Каждый компрессор или группа компрессоров включены в сеть. Сетью называется совокупность устройств (трубопроводов, аппаратов и др.), через которые проходит перекачиваемый газ. В общем случае часть сети расположена на входе в компрессор, а часть на выходе. Каждая часть сети характеризуется некоторой зависимостью между расходом газа и давлениями в начале и конце части сети. В большинстве случаев характеристика сети определяется линейными и местными сопротивлениями и может быть получена из приближенного уравнения:
где Р1 и Р2 — давления в начале и конце сети; А — коэффициент сопротивления сети, зависящий от ее размеров и конструкции; (ρ— относительная (по воздуху) плотность газа; R, T, Z— газовая постоянная, абсолютная температура и средний коэффициент сжимаемости перекачиваемого газа; Vo— расход газа в стандартных условиях.
В нагнетательной части сети давление р2 обычно задано и поэтому ее характеристика (рис. 1. а) выражается уравнением:
Потребный режим работы сети (точка М) определяется расходом и соответствующим давлением. По условиям технологического процесса этот режим может отличаться от номинального режима компрессоров по разным причинам.
Часто рабочие условия при проектировании установки недостаточно известны, вследствие чего после ее пуска возникает несоответствие номинальных технических показателей машины и показателей рабочего режима; в другом случае при выборе не оказалось машины, удовлетворяющей поставленным требованиям. Такое рассогласование может происходить также во время эксплуатации компрессоров в связи с изменением концевого давления, температуры и состава газа или коэффициента сопротивления сети вследствие засорения труб или теплообменников, расстройств и нарушений в работе оборудования и т. п.
В некоторых случаях машины должны работать в нескольких совершенно различных режимах с переходом от одних к другим.
Может также существовать определенная закономерность непрерывного изменения, потребных режимов, выражаемая линией АВ на графике Vo— рк. Частные задачи регулирования — регулирования на постоянное давление, на постоянный расход и на постоянную мощность двигателя. Постоянное давление на выходе компрессора поддерживается, например, при обслуживании пневматического хозяйства, каково бы ни было потребление воздуха из сети. Постоянный расход должен обеспечиваться при подаче газа или воздуха в количестве, достаточном для потребителей, независимо от сопротивления при перекачке. Например, определенное количество газа требуется для топок, для бытовых нужд, а сопротивление сети может изменяться в зависимости от температуры и т. п. Задача регулирования на постоянную мощность возникает, когда компрессор работает при переменных давлениях на входе и выходе. Так, например, на компрессорной станции газового промысла необходимо обеспечить постоянство мощности газомоторного компрессора при всех изменениях давления газа, поступающего из эксплуатируемых скважин, а также давления в газопроводе.
Назначение регулирования — привести характеристику компрессора или группы компрессоров в соответствие с характеристикой потребного режима сети при условии наиболее полного использования установленной мощности двигателей.
2.1 Методы регулирования компрессоров
Регулирование может быть прерывистым (периодическое прекращение работы компрессора), ступенчатым и плавным; ручным или автоматическим.
Универсальные способы регулирования (применяемые для всех видов машин):
1) временная остановка компрессора,
2) изменение частоты вращения вала компрессора,
3) дросселирование на входе в компрессор,
4) перепуск газа из нагнетательной линии в подводящую линию (или в атмосферу).
Остановка одной или нескольких машин позволяет регулировать общую подачу компрессорной станции. При работе одиночного компрессора периодическая его остановка обеспечивает снижение подачи в среднем за период пуска. Остановка компрессора выполняется двумя способами: остановкой двигателя и отключением компрессора от работающего двигателя с помощью пневматических или электромагнитных муфт. Преимущество первого способа — прекращение расхода энергии с момента остановки агрегата. Преимущество второго способа — поддержание установившегося режима работы двигателя и упрощение автоматизации управления агрегата (редкие пуск и остановка осуществляются вручную). При частых остановках (обычно объемных машин) выявляется общий недостаток метода регулирования остановками — нарушение теплового режима компрессора, что приводит к неравномерному нагреву рабочих органов и заставляет устанавливать в машине повышенные зазоры, что нежелательно. Остановки и пуски можно делать редкими, но тогда необходимо иметь большой ресивер.
Изменение частоты вращения вала компрессора — универсальный способ изменения характеристики компрессора при условии, что двигатель допускает экономичное изменение частоты вращения. Способ применяется для компрессоров, имеющих привод от газовой или паровой турбины или от двигателя внутреннего сгорания, преимущественно от дизеля, допускающего большое изменение скорости вращения — около 50%. Частота вращения вала газомоторных компрессоров в небольших пределах регулируется автоматическим приспособлением. В случае привода от трехфазного электродвигателя возможно ступенчатое регулирование, если двигатель имеет переменное число полюсов. Однако этот двигатель имеет крупные габариты и высокую стоимость. Существует метод плавного регулирования асинхронных электродвигателей с фазовым ротором при помощи так называемого вентильного каскада. Эта схема нашла некоторое применение на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Метод регулирования изменением частоты вращения вала компрессора наиболее экономичный. Исключение составляют некоторые типы роторных компрессоров. Например, в пластинчатом компрессоре удельный расход энергии при снижении частоты вращения вала повышается, так как относительные потери мощности от неплотности возрастают. Диапазон выгодного регулирования зависит от типа компрессора и формы кривой зависимости к. п. д. от частоты вращения и степени повышения давления.
При постоянной частоте вращения двигателя ступенчатое регулирование компрессора можно осуществлять при помощи коробки передач, что усложняет привод, а плавное — посредством гидродинамической муфты, что, однако, снижает экономичность регулирования почти до уровня, присущего дросселированию в потоке газа.
Дросселирование на входе в компрессор приводит к уменьшению плотности газа и, следовательно, к снижению подачи компрессора. Объемный расход газа VH, зависящий от степени повышения давления, при постоянном конечном давлении падает из-за увеличения е, что еще больше снижает количество подаваемого газа. Понижение давления перед компрессором при сохранении конечного давления вызывает возрастание конечной температуры, что может быть особенно опасным при работе на воздухе, содержащим пары масла. При перекачивании горючих газов разрежение при входе в компрессор может привести к подсасыванию из атмосферы воздуха вследствие негерметичности узла регулирования, к образованию полимерных соединений и взрывоопасных смесей. Дросселирование сопровождается увеличением удельного расхода энергии, что снижает эффективность его применения по сравнению с другими способами длительного регулирования.
Перепуск газа из нагнетательной линии в область всасывания — основное средство разгрузки компрессора при пуске. Если при этом нагнетательный трубопровод остается под давлением, то на нем устанавливают обратный клапан или задвижку. Дроссельный перепуск применяется в сочетании с другими методами ступенчатого регулирования.
2.2 Методы регулирования динамических компрессорных машин
1.Дросселирование на выходе компрессора
2.Дросселирование' на входе в компрессор. Каждому положению дросселя соответствует своя линия изменения начального давления в зависимости от расхода газа Voи, следовательно, своя характеристика рк— Voпри постоянной частоте вращения (рис. 2, а). Линии всех характеристик 1, 2, 3, ... сходятся в одной точке, поскольку при закрытой задвижке на выходе дросселирование на входе не имеет значения. При дросселировании критическая точка характеристики k смещается влево. Поэтому при запуске и остановке машины, чтобы избежать работы в помпажной зоне, следует закрывать дроссель, а затем манипулировать с задвижкой на выкиде.
- Изменение частоты вращения. Поле характеристик машины при различных частотах вращения (рис. 2, б) может быть использовано для определения и поддержания той частоты вращения, при которой компрессор подает необходимое количество газа при заданном противодавлении (по пересечению линии АВ потребных режимов с кривыми р.л— Vo).
- Поворот лопастей направляющего аппарата (рис. 2, е). При закручивании потока газа перед входом в рабочее колесо с помощью лопастей скорость сои может иметь, как положительное, так и отрицательное значение. Скорость сок, согласно уравнению Эйлера, изменяет удельную работу рабочего колеса, а следовательно, и характеристику ε-Voкомпрессора (рис. 2, г), особенно значительно для рабочего колеса с малым отношением D2/DvПо эффективности этот способ выше, чем дросселирование, но уступает регулированию частотой вращения.
- Поворот лопастей диффузора. При изменении угла установки лопастей диффузора и уменьшении входного угла наклона лопастей а2л граница помпажа отодвигается в сторону меньших значений Vн. По расходу энергии этот способ экономичнее, нежели предыдущий, но конструктивно более сложный.
- Перепуск газа. Для устойчивой работы компрессора при малых расходах газа (за границей помпажа) применяется перепуск газа на вход в компрессор (или выпуск в атмосферу). При уменьшении подачи непосредственно перед границей зоны помпажа Р—Р (точка А на рис. 2, д) открывается клапан, выпускающий часть газа из нагнетательной линии. При этом потребитель получает количество газа в объеме Vгп, а на вход компрессора направляется объем Vгп— Vп.
Рисунок 2 – Способы регулирования подачи центробежных компрессоров
а – характеристики при дросселировании во всасывающий линии; б – характирстики при изменении частоты вращения; в – схема устройства для регулирования лопастями при входе: 1 – рабочее колесо; 2 – поворотные лопасти; 3 – корпус компрессора; 4 – вал; г – изменение характеристики: α – угол поворота лопастей; д – регулирование перепуском газа