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.

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 АН, но и на преодоление сопротивления, вызванного наличием трения АТ. Действительная работа будет:

АДНТ (8.8)

Рассмотрим рис. 8.1. Чем лучше работает ПКС, тем ближе АД к Аад.

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

 

Если вся теплота отводится, то:

Рис. 8.1.

 

8.2.3.Мощность поршневого компрессора.

Аад и Аизудельная 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

АД - равняется площади индикаторной диаграммы

Мощность на валу компрессора превышает Nинд на величину механических потерь:

Большие значения ηмех 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 Рк=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, ЭКМ2электроконтактные манометры .

На рис. 8.4 дана технологическая схема компрессорной установки, обеспечивающей работу цехового пневмоинструмента. Рабочее давление в магистрали Рм=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 Рр1) – ЭКМ1 выдает сигнал на запуск кс1.

При дальнейшем увеличении расхода воздуха давление в ресивере падает, достигая давления Рр - 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. NЭД до 250 – 300 квт на напряжение сети 380 В и NЭД 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 NЭД 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 Рк/Q, тем круче, чем выше бороты компрессора. Это объясняется тем, что отношение Рк/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=Qmax p=Pн – начальному.

При увеличении давления до критического Q уменьшается до критического.

Кривая (2) – представляет собой характе – 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.