Barbara MECHANICS WORSZTYNOWICZ ANALIZA Vol. 24 No. WSPÓ PRACY 1 2005 SPRÊ AREK RECYRKULACYJNYCH Z INSTALACJ SYNTEZY AMONIAKU ANALIZA WSPÓ PRACY SPRÊ AREK RECYRKULACYJNYCH Z INSTALACJ SYNTEZY AMONIAKU Barbara WORSZTYNOWICZ * STRESZCZENIE Analiza pracy wysokociœnieniowej instalacji syntezy amoniaku (500 t/dobê) pozwoli³a wyci¹gn¹æ wniosek o pojawieniu siê niestacjonarnych przebiegów falowych w przewodach t³ocz¹cych mieszankê syntezow¹ do kolumny ze z³o em katalitycznym. Zjawiska te pojawia³y siê po w³¹czeniu jednej ze sprê arek recyrkulacyjnych. Analizuj¹c uk³ad ruroci¹gów i sposób ich do³¹czenia do sprê arek podstawowych i recyrkulacyjnych, wybrano punkty do obserwacji synchronicznych przebiegów szybkozmiennych. Przeprowadzenie badañ, w których obserwowano zachodzenie przebiegów falowych, pozwoli³o zidentyfikowaæ miejsca lokalnych rezonansów bêd¹cych przyczyn¹ obni enia parametrów ssania, co wp³ynê³o negatywnie na wydajnoœæ sprê arek, a ponadto wywo³ywa³o drgania rezonansowe instalacji. S³owa kluczowe: synteza amoniaku, gaz syntezowy, mieszanka syntezowa, sprê arki gazu syntezowego, sprê arki recyrkulacyjne mieszanki syntezowej, instalacja oko³osprê arkowa ANALYSIS OF RECIRCULATION COMPRESSORS CO-OPERATION WITH AMMONIA SYNTHESIS INSTALLATION Analysis of work of high-pressure installation of ammonia synthesis enabled a conclusion about the appearance of unstationary wave courses in the pipes pressing synthesis mixture into the column with catalytic deposit. The phenomena appeared when one of recirculation compressors was turned on. To analyse the system of pipelines and the way of their attachement to basic and recirculation compressors some points were selected to observe synchronic course of rapid changing pressures. The research, in which the wave courses took place, was a ground to identify places of local resonance which were a cause of suction parameters devaluation. It had a negative influence upon the compressor efficiency and also resulted in resonance vibrations of the installation. Keywords: ammonia synthesis, recirculation compressors, synthesis mixture 1. WSTÊP Ci¹g technologiczny instalacji syntezy amoniaku (500 t/dobê) w Zak³adach Azotowych S.A. Tarnów-Moœcice sk³ada siê z czterech sprê arek podstawowych gazu syntezowego NOUVO-PIGNONE, pracuj¹cych ze sta³¹ czêstotliwoœci¹ i sprê arek recyrkulacyjnych dwóch marki ZWICKAU oraz jednej marki. Sprê arki recyrkulacyjne zasilane s¹ silnikami elektrycznymi asynchronicznymi, które z natury swojego dzia³ania nie zapewniaj¹ sta³ej czêstotliwoœci cykli t³oczenia. Proces syntezy amoniaku odbywa siê w katalitycznej kolumnie konwertorowej znajduj¹cej siê poza hal¹. Instalacja syntezy amoniaku wyposa ona jest tak e w szereg wymienników ciep³a, których zadaniem, w zale noœci od potrzeb technologicznych, jest podnoszenie lub obni anie temperatury mieszanki syntezowej. Sprê arki podstawowe w warunkach nominalnych sprê aj¹ gaz syntezowy od ciœnienia 2,5 MPa do ciœnienia 29,5 MPa. Gaz syntezowy sk³ada siê z 74,04% H 2, 24,74% N 2, 0,3% Ar, 0,92% CH 4. Do obiegu sprê arek recyrkulacyjnych trafia mieszanka syntezowa spod kolumny katalitycznej z³o ona z gazu syntezowego i amoniaku o nastêpuj¹cym sk³adzie: H 2 56,1%, N 2 18,97%, Ar 4,21%, CH 4 10,81%, NH 3 9,91%. Obs³uga w trakcie eksploatacji instalacji stwierdzi³a wystêpowanie nieprawid³owoœci, a mianowicie: okresowe zmniejszanie wydajnoœci uk³adu syntezy amoniaku, okresowe drgania instalacji, pojawiaj¹ce siê zw³aszcza poza hal¹, na estakadzie z zamontowan¹ kolumn¹ katalityczn¹; drgania te nasila³y siê g³ównie przy równoleg³ej pracy sprê arek recyrkulacyjnych: jednej ze sprê- arek ZWICKAU i sprê arce. Zauwa one nieprawid³owoœci, a tak e analiza pracy instalacji pozwalaj¹ na wysuniêcie tezy, i w instalacji mog¹ wystêpowaæ niestacjonarne zjawiska falowe powstaj¹ce w wyniku przypadkowego nak³adania siê na siebie pulsacji o ró nych czêstotliwoœciach. Celem potwierdzenia lub te zaprzeczenia tej teorii przeprowadzono wielogodzinne pomiary przebiegu szybkozmiennych. Fakt, i instalacja nie jest w pe³ni przygotowana do tego typu obserwacji, ogranicza mo liwoœæ instalowania czujników pomiarowych. Równie utrudnieniem jest to, e sprê arki ZWICKAU nie s¹ fabrycznie przystosowane do indykowania. * Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia³ In ynierii Mechanicznej i Robotyki; worsztyn@imir.agh.edu.pl 36
MECHANICS Vol. 24 No. 1 2005 2. SPRÊ ARKI RECYRKULACYJNE W CI GU SYNTEZY AMONIAKU Sprê arki recyrkulacyjne znajduj¹ siê w jednej hali, wspólnie ze sprê arkami gazu syntezowego NOUVO-PIGNONE. Sprê arki recyrkulacyjne ZWICKAU 12 i 13 s¹ umieszczone w niewielkiej odleg³oœci od siebie, w okolicach koñca ruroci¹gów kolektorowych ssawnego i t³ocznego. Sprê arka znajduje siê w odleg³oœci ok. 50 m od sprê arek ZWICKAU w kierunku znajduj¹cej siê na zewn¹trz hali katalitycznej kolumny konwertorowej. Sprê arka jest dwucylindrowa, dwustronnego dzia³ania, wyposa ona po stronie ssania i t³oczenia w sferyczne t³umiki pulsacji, po jednym t³umiku dla ka dego z cylindrów. Dodatkowo po stronie ssania znajduj¹ siê filtry, a po stronie t³ocznej kryzy t³umi¹ce usytuowane przed i za t³umikami pulsacji. Ruroci¹g doprowadzaj¹cy mieszankê syntezow¹ dochodzi od strony wschodniej sprê arki, powoduj¹c niesymetryczny uk³ad zasilania cylindrów. Równie uk³ad ruroci¹gów po stronie t³ocznej jest niesymetryczny, gdy punkt wspólny od obu cylindrów znajduje siê od strony wschodniej. Sprê arkê napêdza silnik elektryczny asynchroniczny o mocy ok. 1000 kw, ze znamionow¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ 295 obr./min. Sprê arki ZWICKAU s¹ jednocylindrowe, dwustronnego dzia³ania, wyposa one w t³umiki pulsacji. Sprê arki s¹ napêdzane silnikami elektrycznymi asynchronicznymi ze znamionow¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ 184 obr./min. Producent sprê arki przewidzia³ mo liwoœæ jej indykowania, wiêc rozmieszczenie punktów pomiarowych nie stanowi³o problemu. W przypadku sprê arek ZWIC- KAU mo liwe jest jedynie pod³¹czenie czujników ciœnienia po stronach t³ocznych obu tych maszyn. Dla zespo³u sprê arek NOUVO-PIGNONE, które podobnie jak sprê arki ZWICKAU nie s¹ przystosowane do indykowania, przewidziano punkty pomiarowe na ruroci¹gach zbiorczych po stronie ssania i t³oczenia (pp. 23 zlokalizowany w rejonie sprê arek na ssaniu, pp. 14 poza hal¹, w pobli u po³¹czeñ ruroci¹gów doprowadzaj¹cych gaz syntezowy z ruroci¹gami gazu obwodu recyrkulacji). Rys. 1. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych sprê arka 3. PUNKTY POMIAROWE Na instalacji wytypowano punkty pomiarowe (pp), które oznaczono numerami od pp. 1 do pp. 23. Istniej¹ce warunki pozwoli³y na lokalizacjê punktów pomiarowych po stronie t³ocznej sprê arek ZWICKAU w ich bezpoœredniej bliskoœci (pp. 21 i pp. 22). Natomiast po stronie ssawnej takich mo liwoœci nie by³o, wiêc z koniecznoœci wytypowano punkt na œlepej koñcówce ruroci¹gu kolektorowego (pp. 19). Dodatkowo dla uzyskania pe³nego obrazu usytuowano symetrycznie w stosunku do ruroci¹gu ssawnego punkt (pp. 20) na kolektorze t³oczenia. Sprê arka jest przygotowana fabrycznie do indykacji, w zwi¹zku z czym wytypowano 12 punktów pomiarowych (rys. 1), z których 8 znajduje siê na sprê arce; 4 punkty pomiarowe znajduj¹ siê w przestrzeniach roboczych ka dego cylindra oraz przed zaworami ss¹cymi i za zaworami t³ocznymi obu cylindrów. Kolejne punkty pomiarowe usytuowano na instalacji oko³osprê arkowej, po stronie ssawnej na rozga³êzieniu ruroci¹gów do cylindrów i po stronie t³ocznej na po³¹czeniu ruroci¹gów cylindrów, a tak- e na dalszej czêœci wspólnego ruroci¹gu przed zaworem odcinaj¹cym od pozosta³ej czêœci instalacji. Rys. 2. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych instalacja technologiczna syntezy amoniaku 37
Barbara WORSZTYNOWICZ ANALIZA WSPÓ PRACY SPRÊ AREK RECYRKULACYJNYCH Z INSTALACJ SYNTEZY AMONIAKU Na ruroci¹gu kolektorowym t³ocznym obwodu recyrkulacji znajduje siê punkt pomiarowy (pp. 15) zlokalizowany na pomoœcie technologicznym, obok którego znajduje siê punkt (pp. 18) na ruroci¹gu kolektorowym ssawnym obwodu recyrkulacji. Wytypowano te dwa punkty pomiarowe w bezpoœredniej bliskoœci katalitycznej kolumny konwertorowej, na jej szczycie (pp. 16) i na dole kolumny (pp. 17). Ka dy punkt pomiarowy wyposa ono w oddzielny zawór iglicowy odcinaj¹cy, do którego do³¹czano czujnik pomiarowy. Wykaz usytuowania punktów pomiarowych 1 cylinder wschodni, strona zewnêtrzna sprê arki 2 pulsator (sferyczny t³umik pulsacji) ssania cylinp dra wschodniego sprê arki 3 pulsator (sferyczny t³umik pulsacji) t³oczenia cylindra wschodniego sprê arki 4 cylinder wschodni, strona wewnêtrzna sprê arki 5 cylinder zachodni, strona wewnêtrzna sprê arki 6 pulsator (sferyczny t³umik pulsacji) ssania cylindra zachodniego sprê arki 7 pulsator (sferyczny t³umik pulsacji) t³oczenia cylindra zachodniego sprê arki 8 cylinder zachodni, strona zewnêtrzna sprê arki 9 ssanie, cylinder wschodni i zachodni sprê arki 10 t³oczenie, cylinder wschodni i zachodni sprê arki 11 ssanie cylinder zachodni sprê arki 12 t³oczenie sprê arki, suma 13 bocznik na t³oczeniu kolektora cyrkulacji 14 t³oczenie po sprê arkach NOUVO-PIGNONE 15 t³oczenie po cyrkulatorach 16 góra konwertora 17 dó³ konwertora 18 ssanie cyrkulatorów 19 ssanie na kolektorze cyrkulacji 20 t³oczenie na kolektorze cyrkulacji 21 t³oczenie ZWICKAU 12 22 t³oczenie ZWICKAU 13 23 ssanie do sprê arek NOUVO-PIGNONE (kryza) Usytuowanie punktów pomiarowych w instalacji przedstawiaj¹ schematy lokalizacji wzglêdem aparatów technologicznych: na rysunku 1 dla pp. 1 12, na rysunku 2 dla pp. 14 23. Z punktu pomiarowego pp. 13 zrezygnowano, gdy nie by³ on umieszczony bezpoœrednio na ruroci¹gu. 4. UK AD POMIAROWY Obserwacjê wystêpuj¹cych w instalacji zjawisk falowych przeprowadzono, wykorzystuj¹c aparaturê do pomiaru szybkozmiennych z czujnikami piezoelektrycznymi i rejestracj¹ komputerow¹. Do badañ wykorzystano równoczeœnie dwa tory pomiarowe. Pojedynczy tor pomiarowy sk³ada³ siê z czujnika piezoelektrycznego, przekszta³tnika sygna³u na sygna³ pr¹dowy (w zakresie 4 20 ma) i wzmacniacza. Pomiary wykonano, stosuj¹c zasadê stopniowego przechodzenia przez wszystkie punkty pomiarowe, rejestruj¹c i archiwizuj¹c komputerowo wyniki w czterech kombinacjach dla ka dego z punktów. Stanowisko rejestruj¹ce by³o odsuniête od sprê arki ze wzglêdu na drgania i nieuniknione wycieki gazu syntezowego dzia³aj¹cego agresywnie na elementy aparatury pomiarowej. Rejestrowane wewn¹trz cylindrów (sprê arki ) przebiegi zmian ciœnienia w funkcji czasu by³y przekszta³cane na zamkniête wykresy indykatorowe, dziêki czemu mo liwe by³o okreœlanie prac indykowanych i œrednich indykowanych. Przed przyst¹pieniem do badañ tory pomiarowe zosta- ³y przecechowane w pe³nym zakresie czujników, a tak e we wszystkich przewidzianych podczas pomiarów konfiguracjach toru pomiarowego. Po zakoñczeniu badañ tory pomiarowe poddano cechowaniu wed³ug tej samej procedury. Wykluczono w ten sposób ewentualne b³êdy wynikaj¹ce z mo liwoœci zmian w³aœciwoœci torów pomiarowych podczas badañ. Ze wzglêdu na zmiennoœæ parametrów technologicznych, sprê arki recyrkulacyjne pracuj¹ w trzech konfiguracjach, a mianowicie: 1) pojedynczo sprê arka, 2) w uk³adzie równoleg³ym sprê arka ze sprê- ark¹ ZWICKAU, 3) w uk³adzie równoleg³ym dwie sprê arki ZWICKAU. W zwi¹zku z tym przeprowadzono trzy serie pomiarowe, po jednej dla ka dej konfiguracji pracy instalacji. Serie pomiarowe zaplanowano tak, by rozpoczynaæ i koñczyæ ka d¹ z nich t¹ sam¹ kombinacj¹ punktów pomiarowych. Termin pomiarów wybrano na okres sta³ej wydajnoœci instalacji. Nieprawid³owoœci w pracy instalacji pojawia³y siê przy w³¹czaniu w uk³ad recyrkulacji sprê arki, tak wiêc przedstawiona analiza zosta³a ograniczona do serii, w których ta sprê arka pracowa³a. 5. WSPÓ PRACA SPRÊ ARKI Z INSTALACJ RECYRKULACJI MIESZANKI SYNTEZOWEJ Pierwsz¹ seriê pomiarow¹ przeprowadzono, gdy w uk³adzie recyrkulacji mieszankê syntezow¹ przet³acza³a sprê- arka. Przed przyst¹pieniem do badañ opracowano schemat pomiarowy (tab. 1), zak³adaj¹cy prowadzenie pomiarów równoczeœnie dwoma torami. Ka d¹ kombinacjê pomiaru dwóch punktów wykonywano dwa razy ze zmian¹ toru pomiarowego, tak aby wyniki uzyskane z pomiaru jednym torem weryfikowaæ drugim torem pomiarowym. Dodatkowo seria pomiarowa zaczyna³a i koñczy³a siê t¹ sam¹ kombinacj¹ punktów pomiarowych. Tak przygotowany plan zawiera³ 64 podwójne próby pomiarowe. 38
MECHANICS Vol. 24 No. 1 2005 Nr Punkty pomiarowe Nr Tabela 1. Schemat pomiarowy Punkty pomiarowe Nr Punkty pomiarowe Nr Punkty pomiarowe 1 15,18 17 14,20 33 1,4 49 8,5 2 18,15 18 20,14 34 4,1 50 5,8 3 16,15 19 23,14 35 3,1 51 5,7 4 15,16 20 14,23 36 1,3 52 7,5 5 17,16 21 14,12 37 10,3 53 7,10 6 16,17 22 12,14 38 3,10 54 10,7 7 18,17 23 9,15 39 1,5 55 10,12 8 17,18 24 15,9 40 5,1 56 12,10 9 17,15 25 11,9 41 5,6 57 12,15 10 15,17 26 9,11 42 6,5 58 15,12 11 14,17 27 9,2 43 6,11 59 19,20 12 17,14 28 2,9 44 11,6 60 20,19 13 15,14 29 2,1 45 8,6 61 18,19 14 14,15 30 1,2 46 6,8 62 19,18 15 20,15 31 4,2 47 7,8 63 15,18 16 15,20 32 2,4 48 8,7 64 18,15 Ocena jakoœciowa i iloœciowa wspó³pracy sprê arki Borsig z instalacj¹ recyrkulacji mieszanki syntezowej Przebiegi zmian ciœnienia w cylindrach s¹ przedstawione w postaci wykresów w funkcji czasu (wykresy otwarte) i w funkcji skoku t³oka (wykresy zamkniête). Je eli przeœledzi siê wykresy dla obu cylindrów (rys. 3), to widaæ, i wystêpuj¹ znaczne ró nice w przebiegu ich pracy. Równoczeœnie mo na zauwa yæ, e dla ka dego z nich, praca jego strony wewnêtrznej i zewnêtrznej przedstawia siê podobnie w sensie jakoœciowym i iloœciowym. Natomiast przy porównaniu pracuj¹cych równoczeœnie stron zewnêtrznych lub wewnêtrznych cylindrów ujawniaj¹ siê znaczne ró nice zarówno jakoœciowe, jak i iloœciowe na wykresach obrazuj¹cych ich pracê. Analiza iloœciowa wykresów zmian ciœnienia w funkcji t³oka ujawni³a ró nice w pracy cylindrów, powoduj¹ce zarazem ró nice ich udzia³u w wydajnoœci sprê arki. Udzia³y te wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 25,69%, strona wewnêtrzna (pp. 4) 25,75%; strona zewnêtrzna (pp. 8) 25,08%, strona wewnêtrzna (pp. 5) 23,47%. udzia³ów pomiêdzy równoczeœnie pracuj¹cymi stronami zewnêtrznymi cylindrów wynosi 2,4%, a stronami wewnêtrznymi 9,7%. Œrednie ciœnienia indykowane wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 2008,24 kpa, strona wewnêtrzna (pp. 4) 2012,89 kpa; strona zewnêtrzna (pp. 8) 1960,53 kpa, strona wewnêtrzna (pp. 5) 1834,87 kpa. Prace indykowane wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 21,689 kj, strona wewnêtrzna (pp. 4) 21,739 kj; strona zewnêtrzna (pp.8) 21,174 kj, strona wewnêtrzna (pp.5) 19,816 kj. Iloœciowe zmiany wartoœci ciœnienia w poszczególnych cylindrach w trakcie ich kolejnych etapów pracy wskazuj¹ na wystêpowanie znacznych ró nic wyniki przedstawia tabela 2. Porównuj¹c stronê zewnêtrzn¹ i wewnêtrzn¹ cylindra wschodniego, nale y stwierdziæ, e poszczególne etapy pracy przebiegaj¹ w tych samych zakresach, a wiêc i praktycznie przy tych samych ró nicach. W przypadku drugiego cylindra widaæ znaczne rozbie noœci w zakresach miêdzy stron¹ zewnêtrzn¹ i wewnêtrzn¹, równie ró nice dla poszczególnych procesów bardziej od siebie odbiegaj¹. Dla cylindra wschodniego po stronie ssania nastêpuje spadek ciœnienia o wartoœci 0,35 MPa, podczas gdy dla cylindra zachodniego wartoœæ ta mieœci siê w zakresie od 0,5 do 0,65 MPa, co wynika ze spadku ciœnienia na pocz¹tku procesu zasysania, po którym nastêpuje gwa³towny jego wzrost. Ró nice te wynikaj¹ w g³ównej mierze z niesymetrycznoœci strony ssawnej instalacji oko³osprê arkowej, powoduj¹cej odmienne warunki dop³ywu mieszanki do zaworów ss¹cych cylindrów, wp³ywaj¹ce bezpoœrednio na ich nape³nianie. Proces sprê ania w cylindrze wschodnim charakteryzuje siê przyrostem ciœnienia rzêdu 2 MPa, natomiast w zachodnim s¹ to wartoœci 1,17 do 1,32 MPa, wynikiem czego s¹ du e ró nice w przebiegu linii t³oczenia. Przyrost ciœnienia w czasie sprê- ania w wschodnim cylindrze jest wystarczaj¹co du y, aby otwar³y siê zawory i rozpocz¹³ siê proces wyt³aczania mieszanki, co obrazuje na wykresie spadek ciœnienia t³oczenia. 39
Barbara WORSZTYNOWICZ ANALIZA WSPÓ PRACY SPRÊ AREK RECYRKULACYJNYCH Z INSTALACJ SYNTEZY AMONIAKU CYLINDER WSCHODNI pp. 1 CYLINDER ZACHODNI pp. 8 STRONA ZEWNÊTRZNA CYLINDER WSCHODNI pp. 4 CYLINDER ZACHODNI pp. 5 STRONA WEWNÊTRZNA Rys. 3. Wykresy przebiegu zmian ciœnienia w funkcji czasu i w funkcji skoku t³oka dla sprê arki przy wspó³pracy z instalacj¹ recyrkulacji mieszanki syntezowej sprê arki 40
MECHANICS Vol. 24 No. 1 2005 Tabela 2. Iloœciowe zmiany wartoœci ciœnienia w cylindrach Cylinder wschodni, MPa Cylinder zachodni, MPa Strona zewnêtrzna (pp. 1) Strona zewnêtrzna (pp. 8) 23,00 23,35 23,23 25,30 24,40 25,56 23,10 24,50 0,35 2,07 1,16 1,40 23,35 24,00 24,00 25,17 24,95 25,95 23,55 25,50 0,65 1,17 1,00 1,95 Strona wewewnêtrzna (pp. 4) Strona wewewnêtrzna (pp. 5) 22,85 23,20 23,06 25,12 24,17 25,40 22,95 24,23 0,35 2,06 1,23 1,28 22,85 23,35 23,35 24,67 24,40 25,44 22,88 25,00 0,50 1,32 1,04 2,12 W przypadku zachodniego cylindra wystêpuje ma³y przyrost ciœnienia sprê ania ograniczaj¹cy otwarcie zaworów t³ocznych, co powoduje, e w czasie, gdy powinien nastêpowaæ ju wyp³yw, trwa sprê anie czynnika. Dlatego ciœnienie rozprê ania dla wschodniego cylindra mieœci siê w granicach od 1,28 do 1,4 MPa, a dla zachodniego ma wartoœci 1,95 do 2,12 MPa. Porównuj¹c równoczeœnie pracuj¹ce cylindry, mo na stwierdziæ ró nice pomiêdzy ciœnieniem zamkniêcia zaworu t³ocznego i ciœnieniem otwarcia zaworu ssawnego, dla strony zewnêtrznej wynosi ona 39,29%, a wewnêtrznej 65,62%. Bezwzglêdna przekraczaj¹ca 1 MPa, ró nica ciœnienia koñca wyt³aczania i wyp³ywu dla równoczeœnie pracuj¹cych stron jest przyczyn¹ powstawania zjawisk dynamicznych po stronie t³ocznej instalacji oko³osprê arkowej. Powstaj¹ pulsacje pomiêdzy równoczeœnie pracuj¹cymi stronami cylindrów, tworz¹c falê ciœnienia przenosz¹c¹ siê na pozosta³¹ czêœæ instalacji. Niesymetryczna budowa strony t³ocznej instalacji oko³osprê arkowej dodatkowo wzmacnia zjawisko. 6. WSPÓ PRACA SPRÊ AREK I ZWICKAU Z INSTALACJ RECYRKULACJI MIESZANKI SYNTEZOWEJ Kolejn¹ seriê pomiarow¹ wykonano, gdy w uk³adzie recyrkulacji pracowa³y równolegle sprê arka ze sprê- ark¹ ZWICKAU. W tym przypadku ustalono 68 podwójnych pomiarów, które równie zaczyna³y i koñczy³y siê takimi samymi kombinacjami punktów pomiarowych jak w poprzedniej serii. Wszystkie serie pomiarowe rozpoczyna³y i koñczy³y siê w tych samych punktach. Ocena jakoœciowa i iloœciowa wspó³pracy sprê arek i ZWICKAU z instalacj¹ recyrkulacji mieszanki syntezowej Wspó³praca sprê arki ze sprê ark¹ ZWICKAU w uk³adzie recyrkulacji zosta³a równie przedstawiona poprzez wykresy przebiegów zmian ciœnienia w cylindrach w funkcji czasu (wykresy otwarte) i w funkcji skoku t³oka (wykresy zamkniête) wykonanych dla sprê arki (rys. 4). W³¹czenie do uk³adu recyrkulacji sprê arki ZWICKAU spowodowa³o zmniejszenie ró nic iloœciowych, jednak nie przyczyni³o siê do ograniczenia ró nic jakoœciowych. Porównanie udzia³u w wydajnoœci sprê arki poszczególnych cylindrów w tej serii pomiarowej wykaza³o mniejsze ró nice pomiêdzy wspó³pracuj¹cymi stronami cylindrów. Udzia³y te wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 25,41%, strona wewnêtrzna (pp. 4) 24,94%; strona zewnêtrzna (pp. 8) 25,88%, strona wewnêtrzna (pp. 5) 23,77%. pomiêdzy równoczeœnie pracuj¹cymi stronami zewnêtrznymi cylindrów wynosi 1,86%, a stronami wewnêtrznymi 4,92%. Œrednie ciœnienia indykowane wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 1996,60 kpa, strona wewnêtrzna (pp. 4) 1959,37 kpa; strona zewnêtrzna (pp. 8) 2033,84 kpa, strona wewnêtrzna (pp. 5) 1867,45 kpa. Prace indykowane wynosz¹: strona zewnêtrzna (pp. 1) 21,563 kj, strona wewnêtrzna (pp. 4) 21,161 kj; strona zewnêtrzna (pp. 8) 21,965 kj, strona wewnêtrzna (pp. 5) 20,168 kj. Iloœciowe zmiany wartoœci ciœnienia w poszczególnych cylindrach w trakcie ich kolejnych etapów pracy wskazuj¹ na wystêpowanie znacznych ró nic wyniki przedstawia tabela 3. Je eli porówna siê strony cylindra wschodniego, widaæ znacz¹ce ró nice pomiêdzy nimi, co nie wystêpuje w cylindrze zachodnim. W poprzedniej serii pomiarowej sytuacja by³a odwrotna. 41
Barbara WORSZTYNOWICZ ANALIZA WSPÓ PRACY SPRÊ AREK RECYRKULACYJNYCH Z INSTALACJ SYNTEZY AMONIAKU CYLINDER WSCHODNI pp. 1 CYLINDER ZACHODNI pp. 8 STRONA ZEWNÊTRZNA CYLINDER WSCHODNI pp. 4 CYLINDER ZACHODNI pp. 5 STRONA WEWNÊTRZNA Rys. 4. Wykresy przebiegu zmian ciœnienia w funkcji czasu i w funkcji skoku t³oka dla sprê arki przy wspó³pracy z instalacj¹ recyrkulacji mieszanki syntezowej sprê arki wraz ze sprê ark¹ ZWICKAU 42
MECHANICS Vol. 24 No. 1 2005 Tabela 3. Iloœciowe zmiany wartoœci ciœnienia w cylindrach Cylinder wschodni, MPa Cylinder zachodni, MPa Strona zewnêtrzna (pp. 1) Strona zewnêtrzna (pp. 8) 23,22 23,63 23,45 25,66 25,16 25,82 23,50 25,30 0,41 2,21 0,66 1,80 23,10 23,75 23,72 25,10 24,72 26,00 23,32 25,50 0,65 1,38 1,28 2,18 Strona wewnêtrzna (pp. 4) Strona wewnêtrzna (pp. 5) 23,16 23,98 23,38 25,74 25,00 26,00 23,10 25,30 0,82 2,36 1,00 2,20 23,13 23,60 23,40 24,80 24,55 25,85 23,27 25,38 0,47 1,40 1,30 2,11 Nale y te zauwa yæ, i w cylindrze wschodnim ró - nice sprê ania i rozprê ania sta³y siê wartoœciami bardzo zbli onymi, podczas gdy w cylindrze zachodnim nadal znacznie od siebie odbiegaj¹. Po stronie wewnêtrznej cylindra wschodniego pojawiaj¹ siê na pocz¹tku ssania du e pulsacje ciœnienia przek³adaj¹ce siê na ró nicê 0,82 MPa w tym etapie procesu. Jednak patrz¹c na ca³oœæ procesu dla cylindra wschodniego, nale y stwierdziæ, e zarówno w sensie jakoœciowym, jak i iloœciowym przebiega on znacznie lepiej ni przy pracy samej sprê arki. W cylindrze zachodnim sprê anie nadal odbywa siê przy za ma³ej ró nicy (1,38 1,40 MPa), w zwi¹zku z czym w etapie t³oczenia ciœnienie roœnie. Poprawa pracy cylindra wschodniego powoduje, i ró nica równoczeœnie rozprê aj¹cych stron zewnêtrznych wynosi 21,11%, a wewnêtrznych 4,26%. Analiza wykresów zamkniêtych dla sprê arki pozwala stwierdziæ pojawienie siê synchronicznego pulsowania ciœnienia w czêœci ssawnej i t³ocznej sprê arki. Zjawisko to, bez w¹tpienia maj¹ce negatywny wp³yw na instalacjê, mo na w du ej mierze wyt³umaczyæ ró n¹ czêstotliwoœci¹ pracy sprê arek oraz faktem zasilania ich silnikami asynchronicznymi. W wyniku czego na po³¹czeniu z magistral¹ pulsacje ciœnienia wytworzone przez sprê arkê nak³adaj¹ siê na pulsacje ciœnienia pochodz¹ce od sprê arki ZWICKAU, powoduj¹c okresowe wzmocnienie fali, które przemieszcza siê w kierunku kolumny katalitycznej i powoduje drgania zarówno kolumny, jak i ruroci¹gów. Potwierdzeniem istotnego niekorzystnego wp³ywu zjawisk dynamicznych na pracê sprê arki s¹ pojawiaj¹ce siê ró nice w przebiegu linii ssania i t³oczenia dwóch kolejnych cykli jej pracy. 7. PODSUMOWANIE Do prawid³owej wspó³pracy maszyn w instalacji syntezy amoniaku wymagane s¹: symetria instalacji oko³osprê arkowej sprê arki BOR- SIG po stronie ssania i t³oczenia, odpowiednie pojemnoœci t³umików pulsacji zarówno dla sprê arki jak i sprê arek ZWICKAU, separacja maszyn elementami z³o onymi z dyfuzora, czêœci walcowej i konfuzora o odpowiednich wymiarach. 43