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

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_макс. При дальнейшем уменьшении V начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины р_к, 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_макс и Н_мин. 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 V_к 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_мин (границы помпажа), включается регулятор производительности. Разница объемов V=V_k – 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 р_к2, но часть его дельта V =V₂– V₁ направляется по обводному трубопроводу на вход компрессора. Нагрев газа при дросселировании разности давлений р_к1– р_к2 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.