Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Арматура антипомпажной защиты и регулирования»

б) Перепад давления на диафрагме ΔPo во всасе 2-й ступени

в) Перепад давления на диафрагме ΔPo 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 рмакс. При дальнейшем уменьшении V начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины рк, 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 Нмакс и Нмин. Положение этих критических точек по оси абсцисс может быть различными. Чаще всего V Hмакс > 0, а V Hмин < 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 Hмакс 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 Vк 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 Vмин (границы помпажа), включается регулятор производительности. Разница объемов ∆ V=Vk – 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

Пример: Пусть необходимо уменьшить производительность V2 до значения V1. В компрессоре газ сжимается до давления рк2, но часть его дельта V =V2-V1 направляется по обводному трубопроводу на вход компрессора. Нагрев газа при дросселировании разности давлений рк1-рк2 воспринимается в теплообменнике, благодаря чему состояние газа на входе практически не меняется. При сжатии воздуха обычно байпас (без теплообменника) соединяется с атмосферой. Регулирование перепуском связано с завышенной затратой мощности, потому этот способ стараются не применять.

Схема байпасирования применяется также и при антипомпажном регулировании.

Рис. 1.12. Удаление от границы помпажа при открытии байпасного клапана

Как можно видеть из схемы, открытие байпасного клапана уменьшает нагрузку на нагнетатель и смещает рабочую точку в сторону увеличения расхода. Это способствует сдвижению рабочей точки от границы помпажа.

1.5. Антипомпажная защита и регулирование

Антипомпажная защита

При проектировании компрессора границу помпажа стремятся переместить в зону меньших подач. Это требует применения развитых систем защиты от помпажа.

Существующие способы защиты от помпажа можно разделить на две группы

– параметрический,

– признаковый.

Параметрические способы

Центробежные компрессоры в основном оснащаются параметрическими системами антипомпажной защиты. Несмотря на множество патентов, работа всех систем параметрической антипомпажной защиты основана на том, что газодинамическая характеристика в координатах "напор – расход" по условиям всасывания, степени повышения давления при постоянной скорости вращения и постоянном молекулярном весе газа имеет единственную точку на границе помпажа.

В основном для определения границы помпажа используется измерение расхода, реже степень повышения давления. Наилучшим местом установки измерительной диафрагмы является линия всасывания, но установка сужающего устройства на всасывании приводит к снижению КПД компрессора, поэтому изготовители компрессорного оборудования используют установку диафрагмы на нагнетании с пересчетом расхода на условия всасывания, применяют сопло Вентури, проводят определение расхода по перепаду на местных сопротивлениях, например, на конфузоре.

Требования к длинам прямых участков при монтаже сужающего устройства для антипомпажной защиты, как правило, не соблюдаются, поэтому измерение расхода производится с повышенной погрешностью. Измерение степени повышения давления может производиться с высокой точностью, но применение таких систем имеет ряд ограничений:

–максимальная степень повышения давления не всегда совпадает с границей помпажа;

–в случае попадания в помпаж регулятор вырабатывает сигнал на закрытие байпасного клапана, поэтому для надежной защиты от помпажа требуется дополнительно применять признаковый способ распознавания помпажа.

Параметрические системы антипомпажной защиты имеют ряд недостатков:

–в систему зачастую закладываются характеристики не соответствующие реальным параметрам работы;

–процессы протекают на небольших участках времени, поэтому предусматривается запас на время реакции системы;

–граница помпажа обычно определяется по расходу, – погрешность измерения расхода в зоне помпажа составляет 5-10%.

Уставку антипомпажного регулятора смещают на 6-10% в сторону большей производительности от границы помпажа. Неверное определение уставки приводит или к недостаточному запасу устойчивости, или к уменьшению эффективности использования компрессора.

Признаковый способ

Признаковый способ распознавания помпажа заключается в обнаружении особенностей поведения потока газа в компрессоре. Характеристику компрессора можно разделить на пять частей:

–максимальный расход;

–оптимальная работа;

–предсрыв;

–вращающийся срыв;

–помпаж

Системы обнаружения помпажа механические, а затем электрические на основе колебаний давления, расхода тока двигателя и т.д. начали применяться с середины прошлого века, но, несмотря на множество патентов не получили широкого распространения и применялись как дополнительная мера защиты совместно с параметрическими методами. Определение вращающегося срыва при использовании аналоговых средств не представлялось возможным так, как уровень полезного сигнала соизмерим с уровнем шумов, к которым еще добавляются внешние помехи.

Развитие средств измерения и микропроцессорных контроллеров создало предпосылки для создания систем распознавания вращающегося срыва. Создание эффективных систем распознавания вращающегося срыва позволит надежно защитить компрессор от помпажа, сохраняя всю область допустимой работы с высоким КПД. Работы в этой области ведутся как зарубежом, так и в России (НИИ Турбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа, Санкт-Петербургский политехнический институт и т.д.).

Для правильного функционирования антипомпажной защиты необходимо определить линию помпажа. Это можно выполнить двумя способами.

1) Использование газодинамических характеристик разработчика компрессора. Этот способ приемлем только для новых компрессоров, т. к. газодинамические характеристики меняются в процессе эксплуатации. Точность не высокая, потому что не учитывается зависимость газодинамических характеристик от специфики установки компрессора и конкретного состава газа.

2) Помпажный тест. Тест проводится на стадии пусконаладочных работ специально обученным персоналом, с применением специального оборудования. В конкретном случае проведение помпажного теста может быть предусмотрено в программном обеспечении антипомпажной защиты. Граница помпажа при проведении теста определяется признаковым методом. Используя помпажный тест можно получить точную границу линии помпажа.

Помпажный тест

При помпажном тесте два контура управляют антипомпажным клапаном через блок выбора меньшего значения. Один контур используется в каскадном режиме с заданием, которое вычисляется из кривой помпажа (см. рис. 1.12-1.), предоставляемой производителем оборудования.

Кривая помпажа определяется при тестировании компрессора в нескольких точках давления. При этом исследуется, при каком расходе в компрессоре начинается помпаж. По этой линии на несколько процентов ниже чертится кривая безопасного режима работы.

По давлению, исходя из кривой безопасного режима работы, происходит вычисление задания для управляющего контура расхода. Если отклик при регулировании будет очень близок к кривой помпажа, можно, изменяя коэффициент усиления (и возможно коэффициенты интегрирования и дифференцирования также) изменять характеристику в зависимости от того как близко к кривой помпажа работает компрессор. Время сканирования и опроса датчиков контура устанавливается в районе 100 мс (компания Эмерсон).

Рис. 1.12-1. Схема определения границы помпажа и проведения помпажного теста

Компрессор при проведении теста работает при минимальном расходе, возможном для процесса. Производится оценка выполнения антипомпажным клапаном своих функций во время теста. Совместная работа антипомпажного клапана и контроллеров должно выводить компрессор на линию безопасной работы.

Антипомпажное регулирование

Антипомпажное регулирование предназначено для обеспечения устойчивой работы компрессора при производительностях меньше величины Vk (внутри зоны помпажа). Принципиально антипомпажное регулирование – это регулирование перепуском.

Особенности расположения характеристик на графике напорно-расходной характеристики компрессора показаны на рис.1.13.

Рис. 1.13. Зона устойчивой работы и особенности расположения основных характеристик компрессора и граница помпажа

Режим устойчивой работы компрессора ограничен. Наиболее серьезными ограничениями являются:

– граница помпажа

– предельная мощность

– предельное давление

– предельная частота вращения

Работать на линиях ограничения крайне опасно. Обычно САР удерживает рабочую точку на безопасном расстоянии от этих линий в зоне безопасной работы. Одна из основных задач САР расширить границы зоны безопасной работы.

Изменением частоты вращения компрессора или угла потока на входе входным направляющим аппаратом можно также изменять величину зоны неустойчивой работы, но в небольших границах.

Рассмотрим процесс регулирования. Простейшая схема антипомпажного регулирования приведена на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Антипомпажное регулирование

а) процесс регулирования

б) схема регулирования

Если потребителю необходимо количество газа Vi' при давлении pi, которое меньше минимальной производительности Vin при давлении pi, то компрессор должен перекачивать количество Vin, а разность Vin – Vi' должна отводиться со стороны нагнетания компрессора.

Задачей антипомпажного регулирования является отвод необходимого количества газа со стороны нагнетания компрессора в соответствии с требуемым расходом через систему с тем, чтобы производительность компрессора не была равна или меньше Vin.

При приближении компрессора к производительности Vin по перепаду давления на измерительной шайбе I и по импульсу 4 давления pk/pj срабатывает регулятор 6 и дает импульс на регулирующий клапан 5, который обеспечивает перепуск расхода Vin – Vi' по обводному трубопроводу 7.

Во избежание нагрева газа на обводном трубопроводе предусмотрен теплообменник. Таким образом, компрессор перекачивает расход Vin

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.