скачать книгу бесплатно
Рис. 1.4. Работа компрессора в сети и определение границы помпажа
На режимах работы компрессора, близкого к оптимальному, имеет место хорошее согласование потока газа с формой элементов проточной части. При существенном отклонении режимов от оптимального из-за возникновения ударного натекания и отрывов параметры потока газа не соответствуют геометрическим характеристикам проточной части. В потоке возникают различные вторичные течения и сложные физические процессы.
Рассмотрим работу компрессора в системе в случае, когда характеристики компрессора в и системы пересекаются в одной точке, рис. 1.5.
Рис. 1.5. Работа компрессора в системе
В этих случаях точки пересечения характеристики компрессора в системе обеспечивают устойчивый режим работы компрессора. Если рабочая точка А расположена справа от точи К – максимума характеристики компрессора, то при кратковременном увеличении производительности ? V давление р
системы становится больше давления р
компрессора.
Кинетическая энергия газа, выходящего из компрессора, а, следовательно, и производительность компрессора уменьшается, т.е. восстанавливается первоначальный режим работы в точке А.
Кратковременное уменьшение производительности на ? V создает условия, когда р
>р
. В этом случае кинетическая энергия газа, выходящего из компрессора, а, следовательно, и производительность увеличиваются, т.е. восстанавливается первоначальный режим работы в точке А. Таким образом, любая режимная точка на нисходящем участке характеристики компрессора обеспечивает устойчивую работу компрессора.
Аналогичный ход рассуждений применяется для участка характеристики слева от точка К (важно, чтобы было одно пресечение характеристик компрессора и системы). Если в точке А кратковременно изменяется производительность (увеличивается или уменьшается), то аналогично предыдущему случаю приходим к выводу, что режимная точка может переместиться по характеристике системы в точки В или С. Следовательно в точках А, В и С работа компрессора в системе устойчива.
Работа компрессора устойчива на всем участке С-В характеристики компрессоров. Для рассмотренных случаев условием устойчивой работы компрессора в системе является условие
dp
/dV>dp
/dV
Рассмотрим работу компрессора в точке А на восходящем участке характеристики, рис. 1.6.
Рис. 1.6. Работа компрессора на восходящем участке
При уменьшении давления в системе производительность компрессора становится меньше, чем требуется в системе при новом давлении (V'
<V"
). Поэтому давление в системе будет продолжать уменьшаться до достижения точки В. Положение точки В зависит от характеристики компрессора. В этой точке производительность может быть положительной или отрицательной, рис. 1.6. б.
Так как расход системы V'
больше производительности компрессора (V'
>V
), давление в системе должно уменьшаться. Однако, незначительное уменьшение давления в системе приводит к переходу компрессора из режима в точке В в режим в точке С. Так как производительность компрессора становится больше требуемой для системы (V
> V'
), давление в системе растет, пока режим работы компрессора не достигнет точки К, а в системе точки К'. При незначительном увеличении давления в системе режим работы компрессора из точки К переместится в точку Е.
Так как производительность компрессора в точке Е меньше требуемой в системе точки К' (V
<V'
), то давление снова начнет падать и компрессор достигнет режима работы в точке В, а система перейдет в точку В'. Затем все режимы повторяются.
В результате в системе – "компрессор – трубопровод" возникнут автоколебания газа, сопровождаемые внезапными изменениями производительности и давления нагнетания компрессора. Такое явление известно под названием "помпаж" компрессора, рис. 1.7.
Рис. 1.7. Развитие помпажа во времени
Говоря проще, скорость движения газа меняет свое направление на противоположное. При этом на противоположную меняется и аэродинамическая сила. Можно просто представить порядок величин аэродинамических сил, поскольку их момент относительно оси ротора требует для вращения последнего эффективной мощности приводного двигателя. При изменении таких больших сил и момента на противоположные механические нагрузки на вал, подшипники, диафрагмы и корпус компрессора в целом превышают допустимые величины.
Из-за нелинейности характеристик компрессора его рабочая точка ускоряется, приближаясь к помпажу, независимо от того двигается ли она вдоль характеристики при неизменных оборотах или скорость вращения меняется под влиянием системы автоматического регулирования (САР). Чтобы уменьшить расстояние между границей помпажа и линией настройки, САР должна учитывать влияние этого ускорения. Способность антипомпажного клапана обеспечивать быстрый выпуск газа является одной из его важнейших характеристик.
Практика эксплуатации знает случаи, когда даже непродолжительная работа на режиме помпажа приводила к разрушению компрессора. Из-за высокой частоты возникающих автоколебаний в диапазоне 05-2Гц, развитие помпажа происходит очень быстро. Чаще всего на устранение помпажа есть не более 2-3 сек, после чего происходят необратимые повреждения компрессора.
Помпаж является следствием неконтролируемого развития квазистационарных процессов в центробежном компрессоре, когда достаточно стабильное течение потока переходит в фазу вращающегося срыва и далее в помпаж. Так, в области квазистационарного течения разбросы давления и расхода (дисперсия потока по этим параметрам) слабо зависят от расхода и числа оборотов. Переходные процессы в условиях наброса и сброса нагрузки практически не влияют на дисперсию, незначительно увеличивая последнюю. В области вращающегося срыва дисперсия возрастает в среднем в 2-2,5 раза. При помпаже наблюдается ее активный рост в 20 и более раз. Темп роста дисперсии составляет на первой гармонике порядка 150 единиц в секунду. Пульсации перепада давления в области помпажа представляет собой синусоиду. Этот факт говорит о том, что помпаж – это резонансный процесс.
Исследования, проведенные в Казанском НПО "Компрессор", показали, что в области устойчивой работы ступени колеса компрессора наблюдаются низкоамплитудные пульсации давления, составляющие в основном менее 1%, в частотный диапазон пульсаций занимает практически всю область. В области вращающегося срыва амплитуда пульсаций перепада давления возрастает по отношению к первоначальной примерно на 6%. Частота пульсаций здесь не превышает 2,5 Гц. На участках помпажа частота пульсаций снижается до 1 Гц, а амплитуда возрастает до 38% по перепаду давления и 5% по давлению в диффузоре.
Помпаж может возникнуть при следующих ситуациях:
– Пуск компрессора и останов компрессора
– Работа на низких нагрузках или резкие изменения нагрузки
– Нестандартные режимы и ситуации, в частности, это "горячий пуск", изменение режима работы нагнетателя до значительного уменьшения расхода газа (приблизительно до 60% расчетного значения), -снижение частоты вращения нагнетателя ниже допустимой;
– Ложные срабатывания автоматики и электронных сигнализаторов помпажа (Так, анализ сигналов в предпомпажной зоне показывает, что спектральные составляющие, характеризующие собственно помпажные колебания, лежат в диапазоне 0,5-6 Гц. Спектральные составляющие сигнала датчика, лежащие выше 5-7 Гц, являются помехами).
– Колебаний давления газа в газопроводе, например, при изменении характеристики сети (газопровода) вследствие влияния параллельно включенных, но более напорных нагнетателей; появление разрежения во всасе компрессора из-за снегопада, образования гидратов и пр.
–– Изменения состава газа
–– Резкие технологические возмущения
–– Засорение фильтров
–– Неисправность обратного клапана
–– Самопроизвольное закрытие клапанов в нагнетании
или всасывании или закрытие этих клапанов из-за ошибки оператора, например, неправильное или несвоевременная перестановка кранов в трубной обвязке
–– Неисправность холодильника
–– Неисправность привода
––Попадание посторонних предметов на защитную решетку нагнетателя и ее обледенение и др.
Внешне помпаж проявляется в виде хлопков, сильной вибрации нагнетателя, отдельных периодических толчков, в результате чего возможны разрушение рабочего колеса нагнетателя, повреждение упорного подшипника, разрушение лабиринтных уплотнений и т.д.
Возникновение помпажа в нагнетателе вызывает колебания частоты вращения и температуры газа, и, как следствие, к возникновению неустойчивой работы осевого компрессора, что, в свою очередь, приводит к аварийной остановке ГПА.
Помпажные явления в осевом компрессоре могут охватить компрессор в целом и проявляться в виде периодического изменения давления воздуха на линии нагнетания, температуры воздуха, частоты вращения, а также повышенной вибрации агрегата и шума.
В каждом конкретном случае помпаж может вызываться различными причинами. Например, в условиях работы ГТУ на компрессорных станциях наблюдаются случаи появления помпажа при обмерзании входной части осевого компрессора при повышенной влажности наружного воздуха в период сильных туманов, снегопадов и метелей.
Аварийные остановки агрегатов из-за обмерзания входной части компрессора приводят к нарушению работы станции, уменьшают подачу товарного газа и отрицательно сказываются на работоспособности отдельных узлов и деталей ГТУ.
Помпаж осевого компрессора при обледенении входной кромки осевого компрессора может сопровождаться мощным хлопком и выбросом воздуха во всасывающий тракт агрегата. Следует отметить, что помпаж здесь наступает прежде всего в результате внезапного возмущения потока воздуха в момент отрыва кусков льда или налипшего снега со стенок конфузора или направляющих лопаток компрессора. В момент отрыва кусков льда с направляющего аппарата компрессора, возросшая при обледенении в межлопаточных каналах осевая составляющая скорости резко падает, вследствие быстрого увеличения проходного сечения решетки и лопатки как бы не успевают «подхватить» поток воздуха, что вызывает нарушение целостности потока и увеличение местных сопротивлений и, как следствие этого, выброс остатков льда во всасывающий патрубок.
Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и длиной трубопроводов. Амплитуды колебаний также зависят от емкости сети, ее инерционных и демпфирующих свойств. Зависимость от сети настолько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу газа и частоте вращения может работать как в режиме помпажа, так и без его проявления. Изменение емкости по расходу рабочего тела вызывает отклонение момента начала помпажа. Этим, в частности, объясняется то, что линия совместной работы компрессора и газовой турбины в установках с регенерацией теплоты отходящих газов проходит ближе к линии помпажа, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.
Пример реальной картины помпажа в реальных производственных условиях компрессора полипропиленового производства представлен ниже.
Рис. 1.8. Картина помпажа пропиленового компрессора
а) Перепад давления на диафрагме ?Po во всасе 1-й ступени
б) Перепад давления на диафрагме ?Po во всасе 2-й ступени
в) Перепад давления на диафрагме ?Po в нагнетании
Результатом помпажа компрессора стали нестабильность расхода и давления, резкие колебания потребляемой мощности, приводящие к усталости металла, были обнаружены повреждения подшипников вала колеса, увеличение зазоров в уплотнениях. Это в свою очередь привело к снижению КПД и в дальнейшем к сокращению межремонтного срока работы.
Граница помпажа
Точка на характеристике компрессора, левее которой возможен помпаж, называется граничной точкой помпажа.
При малых расходах поток газа с определенной степенью повышения давления занимает не всю полость проточной части, что приводит к расширению газа в определенных местах, часть потока газа из отвода возвращается обратно в рабочее колесо, а затем снова выбрасывается в отвод. Возникает т.н. вращающийся срыв потока газа в рабочем колесе. В результате этого происходит колебание давления и производительности, компрессор начинает работать с периодическими ударами и вибрацией. При определенных условиях может произойти прекращение подачи газа или даже разрушение компрессора.
При уменьшении производительности давление нагнетания растет до определенного максимального значения р
. При дальнейшем уменьшении V начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины р
, плотности перекачиваемого газа, емкости сети трубопроводов и других факторов.
Явление помпажа в компрессорах выражено более явно, чем насосах, т.к. перекачиваемый газ в компрессоре и трубопроводе является аккумулятором энергии, способным вызывать упругие колебания в системе.
Кроме того, неустойчивая зона напорной характеристики газовых машин значительно шире, чему у насосов, главным образом за счет применения больших углов наклона лопастей или лопаток. Так, например, зона помпажа у многоступенчатых компрессоров достигает 60%, у нагнетателей наддува транспортных двигателей (при угле изгиба лопатки 900, она распространяется почти до номинального режима, т.е. для таких машин допустимы лишь перегрузки по производительности.
Теоретическая граница помпажа должна совпадать с режимом максимального давления. В действительности помпаж начинается при несколько больших производительностях.
Простейшее объяснение механизма возникновения неустойчивой работы компрессора в зоне границы помпажа показано на рис. 1.9.
Рис. 1.9. К объяснению границы помпажа
В общем случае напорная характеристика H=f(V) представляет собой кривую с двумя точками перегиба Н
и Н
. Положение этих критических точек по оси абсцисс может быть различными. Чаще всего V
> 0, а V
< 0.
Устойчивость работы машины в системе характеризуется способностью восстанавливать равновесное состояние после окончания действия возмущающих факторов, способных вывести систему из состояния равновесия.
Рассмотренные выше условия относятся к статическому состоянию системы. Если в системе есть аккумулятор энергии (резервуар, элементы с достаточной упругостью или упругие трубопроводные элементы), то при работе вблизи точки V
имеет место колебание напора и производительности и может произойти скачкообразный переход режима в точку 4. Аналогично может иметь место скачкообразный переход режима из точки 1 в точку 5. Этот процесс может многократно повторяться. Такая неустойчивая работа компрессора, сопровождающаяся резким периодическим колебанием давления в производительности в сети (системе).
Частота и амплитуда колебаний зависят от характеристики компрессора, объема газа в системе, свойств перекачиваемого газа и др.
Для обеспечения устойчивой работы компрессор должен работать на ниспадающей части характеристик H=f(V). Величина V
определяется из анализа формы характеристики компрессора и системы.
При проектировании компрессора границу помпажа стремятся переместить в зону меньших подач. Это достигается путем соответствующего воздействия на геометрические характеристики проточной части. В эксплуатации зону помпажа можно уменьшить снижением частоты вращения компрессора, уменьшением аккумулирующей способности системы.
Для отстройки от границы помпажа и работы в непомпажной зоне компрессорная установка оснащается антипомпажным устройством, упрощенная схема которого показана на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Схема антипомпажного регулирования
а) характеристики регулирования
б) схема регулирования
К – компрессор
АК – антипомпажный клапан
D – диафрагма
На нагнетательном трубопроводе включается антипомпажный регулятор, соединенный посредством сервомотора с антипомпажным клапаном (АК). В настоящее время используется антипомпажные устройства струйного типа. Когда потребление сети уменьшается до V
(границы помпажа), включается регулятор производительности. Разница объемов ? V=V
– V мин выпускается в атмосферу или переводится на всас компрессора.
При регулировании перепуском (байпасированием) нагнетательный и всасывающий трубопроводы соединяются обводным (байпасным) трубопроводом с регулирующим клапаном.
Рис. 1.11. Регулирование байпасированием
