4. Оборудование компрессорных станций и систем воздухоснабжения

4.1. Характеристика компрессорного оборудования.

Машины, предназначены для повышения давления и перемещения различных газов, называются компрессорами. Повышение давления газа в компрессорах происходит при увеличении или преобразование энергии газа.

Классифицировать компрессоры можно по принципу действия, по конструктивной схеме. по отношению давлений, по области применения.

Область преимущественного применения машин объемного действия характеризуется средними и высокими отношениями давлений и сравнительно малыми расходами рабочего тела.

Турбокомпрессоры применяют при существенно больших расходах газов и меньших отношениях давлений.

Области предпочтительного применения основных типов компрессоров – поршневых, ротационных, центробежных и осевых, показаны на рис. 4.1.

Под принципом действия понимается совокупность физических явлений, которые используется для повышения давления газа и способы подвода энергии к газу

Рис. 4.1. Области преимущественного применения нагнетательных машин.

Рекомендуемые материалы

Ι – поршневые компрессоры; ΙΙ – ротационные нагнетатели и компрессоры; ΙΙΙ – центробежные и осевые компрессоры; ΙY – центробежные и осевые вентиляторы.

Повышением давления можно достичь уменьшением объема замкнутого пространства, в котором находится сжимаемый газ, за счет перемещения стенок (например, поршня в цилиндре). Поскольку в этом случае газ при сжатии неподвижен, указанный способ условно называется статистическим. Этот способ является основным принципом работы объемных компрессоров. Характерная особенность этих машин – периодичность рабочего процесса. К объемным компрессорам относятся винтовые, поршневые, пластинчатые, ротационные машины.

Второй способ повышения давления газа заключается в использовании сил инерции в потоке. Например, при замедлении потока газа происходит переход кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления. Этот способ назван динамическим. Повышение давления динамическим способом является основным принципом работы турбокомпрессоров. Характерная особенность этих машин – непрерывный поток газа и непрерывность процесса сжатия.

По конструктивной схеме компрессоры динамического действия могут быть разделены на турбокомпрессоры (осевые, радиальные, диагональные, вихревые) и струйные компрессоры.

На промышленных компрессорах станциях, в зависимости от необходимого давления и расхода, наиболее часто устанавливаются поршневые компрессоры и центробежные турбокомпрессоры.

Подробно с классификацией, устройством, методиками расчета и техническим характеристиками, указанных выше компрессоров можно ознакомится в [11.12]

4.2. Технологические схемы компрессорных станций.

Существует два типа схем любых технологических установок : принципиальные и монтажные.

Принципиальная схема – графическое изображение процесса получение сжатого воздуха компрессорной установкой или  компрессорной станцией.

На принципиальных схемах не показывают способы присоединения трубопроводов к арматуре и оборудованию, а также к стенам и другим конструкциям здания.

Оборудование, арматуру, приборы и трубопроводы располагают на таких схемах, не придерживаясь фактического расположения в помещениях компрессорной станции.

Схема, составленная для облегчения монтажа и эксплуатации компрессорных установок, а также для облегчения обнаружения повреждений и устранения неполадок, называется монтажной схемой. Такая схема представляет собой чертежи, показывающие места соединения трубопроводов с компрессорами, вспомогательным оборудованием, приборами и арматурой соответственно действительному расположению оборудования и трубопроводов компрессорной станции.

Схемы компрессорных станций состоят из четырех основных разделительных систем: воздушной, охлаждающей, масляной и продувочной. К охлаждающей системе относятся трубопроводы и арматура, подводящие и отводящие охлаждающую воду или какой-либо другой хладоноситель.

Масляная система, обычно раздельная для каждого компрессора, состоит из масляных насосов, маслопроводов, маслоохладитель и масляных баков.

Продувочная система состоит из продувочного бака (позволяющего отстаивать и сливать масло) и продувочных трубопроводов с арматурой. Она предназначена для удаления скапливающейся в аппаратах влаги и масла, отделения их друг от друга с целью выдачи масла на регенерацию для использования его в менее ответственных установках.

В учебном пособии [1] подробно рассматривается воздушная система, в которую входят воздушные фильтры, промежуточные и концевые воздухоохладители, арматура и нагнетательные трубопроводы. В данном конспекте используется материал из указанного пособия. Концевые воздухоохладители, способствующие очистке сжатого воздуха от влаги и масла, устанавливаются во всех случаях, когда нет требований на подачу в сеть подогретого воздуха. При отсутствии воздухоохладителей на их месте устанавливают масло водоотделители.

Вид принципиальной схемы компрессорной установки зависит от типа используемого компрессора. Каждый компрессор независимо от типа на стороне нагнетания должен отключаться запорными органами (задвижкой), а также иметь обратный клапан, препятствующий движению сжатого воздуха из сети в компрессор.

4.2.1.Технология получение сжатого воздуха на поршневых компрессорных установках.

На рис. 4.2. показана принципиальная технологическая схема компрессорной установки с поршневыми двухступенчатыми компрессорами.

Получение сжатого воздуха происходит в следующем порядке.

При запуске компрессора 2 атмосферный воздух входит в приемник 3 и по воздухопроводу 4 попадает в фильтр 5, где очищается от механических примесей и капельной влаги. По всасывающему трубопроводу 6 воздух поступает в первую ступень компрессора, из которой по промежуточному трубопроводу 7 нагнетается в межтрубное пространство промежуточного охладителя 8. Из промежуточного охладителя воздух всасывается второй степенью компрессора, из которого по нагнетательному трубопроводу 9 подается в межтрубное пространство конечного охладителя 10. Охлажденный воздух проходит масло водоотделители…11 и поступает в воздухосборник 12, из которого по магистральному трубопроводу 13 подается в пневмосеть предприятия.

Слив конденсата из концевого охладителя, масловлагоотделителя и воздухосборника осуществляется через продувочный бак.

Технологическая схема компрессорной установки должна обязательно содержать : фильтр 5, масло водоотделитель 11, предохранительные клапаны 14 и16, запорные задвижки 17 и16, обратный клапан 18 и разгрузочный вентиль 19.

Пусковой разгрузочный вентиль 19 и запорная задвижка 17 предназначены для облегчения запуска поршневого компрессора. При пуске компрессора пусковой разгрузочный вентиль 19 открыт, а задвижка 17 закрыта. При этом электродвигатель развивает обороты без нагрузки. Как только число оборотов электродвигателя достигает номинальной величины, задвижку 17 постепенно открывают, одновременно закрывая вентиль 19.

В многоступенчатых компрессорах после каждой ступени сжатия устанавливается промежуточный охладитель.

Установка запорной арматуры на нагнетательной линии между компрессором и ближайшим по ходу сжатого воздуха предохранительным клапаном не допускается.

Рис. 4.2. Принципиальная схема воздушной поршневой компрессорной установки.

4.2.2. Технология получения сжатого воздуха на турбокомпрессорных установках

На рис. 4.3. показана принципиальная схема турбокомпрессорной установки для получения сжатого воздуха. По сравнению со схемой на рис. 4.2. в этой схеме отсутствует маслоотделитель, так как воздух, сжимаемый в турбокомпрессоре, не соприкасается с маслом и не содержит частиц масла. Для турбокомпрессорной установки не требуется воздухосборник. Турбокомпрессор в некоторых пределах характеристики само регулируется, т.е. при снижении расхода сжатого воздуха и при повышении давления в сети уменьшается количество засасываемого воздуха и его подачи в пневмосеть. Типовые нагрузки на компрессорную станцию восполняются за счет аккумулирующей способности воздухопроводов, имеющих большую емкость.

Атмосферный воздух засасывается через воздухоприемник 1, проходит через фильтр 2. между фильтром и компрессором 4 устанавливается дроссельный  клапан 3, связанный с регулятором поддерживающим постоянное давление в напорном воздуховоде. Регулятор открывает или закрывает дроссельную заслонку и тем самым регулирует количество всасываемого воздуха.

После дроссельного клапана воздуха поступает на первую секцию компрессора 4, после которой охлаждается в межсекционном холодильнике 5. Аналогично происходит охлаждение в холодильнике 6 после второй ступени компрессора. После компрессора воздуха охлаждается в концевом холодильнике 7 и поступает в напорную линию. На напорной линии воздухопровода обязательно устанавливаются обратный 8, антипомпажный 9 клапаны и выхлоповая задвижка 11. При уменьшении потребления сжатого воздуха в пневмосети открывается автоматически противопомпажный клапан 9, и выпускают часть сжатого воздуха через глушитель 10 в атмосферу. Выхлоповая задвижка 11 служит для тех же целей и, кроме того, она необходима для запуска установки при параллельной работе компрессоров. В этом случае работа турбокомпрессора начинается при полностью открытой выхлопной задвижке 11, которая, после набора компрессором оборотов, прикрывается.

К числу возможных схем компрессорных установок следует отнести также схему турбокомпрессорной установки с промежуточным отбором 12 сжатого воздуха. При этом подача сжатого воздуха в пневмосеть осуществляется по отдельным нагнетательным трубопроводам. Такая схема может оказаться более рациональной, чем применение двух компрессорных установок с разными давлениями.

4.3. Компоновка сооружений компрессорных станций.

Компоновка компрессорной станции - это размещение ее сооружений на отведенный площадке; расположение производственных бытовых и вспомогательных помещений в главном здании станции и размещение основного и вспомогательного оборудования в указанных помещениях.

К сооружениям компрессорной станции относятся: главное здание, трансформаторные подстанции, насосные станции и воздухо-охлаждающие устройства, воздухосборники, воздухозаборные устройства и т.д.

За основу при выполнение компоновки принимают: технологическую схему получения сжатого воздуха; габариты и конструкции используемых компрессоров и вспомогательного оборудования, а также тип используемых на станции грузоподъемных устройств.

Процесс выполнения компоновки проводят по стадиям:

1. Определение размеров площадей и объемов помещений, необходимых для размещения в них оборудования.

2. Выбор варианта компоновки основных сооружений на отведенной площадке.

3. Выбор варианта размещения помещений в главном здании.

4. Определение состава сооружений компрессорных станций.

5. Компоновка компрессоров и обеспечивающих их работу устройств в машинном зале главного здания.

6. Компоновка оборудования во вспомогательных и бытовых помещениях.

При выполнении компоновки необходимо:

1.Соблюдать требование техники безопасности и охраны труда, санитарных и строительных норм, обеспечивающих надежность, безопасность и удобство обслуживания оборудования.

2.Созадавать компактность размещения помещений в здании станции и оборудования в них, приводящее к сокращению необходимых площадей и объемов здания, снижению протяжности коммуникаций, т.е. к снижению стоимости строительства компрессорной станции.

3.Размещать взрыво-и пожароопасное оборудование и материалы в отдельных помещениях, отвечающих специальным нормам.

4.Предусмотреть возможность расширения и увеличения производительности компрессорной станции без нарушения условий эксплуатации установленного оборудования.

Как правило, компрессорная станция размещается в отдельном здании. Расположение компрессорной станции в общем здании с производственными цехами (сблокированная компоновка) не рекомендуется из-за сложности решения проблем естественного освещения, как в помещениях компрессорной станции, так и в производственных цехах. Она допускается только в том случае, если здание одноэтажное, и в нем, возможно такое расположение машинного зала, при котором он будет иметь две стены. Одна из них используется для размещение окон, вторая- как торец расширения.

4.4. Определение местоположения компрессорной станции

Проектирование воздухоснабжения промышленного предприятия нужно выполнять на основе централизованного источника сжатого воздуха - компрессорной станции.

Наличие двух и более компрессорных станций оправдывается только для заводов с очень большим потреблением сжатого воздуха, свыше 1500-2000 м³/мин., а так же необходимость иметь рассредоточенные источники воздухоснабжения.

Центральная компрессорная станция должна размещаться в ближайшем соседстве от наиболее крупного потребителя сжатого воздуха и в центре нагрузок по отношению ко всем остальным потребителям. Это условие позволяет обеспечить минимальность гидравлических потерь в воздухопроводах.

В общем случае центр нагрузок или месторасположение компрессорной станции на рассматриваемом предприятии определяется подобно центру тяжести системы материальных точек.

Однако расположение станции может быть и с определенным смещением в связи с учетом планирования предприятия и его технологии.

Располагать компрессорную станцию надо так, чтобы всасывающие устройства выходили на север (теневую сторону).

4.5. Коммуникации сжатого воздуха.

4.5.1. Назначение, виды трубопроводов компрессорной станции.

Оборудование и аппараты основной технологии получения сжатого газа и вспомогательного назначения объединяются в технологические узлы и системы с помощью трубопроводных коммуникаций – воздухопроводов, водопроводов, маслопроводов и т.д. Помимо этого на компрессорной станции сеть имеет целый ряд трубопроводов вспомогательного назначения – водопроводы: для пожарных целей, производственной канализации, хозяйственно-фекальной канализации, хозяйственн-питьевой; теплопроводы: горячей воды на производственные нужды, пара на производственные нужды, конденсата; нефтепродуктопроводы: масло циркуляционной системы, топливо для двигателей внутреннего сгорания; и т.д.[9].

Однако мы остановимся только на воздушных коммуникациях. Воздухопроводы разделяются на приемный, всасывающий, нагнетательный и магистральный. В многоступенчатых компрессорах имеются еще промежуточные нагнетательные воздухопроводы, расположенные между нагнетательными парубками цилиндров и промежуточными охладителями.

Всасывающий воздухопровод – участок воздухопровода от фильтр камеры до всасывающего патрубка компрессора; нагнетательный – от нагнетательного патрубка компрессора до фланца вспомогательного оборудования; магистральный – от воздухосборника или компрессора до потребителя сжатого воздуха. Несколько магистральных воздухопроводов образуют сеть сжатого воздуха.

4.5.2. Всасывающий, нагнетательный и подающий трубопроводы компрессорной станции

Для уменьшения потерь давления длина всасывающего трубопровода не должна превышать 10 м, при необходимости поворота радиус должен быть равен трем наружным диаметром трубы. Во избежании нагрева всасывающий трубопровод должен прокладываться отдельно от нагнетательного неизолированного воздухопровода.

В помещении компрессорной станции прокладка всасывающего трубопровода может быть канальной так и открытой по конструкциям здания.

Нагнетательный трубопровод должен быть достаточного сечения, коротким и по возможности прямым, При увеличении длины нагнетательного воздухопровода в поршневых компрессорных установках получается значительная потеря давления вследствие пульсирующего потока воздуха. Это снижает производительность компрессора и повышает расход электроэнергии на сжатие воздуха на 1.53% от общего расхода.

Трубопровод между конечным охладителем (масловлагоотделителем) и воздухосборником или сборным коллектором называют подающим.

4.5.3. Сети сжатого воздуха

Сети сжатого воздуха подразделяются на межцеховые и внутрицеховые. Межцеховыми сетями называют сеть трубопроводов, проведенную от сборного коллектора компрессорной до вводов в цеха. Межцеховые сети сжатого воздуха прокладываются по радиальной (тупиковой) схеме. Схема воздухопроводов должна быть рациональной и иметь минимальные потери давления и утечки. Прокладка воздухопроводов и расстановка на них арматуры должна обеспечить возможность проведения ремонтных работ, связанных с заменой арматуры и ликвидацией аварийных ситуациях без остановки компрессорной установки. В целях повышения надежности работы не рекомендуется устанавливать запорные органы для отключения отдельных участков межцеховой сети. Наиболее надежной считается схема, предусматривающая индивидуальную работу каждой компрессорной установки на своего потребителя, однако чаще используется параллельная работа компрессоров на сборный коллектор.

Прокладка воздухопроводов применяется надземная и подземная.

4.5.4. Расчет диаметров воздухопроводов и потерь напора в них.

Гидравлический расчет необходим для определения диаметров всех видов воздуховодов и для определения давления воздуха на компрессорной станции с целью обеспечения необходимого давления у потребителей.

Выбор диаметра всасывающего воздухопровода должен обеспечивать потери давления в нем не более 30-50 мм в. ст. При этом скорость воздуха не должна превышать для центробежных и поршневых компрессоров двойного действия 10-12 м/с, а для поршневых компрессоров простого действия 5-6 м/с.

Диаметр всасывающего трубопровода определяется по формуле

d_вс=                     (4.1)

где Q – производительность компрессора, отнесенная к условиям всасывания, м³/с;

ν_вс – нормируется скорость воздуха, м/с.

Потери давления в трубопроводе вычисляются по формуле

=                            (4.2)

где: _возд. – плотность воздуха при давлении всасывания;

                               ι – длина всасывающего трубопровода, м;

                                 λ – коэффициент трение воздуха.

Расчетные диаметры воздухопроводов, работающих под давлением, и потери напора в них определяются с учетом сжатия воздуха и соответствующего повышения его температуры. Изменение температуры воздуха за счет теплообмена воздухопровода с окружающей средой считается, незначительным и им пренебрегают.

Расход сжатого воздуха, транспортируемого по трубопроводу Q_сж, м³/с, равен

Q_сж=ν ,                        (4.3)

где: d – диаметр, м;

       ν – скорость воздуха, м/с.

Из (4.3) ископаемый диаметр трубопровода будет :

d=,                     (4.4)

Масса воздуха, проходящего по трубопроводу в единицу времени, независимо от его сжатия является постоянной.

Q_н p_н=Q_сж p_сж

Откуда

Q_сж=Q_нp_н/p_сж,                      (4.5)

где: Q_н – расход при нормальных условиях м³/с;

                               p_н=1,29-плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

                               p_сж- плотность сжатого воздуха, кг/м³.

Из уравнения состояния =RT. плотность сжатого воздуха определяется в виде: _сж=                            (4.6)

где: Т_сж=t_сж+273- температура сжатого воздуха, т.к.

Р - абсолютное давление (среднее) на расчетном участке, н/м²;

R=287 газовая постоянная, Дж/кг^,к.

Подстановка (4.5) с учетом (4.6) в (4.4) позволяет получить расчетную формулу для определения диаметров рассматриваемых участков воздухопровода :

d=,                            (4.7)

Температура сжатого воздуха в нагнетательном трубопроводе может быть определенна :

Т_сж=Т_н'(),

где Т_н', Р_н' – соответственно температура и давление воздуха перед конечной секцией компрессора.

В промышленных компрессорных установках обычно Т_н'=Т_н+, где Т_н – температура на всасывание. Величина  поводе лежит в пределах 10-15⁰ и обуславливается особенностями и типом системы промежуточного охлаждения компрессора. Величина Р_н' определяется оптимальным распределением давлением между секциями при многоступенчатом сжатии.

Скорость воздуха в нагнетательном трубопроводе не должна превышать 10-15 м/с, для центробежных и поршневых компрессоров двойного действия и 6 м/с – для компрессоров простого действия. Исходя из данного ограничения на основании формулы (4.7) определяется диаметр трубопроводов данного типа.

Для расчета трубопроводов воздушной межцеховой сети, зная расходы по цехам, составляется схема сети, которая затем и рассчитывается с учетом запорной арматуры и т.д.

Для длинных трубопроводов (свыше 200 м) допускается увеличение скорости до 20 м/с; для коротких трубопроводов (до 100 м) и шлангов рекомендуется скорость до 10 м/с.

Расчет воздушных внутрицеховых сетей проводится аналогично межцеховым.

Для надежного поступления воздуха к потребителям, удаленным от ввода, скорости в цеховых трубопроводах принимаются не более 8-12 м/с и даже 4-8 м/с для воздуховодов малых диаметров.

Исходя из расходов сжатого и принятых скоростей, диаметры трубопроводов цеховых магистралей при тупиковой схеме определяются по формуле (4.7). Отводы к отдельным потребителям по максимальным расходам и предельно допустимым скоростям. Магистрали при кольцевой схеме принимаются одного диаметра, который определяется по расходу в одном направлении в размере 0,7 общего расхода всех потребителей, охватываемых кольцом.

Расчетное давление воздуха на компрессорной станции, необходимое при подаче его в воздухопроводную систему, определяется по выражению

Р_общ=Р_вс+Р_тр+Р_изб+Р_н,                          (4.8)

где: Р_н-номинальное давление у потребителя;

Р_вс – потери давления на трение и местные сопротивления в трубопроводах компрессорной станции (ориентировочно можно принять 35 кПа);

Р_тр – потери давления на трение и местные сопротивления по наиболее протяженной ветви воздухопровода;

Р_изб – избыточное или резервное давление (принимается равным 0,5 кПа).

По формуле Дарси-Вейсбаха потери напора на трение рассматриваемой ветви воздухопровода представляется в виде:

h_тр=,                               (4.9)

где:τ_i-длина соответствующего участка рассматривающего ветви воздухопровод, м;

τ_экв- дополнительная длина участка сети, эквивалентная местным сопротивлением на нем,м;

_i-коэффициент трения воздуха.

Потери давления в рассматриваемой сети оставляют

.

Коэффициент _i можно определить по формуле:

_i=,                     (4.10)

Ещё посмотрите лекцию "3 Сводные характеристики выборки для партии материала" по этой теме.

где: К – шероховатость стенок стальных труб (можно принять 0,0001 м);

 - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

Q_сж - расход воздуха на соответствующем участке.

У пневмоприемников и на ответвлениях сети от расчетной магистрали возможно превышение давления над номинальным, что недопустимо.

Избыток давления Р. воздуха должен быть сработан на увеличенном гидравлическом сопротивлении ответвления за счет уменьшения диаметра труб. Если Р. воздуха при уменьшении диаметра труб не может быть израсходовано, устанавливают на рассматриваемом участке сети диафрагмы.[1]. При этом величина коэффициента сопротивления _д находится по формуле

_д=                               (4.11)