Так как производительность компрессора в точке Е меньше требуемой в системе точки К' (VB<V'K), то давление снова начнет падать и компрессор достигнет режима работы в точке В, а система перейдет в точку В'. Затем все режимы повторяются.
В результате в системе – "компрессор – трубопровод" возникнут автоколебания газа, сопровождаемые внезапными изменениями производительности и давления нагнетания компрессора. Такое явление известно под названием "помпаж" компрессора, рис. 1.7.
Рис. 1.7. Развитие помпажа во времени
Говоря проще, скорость движения газа меняет свое направление на противоположное. При этом на противоположную меняется и аэродинамическая сила. Можно просто представить порядок величин аэродинамических сил, поскольку их момент относительно оси ротора требует для вращения последнего эффективной мощности приводного двигателя. При изменении таких больших сил и момента на противоположные механические нагрузки на вал, подшипники, диафрагмы и корпус компрессора в целом превышают допустимые величины.
Из-за нелинейности характеристик компрессора его рабочая точка ускоряется, приближаясь к помпажу, независимо от того двигается ли она вдоль характеристики при неизменных оборотах или скорость вращения меняется под влиянием системы автоматического регулирования (САР). Чтобы уменьшить расстояние между границей помпажа и линией настройки, САР должна учитывать влияние этого ускорения. Способность антипомпажного клапана обеспечивать быстрый выпуск газа является одной из его важнейших характеристик.
Практика эксплуатации знает случаи, когда даже непродолжительная работа на режиме помпажа приводила к разрушению компрессора. Из-за высокой частоты возникающих автоколебаний в диапазоне 05-2Гц, развитие помпажа происходит очень быстро. Чаще всего на устранение помпажа есть не более 2-3 сек, после чего происходят необратимые повреждения компрессора.
Помпаж является следствием неконтролируемого развития квазистационарных процессов в центробежном компрессоре, когда достаточно стабильное течение потока переходит в фазу вращающегося срыва и далее в помпаж. Так, в области квазистационарного течения разбросы давления и расхода (дисперсия потока по этим параметрам) слабо зависят от расхода и числа оборотов. Переходные процессы в условиях наброса и сброса нагрузки практически не влияют на дисперсию, незначительно увеличивая последнюю. В области вращающегося срыва дисперсия возрастает в среднем в 2-2,5 раза. При помпаже наблюдается ее активный рост в 20 и более раз. Темп роста дисперсии составляет на первой гармонике порядка 150 единиц в секунду. Пульсации перепада давления в области помпажа представляет собой синусоиду. Этот факт говорит о том, что помпаж – это резонансный процесс.
Исследования, проведенные в Казанском НПО "Компрессор", показали, что в области устойчивой работы ступени колеса компрессора наблюдаются низкоамплитудные пульсации давления, составляющие в основном менее 1%, в частотный диапазон пульсаций занимает практически всю область. В области вращающегося срыва амплитуда пульсаций перепада давления возрастает по отношению к первоначальной примерно на 6%. Частота пульсаций здесь не превышает 2,5 Гц. На участках помпажа частота пульсаций снижается до 1 Гц, а амплитуда возрастает до 38% по перепаду давления и 5% по давлению в диффузоре.
Помпаж может возникнуть при следующих ситуациях:
– Пуск компрессора и останов компрессора
– Работа на низких нагрузках или резкие изменения нагрузки
– Нестандартные режимы и ситуации, в частности, это "горячий пуск", изменение режима работы нагнетателя до значительного уменьшения расхода газа (приблизительно до 60% расчетного значения), -снижение частоты вращения нагнетателя ниже допустимой;
– Ложные срабатывания автоматики и электронных сигнализаторов помпажа (Так, анализ сигналов в предпомпажной зоне показывает, что спектральные составляющие, характеризующие собственно помпажные колебания, лежат в диапазоне 0,5-6 Гц. Спектральные составляющие сигнала датчика, лежащие выше 5-7 Гц, являются помехами).
– Колебаний давления газа в газопроводе, например, при изменении характеристики сети (газопровода) вследствие влияния параллельно включенных, но более напорных нагнетателей; появление разрежения во всасе компрессора из-за снегопада, образования гидратов и пр.
–– Изменения состава газа
–– Резкие технологические возмущения
–– Засорение фильтров
–– Неисправность обратного клапана
–– Самопроизвольное закрытие клапанов в нагнетании
или всасывании или закрытие этих клапанов из-за ошибки оператора, например, неправильное или несвоевременная перестановка кранов в трубной обвязке
–– Неисправность холодильника
–– Неисправность привода
––Попадание посторонних предметов на защитную решетку нагнетателя и ее обледенение и др.
Внешне помпаж проявляется в виде хлопков, сильной вибрации нагнетателя, отдельных периодических толчков, в результате чего возможны разрушение рабочего колеса нагнетателя, повреждение упорного подшипника, разрушение лабиринтных уплотнений и т.д.
Возникновение помпажа в нагнетателе вызывает колебания частоты вращения и температуры газа, и, как следствие, к возникновению неустойчивой работы осевого компрессора, что, в свою очередь, приводит к аварийной остановке ГПА.
Помпажные явления в осевом компрессоре могут охватить компрессор в целом и проявляться в виде периодического изменения давления воздуха на линии нагнетания, температуры воздуха, частоты вращения, а также повышенной вибрации агрегата и шума.
В каждом конкретном случае помпаж может вызываться различными причинами. Например, в условиях работы ГТУ на компрессорных станциях наблюдаются случаи появления помпажа при обмерзании входной части осевого компрессора при повышенной влажности наружного воздуха в период сильных туманов, снегопадов и метелей.
Аварийные остановки агрегатов из-за обмерзания входной части компрессора приводят к нарушению работы станции, уменьшают подачу товарного газа и отрицательно сказываются на работоспособности отдельных узлов и деталей ГТУ.
Помпаж осевого компрессора при обледенении входной кромки осевого компрессора может сопровождаться мощным хлопком и выбросом воздуха во всасывающий тракт агрегата. Следует отметить, что помпаж здесь наступает прежде всего в результате внезапного возмущения потока воздуха в момент отрыва кусков льда или налипшего снега со стенок конфузора или направляющих лопаток компрессора. В момент отрыва кусков льда с направляющего аппарата компрессора, возросшая при обледенении в межлопаточных каналах осевая составляющая скорости резко падает, вследствие быстрого увеличения проходного сечения решетки и лопатки как бы не успевают «подхватить» поток воздуха, что вызывает нарушение целостности потока и увеличение местных сопротивлений и, как следствие этого, выброс остатков льда во всасывающий патрубок.
Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и длиной трубопроводов. Амплитуды колебаний также зависят от емкости сети, ее инерционных и демпфирующих свойств. Зависимость от сети настолько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу газа и частоте вращения может работать как в режиме помпажа, так и без его проявления. Изменение емкости по расходу рабочего тела вызывает отклонение момента начала помпажа. Этим, в частности, объясняется то, что линия совместной работы компрессора и газовой турбины в установках с регенерацией теплоты отходящих газов проходит ближе к линии помпажа, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.
Пример реальной картины помпажа в реальных производственных условиях компрессора полипропиленового производства представлен ниже.
Рис. 1.8. Картина помпажа пропиленового компрессора
а) Перепад давления на диафрагме ΔPo во всасе 1-й ступени
б) Перепад давления на диафрагме ΔPo во всасе 2-й ступени
в) Перепад давления на диафрагме ΔPo в нагнетании
Результатом помпажа компрессора стали нестабильность расхода и давления, резкие колебания потребляемой мощности, приводящие к усталости металла, были обнаружены повреждения подшипников вала колеса, увеличение зазоров в уплотнениях. Это в свою очередь привело к снижению КПД и в дальнейшем к сокращению межремонтного срока работы.
Граница помпажа
Точка на характеристике компрессора, левее которой возможен помпаж, называется граничной точкой помпажа.
При малых расходах поток газа с определенной степенью повышения давления занимает не всю полость проточной части, что приводит к расширению газа в определенных местах, часть потока газа из отвода возвращается обратно в рабочее колесо, а затем снова выбрасывается в отвод. Возникает т.н. вращающийся срыв потока газа в рабочем колесе. В результате этого происходит колебание давления и производительности, компрессор начинает работать с периодическими ударами и вибрацией. При определенных условиях может произойти прекращение подачи газа или даже разрушение компрессора.
При уменьшении производительности давление нагнетания растет до определенного максимального значения рмакс. При дальнейшем уменьшении V начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины рк, плотности перекачиваемого газа, емкости сети трубопроводов и других факторов.
Явление помпажа в компрессорах выражено более явно, чем насосах, т.к. перекачиваемый газ в компрессоре и трубопроводе является аккумулятором энергии, способным вызывать упругие колебания в системе.
Кроме того, неустойчивая зона напорной характеристики газовых машин значительно шире, чему у насосов, главным образом за счет применения больших углов наклона лопастей или лопаток. Так, например, зона помпажа у многоступенчатых компрессоров достигает 60%, у нагнетателей наддува транспортных двигателей (при угле изгиба лопатки 900, она распространяется почти до номинального режима, т.е. для таких машин допустимы лишь перегрузки по производительности.
Теоретическая граница помпажа должна совпадать с режимом максимального давления. В действительности помпаж начинается при несколько больших производительностях.
Простейшее объяснение механизма возникновения неустойчивой работы компрессора в зоне границы помпажа показано на рис. 1.9.
Рис. 1.9. К объяснению границы помпажа
В общем случае напорная характеристика H=f(V) представляет собой кривую с двумя точками перегиба Нмакс и Нмин. Положение этих критических точек по оси абсцисс может быть различными. Чаще всего V Hмакс > 0, а V Hмин < 0.
Устойчивость работы машины в системе характеризуется способностью восстанавливать равновесное состояние после окончания действия возмущающих факторов, способных вывести систему из состояния равновесия.
Рассмотренные выше условия относятся к статическому состоянию системы. Если в системе есть аккумулятор энергии (резервуар, элементы с достаточной упругостью или упругие трубопроводные элементы), то при работе вблизи точки V Hмакс имеет место колебание напора и производительности и может произойти скачкообразный переход режима в точку 4. Аналогично может иметь место скачкообразный переход режима из точки 1 в точку 5. Этот процесс может многократно повторяться. Такая неустойчивая работа компрессора, сопровождающаяся резким периодическим колебанием давления в производительности в сети (системе).
Частота и амплитуда колебаний зависят от характеристики компрессора, объема газа в системе, свойств перекачиваемого газа и др.
Для обеспечения устойчивой работы компрессор должен работать на ниспадающей части характеристик H=f(V). Величина Vк определяется из анализа формы характеристики компрессора и системы.
При проектировании компрессора границу помпажа стремятся переместить в зону меньших подач. Это достигается путем соответствующего воздействия на геометрические характеристики проточной части. В эксплуатации зону помпажа можно уменьшить снижением частоты вращения компрессора, уменьшением аккумулирующей способности системы.
Для отстройки от границы помпажа и работы в непомпажной зоне компрессорная установка оснащается антипомпажным устройством, упрощенная схема которого показана на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Схема антипомпажного регулирования
а) характеристики регулирования
б) схема регулирования
К – компрессор
АК – антипомпажный клапан
D – диафрагма
На нагнетательном трубопроводе включается антипомпажный регулятор, соединенный посредством сервомотора с антипомпажным клапаном (АК). В настоящее время используется антипомпажные устройства струйного типа. Когда потребление сети уменьшается до Vмин (границы помпажа), включается регулятор производительности. Разница объемов ∆ V=Vk – V мин выпускается в атмосферу или переводится на всас компрессора.
При регулировании перепуском (байпасированием) нагнетательный и всасывающий трубопроводы соединяются обводным (байпасным) трубопроводом с регулирующим клапаном.
Рис. 1.11. Регулирование байпасированием
Пример: Пусть необходимо уменьшить производительность V2 до значения V1. В компрессоре газ сжимается до давления рк2, но часть его дельта V =V2-V1 направляется по обводному трубопроводу на вход компрессора. Нагрев газа при дросселировании разности давлений рк1-рк2 воспринимается в теплообменнике, благодаря чему состояние газа на входе практически не меняется. При сжатии воздуха обычно байпас (без теплообменника) соединяется с атмосферой. Регулирование перепуском связано с завышенной затратой мощности, потому этот способ стараются не применять.
Схема байпасирования применяется также и при антипомпажном регулировании.
Рис. 1.12. Удаление от границы помпажа при открытии байпасного клапана
Как можно видеть из схемы, открытие байпасного клапана уменьшает нагрузку на нагнетатель и смещает рабочую точку в сторону увеличения расхода. Это способствует сдвижению рабочей точки от границы помпажа.
1.5. Антипомпажная защита и регулирование
Антипомпажная защита
При проектировании компрессора границу помпажа стремятся переместить в зону меньших подач. Это требует применения развитых систем защиты от помпажа.
Существующие способы защиты от помпажа можно разделить на две группы
– параметрический,
– признаковый.
Параметрические способы
Центробежные компрессоры в основном оснащаются параметрическими системами антипомпажной защиты. Несмотря на множество патентов, работа всех систем параметрической антипомпажной защиты основана на том, что газодинамическая характеристика в координатах "напор – расход" по условиям всасывания, степени повышения давления при постоянной скорости вращения и постоянном молекулярном весе газа имеет единственную точку на границе помпажа.
В основном для определения границы помпажа используется измерение расхода, реже степень повышения давления. Наилучшим местом установки измерительной диафрагмы является линия всасывания, но установка сужающего устройства на всасывании приводит к снижению КПД компрессора, поэтому изготовители компрессорного оборудования используют установку диафрагмы на нагнетании с пересчетом расхода на условия всасывания, применяют сопло Вентури, проводят определение расхода по перепаду на местных сопротивлениях, например, на конфузоре.
Требования к длинам прямых участков при монтаже сужающего устройства для антипомпажной защиты, как правило, не соблюдаются, поэтому измерение расхода производится с повышенной погрешностью. Измерение степени повышения давления может производиться с высокой точностью, но применение таких систем имеет ряд ограничений:
–максимальная степень повышения давления не всегда совпадает с границей помпажа;
–в случае попадания в помпаж регулятор вырабатывает сигнал на закрытие байпасного клапана, поэтому для надежной защиты от помпажа требуется дополнительно применять признаковый способ распознавания помпажа.
Параметрические системы антипомпажной защиты имеют ряд недостатков:
–в систему зачастую закладываются характеристики не соответствующие реальным параметрам работы;
–процессы протекают на небольших участках времени, поэтому предусматривается запас на время реакции системы;
–граница помпажа обычно определяется по расходу, – погрешность измерения расхода в зоне помпажа составляет 5-10%.
Уставку антипомпажного регулятора смещают на 6-10% в сторону большей производительности от границы помпажа. Неверное определение уставки приводит или к недостаточному запасу устойчивости, или к уменьшению эффективности использования компрессора.
Признаковый способ
Признаковый способ распознавания помпажа заключается в обнаружении особенностей поведения потока газа в компрессоре. Характеристику компрессора можно разделить на пять частей:
–максимальный расход;
–оптимальная работа;
–предсрыв;
–вращающийся срыв;
–помпаж
Системы обнаружения помпажа механические, а затем электрические на основе колебаний давления, расхода тока двигателя и т.д. начали применяться с середины прошлого века, но, несмотря на множество патентов не получили широкого распространения и применялись как дополнительная мера защиты совместно с параметрическими методами. Определение вращающегося срыва при использовании аналоговых средств не представлялось возможным так, как уровень полезного сигнала соизмерим с уровнем шумов, к которым еще добавляются внешние помехи.
Развитие средств измерения и микропроцессорных контроллеров создало предпосылки для создания систем распознавания вращающегося срыва. Создание эффективных систем распознавания вращающегося срыва позволит надежно защитить компрессор от помпажа, сохраняя всю область допустимой работы с высоким КПД. Работы в этой области ведутся как зарубежом, так и в России (НИИ Турбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа, Санкт-Петербургский политехнический институт и т.д.).
О проекте
О подписке