Регулирование энергетических установок

Регулирование энергетических установок

1. Регулирование энергетических установок

1.1 Способы регулирования объемных компрессоров

Потребность того или иного технологического процесса в сжатом газе удовлетворяется работой одного или группы из n компрессоров, если их суммарная массовая производительность не меньше потребности в газе Qn. В случае применения в установке машин одинакового типа можно записать

 кг/ч, (1.1)

где индексом i отмечены номера компрессоров и соответствующие им значения величин: Vhi - объем, описываемый поршнями цилиндра I ступени і-го компрессора, ti - время работы і-го компрессора в течение часа.

Для группы компрессоров различной производительности соответственно

, (1.1)

где Qi, производительность компрессоров каждой группы; а - число компрессоров одинаковой производительности.

Как видно из уравнений (1.1) и (1.1), производительность компрессорной установки можно изменять, выбирая число и тип работающих компрессоров, число включенных в работу полостей их цилиндров, производительность, время работы или частоту вращения вала каждой машины, а также меняя плотность засасываемого ими газа. Требуемые изменения производительности машин достигаются соответствующими воздействиями на элементы газового тракта, всасывающие, нагнетательные и специальные клапаны, элементы механизма движения, электродвигатель и узел его соединения с компрессором. Для этого могут быть также использованы устройства, изменяющие объем, описываемый поршнем компрессора, или соотношение между объемом полости сжатия и объемом, описываемым поршнем компрессора.

1.1.1 Классификация способов и устройств для изменения производительности компрессоров

Способы изменения производительности в зависимости от места, в котором производится соответствующее воздействие, могут быть отнесены к одной из трех групп: с исполнительными устройствами, размещенными на трубопроводных коммуникациях, в конструкции компрессора или в конструкции его привода. Каждая группа может подразделяться по элементам, на которые оказывается воздействие. Исполнительные устройства могут различаться по виду используемой ими энергии, конструктивным признакам и характеру действия.

Исполнительные устройства подразделяются на устройства непрерывного и дискретного действия. К первым относятся те из них, в которых используются способы плавного (или практически плавного) изменения производительности компрессора, причем степень ее изменения пропорциональна подводимому к исполнительному устройству командному сигналу. Ко вторым - устройства, использующие способы ступенчатого изменения производительности - дискретно от нуля до поминального значения или ступенями установленной величины. Иначе говоря, в зависимости от конструкции компрессора может быть одна или несколько ступеней изменения его производительности.

Остановимся коротко на основных способах изменения производительности и некоторых конструкциях для их осуществления.

1.1.2 Дроссельный перепуск сжатого газа во всасывающий трубопровод (байпасирование)

Этот способ, как и сброс сжатого воздуха в атмосферу через дросселирующий вентиль, нередко применяют в практике для изменения производительности компрессора. Его неэкономичность совершенно очевидна, поскольку работа сжатия полностью теряется при дросселировании газа в байпасном вентиле. Поэтому, как правило, он целесообразен только для разгрузки компрессора при пуске и в качестве защитной операции, когда по какой-либо причине создается опасность резкого подъема или понижения контролируемого давления и необходимо, не останавливая компрессор, быстро снизить его производительность.

Байпасированием просто изменить производительность, и при том быстро изменяется контролируемое давление. Этим объясняется довольно частое применение этого нерационального способа даже тогда, когда компрессоры снабжены более экономичными устройствами для изменения производительности. При байпасировании нередко приходится нагревать или охлаждать газ перед тем, как направить его во всасывающий патрубок, чтобы избежать замерзания влаги в дросселе или подъема температуры после сжатия газа компрессором выше допустимой величины.

Следует отметить, что в многоступенчатых компрессорах изменение производительности байпассированием из линии нагнетания I ступени на всасывание I ступени относительно экономично и может, как реализуемое более просто, конкурировать с другими способами.

Однако во всех случаях, когда возможно изменение производительности более экономичным способом, байпасирование применять не рекомендуется. Па линии, соединяющем нагнетание со всасыванием или атмосферой, следует устанавливать регулирующие органы, надежно запирающие проходное сечение при работе в режиме номинальной производительности. Применение на этих линиях регулирующих разгруженных и соленоидных электромагнитных клапанов приводит к утечкам сжатого газа.

1.1.3 Свободный перепуск газа с нагнетания на всасывание (перевод компрессора на работу без противодавления)

Этот способ значительно экономичнее, чем дроссельный перепуск газа, поскольку перепускаемый со стороны нагнетания на сторону всасывания газ сжимается лишь настолько, чтобы преодолеть сопротивление, создаваемое клапанами и трубопроводом.

На рис. VI.1 представлена схема устройства для перевода двухступенчатого компрессора на работу без противодавления. При поступлении сигнала, вызывающего открывание перепускных клапанов, газ, сжатый I и II ступенями компрессора, свободно направляется на сторону всасывания. Обратный клапан препятствует утечке сжатого газа из системы, обслуживаемой компрессором. Потери энергии при изменении производительности компрессора переводом на работу без противодавления значительно ниже, чем при байпасировании.

1.1.4 Дросселирование газа во всасывающем трубопроводе и отключение всасывания

С уменьшением проходного сечения регулирующего клапана, установленного на всасывающем трубопроводе, снижается давление всасываемого компрессором газа и увеличивается его удельный объем. Это приводит к уменьшению массовой производительности регулируемой ступени компрессора. Характер процесса можно представить в виде упрощенных индикаторных диаграмм (рис. VI.1).

При изменении проходного сечения клапана и неизменном давлении нагнетания рн давление всасывания плавно изменяется от номинального рвс до рвc1, при котором производительность ступени оказывается меньше номинальной. Наконец, оно может быть доведено до давления pвс1 при котором производительность компрессора равна нулю, поскольку весь сжатый газ расширяется в цилиндре до начала всасывания, и всасывание свежих порций газа не происходит.

Поскольку степень сжатия с уменьшением производительности возрастает, температура нагнетания может достичь значений, недопустимых для нормальной работы компрессора. Поэтому плавно изменять производительность компрессора дросселированием на стороне всасывания можно только в ограниченных пределах, определяемых величиной мертвого пространства и свойствами компримируемого газа. Чтобы избежать высокого перегрева при дросселировании на стороне всасывания, необходимо полностью перекрыть всасывающий трубопровод. При этом после кратковременного переходного процесса, когда отсасывается оставшийся в трубопроводе газ и вследствие высокой степени сжатия конечная температура газа может оказаться большой, наступает режим работы, при котором газ не засасывается компрессором и его производительность равна нулю. Всасывающий трубопровод можно также полностью перекрыть непосредственным воздействием на всасывающий клапан, в частности, с безинерционным электромагнитным устройством. В качестве дроссельных органов на всасывающих трубопроводах компрессоров устанавливают регулирующие клапаны с пневматическим, электрическим или гидравлическим приводом.

Следует отметить, что дросселирование на всасывании не может использоваться при компримировании углеводородных газов, водорода, хлора и некоторых других газов, поскольку в этих случаях имеется возможность создания вакуума на всасывании, а следовательно, опасность подсоса в сжимаемый газ воздуха и паров воды из атмосферы, что недопустимо по условиям техники безопасности. Его применение в этих случаях возможно только при условии, если избыточное давление на всасывании будет поддерживаться не ниже 100-100мм вод. ст. В некоторых конструкциях компрессоров вакуум на стороне всасывания может привести к срыву подачи смазки. Иногда возможен и подсос смазки в цилиндр компрессора, что приводит к гидравлическим ударам. Чтобы избежать повышения температуры в конце сжатия, отключение всасывания иногда сочетают с переводом компрессора на работу без противодавления, как это описано выше.

1.1.5 Присоединение дополнительных мертвых пространств к полости цилиндра компрессора

Объемный коэффициент λv, в значительной мере определяющий коэффициент наполнения и производительность компрессора, может быть определен для идеального газа из уравнения

, (1.1)

где а - относительная величина мертвого пространства

; (1.4)

 - степень сжатия;  - показатель политропы конечных параметров газа в процессе расширения. Из уравнения (1.1) видно, что с ростом относительной величины мертвого пространства а объемный коэффициент будет уменьшаться и в пределе при

 (1.5)

он, а следовательно, и производительность компрессора теоретически будут равны нулю. Таким образом, изменяя величину относительного мертвого пространства от номинального значения аном в пределах

 (1.6)

можно плавно изменять производительность компрессора от максимальной до нуля, когда расширяющийся из мертвого пространства газ занимает весь объем цилиндра компрессора при давлении pвс и всасывания свежих порций.

Для определения требуемых объемов дополнительных мертвых пространств при их расчете можно исходить из того, что для снижении производительности одноступенчатого компрессора до m-й доли от номинальной (m может измениться от 1 до 0) необходимо увеличить относительный объем мертвого пространства а на величину ад так, чтобы

 (1.7)

где  - объемный коэффициент при снижении производительности.

Отсюда

, (1.8)

с учетом того, что

, (1.9)

можно записать

 (1.10)

где  - объем дополнительной полости.

Изменение давления всасывания при новой производительности должно быть учтено. Если при этом температура засасываемого газа не изменяется, то требуемый объем дополнительной полости составит

. (1.11)

Здесь штрихом обозначены значения величин после подключения дополнительного мертвого пространства. Определяя объем дополнительной полости для ступеней компрессора, работающих при высоких давлениях всасывания, следует также учитывать изменение коэффициента сжимаемости  с изменением давления всасывания. В этом случае

, (1.11)

где kТ - температурный показатель адиабаты сжатия газа. Поскольку при милых размерах цилиндров высокого давления отвод тепла от газа пренебрежимо мал, процесс может рассматриваться как адиабатический. Производительность компрессора этим способом можно изменять периодически подключением к полости цилиндра неизменного по объему дополнительного мертвого пространства (ДМП) па части ходов поршня, а также на части хода сжатия или подключением ДМП изменяющегося объема.

1.1.6 Принудительное соединение полости цилиндра с нагнетательным или всасывающим трубопроводом на части ходов поршня

Как правило, полость цилиндра соединяют со всасывающим и лишь иногда с нагнетательным трубопроводом. Это осуществляется с помощью специального присоединяющего клапана, размещаемого в конструкции цилиндра компрессора, или воздействием на запорные органы всасывающих клапанов. В обоих случаях изменение производительности достигается открытием на части ходов поршня отверстия, расположенного так, что весь объем газа из полости цилиндра компрессора при ходе сжатия беспрепятственно выпускается на сторону всасывания или при ходе всасывания возвращается из нагнетательного трубопровода в полость цилиндра.

Выпускное отверстие может размещаться в конструкции нагнетательного или всасывающего клапана, а также в цилиндре компрессора. В качестве выпускного отверстия можно также использовать гнездо одного из всасывающих клапанов, запираемое специальным клапаном, или один из всасывающих клапанов, при чем когда он посажен в гнездо, соответствующая полость работает на минимальной производительности, а при его подъеме прекращается подача газа.

На рис. VI.1, а показан вариант конструкции исполнительного устройства со специальным клапаном. Перепускное отверстие перекрывается клапаном 1, который движется по направляющему поршню 4, жестко соединенному посредством штока 5 с крышкой 1. Пружина 1 и давление газа в цилиндре при ходе сжатия стремятся открыть проходное сечение клапана. При работе в режиме номинальной производительности эти усилии преодолеваются подводимым через штуцер 6 сжатым воздухом под давлением 0,5-0,8МПa (5-8кГ/см1) от ресивера. Развиваемое при этом усилие обеспечивает надежное запирание клапаном 1 отверстия в седле клапана. При необходимости разгрузить ступень компрессора линия, подводящая сжатый воздух штуцер 6, отключается от ресивера и соединяется с атмосферой. Усилием сжимаемого в цилиндре компрессора газа и пружины 1 клапан поднимается и открывает проходное сечение в седле. Особенностью конструкции является наличие направляющего поршня, благодаря чему значительно ищется усилие, необходимое для закрытия перепускного клапана, и соответственно - размеры узлов устройства. Однако при этом несколько увеличивается объем мертвого пространства, и для надежного запирания клапана необходимо тщательно устанавливать устройство и притирать клапан к седлу.

На рис. VI.1, б представлен вариант конструкции исполнительного устройства с применением в качестве выпускного клапана одного из прямоточных всасывающих клапанов компрессора. Сжатый воздух (или газ), подаваемый через штуцер 11, воздействует на двухпоршневой привод, который полый шток 9 с помощью направляющего поршня 8 обеспечивает посадку прямоточного всасывающего клапана 7 на седло в цилиндре компрессора. При срабатывании давления путем соединения штуцера 11 с атмосферой клапан под воздействием давлений в цилиндре и в полости всасывания и возвратной пружины перемещается вправо и открывает отверстие, соединяющее цилиндр компрессора с полостью всасывания. Демпфер 10, заполненный маслом, обеспечивает плавную посадку клапана в седло. Имеются также ряд типов исполнительных устройств, обеспечивающих соединение полости цилиндра со стороной всасывания на части хода сжатия.

1.1.7 Соединение полости цилиндра компрессора со стороной всасывания на части хода сжатия

Изменение производительности путем выпуска газа на части хода сжатия может быть осуществлено воздействием на всасывающие клапаны, как это описано ниже (динамический отжим всасывающих клапанов), или с помощью специального отверстия, размещенного в конструкции средней части цилиндра компрессора. Запирающий отверстие клапан управляется регулятором. При полном открытии отверстия компрессор на каждом ходе сжатия практически не сжимает газ до тех пор, пока поршень не перекроет отверстие в стенке цилиндра. Таким образом, при достаточно большом сечении отверстия сжимается лишь часть газа, находящаяся по ходу поршня за отверстием. Место расположения отверстия по длине цилиндра компрессоров простого действия определяет степень максимального снижения производительности. На цилиндре двойного действия оно размещается обычно на средней части его длины, и в этом случае снижение производительности достигает 10% ее номинального значения.

Обеспечивая открытие и закрытие проходного сечения перепускного клапана, можно осуществить двухпозиционное регулирование давления изменением производительности компрессора. По экономичности этот способ соответствует свободному перепуску газа, но вызывает меньшие потери энергии на перемещение газа в коммуникациях компрессора.

Если необходимо плавно изменять производительность, выпускной клапан можно устанавливать в любое положение - от полного открытия до полного закрытия. Чем больше дросселируется газ, тем более этот способ приближается к условиям байпасирования. Однако в этом случае оно происходит при меньшем перепаде давлений. Наличие отверстия в боковой стенке цилиндра может принести к неравномерному износу поршневых колец. Поэтому при больших относительно диаметра цилиндра размерах отверстия его выполняют не сплошным, а состоящим из ряда отверстий в стенке цилиндра, что создает более нормальные условия для работы поршневых колец. Но и в этом случае износ поршневых колец, стенок цилиндра и поршня вследствие несимметричности сил, действующих на поршень при открытом клапане, увеличивается.

Дросселирования в клапане можно избежать, если для принудительного полного открытия клапана на установленной части хода поршня пользоваться механическим приводом, связанным с положением коленчатого вала компрессора. Однако такое регулирующее устройство оказывается существенно сложнее и поэтому широкого применения не получило.

1.1.8 Периодическое присоединение дополнительного мертвого пространства постоянного на части ходов поршня

Если возникающие при этом способе колебания контролируемого давления превышают пределы, допускаемые требованиями обслуживаемого технологического процесса, производительность компрессора изменяется ступенями периодическим подключением ДМП постоянного объема на части ходов поршня.

На рис. VI.4, а показан характер изменения индикаторной диаграммы одноступенчатого компрессора после подключения ДМП. При описываемом способе изменения производительности работа, затрачиваемая на сжатие газа в объеме мертвого пространства, при его расширении возвращается на вал компрессора. Потери во всасывающем и нагнетательном клапанах несколько снизятся, поскольку количество протекающего через них газа уменьшится и, следовательно, величина относительной потери давления станет меньше.

Снижение экономичности сжатия газа в этом случае является результатом того, что при неизменных затратах энергии на преодоление трения в механизме движения возникают дополнительные потери при протекании газа через клапаны, подсоединяющие ДМП, вследствие чего увеличиваются удельные затраты энергии на сжатие газа. Недостаток этого способа состоит в необходимости усложнения конструкции компрессора для размещения в отливках крышек или цилиндра дополнительных полостей.

1.1.9 Механический отжим пластин клапанов компрессора, обеспечивающий открытие клапана на части хода или части ходов сжатия

Если принудительно открыть всасывающие или нагнетательные клапаны ступени компрессора, то ее производительность станет равной нулю. Чередуя работу машины в режимах номинальной нагрузки и разгрузки, можно осуществить двухпозиционное регулирование. На рис. VI.7, а показана конструкция устройства для отжима всасывающих клапанов на всем ходе сжатия.

При поступлении сжатого воздуха oт управляющего устройства или pрегулятора через штуцер 6 в полость над поршнем 5 создается усилие, передаваемое штоком 4 на пружину 1, под действием усилия которой перемещается траверса 1 с пальцами, отжимающими пластины всасывающего клапана.

При сбрасывании давления сжатого воздуха из полости над поршнем усилием возвратной пружины 7 подвижная система возвращается в исходное состояние.

Индикаторная диаграмма при отжиме пластин клапана в открытое состояние изображена на рис. VI.7, б. Кривая 1 соответствует отжатию пластин всасывающего клапана, а кривая 1 - нагнетательного клапана. Площади диаграммы, замыкаемые кривыми 1 и 1, характеризуют потерю энергии на преодоление депрессии в отжатых клапанах при ходе всасывания и сжатия. Штриховой линией на этом рисунке нанесены также индикаторная диаграмма компрессора при нормальной его работе.

Способ изменения производительности компрессора отжимом клапанов на части хода сжатия, называемый иногда динамическим отжимом пластин клапана, состоит в следующем. Потеря давления в искусственно открытом всасывающем клапане, когда через него возвращается газ из цилиндра компрессора, зависит от скорости движения поршня, а также от изменения объема газа и условий истечения его через проходное сечение и щели и седле клапана. Величина потери давления в зависимости от хода поршня изменяется от нуля в начале хода сжатия до максимального значения.

Пропорционально величине потери давления изменяется усилие, действующее на искусственно удерживаемые в открытом состоянии пластины всасывающих клапанов и направленное в сторону закрытия ими проходного сечения в седле клапана. Если удерживать пластины клапана в открытом состоянии с силой, меньшей максимальной, то в течение каждого хода сжатия газ из цилиндра компрессора будет возвращаться на сторону всасывания до тех пор; пока усилие, создаваемое потоком газа, не превысит усилие, которым исполнительное устройство отжимает пластины. Максимум усилия, создаваемого в результате потери давления, достигается в средней части хода сжатия. Практически удается устойчиво снизить производительность полости цилиндра со 100 до 10-15% номинальной, а иногда и ниже.

Страницы: 1, 2