Некоторые вопросы теории компрессоров

Электрический расчет компрессорной установки.

Общие вопросы проектирования компрессорной установки

Для привода мощных компрессоров применяют синхронные двигатели (СД), для компрессоров малой производительности - асинхронные двигатели с КЗР.

Компрессорные станции относятся к помещениям с нормальной средой, аммиачные компрессорные, азото-кислорододобывающие станции относятся к взрывоопасным, класса В –IБ.

Класс остальных КС зависит от свойств газов, нагнетаемых компрессорами.

Электрооборудование для управления компрессорами в зависимости от среды может располагаться в машинном зале или щитовой (специальное электротехническое помещение).

Управление компрессорами может быть автоматическим, местным, дистанционным («А», «Д», «М»). Например, пульт управления аммиачными компрессорами типа УК – 74 разрешает три режима работы «А», «Д» и «М», кроме этого на пульт выведена сигнализация блока защиты и кнопка аварийной остановки. Пульт УК – 74 располагается рядом с компрессором. Управление компрессорами высокого давления на 20, 40 МПА полностью автоматизировано.

(Электрические компрессоры ЭК-10 Q=10 л/мин Р=20 МПА

ЭК-30 А Q=30 л/мин Р=40 МПА)

Приводные ЭД – АД с к.з. ротором на напряжение сети 380 В мощностью 75 и 250 квт п=2850об/мин. в приводах компрессоров ВАШ – 17 азото-кислорододобывающих станций типа СКДС – 70 используют АД с к.з. ротором с повышенным скольжением, N=120квт п= 1420 об/мин.

Однако, все перечисленные компрессорные установки являются специальными и по целому ряду причин здесь применяют АД с к.з. ротором..

Для промышленных компрессорных установок длительного режима работы и большой мощности следует выбирать СД Это позволит обеспечить более высокий коэффициент мощности (cos φ) и выполнить электроустановку более экономичной.

Отказ от СД должен быть обоснован!

При напряжении 380 В ЭД выбирают мощность до 250 квт.

В связи с освоением промышленностью разнообразной номенклатуры средних и крупных СД на напряжение 10 кВ стало возможным применять для электроснабжения некоторых предприятий химической и бумагоделательной промышленности напряжение 10 кВ в сочетании с напряжением сети 660В. В этих случаях мощность ЭД питаемых от низковольтной сети следует повысить до 315 квт при напряжении сети 380 В и до 600 квт при напряжении сети 660 В.

Некоторые вопросы теории компрессоров.

Перед тем, как приступить к электрическому расчету привода компрессора, надо ясно представлять, куда же расходуется электрическая энергия, потребляемая из сети.

Компрессор – это машина, предназначенная для сжатия и перемещения газов по трубопроводам. В промышленности наиболее применимы поршневые и центробежные компрессоры, реже используют роторные и осевые.

По давлению нагнетания компрессоры различают:

на КС низкого давления Р=0,2 – 1,0 МПА;

среднего давления Р=1,0 – 10 МПА;

высокого давления Р= 10 – 100 МПА.

По производительности КС разделяют:

на КС малой производительности Q=до 0,015 м³/с;

средней производительности Q=0,015 – 1,5 м³/с;

и крупные производительности Q=свыше 1,5 м³/с.

8.2.1. Согласно теоретической индикаторной диаграммы в поршневом компрессоре процесс всасывания и нагнетания происходит при Р=const, а в процессе сжатия происходит изменения как объема V так и давления Р, сопровождаемое повышением температуры газа.

Если теплота не отводится, то сжатие называется «адиабатным», уравнение адиабаты:

(8.1)

k – показатель адиабаты.

Если вся теплота отводится и процесс сжатия происходит при постоянной температуре, то этот процесс будет называться «изотермным», а уравнение этого процесса:

(8.2)

Если отводится только часть тепла, то процесс называют «политропным» и его уравнение будет:

(8.3)

1 < n < k.

Из курса термодинамики известно, что работа затрачиваемая в поршневых компрессорах на сжатие газа и его перемещение, равна:

где V – объем.

При изотермном сжатии объема газа от Р₁ до Р₂

(8.4)

При адиабатическом сжатии:

(8.5)

Теоретическая подача компрессора:

(8.6)

Действительная подача:

Весовая подача:

(8.7)

γ – удельный вес газа, н/м³.

8.2.2. Потери в поршневом компрессоре.

В процессе сжатия и перекачки газа в вся работа расходуется не только на нагнетание газа А_Н, но и на преодоление сопротивления, вызванного наличием трения А_Т. Действительная работа будет:

А_Д=А_Н+А_Т (8.8)

Рассмотрим рис. 8.1. Чем лучше работает ПКС, тем ближе А_Д к А_ад.

Допустим кривая 1 – 2 - адиабата. В действительности часть работы затрачивается на преодоления трения – заштрихованная область 1 2 2^′. Тогда А_Д=1 2′ Р₂ Р₁.

Если вся теплота отводится, то:

Рис. 8.1.

8.2.3. Мощность поршневого компрессора.

А_ад и А_из – удельная работа, т.е. работа, совершаемая над единицей веса газа (дж/н). Умножая удельную работу на весовую подачу (н/с), получим мощность компрессора (вт).

- индикаторная мощность

А_Д - равняется площади индикаторной диаграммы

Мощность на валу компрессора превышает N_инд на величину механических потерь:

Большие значения η_мех принимаются для большей подачи

(8.11)

где Z – число ступеней при многоступенчатом сжатии.

(8.12)

Если сжатие много ступенчатое

I ст. - 1 ÷ 6 ∙ 10⁵ ПА;

II ст. - 6 ÷ 30∙ 10⁵ ПА;

III ст. - 30 ÷ 100∙ 10⁵ ПА;

IV ст. - 100 ÷ 150∙ 10⁵ ПА;

V ст. - 150 ÷ 200∙ 10⁵ ПА и более.

Так как транспортировка и использование газов (азот, хлор, кислород и пр.) осуществляется баллонами объемом 40 литров и Р=180 – 200 ∙ 10⁵ ПА, то пополнение их осуществляется компрессорами, с многоступенчатым сжатием Р_к=200 ∙ 10⁵ ПА.

8.2.4. Многоступенчатое сжатие.

На рис.8.2 приведена индикаторная диаграмма многоступенчатого сжатия с частичным отводом тепла.

Рис. 8.2. Рис.8.3.

На рис. 8.3 изображен трехступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением сжатого газа. Такой процесс сжатия приближается к изотермному.

На индикаторной диаграмме рис.8.2, если газ сжимается по кривой 1 – 4, то работа адиабатического сжатия будет выражаться фигурой 1 – 4 – 4″ – 1′.

§ Пусть в первой ступени газ с Р₁ увеличивается до Р₂ (1 – 2), при охлаждении газа в ВО₁ его температура уменьшается и точка 2 стремится в точку 2′.

§ Во второй ступени сжатие с Р₂ увеличивается до Р₃ (2′ – 3), в ВО₂ охлаждается до начальной температуры и точка 3 стремится в точку 3′.

§ В третьей ступени сжатие с Р₃ увеличивается до Р₄ (3′ – 4). Диаграмма трехступенчатого сжатия определяется фигурой (1–2–2′–3–3′–4′–4″–1′)

Вывод: Работа сжатия в третьей ступени с отводом тепла меньше на заштрихованную область, чем при работе адиабатического сжатия, т.е. более экономична.

ЭКМ2

ЭКМ1

Ресивер

КС2

КС1

Р2

Д

8.2.5. Регулирование подачи ПКС.

	РМ

Рис. 8.4.

РМ – расходная магистраль (6 – 10 ∙ 10⁵ ПА)

Д – детандер – регулятор давления 100/8 ∙ 10⁵ ПА

КС₁, КС₂ – компрессорные установки

ЭКМ₁, ЭКМ₂ – электроконтактные манометры.

На рис. 8.4 дана технологическая схема компрессорной установки, обеспечивающей работу цехового пневмоинструмента. Рабочее давление в магистрали Р_м=6 – 8 ∙ 10⁵ ПА.

Ресивер служит для стабилизации рабочего давления в магистрали при неравномерном потреблении воздуха.

Пусть в начальный момент времени ресивер пустой, оба компрессора работают на наполнение ресивера. При достижении давления в ресивере Р₂ оба компрессора останавливаются. В какой-то момент времени началась работа пневмоинструментом, давление в ресивере уменьшается до Р_р^′ (М₁) – ЭКМ₁ выдает сигнал на запуск кс₁.

При дальнейшем увеличении расхода воздуха давление в ресивере падает, достигая давления Р_р^″ - ЭКМ₂ – выдает сигнал на запуск КС₂.

Оба компрессора в работе на пополнение ресивера до Р=Р₂. Таким образом, при эксплуатации ПКС регулирование давления сводится к регулированию их подачи. Этот способ прост и экономичен, но есть и недоработки.

§ Из-за частых пусков – остановок КС КС происходит интенсивный износ деталей ПКС (80 % поломок – в процессе запуска) и контактов пусковой аппаратуры.

§ В период пуска мощных ПКС наблюдается колебание напряжения в энергосистеме цеха, которое попутно влияет на соседние потребители электроэнергии, питающиеся от одного цехового трансформатора.

Более совершенный способ регулирования подачи ПКС - это изменение числа оборотов электропривода, однако, это возможно только при использовании ЭД постоянного тока. Использование же АД и ТПУ приводит к уменьшению КПД электропривода и уменьшению cos φ cети. Помимо этого резко ухудшаются показатели сети из-за искажений синусоиды тока.

Как правило, в электроприводе ПКС используют АД с повышенным скольжением. N_ЭД до 250 – 300 квт на напряжение сети 380 В и N_ЭД больше 300 квт при напряжении сети 6 – 10 кВ. Пуск АД либо прямой, либо переключением со звезды на треугольник. Пусковые токи достигают семи номинальных. Однако, прямой пуск возможен, если N_ЭД составляет не более 5 – 7 % от мощности цехового трансформатора S _тр.

8.2.5. Центробежные компрессоры (ЦКС)

Основной элемент ЦКС - рабочее колесо с лопатками и диффузор (кольцевой отвод).

Степень сжатия одной ступени

Поэтому ЦКС выполняют многоступенчатыми. Степень сжатия ЦКС равна произведению отдельных ступеней.

Характеристики ЦКС:

Особенности характеристик ЦКС:

§ Наклон характеристик Р=f(Q) определяемый отношением Р_к/Q, тем круче, чем выше бороты компрессора. Это объясняется тем, что отношение Р_к/Q пропорционально плотности газа, значение которой возрастает с ростом оборотов ЦКС (возрастает степень ξ).

§ При больших Q и оборотах (п) напорные характеристики приближаются к вертикальной линии.

Регулирование в ЦКС.

Наиболее распространены – изменение оборотов (п) или дросселирование.

На рис. 8.5 приведены напорные характеристики ЦКС, которые определяют зависимость Q по всасыванию от конечного давления (кривые 1).

При Q=Q_max p=P_н – начальному.

При увеличении давления до критического Q уменьшается до критического.

Кривая (2) – представляет собой характеристику системы ВСД (напорного трубопровода); кривая (2′) характеристика системы при регулировании Q дросселированием.

Регулирование Q ЦКС изменением (увеличением или уменьшением числа оборотов п) наиболее точно и экономично.

При увеличении числа оборотов растет и давление и увеличивается мощность на валу компрессора, при уменьшении числа оборотов уменьшается давление и мощность.

Рис.8.5.

Для ЦКС с приводом от АД с к.з. ротором – наиболее приемлемо регулирование дросселированием. Однако, в промышленности электроприводом ЦКС служит, как правило, синхронный двигатель СД.СД обладает малым начальным пусковым моментом, поэтому довольно сложная система запуска.

Для пуска СД используют метод асинхронного пуска с помощью специальной к.з. пусковой обмотки, располагаемой на роторе. После разгона СД до числа оборотов примерно равной синхронной, обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока (возбудителю).

Преимущества СД.

§ Меньшая чувствительность к колебаниям напряжения сети.

§ Возможность работы с емкостным cos .

§ Строгое постоянство n₀ об/мин.

§ Высокий КПД.

В приводах КС, где необходимо глубокое регулирование Q возможно использование ЭД постоянного тока.

Достоинства.

1. Возможность глубокого регулирования п.

Наиболее экономично регулирование Ф с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения.