Читать книгу Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Арматура антипомпажной защиты и регулирования» - Станислав Львович Горобченко - Страница 1
ОглавлениеПредисловие.
Дистанционный курс "Применение трубопроводной арматуры"
Дистанционный курс "Применение трубопроводной арматуры" является самостоятельным курсом системы дополнительного профессионального образования в арматурной отрасли. Его основное предназначение – повышение профессиональной квалификации в области инжиниринга и применения трубопроводной арматуры для широкого круга специалистов.
Особенности курса
Курс "Применение трубопроводной арматуры" предназначен для слушателей, имеющих незначительный опыт или не имеющих опыта в анализе, подборе, и применении арматуры.
Курс может быть полезен для специалистов по эксплуатации арматуры предприятий-потребителей, технических специалистов, коммерческих инженеров, разрабатывающих проектные спецификации арматуры, специалистов по развитию и менеджеров по продажам и маркетингу.
Описание
В результате овладения материалами курса слушатель начинает разбираться в современных подходах к выбору и применению арматуры, знакомится с основными особенностями применения трубопроводной арматуры в основных отраслях промышленности, овладевает навыками подбора арматуры и аксессуаров в зависимости от технических, экономических и проектных требований, практикуется в умении анализа альтернатив выбора арматуры; определяет возможности повышения уровня проектных спецификаций арматуры в ходе ее выбора на основе применения критериев повышения эффективности арматурного хозяйства и использования современных способов сервиса арматуры, более глубоко узнает связи арматуры не только с особенностями технологии, но и с различными сторонами работы предприятий.
По окончании обучения слушатель получает сертификат о прохождении программы дополнительного профессионального образования и удостоверение установленного образца о повышении квалификации.
Структура курса
Курс построен по модульной системе и включает в себя:
1. Базовый модуль "Современные подходы к выбору и применению трубопроводной арматуры",
2. Специализированные модули по применению арматуры в основных отраслях промышленности
– Модуль "Применение арматуры в химии и ЦБП"
– Модуль "Применение арматуры в энергетике
– Модуль "Применение арматуры в ЖКХ"
– Модуль "Применение арматуры в горной промышленности и металлургии"
– Модуль "Применение арматуры в нефтегазовой отрасли"
– Модуль "Арматура и оборудование морских платформ"
– Модуль "Арматура систем антипомпажной защиты и регулирования"
3. Модули по выбору
– Модуль "Основы управления качеством, сертификация и стандартизация трубопроводной арматуры"
– Модуль "Основы предоставления сервисных услуг и организации сервисных центров"
– Модуль "Программы повышения эффективности арматурного хозяйства предприятий-потребителей арматуры"
Для получения документа об образовании и полного обучения по курсу "Применение трубопроводной арматуры" слушатель должен пройти обязательный базовый курс, не менее одного из специализированных курсов и один курс по выбору.
Особенности дистанционного обучения на курсе
Курс построен в виде электронного учебника и рабочей тетради, что дает возможность слушателям курса использовать свои комментарии и наработки в качестве рабочего конспекта в своей дальнейшей практической работе и профессиональной деятельности.
Сроки обучения
Срок обучения 3 мес. по методике дистанционного обучения с момента открытия доступа по базовому курсу "Применение трубопроводной арматуры" и до 6 месяцев по курсу со специализацией.
Виды специализации
Применение трубопроводной арматуры в химии и ЦБП. Специализация включает изучение курса "Современные подходы к выбору и применению арматуры" и углубленное изучение вопросов применения арматуры в химической и целлюлозно-бумажной промышленности.
Применение трубопроводной арматуры в энергетике. Специализация включает углубленное изучение курса "Применение трубопроводной арматуры в энергетике.
Применение трубопроводной арматуры в ЖКХ. Специализация включает углубленное изучение курса "Применение трубопроводной арматуры в ЖКХ".
Применение трубопроводной арматуры в горной промышленности и металлургии. Специализация включает углубленное изучение курса "Применение трубопроводной арматуры в горной промышленности и металлургии".
Применение трубопроводной арматуры в нефтегазовой отрасли. Специализация включает углубленное изучение курса "Применение трубопроводной арматуры в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности".
Программы повышения эффективности арматурного хозяйства предприятий-потребителей. Специализация включает углубленное изучение курса:
"Основы предоставления сервисных услуг и организации сервисных центров"
"Программы повышения эффективности арматурного хозяйства предприятий-потребителей арматуры".
РЕГИСТРАЦИОННАЯ ФОРМА
приведена на сайте www.novotechnos.com и www.promconsult.org
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
ОБУЧЕНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
Что такое дистанционное обучение? Андрагогический подход к обучению. Основы методики дистанционного обучения в профессиональном образовании. Технология дистанционного обучения. Электронные учебники и методические пособия. Руководства в помощь слушателям. Поддержка слушателей. Тьюторы. Группы самопомощи. Организация самостоятельной работы. Маршрутная карта обучения. Самооценка прогресса в обучении. Пути повышения навыков самообразования при дистанционном обучении.
ОСНОВНОЙ МОДУЛЬ
МОДУЛЬ 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
Модуль "Современные подходы к выбору и применению трубопроводной арматуры" курса "Применение трубопроводной арматуры" дает представление об основах выбора трубопроводной арматуры в зависимости от различных противоречивых требований, которые, как правило, предъявляются к трубопроводной арматуре.
Обсуждаются технические, экономические и проектные критерии в выборе трубопроводной арматуре. Дается представление о подходах к выбору перспективных моделей арматуры на основе прогнозных критериев и применения функционально-стоимостного анализа, как одного из самых эффективных методов при выборе арматуры.
Проводится обзор применения арматуры в основных отраслях промышленности, таких как химическая, целлюлозно-бумажная промышленность, энергетика и ЖКХ, нефтегазовая промышленность, металлургия и такие важные отраслевые сегменты как криогенная техника и промышленные газы, пищевая и фармацевтическая промышленность.
Модуль снабжен большим количеством кейсов, демонстрирующих применение показанных моделей и концепций на практике.
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МОДУЛИ
МОДУЛЬ 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ В ХИМИИ И ЦБП
Модуль "Применение трубопроводной арматуры в химии и ЦБП" рассматривает основные подходы к выбору и применению арматуры в основных технологических процессах и установках химической и целлюлозно-бумажной промышленности. Рассматриваются основные сложности и проблемы применения арматуры в древессно-массном, целлюлозном и бумажном производстве, а также деревообрабатывающей промышленности.
Особое внимание уделяется рассмотрению вопросов применения арматуры в энерготехнологических котлах химических и целлюлозных производств. Показано сравнение применения различных видов арматуры и тренды развития арматуры в зависимости от развития средств автоматизации.
В дополнительном модуле "РАЗВИТИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ В КОНТУРАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЦБП" демонстрируются перспективы развития арматуры в зависимости от изменения требований целлюлозно-бумажного производства, усовершенствований в технологических схемах контурах регулирования.
МОДУЛЬ 3. ПРИМЕНЕНИЕ АРМАТУРЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Модуль "Применение арматуры в энергетике и ЖКХ" дает представление о применении энергетической арматуры в крупных энергетических тепловых электростанциях, котельных и энерготехнологических установках, а также в промышленной энергетике. Особое внимание уделено вопросам применения арматуры вращательного действия и наиболее эффективным местам ее установки по сравнению с линейной арматурой.
МОДУЛЬ 4. ПРИМЕНЕНИЕ АРМАТУРЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Модуль "Применение арматуры в ЖКХ" дает представление о применении арматуры в котельных, теплосетях, тепловых пунктах, сетях газораспределения, водоснабжения, водоочистки и других объектах ЖКХ.
Рассматривается применение различных видов трубопроводной арматуры на магистральных теплопроводах. Среди арматуры для ЖКХ рассматриваются ее различные виды и применимость в тех или иных условиях эксплуатации.
МОДУЛЬ 5. ПРИМЕНЕНИЕ АРМАТУРЫ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕТАЛЛУРГИИ
Модуль "Применение арматуры в металлургии и горной промышленности" рассматривает особенности применения арматуры для горно-обогатительных, горно-металлургических, горно-химических, электрометаллургических и других производств черной, цветной металлургии, промышленности минеральных удобрений и других предприятий горнодобывающей промышленности.
Приводятся основные схемы и решения по применению различных видов арматуры на флотационных установках, сушильных барабанах и сепараторах, устройствах загрузки ферросплавов, печах, МНЛЗ, криогенных станциях и пр.
МОДУЛЬ 6. ПРИМЕНЕНИЕ АРМАТУРЫ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Модуль "Применение арматуры в нефтегазовой отрасли" дает представление о применении арматуры в основных процессах и установках и трубопроводах нефтяной и газовой промышленности, а также о применении арматуры на нефтехимических, нефтеперерабатывающих производствах и устройствах хранения нефти и газа.
МОДУЛЬ 7. АРМАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ
В модуле "Арматура и оборудование морских платформ" представлено современное состояние трубопроводной арматуры, применяемой на морских платформах. Рассмотрены основные виды оборудования морских платформ, показаны примеры установки арматуры и основные проблемы, связанные с работой оборудования и арматуры.
Особое внимание уделено оборудованию и арматуре систем безопасности, как одной из ведущих систем морских платформ.
МОДУЛЬ 8. АРМАТУРА АНТИПОМПАЖНОЙ ЗАЩИТЫ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
В модуле "Арматура для систем антипомпажной защиты и регулирования" рассматриваются основные явления и закономерности, характеризующие протекание помпажа в компрессорных установках, схемы антипомпажной защиты и регулирования на практических примерах.
Основное внимание уделено современной антипомпажной арматуре, применяемой для автоматизированных систем антипомпажной защиты и регулирования. Приведены конкретные примеры и кейсы по современной арматуре известных компаний.
Рассмотрены вопросы расчета антипомпажной арматуры и особенности применения антипомпажной арматуры для конкретных типов компрессорных установок.
МОДУЛИ ПО ВЫБОРУ
МОДУЛЬ 9. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ, СЕРТИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
Модуль "Основы управления качеством, сертификация и стандартизация трубопроводной арматуры" дает возможности слушателям ознакомиться с проблемами управления качеством трубопроводной арматуры, с ведущими международными системами стандартизации, затрагивающими сферу технического регулирования в области трубопроводной арматуры.
Подробно приводится методика поиска и идентификации международных и национальных стандартов. Проводится сопоставление отечественных нормативных документов на трубопроводную арматуру с аналогичной арматурой зарубежных стран и систем стандартизации. Показывается типовая структура российских стандартов. Демонстрируется сравнение структуры и оформления государственных стандартов РФ и спецификаций Американского нефтяного института (API). Проводится сравнительный анализ нормативных баз на трубопроводную арматуру.
МОДУЛЬ 10. ОСНОВЫ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ СЕРВИСНЫХ УСЛУГ И ОРГАНИЗАЦИИ СЕРВИСНЫХ ЦЕНТРОВ
Модуль "Основы предоставления сервисных услуг и организации сервисных центров" показывает особенности формирования сервисных услуг в сфере трубопроводной арматуры. Пособие курса содержит материалы по созданию и продвижению сервисных услуг и организации сервисных центров, основанных на практическом опыте сервисных служб арматурных компаний и компаний по продаже промышленного оборудования.
Подробно рассматриваются проблемы ремонта и обслуживания на предприятиях-потребителях, демонстрируются типовые сервисные программы обслуживания потребителя, существенное внимание уделяется особенностям организации работы склада и поставки запчастей, организации сервисного центра, источникам экономической эффективности сервиса и перспективам его развития. Приводится объемный материал по требуемым документам для организации работы сервиса и практические примеры сервисных программ для конкретных видов арматуры.
МОДУЛЬ 11. ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АРМАТУРНОГО ХОЗЯЙСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ-ПОТРЕБИТЕЛЕЙ АРМАТУРЫ
Модуль "Программы повышения эффективности арматурного хозяйства" дает представление об основных тенденциях развития арматурного парка на предприятиях и о том, как можно было бы повысить эффективность использования арматуры на предприятиях-потребителях арматуры.
Среди основных программ повышения эффективности арматурного хозяйства предприятий выделяются:
– Программа "Специальная арматура и арматура для специализированных производств"
– Программа "Перевод линейной арматуры на арматуру с вращательным движением шпинделя"
– Программа "Арматура для критических участков и контуров регулирования"
– Программа "Повышение общей и метрологической надежности"
– Программа "Модернизация арматуры под новые условия производства"
– Программа "Унификация и стандартизация арматурного хозяйства"
– Программа "Агрегатирование арматурных узлов"
– Программа "Замена аналоговых позиционеров на цифровые и программы смартизации" и др.
Широко рассматриваются коммерческие программы с производителями отдельного оборудования и установок и программы сервисного обслуживания.
Введение и задачи модуля
Наверное, не существует такой отрасли промышленности, которая бы не использовала компрессоры. Компрессоры нашли широкое применение в металлургической, химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, производстве полимеров и пр. Широкое использование такой разновидности компрессорной техники как турбокомпрессоры повлекло за собой значительный рост автоматизации и разработки способов устранения такого опасного явления как помпаж.
Значительную роль в управлении помпажом играют клапаны антипомпажной защиты и регулирования. На их долю приходится функция отстройки от границы помпажа, способность быстро устранить возникающие ударные явления. При этом они должны успешно работать с различными алгоритмами антипомпажного регулирования и защиты и обеспечивать высокую экономичность.
Этот модуль разработан для того, чтобы глубже разобраться с особенностями помпажа и применяемых клапанов для систем антипомпажной защиты и регулирования.
1. Явление помпажа
1.1. Газодинамические характеристики компрессоров
К классу компрессоров, подверженных явлению помпажа, относятся турбокомпрессоры. К ним относятся осевые и центробежные компрессоры. Причем турбокомпрессоры с небольшими степенями повышения давления (до 22,5) и не требующие промежуточного охлаждения компримируемой среды относятся к вентиляторам и нагнетателям (нагнетатели имеют большие степени повышения давления по сравнению с вентиляторами).
Для всех видов турбокомпрессоров принято их рабочие параметры описывать в виде выходных газодинамических характеристик (далее характеристики).
Характеристики турбокомпрессоров различаются на размерные и безразмерные (в виде коэффициентов).
К размерным характеристикам относятся зависимости рабочих газодинамических параметров от объёмного расхода рабочей среды на входе в компрессор (производительность компрессора) и/или от массового расхода:
– политропный напор (политропная удельная работа):
где VH – объёмный расход на входе.
(1.1)
где Z – коэффициент сжимаемости газа (для вентиляторов и нагнетателей принимается по условиям всасывания);
R – удельная газовая постоянная;
TH – абсолютная температура газа на всасывании;
n – показатель политропы сжатия;
π – степень повышения давления в компрессоре (степень сжатия)
(1.2)
где PH и PK – давления (абсолютные) на входе в компрессор (всасывании) и на выходе из него соответственно;
– степень повышения давления
– полный напор или внутренний напор (располагаемая удельная работа)
определяется как разность энтальпий на выходе и входе компрессора:
(1.3)
где i – разность энтальпий;
Kср – показатель адиабаты сжатия (средний по компрессору);
Tk – температура газа на выходе из компрессора.
Внутренняя мощность, потребляемая компрессором на сжатие газа:
(1.4)
где m – массовый расход газа через компрессор;
– политропный коэффициент полезного действия (КПД):
(1.5)
Рассмотренные размерные характеристики для компрессоров с переменной частотой вращения ротора графически представляются в виде сетки кривых, каждая из которых соответствует конкретной частоте вращения.
В общем случае напор компрессора зависит от окружной скорости на периферии рабочего колеса (РК)
(1.6)
где D2– диаметр РК;
n– частота вращения ротора, а также от чисел Маха (Mu ) и Рейнольдса (Re) на периферии РК, т.е.
(1.7)
Нагнетатели обычно работают в автомодельных областях по числам Mu и Reu, поэтому в соответствии с теорией подобия их влияние исключается и появляется возможность использовать безразмерные характеристики в виде коэффициентов. При этом для компрессоров с подобной геометрией проточной части сетка кривых размерных характеристик по различным частотам вращения преобразуется в одну кривую безразмерной характеристики, не зависящую от частоты вращения.
Безразмерные характеристики представляются в виде зависимостей от безразмерного коэффициента расхода:
– коэффициент политропного напора:
где
(1.8)
– коэффициент расхода,
(1.9)
где F0 – площадь входа в компрессор;
– скорость газа на входе в компрессор;
– коэффициент полного (внутреннего) напора или коэффициент мощности:
(1.10)
– политропный КПД:
(1.11)
1.2. Основные критерии газодинамической устойчивости компрессоров
Помпаж турбокомпрессоров является автоколебательным процессом вследствие потери компрессором газодинамической устойчивости. В современной теории помпажа изучение закономерностей помпажных явлений, возможности его появления, определения амплитудно-частотных его характеристик и способов его подавления ведется путем описания и решения систем дифференциальных уравнений движения непрерывной вязкой среды в системе «компрессор-сеть» в условиях подвода энергии с использованием общей теории механических колебаний.
При этом результаты теоретических исследований обычно сопоставляются с экспериментальными данными, получаемыми в процессе испытаний турбокомпрессоров на модельных и натурных стендах.
Характер помпажа, возможность его появления связаны в основном с формой характеристики компрессора. В связи с этим задача изучения и устранения помпажа содержит две проблемы.
Первая – определение по известным характеристикам компрессора и сети условий возникновения помпажа и характер его протекания.
Вторая проблема заключается в получении заданных характеристик компрессора с требуемой зоной его устойчивости, которая решается на стадии проектирования компрессоров. Эта проблема решается путем исследования аэродинамики компрессоров с отрывными течениями в его проточной части, т.к. первопричиной потери газодинамической устойчивости является возникновение отрывных течений и их развитие вплоть до полного запирания основного потока.
Качественно картина помпажного режима, вытекающая из анализа дифференциальных уравнений, сводится к следующему. Система "компрессор-сеть", как и всякая система, выведенная из состояния равновесия, начинает колебаться вокруг равновесного состояния. При подводе к системе энергии, равной по величине затратам на преодоление сил сопротивления движению, колебания будут установившимися.
Если процесс подвода энергии органически связан с колебательным процессом, то колебания поддерживаются автоматически и называются автоколебаниями. При этом устанавливается такая амплитуда колебаний, при которой достигается равенство диссипирующей и подведенной энергии.
Энергия, затрачиваемая на поддержание процесса, подводится к газовому потоку в компрессоре. Когда диссипация энергии в системе невелика, то соответственно невелика и энергия, расходуемая на поддержание процесса. В этом случае процесс близок к свободным колебаниям и его частота в основном определяется инерционными и упругими свойствами системы, т.е. собственной частотой. Характер колебаний будет гармоническим.
Таким образом, помпаж в основном является устойчивым периодическим процессом. В то же время принято помпаж называть нестационарным режимом работы турбокомпрессора.
Задача устранения помпажа в литературе рассматривается с точек зрения как статической, так и динамической устойчивости в условиях влияния внешних факторов и числа оборотов компрессора. При этом характер протекания помпажа может быть мягким или жестким, как и условия его возбуждения (жесткое или мягкое возбуждение).
Статическая устойчивость определяется особенностями расположения характеристик компрессора и сети в окрестностях рабочей точки (точки пересечения характеристик) при конкретной величине расхода, т.е. определяется видом статических характеристик. Этот вид устойчивости аналогичен характеру устойчивости шарика на дне углубления или на вершине выпуклости (неустойчивость).
Понятия статической устойчивости и неустойчивости качественно можно рассмотреть, анализируя вид характеристик компрессора и сети в различных точках их пересечения. При этом рассматривается упрощенная модель системы "компрессор-сеть", содержащая компрессор со всасывающим трубопроводом, нагнетательный трубопровод с ресивером и дросселем за ним.
Характеристика компрессора представляется в виде
где
Pk – избыточное давление за компрессором;
Vk– объёмный расход за компрессором.
Характеристика сети:
где
Pб – избыточное давление перед дросселем;
QR – объёмный расход перед дросселем.
Обычно упрощенно считается, что зона статической неустойчивости компрессора соответствует восходящим участкам его характеристики, т.е.
(1.12)
Однако, теория и экспериментальные исследования показывают, что критерием статической устойчивости в рабочей точке () является условие
(1.13)
где ;
(1.14)
где – потери давления в сети,
где
– коэффициент сопротивления сети;
ρ k – плотность среды за компрессором;
Wk – скорость среды за компрессором.
Геометрический смысл условия (1.13) заключается в том, что угол наклона касательной к характеристике сети должен быть больше угла наклона касательной к характеристике компрессора (это условие выведено для низконапорных турбокомпрессоров, т.е. для вентиляторов и нагнетателей).
Практически это условие в основном не выполняется, т.е. имеется статическая неустойчивость, при расположении рабочих точек на восходящих участках характеристик компрессоров, при этом допустимо использование упрощенного условия статической устойчивости по (1.12).
Динамическая устойчивость турбокомпрессоров в отличии от статической связана не с величиной расхода среды и формой характеристик в зоне рабочей точки, а со скоростью изменения расхода среды.
Применительно к турбонагнетателям выведен критерий динамической неустойчивости в виде условия
, (1.15)
где La – акустическая масса трубопровода (сети),
, (1.16)
где
ρ – плотность среды;
l – длина трубопровода;
S – площадь сечения трубопровода;
Ca – акустическая гибкость,
(1.17)
где
U – объем трубопровода;
C – скорость звука в среде.
При этом условии самовозбуждение колебаний возможно и на нисходящих участках характеристики компрессора. Возбуждение возможно при сколько угодно малом возмущении (отклонении от равновесного режима), т.е. мягкое возбуждение с последующим нарастанием амплитуды колебаний.
Существует также возможность динамической неустойчивости при воздействии сильного возмущения на систему (жесткое возбуждение колебаний).
На практике помпаж, вызванный потерей динамической устойчивости, встречается довольно редко, а реализовать его подавление путем смещения рабочей точки сложно (устойчивость обеспечивается правильной увязкой компрессора и сети еще на стадии проектирования системы).
В основном системы антипомпажного регулирования направлены на подавление помпажа, вызванного статической неустойчивостью. При других видах помпажа, в том числе от динамической неустойчивости, которые могут происходить при работе на нисходящих участках характеристик (система статически устойчива), используют не антипомпажное регулирование, а защиту путем аварийного останова компрессора или байпасированием всего расхода.
Образование установившихся помпажных колебаний может быть пояснено с использованием характеристики компрессора для прямого и обратного хода при
Исходя из принятого условия статической устойчивости ,
на сетке размерных характеристик
или
возможно нанести теоретическую линию (границу) помпажа, проходящую через экстремумы характеристик (эта граница условная, т.к. не учитывается динамическая неустойчивость и влияние сети в системе компрессор-сеть).
Выходные характеристики зависят от частоты вращения ротора следующим образом:
– производительность пропорциональна частоте вращения;
– напор пропорционален квадрату частоты вращения;
– требуемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения.
Этот закон вытекает из теории подобия при и .
На характеристике политропного напора граница помпажа соответствует точке, где степень сжатия максимальна. Эта точка располагает между точками, соответствующими максимальному политропному напору и максимальному политропному КПД.
Применение законов подобия показывает, что величина политропного напора на границе помпажа изменяется пропорционально квадрату соответствующего объемного расхода на всасывании. Поэтому принимают форму линии помпажа в виде квадратичной параболы (при этом следует проверять применимы ли законы подобия во всем диапазоне режимов по частоте вращения.
Помпаж является нестационарным процессом, вызванным глобальной потерей устойчивости. При этом помпажу предшествует вращающийся срыв, т.е. помпаж физически является следствием срывных течений, изучаемых аэродинамикой.
Вращающийся срыв на передних кромках лопаток порождается срывом потока с лопаток при углах атаки i1 больше критических. Для центробежного компрессора срывные углы атаки соответствуют
.
При постоянной частоте вращения и уменьшении объемного расхода и, соответственно, абсолютной скорости C1 на входе в компрессор возрастает угол вектора относительной скорости W1, т.е. угол атаки на входе в лопатки i1, что вытекает из анализа треугольника скоростей. Исходя из этого можно полагать, что граница помпажа соответствует углам атаки , что в принципе обуславливает возможность теоретического определения границы помпажа по треугольникам скоростей на входе в компрессор.
Однако, на фактическую границу помпажа влияет система "компрессор-сеть" в целом. Поэтому в каждом конкретном случае требуется проведение испытаний для уточнения границы помпажа.
Характер помпажа, т.е. его амплитудно-частотные характеристики, зависит от параметров системы "компрессор-сеть" (в основном от параметров сети). С увеличением объема сети (трубопровода) за компрессором до дросселя частота колебаний уменьшается, а амплитуда возрастает. С увеличением частоты вращения ротора амплитуда увеличивается.
1.3. Характеристика компрессора и работа компрессора в сети
Характеристика компрессора
Характеристики центробежных компрессоров представляют собой графики зависимостей отношения давления ек (давление рк или напор Н компрессора), мощности на валу и КПД компрессора от производительности его при n=const. Массовая G или объемная V производительность на выходном патрубке приводится к условиям всасывания и представлена осью абсцисс, рис. 1.1.
Рис. 1.1. Характеристика центробежного компрессора
Характеристики компрессорных машин обычно получают опытным путем, изменяя режим работы с помощью дроссельного клапана, установленного перед компрессором или после него. Для каждого режима Vi производится измерение параметров ∆рi =(pk -pn)i т.е. Hi и Ni вычисляют ᶇi при n =const, строят графические зависимости этих параметров от V и получают характеристики компрессора.
Наибольший интерес для анализа работы компрессора представляют зависимость рк = f(V), H = f(V). Последнюю обычно называют напорной характеристикой.
При необходимости характеристики можно приблизительно пересчитать на другие начальные условия всасывания, а также для газа с другими физическими свойствами.
Энергия, сообщаемая газу в компрессоре, расходуется на обеспечение требуемых условий работы системы, т.е. на преодоление статического противодавления рст и сопротивления Δр в системе.
Режим работы компрессора существенно зависит от характеристики системы, в которой он должен работать. Уравнение характеристики сети в общей форме имеет вид
где V – объемный расход в сети
рст – постоянное статическое давление в сети
а – коэффициент, зависящий от размеров и конструкции сети.
При изменении коэффициента а, например, при изменении сечения трубопровода, давления или температуры, характеристика сети смещается. Так, при увеличении коэффициента а, например, при прикрытии заслонки, установленной в трубопроводе, характеристика сети становится круче.
Требуемое при эксплуатации изменение режимов работы может быть достигнуто или изменением характеристики сети или изменением характеристики машины.
При малых расходах, учитывая, что скорость потока в трубопроводах ограничивается, вторым членом уравнения пренебрегают и таким образом, количество потребляемого газа практически не зависит от давления в системе.
Характеристика сети
Режим работы машины зависит от ее газодинамической характеристики и характеристики сети. Сетью будем называть совокупность всех устройств, через которые проходит газ от машины до потребителя, а характеристикой сети – зависимость между расходом газа через сеть и давлением, которое необходимо обеспечить в начале сети для реализации этого расхода. Точка пересечения характеристики сети с характеристикой машины определяет установившийся режим работы и называется рабочей точкой.
Возможные характеристики систем представлены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Характеристики давления в сети трубопроводов (в системе)
а) сеть с постоянным противодавлением
б) сеть с динамическим противодавлением
в) – сеть со статическим и динамическим противодавлением
Сеть с постоянным противодавлением имеет характеристику параллельно оси абсцисс. Ими обладают, например, компрессорные установки в химической, металлургической и других отраслях промышленности, рис. 1.2. а.
Для газоперекачивающих станций магистральных трубопроводов характерна параболическая форма характеристики, проходящая через начало координат (сопротивление в элементах системы) (рис .1.2. б).
Для случая потребления газа с постоянным давлением газа при наличии сопротивлений в системе характерна комбинированная характеристика (рис. 1.2. в).
Точка пересечения характеристики компрессора рк = f(V) называется рабочей точкой или рабочим режимом компрессорной установки. Точка пересечения А определяет условия материального и энергетического баланса системы, как показано на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Совместные характеристики компрессора и сети (системы)
Компрессор, работающий в системе эффективен, если рабочей точке соответствует максимальный или близкий к максимальному КПД компрессора.
Работа компрессора устойчива, если при изменении производительности системы по любой причине компрессор восстанавливает первоначальный режим работы. В противном случае работа компрессора неустойчива и может возникнуть явление помпажа.
При рассмотрении вопроса устойчивой работы центробежного или осевого компрессора большое значение имеет аккумулирующая способность системы, определяемая ее емкостью. Малая аккумулирующая способность характерна для системы с малым объемом или малым изменением плотности газа.
Газ поступает в компрессор с начальным давлением рн и сжимается в нем до конечного давления рк. Величина рк может изменяться в пределах
рн < pк < pмакс.
Однако, вблизи точки V0<V<Vп возможна неустойчивая работа компрессора (помпаж). Поэтому зона устойчивой работы компрессора определяется диапазоном производительностей Vп<V<Vмакс при рп<pмакс (где рп – давление помпажа).
Напорная характеристика компрессора однозначно определяет зависимость между производительностью по всасыванию и конечным давлением в устойчивой зоне работы при постоянной частоте вращения. Она в большинстве случаев определяет границу помпажа компрессора.
Для обеспечения эффективной, в первую очередь экономии энергии привода, и надежной работы компрессора рабочая точка его должна совпадать с оптимальным режимом ᶇ макс или находиться вблизи него при снижении КПД на 2-5% по сравнению с максимальным.
1.4. Явление помпажа
Условия работы компрессора в системе при широком диапазоне изменения режимов в значительной степени зависят от взаимной согласованности характеристик компрессора и системы.
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 рс системы становится больше давления рк 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 рк>рс. 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
dpc/dV>dpk/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'A<V"A). 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'B больше производительности компрессора (V'B>VB), 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 (VС> V'B), 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' (VB<V'K), 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 ΔPo во всасе 1-й ступени
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
