khoảng 80% lượng dầu thô xuất khẩuhàng năm từ Việt Nam

Chính phủ hai nước đã đồng ý cho liên doanh lập dự án mới về quy môhoạt động sau khi hợp đồng liên doanh hết hạn vào 2010, bao gồm cả khảnăng hoạt động tại một nước thứ ba

gia tăng sản lượng từ 37 đến 40 triệu tấn dầu thô và đưa vào bờ 6.5 tỷ m3 khíđồng hành

1.2 Mục đích sử dụng máy nén khí

Máy nén khí đã xuất hiện từ rất sớm, ngay từ thời cổ đại đã có các loạimáy thổi khí dùng trong sản xuất sắt, đồng; kể cả các máy thổi khí chạy bằngsức nước Tới thế kỷ XIX, máy nén khí piston và máy nén khí ly tâm hướngtrục ra đời Năng suất của máy ngày càng được nâng lên Máy nén khí piston

có năng suất 104 m3/h và áp suất lên tới 100 at, máy nén khí li t âm có năngsuất 105 m3/h và áp suất lên tới 100 at

Tất cả các loại máy nén khí dùng để tạo ra nguồn khí cao áp, dùngtrong các hoạt động khoan, khai thác, và vận chuyển dầu khí Ứng dụng củamáy nén khí bao gồm:

- Khai thác dầu bằng phương pháp gaslift

- Gọi dòng cho giếng

- Cung cấp nguồn khí nén cho các thiết bị khoan

- Dùng để vận chuyển ximăng

- Cung cấp nguồn khí nuôi cho các thiết bị đo và tự động điều chỉnh

- Cung cấp khí nén cho hệ thống điều khiển các van…

- Cung cấp cho hệ thống khởi động nhờ khí nén

- Làm chất trung gian truyền nhiệt cho các máy sây hay làm lạnh

1.3 Phân loại máy nén khí

Máy nén khí được phân ra nhiều loại khác nhau tuỳ theo từng mục đíchphân loại Nhưng cơ bản nhất là phân loại theo nguyên lí làm việc Theo đó taphân ra làm 2 loại chính: máy nén khí động học và máy nén khí thể tích

1.3.1 Máy nén khí động học

Ở loại này, áp suất khí được nâng lên cao bằng cách cấp động năngcưỡng bức cho khí từ các cơ cấu làm việc, lúc này khí biến chuyển độngcưỡng bức và động năng thành thế năng

Trong thực tế, chuyển động của khí ở loại này có biên độ nhỏ và tần sốlớn nên có thể coi là ổn định Loại máy nén khí động học này bao gồm:

Máy nén khí thể tích gồm có các loại sau:

o Máy nén khí piston

o Máy nén khí trục vít

o Máy nén khí rôto

Ngoài ra, còn có thể phân loại máy nén khí theo các cách sau:

*/ Phân loại theo lưu lượng:

*/ Phân loại theo áp suất có thể tạo ra:

*/ Phân loại theo động cơ dẫn động:

- Máy nén khí được truyền động bằng động cơ điện

- Máy nén khí được truyền động bằng động cơ Diesel

- Máy nén khí được truyền động bằng động cơ tua bin

*/ Phân loại theo kiểu làm mát:

- Máy nén làm mát bằng nước hay không khí

1.4 Một số loại máy nén khí đang được sử dụng tại liên doanh Vietsopetro (VSP)

Với ưu điểm là kết cấu đơn giản, gọn gàng và dễ dàng khắc phục các

hư hỏng, nên máy nén khí piston rất phù hợp với điều kiện làm việc trên biển.Hơn nữa, khả năng làm việc của máy nén khí piston là rất rộng, nó sản xuấtnăng lượng từ thấp đến cao và tạo cột áp cao nên trong xí nghiệp VSP chủyếu sử dụng máy nén khí piston

Một số loại máy nén khí piston đang sử dụng tại VSP:

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của máy nén khí BY-06/13

Máy nén khí

Nhiệt độ kk tối đa ở trong MNK

khi nhiệt độ ngoài trời là 20oC

Cấp II(thứcấp)

Động cơ điện

 Máy nén khí INGER SOLLRAND T30-7100 x 15:

Lắp ở trạm máy nén cùng với các loại máy nén khác cung cấp khí vàobình chứa để phục vụ cho các công tác khác

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật máy nén khí INGER SOLLRAND T30-7100x15

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật máy nén khí cao áp KP-2

Máy nén khí

Kiểu máy đứng, 3 cấp Piston dạng bậc, tác dụng đơn, kiểu K2-150

Nhiệt độ khí đầu ra khi nhiệt độ

ngoài trời là 20oC

Động cơ điện

Máy nén KP-2 dùng để nén áp suất khí trời lên đến áp suất cao nhất là

150 KG/cm2 và nạp vào bình chứa để:

- Cung cấp khí nén cho các hệ thống đóng mở van cầu

- Cung cấp khí nén cho hệ thống khởi động bằng khí nén của động cơDiesel và máy bơm trám xi măng, bơm khoan

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MÁY NÉN KHÍ

2.1 Nhiệt động lực học của máy nén khí

Lý thuyết cơ bản của máy nén khí dựa trên cơ sở nhiệt động lực họccủa khí lý tưởng Thể tích của khí lý tưởng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độcủa nó bởi vì khoảng cách giữa các phân tử khí thay đổi trong khi kích thướccủa phân tử khí như nhau Các quá trình nhiệt động lực học của khí lý tưởngxảy ra với các giá trị nhiệt dung riêng đẳng áp CP và nhiệt dung riêng thể tích

CV không thay đổi thì chúng tuân theo phương trình trạng thái:

- T: Nhiệt độ tuyệt đối (0K)

Nếu ta sử dụng phương trình (2.1) cho việc tình toán máy nén khí thìcho kết quả sai khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm Nếu ta sử dụng phươngtrình (2-1) để tính toán cho máy nén khí thì cho kết quả sai khi áp suất tăng vànhiệt độ khí lại giảm Nếu ta sử dụng phương trình (2-1) cho một lượng khíthực ở nhiệt độ khoảng 290-373 0K, áp suất khoảng 50 KG/cm2 hay 5 Mpa thìcho ta áp suất khí sai khoảng 1%

Máy nén khí có áp suất khí ở cửa xả lên đến 10 Mpa thì kết quả saikhoảng 2% khi ta sử dụng phương trình (2-1)

Như vậy, khi máy nén khí có áp suất khí ở cửa xả  10 Mpa thì khi ápdụng phương trình (2-1) cho ta áp suất sai lệch khoảng 1-2% và những sai sốnày là chấp nhận được trong việc tính toán

Với máy nén khí có áp suất cửa xả lớn hơn 10 Mpa thì ta có công thứctính áp suất khí như sau:

Pth Tth là áp suất tới hạn và nhiệt độ tới hạn của khí (0K)

* Các phương trình cơ bản:

3

2 1

T = T

2 1

S 5 4

+/ Quá trình đoạn nhiệt:

Là quá trình không có sự trao đổi nhiệt giữa khí và môi trường xungquanh, trong quá trình này nhiệt độ bên trong có thể tăng lên do ma sát giữacác phần tử khí:

const

P

k 

 ; P.V const (2.3)Với : k là chỉ số đoạn nhiệt

( Trong máy nén khí không có quá trình đoạn nhiệt tuyệt đối)

Với quá trình đẳng Entropi, S = const

Entropi S không thay đổi khi nhiệt độ bên trong máy nén khí khôngđược giải phóng, vì thế với máy nén khí rõ ràng là không thể xảy ra quá trìnhđẳng Entropi

3 dS

+/ Quá trình đa biến:

Nó là quá trình chung của nhiệt động lực học, nó được đặc trưng bởi số

Hình 2.3 Đồ thị S-T Quá trình đa biến của máy nén khí

Hình 2.3.a biểu thị quá trình đa biến n < k: những máy nén khí làm mát

ở nhiệt độ cao

Hình 2.3.a biểu thị quá trình đa biến n > k: những máy nén khí độnghọc

Nhìn vào đồ thị của quá trình đẳng nhiệt và quá trình đẳng Entropi takhông tìm được trong đó quá trình làm việc của máy nén khí, hai quá trìnhnày được sử dụng trong việc đánh giá công suất của có ích của máy nén khí.

Ở các đồ thị, trên đường 1-2 là đường thể hiện quá trình nén khí

Với đồ thị S-T của quá trình đa biến, quá trình nén đi kèm với sự thayđổi nhiệt độ của khí tăng lên và sự thay đổi Entropi

Đường 2-3 là đường làm mát đẳng áp của khí nén khi ra khỏi máy nénkhí

Sử dụng giá trị Entropi trong quá trình nhiệt cơ bản:

3 2 3

Theo định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng cung cấp cho quá trìnhnén và xả khí (không kể tổn hao cơ khí) bằng tổng nhiệt năng trong quá trìnhnén và làm mát đẳng áp

Vì thế, theo đồ thị S-T hình 2.3 thì năng lượng cung cấp để thực hiệnquá trình nén khí là tổng diện tích của hai miền 1-2-5-6 và 2-3-4-5

Máy nén khí làm việc theo quá trình đa biến n > k là những máy nénkhí có bộ làm mát bằng nước ở mức độ thấp hay làm mát bằng không khí

Diện tích miền 1-2-5-6 nằm dưới đường nén đa biến là lượng nhiệt sinh

ra do ma sát giữa các phần tử khí và diện tích miền 2-3-4-5 là công nén Do

đó, tổng công suất tiêu thụ bởi máy nén khí ( trừ công suất yêu cầu bù cho tổnhao cơ khí và rò rỉ) được biểu thị bằng diện tích miền 2-3-4-6

Nếu quá trình nén khí tuân theo đường đẳng Entropi 1-2’ thì tổng côngsuất tiêu thụ là diện tích miền 1-2’-3-4-5 (nhỏ hơn một lượng là diện tíchmiền 1-2’-2-6-5) Vì thế, công suất tiêu thụ thêm của máy nén khí khi chuyển

từ quá trình đẳng Entropi sang quá trình đa biến n > k là diện tích miền 2-6-5 và nhiệt sinh ra do quá trình nén khí là diện tích miền 1-2’-2 Diện tíchmiền 1-2-6-5 là công suất nhỏ nhất và là công suất quá trình đẳng nhiệt

1-2’-Hình 2.4 Đồ thị P-V Biểu diễn quá trình làm việc của máy nén khí.

- Đường (1-2): Quá trình nén đa biến n < k

- Đường (1-2’): Quá trình nén đẳng Entropi

- Đường (1-2’’’): Quá trình nén đoạn nhiệt

đường nén đa biến và trục P là năng lượng tiêu thụ trong suốt quá trình làmviệc của máy nén khí khi nén và xả một kg khí

Trong quá trình nén đa biến với n < k ta có:

2 1

.

2 1

1 1 2 2 1

1 1

1 2 2 1

V

dV V P V

P V P dV V

V P

n n

1

1 1

2 1 1

n n

P

P V P n

T

T P P

1

1 2 1 2

Thay phương trình (2.9) vào phương trình (2.8) ta có:

T

T V P n

n

(2.10)

Từ phương trình trạng thái: P1.V1 = R.T1

Gọi:

- T2e là nhiệt độ cuối quá trình nén đẳng Entropi (0K)

- Le là năng lượng tiêu thụ trong quá trình đẳng Entropi (J/kg).Lúc đó ta có:

- i2e là Entalpi cuối của quá trình nén (J/kg.độ)

- i1 là Entalpi của khí đầu quá trình nén (J/kg.độ)

Ở đồ thị hình 2.1 thì năng lượng tiêu thụ trong quá trình đẳng nhiệt là:

P.V = P1.V1 = P2.V2

2 1

2 1

1 1 1

1 1

V

dV V P dV

V

V P

(2.11)Với Ln là năng lượng tiêu thụ trong quá trình nén đẳng nhiệt

Phương trình (2.10) và (2.11) được dùng để tính năng lượng tiêu thụtrong quá trình máy nén khí làm việc

Công suất của máy nén khí:

m v

L Q N







1000

.

Trong đó:

- N: Công suất của máy nén khí (KW)

- Q: Năng suất của máy nén khí (m3/s)

- L: Năng lượng của máy nén khí (J/kg)

- v: Hiệu suất thể tích tổn hao do rò rỉ qua khe hở

- m: Hiệu suất cơ học, dùng để tính công suất tổn hao do ma sát

cơ học và các thành phần bổ trợ khác

-  : Mật độ phân tử khí đi vào máy nén khí (KG/m3)

Giá trị v và m phụ thuộc vào kiểu máy nén khí

2.2 Các thông số cơ bản của máy nén khí

Trên thực tế khi sử dụng máy nén khí thì có rất nhiều loại với nguyên lílàm việc và cấu tạo khác nhau nhưng dù là loại nào cũng có các thông số đặctrưng sau.

2.2.3 Công suất N (KW)

Là công suất tiêu hao để nén và truyền khí:

m v

L Q N







1000

.

Trong đó:

- N: Công suất của máy nén khí (KW)

- Q: Năng suất của máy nén khí (m3/s)

- L: Năng lượng của máy nén khí (J/kg)

- v: Hiệu suất thể tích tổn hao do rò rỉ qua khe hở

- m: Hiệu suất cơ học, dùng để tính công suất tổn hao do

ma sát cơ học và các thành phần bổ trợ khác

-  : Mật độ phân tử khí đi vào máy nén khí (KG/m3).Giá trị v và m phụ thuộc vào kiểu máy nén khí

2.2.4 Hiệu suất máy nén khí

Hiệu quả làm việc của máy nén khí không được đánh giá bằnghiệu suất công suất quy ước mà nó là tỉ số giữa năng lượng cấp cho khí vànăng lượng tiêu thụ trong quá trình làm việc của máy nén khí

Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình làm việc của máynén khí:

C i L

C

2 2

2 2 2

2 1

2 )

(

2 1

2 2 1

Trong đó:

- Q: Nhiệt năng toả ra bên ngoài (J)

- C1,C2: Vận tốc khí đầu và cuối quá trình nén (m/phút)

- i1,i2 : Entanpi lúc đầu và lúc cuối quá trình nén

Nếu cho C1 = C2 thì năng lượng riêng cho khí trong máy nén khí là:

L ± q = Cp(T2 – T1) (2.17)Lúc đó công suất có ích của máy nén khí là:

q ) T - (T C

) T - (T C

1 2 p

1 2 p

Một máy nén khí trong quá trình làm việc được đánh giá bằng hiệu suấtđẳng nhiệt n, hiệu suất đẳng Entropi e và hiệu suất nhiệt động Ta khôngthể đánh giá chất lượng làm việc của máy nén khí chỉ bằng hiệu suất côngsuất 

Với quá trình nén đa biến, số mũ đa biến n và năng lượng L thì:

Hiệu suất đẳng Entropi:

- Ln: Năng lượng riêng của quá trình đẳng nhiệt

- Le: Năng lượng riêng của quá trình Entropi

Hiệu suất đẳng Entropi được sử dụng như một tiêu chuẩn đặc trưng chomáy nén khí hướng trục và máy nén khí ly tâm với bộ làm mát bằng nước ởmức độ thấp

Hiệu suất đẳng nhiệt được sử dụng như một tiêu chuẩn đặc trưng chomáy nén khí piston và rôto với bộ làm mát bằng nước ở mức độ cao

2.3 Phương pháp làm mát ở máy nén khí

a Phương pháp làm mát bằng nước

2 1

5 4

3

Kiểu làm mát này làm mát bằng cách cho nước đi qua thân máy,phương pháp này làm tăng độ bôi trơn của máy nén khí piston nhưng lạikhông tiết kiệm được nhiều công suất do nó không đưa quá trình nén gần quátrình đẳng nhiệt (việc trao đổi nhiệt giữa khí và nước làm mát rất khó thựchiện)

b Làm mát bằng cách phun tia nước vào đầu cấp của máy nén khí

Ở phương pháp này khí bị mất một phần nhiệt vào nước làm mát vàcuối cùng nhiệt độ khí ở đầu cấp giảm Phương pháp này sẽ làm cho độ ẩmcủa khí tăng lên mà một số trường hợp không được phép sử dụng

c Phương pháp làm mát bằng bộ phận trung gian giữa các cấp

Ở phương pháp này, khí được làm mát bằng những ống làm mát Trongmáy nén khí ly tâm, bộ phận làm mát thường được lắp giữa các nhóm, nó làmcho việc thiết kế và lắp đặt đơn giản hơn Cũng có máy nén khí ly tâm đượcthiết kế bộ phận làm mát trung gian sau mỗi cấp ly tâm, máy nén khí như vậyđược gọi là đẳng nhiệt

d Phương pháp kết hợp làm mát trong và làm mát giữa các cấp

Phương pháp này đạt hiệu quả cao, phạm vi sử dụng rộng, nhưngnhược điểm của nó là: kết cấu phức tạp, giá thành cao Thường được sử dụngcho những máy có công suất lớn trong khi làm việc

Dưới đây là sơ đồ hệ thống làm mát trong máy nén khí, với hệ thốngnày thì nhiệt độ khí giảm đi nhờ bộ phận làm mát giữa các cấp

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống làm mát trong máy nén khí

1 Bộ phận làm mát cấp I, cấp II

2 Bộ phận làm mát cuối

3, 4, 5 Cấp nén I, II, IIIVới máy nén khí động học thì việc chế tạo cánh rôto từ những vật liệu

có độ bền giới hạn, khó có thể chịu được vận tốc đủ lớn để đáp ứng áp suất vàhiệu suất

Với máy nén khí thể tích thì nhiệt độ khí nén tăng cao ở cuối quá trìnhnén Vì thế ta phải lựa chọn các phương pháp làm mát để cho khí nén đượclàm mát ở mức độ cao nhất

- Với máy nén khí piston và rôto thì số cấp nén phụ thuộc vào điểm cháycủa dầu bôi trơn.

Nếu khí nén bị cản trở bởi bộ phận làm mát trung gian là không đáng

kể và hiệu suất nhiệt động của các cấp nén là như nhau thì công suất tiêu thụkhi đó được phân bố đều trên các cấp riêng biệt của quá trình Lúc đó:

Trong đó:

- L: Tổng năng lượng

- Z: Số cấp nén

Giả thiết rằng khi được làm mát ở bộ phận làm mát trung gian đến nhiệt

độ khí vào ban đầu và số mũ nén n là như nhau ở mỗi cấp ta có:

T2’ = T2” = … = T2

n n

P

P T

1 2 1

1 1

' 2



 

n n

T

2 1

"

n n

T

3 1

"

' 2

''

2 P .P

3 3

(2.23)

PF : Áp suất cuối quá trình nén

Nếu biết tỉ số nén của một cấp ta có thể tính được áp suất trung giancủa các cấp bằng công thức (2.22)

Trong các máy động học, số cấp nén là số tầng của rôto và số cánh tĩnh,

số cấp có thể lên đến 40 cấp, trong trường hợp này cấp là một nhóm các dãy

và bộ phận làm mát được bố trí giữa các nhóm đó

Trong thực tế ngành kỹ thuật máy nén, công suất tiêu thụ thường khôngđược phân bố đều trên các cấp, các cấp có áp suất cao được thiết kế riêng chovài trường hợp và thường có tỉ số nén cao hơn

CHƯƠNG III: MÁY NÉN KHÍ PISTON

3.1 Định nghĩa máy nén khí piston

Máy nén khí piston là máy dùng để biến đổi năng lượng của khí vói sựgiúp đỡ của piston và tạo ra áp suất cao (đến 40 Ma và có thể cao hơn)

3.2 Ưu khuyết điểm của máy nén piston

3.2.1 Ưu điểm

- Hiệu suất cao có tỷ số nén lớn từ 25 – 100

- Có thể tạo ra được áp suất rất cao và có khả năng vận hành trong mộtdải áp suất thay đổi rộng

- Bảo toàn công suất khi thay đổi điều kiện vận hành

- Ảnh hưởng không đáng kể do sự thay đổi của mật độ khí nén tới sựlàm việc của máy nén

3.2.2 Nhược điểm

- Cấu tạo phức tạp, cồng kềnh do có cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

- Sự mất cân bằng của chuyển động tịnh tiến là nguyên nhân tăng màimòn kim loại, giảm tuổi thọ của máy

3.3 Phân loại máy nén khí piston

3.3.1 Máy nén khí piston theo phương nằm ngang

- Độ mài mòn piston và xécmăng xảy ra chậm và mòn đều

- Khả năng lọt các tạp chất cơ học vào buồng máy nén giảm, nhớtbôi trơn phân bổ đồng đều (đặc biệt quan trọng đối với máy nén có hệthống bôi trơn cưỡng bức)

+/ Khuyết điểm:

- Cấu tạo phức tạp

3.3.5 Máy nén khí piston có con trượt

Khắc phục được những nhược điểm của máy nén khí piston không cócon trượt

3.3.6 Máy nén khí piston xung đối

Các piston có chiều chuyển động ngược nhau

+/ Ưu điểm:

- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động tịnh tiến được cân bằng

- Ổ bi làm việc tốt hơn, giảm ma sát ở các bề mặt chuyển động tịnhtiến, có thể tăng vận tốc quay do vậy tăng được lưu lượng

3.4 Nguyên lý tác dụng và cơ sở lý thuyết

3.4.1 Nguyên lý tác dụng

Quá trình làm việc của máy nén khí piton diễn ra như sau:

Khi máy nén làm việc, piston chuyển động từ cận trái A-A sang phảitrong khoang 5 của xilanh, áp xuất trong khoang 5 giảm xuống và thấp hơn ápxuất ở khoang hút 1, tạo ra chênh áp do vậy van nạp 2 sẽ được mở ra, lúc đókhí qua van hút 2 sẽ được nạp vào xi lanh Khi piston đến cận phải B-B khí đãđược nạp đầy vào xilanh, áp suất trong xilanh sẽ bằng áp suất trong khoanghút 1, van nạp sẽ được đóng lại Quá trình nén khí bắt đầu diễn ra, piston

chuyển động ngược lại bắt đầu từ cận phải B-B, khi áp suất trong xilanh tănglên và vượt qua áp suất trong khoang xả 4 một giá trị nào đó thì van xả 3 bắtđầu mở ra, quá trình nén khí ngưng lại và piston tiếp tục chuyển động về phíatrái, khí từ xilanh được đẩy qua van xả 3 vào khoang xả 4 cho đến khi pistonđến cận trái A-A thì quá trình xả khí ngừng lại Sau đó quá trình nạp và xả khí

sẽ được lặp lại liên tục như trên

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo máy nén khí piston một cấp

1 Khoang hút 4 Khoang xả 7 Tay biên

2 Van hút 5 Khoang xilanh 8 Trục khửu

3 Van xả 6 Piston

3.4.2 Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí piston

Chúng ta khảo sát chu trình làm việc của máy nén khí piston mà chúnglàm việc với giả thuyết sau:

- Không mất mát công suất cho việc khắc phục lực ma sát

- Áp suất và nhiệt độ trong đường ống và khoang nạp, cả trong thờigian của quá trình nạp và xả không thay đổi

- Không có sự cản dòng chảy của khí trong đường nạp, xả và trongcác van nạp xả

- Không có dòng chảy ngược giữa piston và xilanh qua các van làmviệc

- Ở cuối quá trình nén tất cả khí trong xilanh được piston đẩy hết vàođường xả

1- 2, nếu thực hiện quá trình nén hoàn toàn không trao đổi nhiệt với bên ngoài

- đường đoạn nhiệt 1 –2’’

phóng không hoàn toàn và khi nhiệt độ được tăng lên Đây là quá trình nénthực tế của máy nén khí

piston (điểm 1) và kết thúc khi piston ở điểm 2, lúc đó áp suất trong xilanhbằng áp suất trong đường xả, khi đó van xả được mở ra

Hình 3.2 Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí.

(Hình trên chỉ ra đặc tính chu trình làm việc lý thuyết của máy nén pistonmột cấp)

c Quá trình xả (đường 2 –3):

Bắt đầu với thời điểm mở van xả (điểm 2) và được tiếp tục đến thờiđiểm đóng nó (điểm 3), khi piston tới cận trái và tất cả khí trong xilanh đượcpiston đẩy hết vào đường xả Quá trình đó cũng diễn ra với áp suất không đổitương ứng với đường đẳng áp 2 – 3

d Ở thời điểm đổi hướng chuyển động của piston (điểm 3):

Áp suất bị giảm đột ngột đến áp suất đường nạp, vì vậy van nạp được

mở Quá trình này giảm áp suất trong chu trình lý thuyết tuơng ứng với đườngđẳng tích (3-4)

3.5 Chu trình nén lý thuyết

3.5.1 Công nén riêng

Quá trình nén trong xilanh là đoạn nhiệt với chỉ số k

Đa biến với chỉ số n>k hoặc n<k, đẳng nhiệt n =1

Công nén riêng là công tiêu tốn để nén 1kg hơi hay khí từ áp suất P1 đến

P2, nó được ký hiệu tuỳ thuộc vào quá trình nén như:

được làm mát n<k

A1: Công nén riêng đẳng nhiệt

Ak: Công nén riêng đoạn nhiệt

) 1 (

2 1

n

Trong đó:

P1, V1: Áp suất và thể tích điểm đầu quá trình nén ( N/m2; m3/kg)

T1, T2: Nhiệt độ đầu và cuối quá trình nén đa biến ( 0K)

Thay P1V1 = RT1 ta có:

) (

Alt : Công nén riệng lý thuyết

Cv : Nhiệt dung riêng thể tích (kJ/kg.độ)

Cp : Nhiệt dung riêng áp suất (kJ/kg.độ)

T1,T2: Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình nén đoạn nhiệt (0K)

ln 1 1 1

2 p v p

p

Trong đó: ln là logarit cơ số e

3.5.2 Thông số của chu trình nén lý thuyết của máy nén khí piston

a Công suất tiêu thụ bởi máy nén thể tích cho nén khí:

N = l..QltTrong đó:

l: Công riêng cần thiết để nén 1kg khí trong chu trình nén đoạn nhiệt

: Mật độ của khí

Qlt : Lưu lượng lý thuyết của máy nén khí

b Lưu luợng lý thuyết của máy nén khí một cấp tác dụng đơn:

- Là độ lớn phụ thuộc vào đặc trưng hình học và không phụ thuộc vào

áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của khí

n S D

S: Chiều dài hành trình của piston (mm)

n: Số hành trình kép trong một phút của piston

c Lưu lượng thực tế của máy nén piston:

Được biểu diễn bằng công thức:

Q = l.Qlt Trong đó:

l: Hệ số lưu lượng, tính tới sự rò rỉ trong các van, đệm làm kíntrong bộ đôi xi lanh – piston, nung nóng khi nạp và ảnh hưởng của khoảngkhông gian có hại

Q: Lưu lượng thực tế của máy nén

d Công suất cần thiết của máy nén khí:

N = ..Q

Trong đó:

: Công riêng cần thiết để nén 1kg khí trong chu trình nén đoạn nhiệt

:Mật độ của khí (khối lượng riêng)

e Công suất trên trục của máy nén:

NT = (N + Np) ck.Trong đó:

Np: là công suất cần thiết để dẫn động cho các chi tiết phụ trợ

ck: Hiệu suất cơ khí

Công suất này lớn hơn công suất cần thiết do tính đến sự mất mát cho khắcphục lực ma sát trong cơ cấu trục khuỷu, thanh truyền và cho dẫn động cácthiết bị phụ trợ.

f Thể tích của khoảng không gian có hại của xi lanh máy nén:

Bằng tổng thể tích khoảng giữa xi lanh và piston theo mặt đỉnh khipiston ở cận trái và mặt nút lưu thông qua trong van nạp và van xả

Hình 3.3 Khoảng không gian chếtThể tích này được xác định gần đúng theo công thức:

Đối với đa số máy nén khí  thay đổi trong các giới hạn sau:

- Phía trục khuỷu (máy nén tác dụng kép)

Tổn thất thể tích trong quá trình làm việc của máy nén được đánh giábằng hệ số :

 = 1 2 3 4.Trong đó:

1 :Ảnh hưởng của khoảng hại đến khả năng hút của máy nén,

nó phụ thuộc vào không gian chết và hiệu suất giữa trước và sau quá trìnhnén

g Hiệu suất thể tích của máy nén:

Là tỷ lệ giữa thể tích nạp và thể tích công tác của xilanh

V

V n

 0



Trong đó:

Vn: Thể tích khí nạp

V : Thể tích công tác của xilanh

Hiệu suất công tác bị giảm khi:

+ Tăng thể tích khoảng không gian có hại

+ Giảm chỉ số nén đoạn nhiệt k

+ Tăng mức độ nén của máy nén

Vì vậy hiệu suất thể tích 0 là một trong những thành phần cơ bản củahiệu suất lưu lượng của máy nén

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của 0 vào thể tích V và áp suất nén P

Kết quả là sự thay đổi của nó có liên quan và phụ thuộc vào các thông

số đã chỉ ra và tương ứng làm thay đổi lưu lượng và công suất cần thiết củamáy nén

h Đặc tính nén được của khí:

Hệ số chịu nén của khí trong quá trình nén khi thay đổi từ z1 đến z2 nếu

z2 > z1 hiệu suất thể tích sẽ tăng, nếu z2 < z1 hiệu suất thể tích sẽ giảm

Trong công thức công riêng, trong thành phần hiệu suất dựa vào tỷ lệ(z1 + z2)/2 z1 thì công suất cần thiết cho nén sẽ tăng khi z2 > z1 và giảm khi

trình nhiệt động khác đáng kể so với các quá trình diễn ra trong chu trình lýthuyết

1 Quá trình nạp (Đường 4-1) của chu trình này khác là vào thời điểmban đầu áp suất trong xi lanh được giảm tới giá trị mà ở đó áp suất trongđường ống nạp cần phải đủ để khắc phục sức cản chuyển động của khí trongống dẫn và trong ống nạp và cũng để khắc phục lực ép lá van nạp Do sự thayđổi tốc độ của piston trong xi lanh dẫn đến sự thay đổi tốc độ khí trong xi lanh

và trong van nên áp suất trong quá trình hút bị thay đổi

2 Quá trình nén của chu trình nén thực tế (đường 1-2) khác với chutrình lý thuyết là vào đầu quá trình khí lạnh được nạp vào xi lanh, được néntrong xi lanh và bị nóng lên không chỉ do bị nén mà còn do nhận được nhiệttruyền từ xi lanh, piston, các van

độ khí nén đã tăng cao và nhiệt sẽ được giải phóng và truyền ra môi trườngbên ngoài

ống xả một độ lớn cần thiết để khắc phục sức cản chuyển động của khí quacác van và các lực ép của lò xo van

3 Quá trình xả (đường 2-3) của chu trình thực tế khác với chu trình lýthuyết là: xảy ra ở áp suất xả thay đổi do sự thay đổi vận tốc của khí được đẩy

ra từ xi lanh

Hình 3.6 Chu trình nén thực tế.

4 Quá trình giảm áp suất (đường 3-4) của chu trình thực tế khác vớichu trình lý thuyết là trong xi lanh sau khi kết thúc quá trình xả còn lại mộtlượng khí xác định có áp suất bằng áp suất xả Từ đầu chuyển động của piston

từ cận biên trái thể tích này bắt đầu giãn nở chiếm thể tích công tác của xilanh do vậy sẽ làm giảm thể tích công tác của xi lanh dẫn tới làm giảm côngsuất của máy nén Thể tích không có lợi này tham gia vào chu trình làm việccủa máy nén được đặc trưng bởi không gian có hại (chết) vì nó giữ lại khí vàocuối của quá trình xả

Trong quá trình làm việc đường đặc trưng thực tế của máy nén còn bị thayđổi nhiều khi máy nén gặp các hư hỏng sau:

- Thể tích của khoảng không gian chết của xi lanh máy nén vượt quáthể tích ghi trong tài liệu kỹ thuật

- Hư hỏng trong van xả vì vậy xảy ra dòng chảy ngược của khí vào xilanh máy nén từ ống xả

- Sức cản lớn trong van xả, van hút và các đường ống dẫn xả và hút

- Kẹt lá van xả

- Kẹt lá van hút

- Lựa chọn lò xo van không đúng

- Rò rỉ khí qua khe hở trong các xécmăng

Đặc tính của máy nén khí theo tỷ số nén như sau:

3.6 Máy nén piston nhiều cấp:

3.6.1 Tại sao phải chế tạo máy nén khí nhiều cấp:

Trong thực tế sản xuất để có khí nén áp suất cao, người ta phải chế tạo và

sử dụng máy nén khí piston nhiều cấp có làm mát trung gian vì các nguyênnhân cơ bản sau:

* Do giới hạn nhiệt độ khí nén sau cấp nén:

tốt điều kiện bôi trơn nghĩa là nhiệt độ khí nén và các bộ phận của máy khôngvượt quá giá trị nhiệt độ làm việc cho phép đối với vật liệu bôi trơn Thường

ta sử dụng loại dầu bôi trơn của máy nén với nhiệt độ làm việc không quá

180o C Vì vậy yêu cầu nhiệt độ khí nén cũng không vượt quá giá trị này

Như vậy nhiệt độ khí nén càng cao khi tỷ số nén càng lớn, vì vậy phải

cháy nổ của dầu bôi trơn

Trên cơ sở yêu cầu giá trị của áp suất khí nén cần cung cấp, người thiết kếmáy nén với số luợng, cấp nén phù hợp để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

Thông thường người ta chọn số cấp nén theo bảng sau:

1100Bảng 3.1 Tỉ số nén theo các cấp

* Do công tiêu thụ trong máy nén nhiều cấp có làm mát trung gian nhỏ hơn công tiêu thụ cho máy nén một cấp có cùng tỷ số:

Hình 3.8 Công tiêu thụ trong máy nén nhiều cấp.Xét quá trình đa biến lý thuyết:

- Nếu là máy nén một cấp thì khí nén được nén theo đường 1-A-2’, khi

đó công tiêu thụ cả chu trình là diện tích của hình ( 4-1-A-2’-2-3-4)

- Nếu là máy nén 2 cấp có làm mát trung gian để nhiệt độ khí sau cấpnén thứ nhất bằng nhiệt độ khí nạp TB = T1 thì quá trình nén là:

+ Đường 1-A : Quá trình nén đa biến cấp 1

+ Đường A-B : Làm mát đẳng áp

+ Đường B-2 : Nén đa biến cấp 2

- Công tiêu thụ của máy nén 2 cấp cùng tỷ số nén  là diện tích giới hạnbởi đường (4-1-A-B-2-3-4)

- So với máy nén một cấp cùng tỷ số nén ta thấy máy nén hai cấp cólàm mát trung gian tiêu thụ ít hơn một lượng công bằng diện tích của hình (A-B-2-2’-A)

* Do ảnh hưởng của khoảng không gian chết Vh :

dãn nở sẽ chiếm trong xilanh nhiều hơn, dẫn đến làm giảm lượng khí nạp thực

tế vào xilanh và ảnh hưởng tới lưu lượng và công suất máy

Hình 3.9 Ảnh hưởng của khoảng không gian chết

gian chết sẽ dãn nở và sẽ chiếm hoàn toàn thể tích công tác của xi lanh và khi

đó năng suất nén của máy nén sẽ bằng 0

toán đến nhiều yếu tố khác để lựa chọn số cấp nén cho hợp lý

* Do giảm lực tác dụng lên piston và các chi tiết truyền động máy nénkhi sử dụng máy nén khí nhiều cấp

* Công nén của máy nén một cấp tăng do mất mát vì rò rỉ lớn, mất mátcông suất ở các van lớn, do không làm mát đầy đủ khí nén, do sự thay đổi tínhchất của khí nén khi bị nén và những nguyên nhân khác

3.6.2 Phân phối áp suất nén giữa các cấp nén

Xuất phát từ điều kiện thực tế đối với máy nén nhiều cấp người ta phânphối áp suất nén sao cho nhiệt độ nén sau mỗi cấp đếu bằng nhau:

T2 =T4 = T6 (1)

Và nhiệt độ khí nén sau mỗi cấp đều là đường đẳng áp đến nhiệt độ banđầu.

n n

n

p

p T

T p

p T

T p

p T T

1

5 6 5 6 1

3 4 3

4 1

1 2 1

p p

4 1

2

Trong đó x là tỷ số nén của từng cấp

5 3 1

6 4 2

.

x p p p

p p p



Do P2 = P3; P4 = P5 => 3

1

6 3

1

6

p

p x x p