Способы регулирования производительности компрессора
Изначально самым оптимальным режимом работы любой компрессорной установки является ее номинальный расчетный режим. Но объем вырабатываемого компрессором на номинальном режиме сжатого воздуха не всегда является точно соответствующим объему забора воздуха потребителями. Как правило, даже в течение одной рабочей смены уровень потребления воздуха может значительно колебаться. Поэтому производительность компрессора необходимо регулировать в соответствии с этими изменениями.
Есть несколько методов регулирования уровня производительности компрессора, и они сильно разнятся и по затратам на реализацию, и по эффективности:
1)Включение-выключение компрессорной установки.
2)Сбрасывание лишнего воздуха в атмосферу.
3)Подключение дополнительного объема.
6)Использование частотного преобразователя для регулирования частоты вращения электрического двигателя.
7)Дискретный метод регулирования частоты вращения электрического двигателя.
Включение – выключение компрессорной установки является саамы элементарным способом регулирования производительности, предусматривающий отключение электродвигателя при повышении давления до максимального уровня и включение его при достижении минимально допустимого уровня давления. Во время простоя компрессора он не потребляет электроэнергию, что является позитивной стороной данного метода, но постоянные включения и выключения электродвигателя в целом негативно отражаются на работе системы и в результате могут повлечь за собой перегрев обмотки электродвигателя. Подобный способ чаще всего применяют по отношению к маломощным компрессорным установкам.
Сбрасывание излишков воздуха считается самым неэкономичным способом регулирования производительности, но несмотря на это, некоторые производственные предприятия все еще пользуются им. Суть метода заключается в наличии специального клапана, который открывают, как только давление в системе достигает максимальных показателей. Это крайне нерационально, так как в итоге весь энергоресурс, затраченный на сжатие данного воздуха, оказывается растраченным впустую. Поэтому такой способ целесообразно применять только в очень мощных компрессорных установках, в которых к тому же крайне редко достигается максимальный уровень давления.
Еще один способ регулирования производительности компрессора – подключение дополнительного «мертвого объема». Он применяется только для компрессоров поршневого типа и основан на использовании зазора, который всегда предусмотрительно оставляют между поршнем и крышкой цилиндра для того, чтобы компенсировать тепловые деформации. Если искусственно увеличивать этот так называемый «мертвый объем», производительность компрессора будет уменьшаться. Но этот способ также сложно отнести к экономичным, ведь сжатие воздуха, находящегося в «мертвом объеме», также требует энергозатрат.
В машинах роторного типа (винтовых, спиральных или пластинчато-роторных) применяется способ, при котором регулирование осуществляется посредством перехода на «холостой ход». Это стандартная методика регулирования производительности винтовых компрессоров – при достижении максимальных показателей давления в системе срабатывает реле, которое закрывает заслонку всасывающего клапана. При этом работа компрессора не останавливается, он продолжает потреблять около 20% обычного количества энергоресурсов, но давление в системе не нагнетается.
Существует также способ регулирования производительности, основанный на дросселировании. Он осуществляется с помощью пропорционального всасывающего клапана, который не дает давлению в системе повышаться сверх меры, перекрывая путь всасываемому воздуху посредством газодинамического сопротивления. Производительность компрессора при этом значительно понижается, а давление в системе вскоре достигает номинального уровня. Этот метод удобен тем, что система регулирует производительность практически самостоятельно – заслонка пропорционального всасывающего клапана открывается под влиянием давления воздуха в системе. Кроме того, он более эффективен, чем метод «холостого хода», но в то же время обходится дороже.
Самый удобный и экономичный способ регулирования производительности компрессорной установки, известны на сегодняшний день – это регулирование частоты вращения электродвигателя посредством использования частотного преобразователя. Потери энергии при использовании этого метода минимизируются, а пределы регулирования производительности расширяются и составляют от 20% до 100% (другие методы не создают такого широкого диапазона регулирования). Но в то же время этот способ является наиболее дорогостоящим. Он применим для всех компрессорных установок объемного типа, но его использование в установках динамического типа (осевых, центробежных и т.д.) нередко вызывает проблемы – может возникнуть резонанс с собственными частотами колебаний турбокомпрессора установки.
Похожим методом является дискретное регулирование частоты вращения электродвигателя, посредством которого регулируется общая производительность компрессора. Основное отличие от предыдущего метода заключается в том, что вместо плавного изменения скорости вращения вала здесь имеет место дискретное изменение, основанное на применении специальных многоскоростных двигателей. Это обходится значительно дешевле, чем использование частотного преобразователя, а эффективность почти равнозначная.
Поскольку способов регулирования производительности компрессорных установок много, выбирать оптимальный для Вашего производства способ необходимо на основании всех существующих факторов, в первую очередь – экономической целесообразности и периода окупаемости выбранного метода.
Источник
6.6. Регулирование винтовых компрессоров
Регулирование производительности винтовых компрессоров осуществляется пятью способами, и выбор способа зависит в первую очередь от вида привода компрессора.
Рис. 78. Зависимость адиабатического КПД от скорости вращения винтового компрессора производительностью по всасыванию 1600 куб.м/ч
Регулирование изменением скорости вращения применяется для компрессоров, имеющих привод от газовой или паровой турбин или от двигателя внутреннего сгорания, преимущественно от двигателя дизеля. Во всех этих случаях возможно плавное регулирование скорости вращения в достаточно широком диапазоне. В случае привода от трехфазного электродвигателя возможно ступенчатое регулирование, если применяется электродвигатель с меняющимся числом полюсов. Для регулирования винтовых компрессоров изменением скорости вращения характерно пологое изменение адиабатического КПД с изменением в широком диапазоне скорости вращения, поскольку относительный рост потерь от неплотности при падении скорости вращения в значительной степени компенсируется уменьшением гидродинамических потерь (рис. 78).
Регулирование остановками и пусками применяется у малых компрессоров, имеющих привод от электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Компрессор нельзя пускать чаще чем 15 раз в час, и поэтому компрессорная станция должна иметь большой ресивер, объем которого подсчитывается по сравнению, приведенному на стр. 25.
Мотор компрессора останавливается и пускается автоматическим регулятором давления. Быстрые изменения температур отдельных частей компрессора, возникающие при частых пусках и остановках, требуют увеличенных зазоров, что нежелательно.
Регулирование закрытием всасывающего патрубка. Этот способ регулирования очень часто применяется для компрессоров средней производительности. При превышении в нагнетательном трубопроводе установленного давления (или при падении давления во всасывающем трубопроводе ниже границы, определяемой допустимой температурой кипения для холодильных компрессоров) открывается перепускной клапан, соединяющий нагнетательный патрубок со всасывающим (или с атмосферой – для воздушных компрессоров), и одновременно закрывается клапан на всасывающем трубопроводе. Поскольку в нагнетательном трубопроводе установлен обратный клапан, давление за компрессором упадет до давления всасывания (или соответственно до атмосферного давления), и компрессор начнет работать в режиме, для пластинчатых компрессоров.
Рис. 79. Схема двухступенчатого винтового компрессора с регулированием закрытием всасывания:
1 – ступень низкого давления винтового компрессора; 2 – промежуточный холодильник; 3 – ступень высокого давления; 4 – редуктор; 5 – электродвигатель; 6 – электромагнитный трехходовой клапан;
7 – поршенек привода вентили сброса газа; 8 – вентиль сброса газа; 9 – клапан, закрывающий всасывающий патрубок; 10 – обратный клапан: 11 – вспомогательный масляный насос; 12 и 13 – первое и второе реле контроля давления масла, 14 – главный масляный насос; 15 – реле контроля давления газа; 16 – предохранительный клапан на газовом тракте; 17 – реле контроля давления воды; 18 – вентиль на линии охлаждающей воды; 19 – масляный холодильник; 20 – масляный фильтр; 21 – предохранительный клапан на масляном трубопроводе; 22 – термореле
Компрессорная станция должна иметь при этом способе регулирования ресивер, объем которого значительно меньше объема, требуемого при регулировании остановками и пусками, поскольку количество включений регулирования может быть значительно большим. Схема двухступенчатого компрессора с регулированием закрытием всасывания дана на рис.79. В холодильных винтовых компрессорах для изменения производительности в небольших пределах применяется также регулирование дросселированием на всасывании, комбинированное с регулированием скорости вращения с помощью двухскоростного электродвигателя, что дает значительный экономический эффект.
Регулирование перепускным клапаном. На корпусе компрессора устанавливается перепускной клапан, соединенный со всасыванием; этот клапан дает возможность сбросить часть газа из компрессора еще до начала процесса сжатия. Этим способом можно снизить производительность компрессора до 40%.
Регулирование дросселированием газа с нагнетания на всасывание. Вследствие того, что этот способ регулирования экономически невыгоден, дросселирование газа с нагнетания на всасывание применяется только в случаях, когда система регулирования включается очень редко или когда другие способы регулирования неприемлемы; например, применение регулирования перекрытием всасывания, когда давление в машине падает ниже атмосферного, может привести к образованию взрывоопасной смеси сжимаемого газа и воздуха, проникающего в компрессор вследствие возможной негерметичности машины. При этом способе регулирования перепускаемый газ должен охлаждаться.
Существуют и другие способы регулирования винтовых компрессоров, как, например, смещением грани всасывающего окна против направления движения ротора, чем уменьшается всасываемое количество газа, но этот способ применяется редко.
Источник
Регулирование винтовых компрессоров
Расширение области применения винтовых компрессоров находится во взаимосвязи с решением вопроса экономичного регулирования. До последнего времени основными способами регулирования производительности были дросселирование на всасывании и байпасирование.
Байпасирование (перепуск сжатого газа через байпасный клапан на всасывание) — способ малоэкономичный по сравнению с другими применяемыми способами регулирования. Компрессор потребляет 100% мощности независимо от режима работы. Способ используется как наиболее простой в компрессорах сухого сжатия.
Дросселирование на всасывании широко применяется в маслозаполненных компрессорах. Этот способ основан на автоматическом перекрытии дроссельного клапана, расположенного на всасывании, при превышении давления нагнетания, При этом растет внутренняя степень сжатия компрессора, но из-за уменьшения массового расхода затрачиваемая мощность падает. Способ эффективен в диапазоне регулирования производительности 100—70%. При более глубоком регулировании потери мощности значительны (например, при нулевой производительности компрессор потребляет 65—70% от номинальной мощности).
Наиболее экономичен способ регулирования производительности изменением частоты вращения роторов.
Весьма просто регулировать производительность компрессора сухого сжатия изменением частоты вращения в случае турбопривода.
На рис. 6.6,а приведена зависимость производительности и потребляемой мощности компрессора в процентах от их номинальных величин при изменении частоты вращения, из которой видно, что в диапазоне изменения частоты вращения 60—100% производительность и потребляемая мощность изменяются пропорционально.
При создании холодильного винтового маслозаполненного компрессора разработан и внедрен высокоэкономичный золотниковый способ регулирования. Суть его состоит в отключении части объема полостей, участвующих в процессе сжатия, при помощи золотникового устройства (рис. 6.6,б).
Золотник 1 соединен штоком 2 с установленным в направляющем цилиндре 4 поршнем 3. К торцам поршня подведена сжимаемая среда соответственно из камер всасывания и нагнетания для создания усилия, действующего в направлении, обратном нагрузке на золотник.
Цилиндр подключен непосредственно к камере нагнетания, а поршень, шток и золотник имеют каналы для подвода среды из камеры всасывания в полость цилиндра, отделенную поршнем от камеры нагнетания.
Направляющий цилиндр 4 размещен в отдельном корпусе и выполнен съемным. Диаметр соединительного элемента штока меньше диаметра поршня, диаметр золотника может быть равен диаметру соединительного элемента, что позволяет демонтировать золотннк без разбора направляющего цилиндра.
Как правило, в маслозаполненных винтовых компрессорах для регулирования производительности и впрыска масла используется подвижный золотник. Недостаток состоит в том, что при движении золотника отверстия для впрыска перемещаются вдоль камер сжатия. При перемещении золотника в сторону нагнетания зона впрыска укорачивается, что увеличивает протечки газа и уменьшает эффективность сжатия. Уменьшается также количество впрыскиваемого масла, что, в свою очередь, ухудшает смазку винтов.
В тех случаях, когда не удается осуществить привод с переменной частотой вращения, производительность компрессоров сухого сжатия регулируется байпасированием или выпуском части газа в атмосферу (для воздушных компрессоров).
Установившийся режим работы системы «компрессор — сеть» возможен при равенстве давления нагнетания компрессора давлению со стороны сети.
Наиболее целесообразно использование винтового компрессора при работе в сети с постоянным расходом и давлением. При изменении расхода газа в сети поддержание постоянного давления нагнетания сводится к задаче согласования подачи компрессора с расходом сети.
В воздушных маслозаполненных (винтовых компрессорах) широкое распространение полнило регулирование производительности путем изменения эффективной рабочей длины роторов перемещением золотника (рис. 6.6,6). При этом обеспечивается почти пропорциональное изменение потребляемой мощности в процессе регулирования производительности (от 100 до 40%). При более глубоком регулировании производительности затрачиваемая мощность не снижается более чем на 45 % от номинальной, так как возвращаемая часть газа подогревается впрыскиваемым маслом и поверхностями роторов и корпуса и, в свою очередь, повышает начальную температуру газа на всасывании. Поэтому в тех случаях, когда компрессор в течение значительного времени должен работать при неполной нагрузке, применение такого способа регулирования производительности целесообразно, несмотря на некоторое усложнение конструкции компрессора.
В маслозаполненных компрессорах, где производительность регулируется перемещением вдоль винтов подвижного золотника, корпус компрессора изготовляется, как правило, из отливки. Выполнение большого количества каналов для впрыска масла или перемещения газа от золотника очень затруднительно в отливке — требуется особая герметизация корпуса, особенно для холодильных фреоновых компрессоров.
Повсеместный переход на выпуск маслозаполненных компрессоров с асимметричными профилями зубьев вызван не только экономичностью последних, но также необходимостью передачи крутящего момента из-за исключения шестерен связи.
Источник