Рис. 1.9. К объяснению границы помпажа

В общем случае напорная характеристика H=f(V) представляет собой кривую с двумя точками перегиба Н_макс и Н_мин. 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 V_к 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 V_мин (границы помпажа), включается регулятор производительности. Разница объемов ∆ V=V_k – 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 р_к2, но часть его дельта V =V₂-V₁ направляется по обводному трубопроводу на вход компрессора. Нагрев газа при дросселировании разности давлений р_к1-р_к2 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.