Совместная работа турбокомпрессоров на сеть

В тех случаях, когда требования потребителя (производительность и конечное давление) не могут быть обеспечены одним компрессором, используют совместную работу нескольких компрессоров, объединяя их параллельно или последовательно.

Параллельная работа

Рис. 9.5. Параллельная работа турбокомпрессоров

При параллельной работе турбокомпрессоров их расходы суммируются, а давление нагнетания на устойчивом режиме определяется противодавлением в сети.

 

а) одинаковые максимальные напоры

Рис. 9.6. Параллельная работа турбокомпрессоров при одинаковых
максимальных и минимальных напорах

 

При работе системы в точке В, рабочими точками на характеристиках 1-го и 2-го компрессоров будут точки В ₁ и В ₂. Граница устойчивой работы системы определяется точкой А, соответствующей максимально допустимому сопротивлению сети.

При G < G_A, каждый из компрессоров может войти в помпаж.

б) различные максимальные напоры

Рис. 9.7. Параллельная работа турбокомпрессоров при различных
максимальных напорах

Максимально допустимое противодавление в сети будет определяться максимальным напором 2-го компрессора. Левее точки А устойчивая работа системы невозможна, т.к. при Н_с > Н_{к 2max} будет иметь место течение газа из сети на всасывание 2-го компрессора. Напор 1-го компрессора полностью использован быть не может.

 

Последовательная работа

Рис. 9.8. Последовательная работа турбокомпрессоров

 

 

Условием последовательной работы является суммирование напоров при одинаковом массовом расходе.

а) одинаковые максимальные и минимальные производительности

Рис. 9.9. Последовательная работа турбокомпрессоров при одинаковых
максимальных и минимальных производительностях

 

 

Суммарная характеристика в этом случае охватывает диапазон устойчивой работы 1-го и 2-го компрессоров. При работе системы на предпомпажном режиме (точка А), оба турбокомпрессора также работают на границе помпажа.

 

б) различные максимальные и минимальные производительности

 

Рис. 9.10. Последовательная работа турбокомпрессоров при различных максимальных и минимальных производительностях

 

 

В точке А достигается максимально допустимое сопротивление сети, в этом случае 1-й компрессор работает на предпомпажном режиме. Максимальный расход в системе определяется 2-м компрессором. Правее точки В ₂ 2-й компрессор будет работать как турбина (с отрицательным напором). Таким образом, суммарная характеристика имеет зону работы уже, чем отдельных компрессоров.

 

 

9.3. Помпаж в системе «компрессор-сеть»

 

Помпажом называется явление потери устойчивости в системе компрессор – сеть, возникающее на режимах малой производительности и проявляющееся в колебаниях давления и объемного расхода с периодом значительно большим, чем период вращающегося срыва и период оборотов.

Работа системы будет устойчивой в том случае, если при малом возмущении система стремится вернуться к исходному режиму. Рассмотрим условия, при которых система «компрессор – сеть» будет устойчивой и при каких условиях эта система может потерять устойчивость.

 

9.3.1. Условия статической устойчивости системы «компрессор-сеть»

 

Рассмотрим компрессор, имеющий характеристику ВАС, который подключается к сети с характеристиками 01, 02, 04 (рис. 9.11).

Характеристика имеет максимум в точке А. Правее этой точки ветвь характеристики АС – нисходящая, для которой выполняется условие , левее – восходящая ветвь DA (). В общем случае напорная характеристика имеет две точки перегиба (Н_max и H_min). Положение этих точек по оси абсцисс может быть различным. Чаще всего Q_Hmax >0, a Q_Hmin <0.

Рис. 9.11. К определению условия статической устойчивости системы
«компрессор-сеть»

 

Рассмотрим работу системы в точке 1. При малом изменении производительности δQ > 0 рабочая точка компрессора переместится в точку 1′, а сети – в точку 1′′. Напор компрессора оказывается меньше сопротивления сети, поток газа в магистрали начинает тормозиться, вызванное этим уменьшение расхода через сеть приводит к снижению ее сопротивления. Таким образом, восстанавливается предыдущий режим работы.

При δQ < 0 наоборот компрессор будет создавать повышенный напор
(H_к > Н_с), и расход газа будет возрастать.

Аналогичный ход рассуждений можно провести для участка характеристики левее точки А, важно чтобы было одно пересечение характеристик компрессора и сети.

Рассмотрим работу системы в точке 3. При изменении производительности в окрестностях точки 3 будет наблюдаться статическая неустойчивость, проявляющаяся в том, что система будет стремиться либо к точке 5 при δQ < 0, либо к точке 4 в случае δQ > 0.

Таким образом, для точек 1 и 2 выполняется условие статической устойчивости, а для точки 3 данное условие не выполняется. Исходя из сделанных выводов можно сформулировать условие статической устойчивости, заключающееся в том, что область устойчивой работы на характеристике компрессора содержит только те рабочие точки, в которых крутизна характеристики сети больше крутизны характеристик компрессора

. (9.1)

Неравенство (1) является математической записью условия статической устойчивости.

Однако инерционные и емкостные свойства сети приводят к тому, что работа системы может быть неустойчивой даже при выполнении неравенства (9.1). В этом случае говорят о возможной динамической неустойчивости системы.

 

 

9.3.2. Условие динамической устойчивости системы «компрессор-сеть»

 

Инерционные характеристики сети (рис. 9.12) определяются ее акустической массой L_a, емкостные – акустической гибкостью C_a.

Для ресивера объемом V:

; ,

где ρ; – плотность газа; – скорость звука.

Для трубопровода длиной l и сечением f:

;

 

Рис. 9.12. Элементы, определяющие инерционные и емкостные свойства сети

 

 

Наличие емкостных и инерционных свойств у сети приводит к тому, что при скачкообразном изменении расхода (например, при мгновенном открытии дросселя) производительность компрессора отличается от расхода через сеть.

Рассмотрим возникновение неустойчивости на статически устойчивом режиме (рис. 9.13).

Если плавно прикрыть дроссельную заслонку (точка К → точка К'), а затем мгновенно ее открыть, то из-за инерционных свойств сети рабочие точки компрессора и сети останутся рассогласованными:

- производительность компрессора ;

- расход через сеть .

Напор компрессора начинает снижаться (точка К' → точка В), одновременно снижается его расход и расход через сеть (точа С → точка С ''). Так как , а дальнейшее снижение напора компрессора невозможно, происходит скачкообразное увеличение производительности компрессора до
точки D.

 

Рис. 9.13. К явлению помпажа в компрессоре

Производительность компрессора оказывается значительно большей расхода через сеть, поток газа тормозится, следовательно, напор Н_к растет (точка D → точка А), а режим работы сети смещается в точку Е. Т.к. , а компрессор не в состоянии протолкнуть избыток газа через дроссель, происходит новое скачкообразное изменение режима (точка А → точка F). В этом случае расход через компрессор значительно меньше расхода через сеть, следовательно, снижается его напор (точка F → точка B) и снижается сопротивление сети (точка Е → точка С ^′′). В результате цикл повторяется и компрессор попадает в помпаж.

 

Условием динамической устойчивости будет неравенство

 

, (9.2)

где .

В зависимости от характеристик компрессора и сети возникающий помпаж может носить «мягкий» или «жесткий» характер. «Мягкому» помпажу соответствует малая амплитуда колебаний в момент его возникновения и монотонное ее нарастание с уменьшением расхода. Наиболее опасен «жесткий» помпаж, который характеризуется высокой амплитудой колебаний в момент их возникновения и гистерезисным характером возвращения к устойчивому режиму. Кроме того, при определенных условиях «жесткий» помпаж может возникнуть и на правой ветви характеристики, где выполняется условие статической устойчивости: .

 

Построение левой ветви характеристики (участок FK) на практике зачастую не представляется возможным из-за трудностей измерения давления и расхода на неустойчивых режимах, представляющих опасность разрушения компрессора. Поэтому иногда границу устойчивой работы определяют так называемой условно помпажной точкой, соответствующей максимуму напора (точка А). Однако, такой подход не является вполне правомерным, т.к. как показано выше, компрессор может работать устойчиво и на участках с , при выполнении условия (9.2), а «жесткий» помпаж может возникнуть и правее точки А.

10. Методы регулирования работы компрессорных машин динамического
действия

В течение срока эксплуатации турбокомпрессор работает на расчетном режиме, соответствующим максимуму КПД, как правило, менее 50% времени, поэтому вопросы регулирования компрессора и его экономичность имеют важное значение.

Методами регулирования работы КМДД называют способы изменения газодинамических характеристик компрессора или сети с целью обеспечения необходимых потребителю параметров газа.

Поэтому все методы регулирования условно делятся на два вида: регулирование изменением газодинамических характеристик компрессора и регулирование за счет изменения характеристики сети.