Лекция №1

Регулирование производительности поршневых компрессоров

Большинство технологических процессов, где используются сжатые газы, требует поддержания постоянного, оптимального для данного процесса давления.

Для обеспечения постоянного давления газа в системе необходимо, чтобы массовая производительность компрессоров m_k была равна количеству потребляемого газа m_c в системе.

Таким образом, задача поддержания постоянного давления сводится к задаче непрерывного согласования производительности компрессоров с потреблением системы, т.е. к регулированию производительности, т.е. к регулированию производительности компрессоров.

Производительность компрессорных установок на предприятии обычно несколько больше максимального потребления им сжатого газа. Такой резерв производительности обеспечивает возможность расширения предприятия. По этой причине для поддержания постоянного давления газа приходится несколько снижать производительность компрессорных установок в сравнении с расчетной величиной.

Отношение уменьшенной производительности компрессора m`_k к номинальной m_k называют степенью уменьшения производительности.

Обозначим эту величину, как δ :

.

Величина производительности компрессора определяется уравнением

.

Условимся все величины, характеризующие работу компрессора на режиме регулирования, обозначать со штрихом. Тогда степень уменьшения производительности будет

. (1)

Регулировать производительность компрессора можно, изменяя один или одновременно несколько сомножителей, входящих в числитель уравнения (1).

В настоящее время применяют следующие способы регулирования производительности поршневых компрессоров.

1. Изменение частоты вращения вала привода и периодические остановки компрессора (воздействие на привод).

2. Присоединение дополнительного мертвого пространства.

3 . Изменение хода поршня.

4. Дросселирование на всасывании. Воздействие на

5. Перекрытие всасывания. коммуникацию

6. Отжим всасывающих клапанов.

7. Перепуск газа с нагнетателя на всасывание. Основные требования, предъявленные к системе регулирования:

а) плавность изменения производительности;

б) экономичность расхода энергии;

в) простота, компактность, удобство обслуживания и надежность в работе.

С этих позиций следует производить оценку различных способов регулирования.

Изменение производительности изменения частоты вращения.

Изменение производительности изменением частоты вращения может быть плавное и ступенчатое. Плавное изменение производительности может быть выполнено, если привод позволяет плавно изменять частоту вращения вала компрессора. К таким приводам относятся двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, паровые турбины, электродвигатели постоянного тока. Обычные электродвигатели переменного тока не допускают плавного изменения частоты вращения. Асинхронный двигатель с фазным ротором хотя и допускает в небольшом диапазоне плавное изменение частоты вращения при включении переменного сопротивления в цепь якоря, однако при этом КПД двигателя резко снижается.

Поэтому в установках с электродвигателями переменного тока рассматриваемый способ регулирования не применяется.

Регулирование производительности компрессоров изменением частоты вращения вала не требует усложнения конструкции компрессора. Все регулирующие устройства находятся в конструкции двигателя.

Рассмотрим, как отображается на экономичность работы компрессора изменение частоты вращения его вала от n₀ до n’₀.

Известно, что экономичность работы компрессора характеризуется величиной изотермического КПД, который при отсутствии затрат мощности на вспомогательные механизмы определяется уравнением:

. (1)

При частоте вращения n`<sub>0</sub> производительность (массовая) компрессора m` и его изотермическая работа N`_из будут:

;

.

Проследим изменение величины N_ин с изменением частоты вращения. Построим индикаторные диаграммы компрессора при частоте вращения n₀ и n`<sub>0</sub>, где n<sub>0</sub> < n`₀. Линия сжатия при меньшей частоте вращения пойдет несколько левее, т.к. при уменьшении n₀ процесс сжатия пойдет медленнее и количество теплоты, отводимой охлаждающей средой от газа, увеличивается. Последнее приведет к снижению величины показателя политроны сжатия.

У меньшение частоты вращения n₀ приведет к уменьшению С_ср и скорости газа в клапанах в отношении . Газодинамические сопротивления клапанов уменьшатся в отношении Это сместит линии всасывания и нагнетания внутрь диаграммы, построенной для n₀.

Как видно из рисунка площадь индикаторной диаграммы при n`₀ будет меньше. Индикаторная мощность при новом значении частоты вращения определится уравнением

,

где .

При n₀ < n`₀; β < 1.

Мощность, затрачиваемая на преодоление трения в звеньях механизма, так же снизиться.

Мощность, затрачиваемая на преодоление трения в звеньях механизма, так же снизится. Ориентировочно можно принять, что она будет равна

.

Подставим найденные величины в уравнение (1).

.

Если β = 1, то η`<sub>из</sub> = η<sub>из</sub>. При уменьшении частоты вращения β < 1, поэтому η`_из > η_из.

Практически КПД компрессорной установки в целом остается неизменным при уменьшении частоты вращения, так как увеличение КПД компрессора компенсируется снижением КПД двигателя. В итоге удельный расход работы на 1м³ газа остается приблизительно постоянным при любом n.

Данный способ регулирования отвечает всем основным требованиям. Он обеспечивает плановые изменения производительности, не требует плавное изменение производительности, не требует усложнения конструкции, а КПД установки остается приблизительно неизменным.

Регулирование производительности поршневых компрессоров таким способом может быть использовано в установках с приводом от паровой машины, от паровой турбины, от двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя постоянного тока.

Паровые машины, как и паровые турбины допускают снижение частоты вращения со 100 до 25%. Однако при работе на пониженных частотах паровые турбины значительно менее экономичны, чем паровые машины. Двигатели внутреннего сгорания (газовые и дизельные) допускают снижение частоты вращения со 100 до 60%.

Надо учесть, что паровые машины и паровые турбины для привода поршневых компрессоров применяются только в единых случаях. Двигатели внутреннего сгорания используются главным образом в передвижных установках и на некоторых газоперекачивающих станциях для природного газа. Электродвигатели постоянного тока так же очень редко применяются для привода компрессорных машин (главным образом в лабораториях). Основным приводом поршневых компрессоров являются электродвигатели переменного тока, а они с плавным изменением частоты вращения сложны и дороги или неэкономичны, а потому применяются сравнительно редко, например для компрессоров сверхвысокого давления при необходимости плавного регулирования производительности, так как применение для них других способов регулирования затруднительно.

Электродвигатели со ступенчатым изменением частоты вращения, достигаемым переключением на другие числа пар полюсов, так же применяются редко, хотя с понижением частоты вращения их экономичность не ухудшается.

Все это является основной причиной ограниченного применения способа регулирования с помощью изменения частоты вращения.

Изменение производительности периодическими остановками компрессора.

Этот вид регулирования характеризуется прерывистым изменением производительности и осуществляется двумя способами: остановками двигателя и отсоединениями компрессора от двигателя.

Данный способ регулирования возможен, когда производительность компрессора значительно больше, чем потребление системы. При работе компрессора происходит накапливание газа и повышение давления в системе. По достижении наибольшего допустимого давления регулирующие приспособления производят остановку двигателя, после чего потребление газа происходит за счет снижения запаса его в самой системе.

Когда давление в системе снизится до наименьшего допустимого, регулирующее приспособление вновь включает двигатель.

Изменение производительности способом периодических остановок, с точки зрения затраты энергии, является экономичным. Конструктивных усложнений компрессора при таком способе регулирования не требуется.

Однако этот способ имеет существенные недостатки:

1. интенсивный износ двигателя и компрессора вследствие частых пусков и остановок;

2. при значительной мощности двигателя возникает большие пусковые токи в электрической сети, питающие двигатель. Это мешает работе других потребителей электрической энергии предприятия.

Регулирование путем остановок двигателя производится при электрическом приводе мощностью до 250кВт. Запуск и остановку осуществляют управляемые автоматически пусковые устройства.

При таком способе регулирования использование синхронного двигателя затруднительно вследствие сложности его пуска. Применяют асинхронные двигатели: короткозамкнутые, запускаемые с непосредственным включением в сеть или с переключением со звезды на треугольник, и с фазным ротором, запускаемые с последовательным выключением ступеней сопротивления. Выбор электродвигателя и способа его пуска производят в зависимости от мощности компрессора, мощности электрической сети и предполагаемой частоты включений. Частота включений определяется степенью снижения производительности компрессора и размерами установленного ресивера.

Регулирование отсоединением компрессора от двигателя имеет преимущества в том, что пуск компрессора не вызывает таких толчков тока в сети, как совместный пуск с электродвигателем. Оно применимо для двигателей значительной мощности, в частности для синхронных электродвигателей.

Пуск или остановку компрессора осуществляют посредством электромагнитной или фрикционной муфты. Нужные для этого автоматические устройства проще, чем для пуска электродвигателя.

По экономичности регулирование отсоединениями компрессора от двигателя уступает регулированию остановками двигателя, т.к. сопряжено с потерей энергии на холостой ход электродвигателя. Но оно экономичнее, чем регулирование переводом компрессора на холостой ход, так как в периоды прекращения подачи нет затраты энергии на холостой ход компрессора, составляющей не менее 15% номинального расхода.

Рассматриваемый способ изменения производительности особенно распространен для мелких компрессоров, работающих непродолжительное время: например, для компрессоров, подающих воздух в ресиверы тормозных систем, систем автоматического регулирования или для некоторых автомобильных компрессоров, приводимых от двигателя автомобиля.

Изменение производительности присоединением дополнительных мертвых пространств.

Этот способ регулирования основан на том, что газ из мертвого пространства при своем расширении занимает часть полезного объема цилиндра согласно уравнению

; ; .

Отсюда

;

.

На этот объем уменьшится, при прочих равных условиях, производительность компрессора за один ход. Изменяя величину мертвого пространства, можно изменять производительность машины.

Р ассмотрим этот способ на примере одноступенчатого поршневого компрессора.

V_m - основное мертвое пространство

V_мд – присоединенное метровое пространство

Степень уменьшения производительности δ при сохранении неизменными величинами n₀, λ_г, λ_р и λ_м определится уравнением.

.

где ; ; ; .

Отсюда при заданной величине δ ;

или

Предельная величина дополнительного метрового пространства, при которой производительность компрессора обратится в нуль, δ = 0.

или .

Оценим экономичность работы компрессора при этом способе регулирования. Удельная работа l`, потребляемая компрессором при регулировании, определится из уравнения

. (1)

Есть основание полагать, что удельная индикаторная работа останется практически неизменной, так как n ≈ n`.

(2)

Абсолютная величина работы трения для данного компрессора при n₀ = const останется практически неизменной, а производительность компрессора уменьшится в δ раз, т.е.

; (3)

Подставим значения l`<sub>ин</sub> и l`_m из уравнений (2) и (3) в уравнение (1) и получим

.

Удельная работа l` при регулировании возрастает за счет увеличения удельной работы трения. Однако так как величина Nm сравнительно мала, то при умеренных величинах δ возрастание удельной работы так же сравнительно невелико.

Изменение производительности компрессоров присоединением дополнительных мертвых пространств усложняет конструкцию компрессора. Дополнительные полости выполняют постоянного или переменного объекта и располагают либо непосредственно в цилиндре, либо в отдельных балконах, соединенных с рабочей полостью цилиндра. Последовательное присоединение к цилиндру отдельных полостей постоянного объема дает ступенчатое регулирование производительности. Для осуществления плавного регулирования применяют полости переменного объема, выполняя их в виде вариантов, т.е. устройств, состоящих из цилиндра с поршнем, перестановкой которого можно изменять объем присоединяемой полости.

Клапаны, сообщающие дополнительные полости с полостями цилиндров, открываются внутрь, пневматически или гидравлическим путем.