150824 (Регулирование энергетических установок), страница 2

Выпускное отверстие может размещаться в конструкции нагнетательного или всасывающего клапана, а также в цилиндре компрессора. В качестве выпускного отверстия можно также использовать гнездо одного из всасывающих клапанов, запираемое специальным клапаном, или один из всасывающих клапанов, при чем когда он посажен в гнездо, соответствующая полость работает на минимальной производительности, а при его подъеме прекращается подача газа.

На рис. VI.1, а показан вариант конструкции исполнительного устройства со специальным клапаном. Перепускное отверстие перекрывается клапаном 1, который движется по направляющему поршню 4, жестко соединенному посредством штока 5 с крышкой 1. Пружина 1 и давление газа в цилиндре при ходе сжатия стремятся открыть проходное сечение клапана. При работе в режиме номинальной производительности эти усилии преодолеваются подводимым через штуцер 6 сжатым воздухом под давлением 0,5-0,8МПa (5-8кГ/см¹) от ресивера. Развиваемое при этом усилие обеспечивает надежное запирание клапаном 1 отверстия в седле клапана. При необходимости разгрузить ступень компрессора линия, подводящая сжатый воздух штуцер 6, отключается от ресивера и соединяется с атмосферой. Усилием сжимаемого в цилиндре компрессора газа и пружины 1 клапан поднимается и открывает проходное сечение в седле. Особенностью конструкции является наличие направляющего поршня, благодаря чему значительно ищется усилие, необходимое для закрытия перепускного клапана, и соответственно - размеры узлов устройства. Однако при этом несколько увеличивается объем мертвого пространства, и для надежного запирания клапана необходимо тщательно устанавливать устройство и притирать клапан к седлу.

На рис. VI.1, б представлен вариант конструкции исполнительного устройства с применением в качестве выпускного клапана одного из прямоточных всасывающих клапанов компрессора. Сжатый воздух (или газ), подаваемый через штуцер 11, воздействует на двухпоршневой привод, который полый шток 9 с помощью направляющего поршня 8 обеспечивает посадку прямоточного всасывающего клапана 7 на седло в цилиндре компрессора. При срабатывании давления путем соединения штуцера 11 с атмосферой клапан под воздействием давлений в цилиндре и в полости всасывания и возвратной пружины перемещается вправо и открывает отверстие, соединяющее цилиндр компрессора с полостью всасывания. Демпфер 10, заполненный маслом, обеспечивает плавную посадку клапана в седло. Имеются также ряд типов исполнительных устройств, обеспечивающих соединение полости цилиндра со стороной всасывания на части хода сжатия.

1.1.7 Соединение полости цилиндра компрессора со стороной всасывания на части хода сжатия

Изменение производительности путем выпуска газа на части хода сжатия может быть осуществлено воздействием на всасывающие клапаны, как это описано ниже (динамический отжим всасывающих клапанов), или с помощью специального отверстия, размещенного в конструкции средней части цилиндра компрессора. Запирающий отверстие клапан управляется регулятором. При полном открытии отверстия компрессор на каждом ходе сжатия практически не сжимает газ до тех пор, пока поршень не перекроет отверстие в стенке цилиндра. Таким образом, при достаточно большом сечении отверстия сжимается лишь часть газа, находящаяся по ходу поршня за отверстием. Место расположения отверстия по длине цилиндра компрессоров простого действия определяет степень максимального снижения производительности. На цилиндре двойного действия оно размещается обычно на средней части его длины, и в этом случае снижение производительности достигает 10% ее номинального значения.

Обеспечивая открытие и закрытие проходного сечения перепускного клапана, можно осуществить двухпозиционное регулирование давления изменением производительности компрессора. По экономичности этот способ соответствует свободному перепуску газа, но вызывает меньшие потери энергии на перемещение газа в коммуникациях компрессора.

Если необходимо плавно изменять производительность, выпускной клапан можно устанавливать в любое положение - от полного открытия до полного закрытия. Чем больше дросселируется газ, тем более этот способ приближается к условиям байпасирования. Однако в этом случае оно происходит при меньшем перепаде давлений. Наличие отверстия в боковой стенке цилиндра может принести к неравномерному износу поршневых колец. Поэтому при больших относительно диаметра цилиндра размерах отверстия его выполняют не сплошным, а состоящим из ряда отверстий в стенке цилиндра, что создает более нормальные условия для работы поршневых колец. Но и в этом случае износ поршневых колец, стенок цилиндра и поршня вследствие несимметричности сил, действующих на поршень при открытом клапане, увеличивается.

Дросселирования в клапане можно избежать, если для принудительного полного открытия клапана на установленной части хода поршня пользоваться механическим приводом, связанным с положением коленчатого вала компрессора. Однако такое регулирующее устройство оказывается существенно сложнее и поэтому широкого применения не получило.

1.1.8 Периодическое присоединение дополнительного мертвого пространства постоянного на части ходов поршня

Если возникающие при этом способе колебания контролируемого давления превышают пределы, допускаемые требованиями обслуживаемого технологического процесса, производительность компрессора изменяется ступенями периодическим подключением ДМП постоянного объема на части ходов поршня.

На рис. VI.4, а показан характер изменения индикаторной диаграммы одноступенчатого компрессора после подключения ДМП. При описываемом способе изменения производительности работа, затрачиваемая на сжатие газа в объеме мертвого пространства, при его расширении возвращается на вал компрессора. Потери во всасывающем и нагнетательном клапанах несколько снизятся, поскольку количество протекающего через них газа уменьшится и, следовательно, величина относительной потери давления станет меньше.

Снижение экономичности сжатия газа в этом случае является результатом того, что при неизменных затратах энергии на преодоление трения в механизме движения возникают дополнительные потери при протекании газа через клапаны, подсоединяющие ДМП, вследствие чего увеличиваются удельные затраты энергии на сжатие газа. Недостаток этого способа состоит в необходимости усложнения конструкции компрессора для размещения в отливках крышек или цилиндра дополнительных полостей.

1.1.9 Механический отжим пластин клапанов компрессора, обеспечивающий открытие клапана на части хода или части ходов сжатия

Если принудительно открыть всасывающие или нагнетательные клапаны ступени компрессора, то ее производительность станет равной нулю. Чередуя работу машины в режимах номинальной нагрузки и разгрузки, можно осуществить двухпозиционное регулирование. На рис. VI.7, а показана конструкция устройства для отжима всасывающих клапанов на всем ходе сжатия.

При поступлении сжатого воздуха oт управляющего устройства или pрегулятора через штуцер 6 в полость над поршнем 5 создается усилие, передаваемое штоком 4 на пружину 1, под действием усилия которой перемещается траверса 1 с пальцами, отжимающими пластины всасывающего клапана.

При сбрасывании давления сжатого воздуха из полости над поршнем усилием возвратной пружины 7 подвижная система возвращается в исходное состояние.

Индикаторная диаграмма при отжиме пластин клапана в открытое состояние изображена на рис. VI.7, б. Кривая 1 соответствует отжатию пластин всасывающего клапана, а кривая 1 - нагнетательного клапана. Площади диаграммы, замыкаемые кривыми 1 и 1, характеризуют потерю энергии на преодоление депрессии в отжатых клапанах при ходе всасывания и сжатия. Штриховой линией на этом рисунке нанесены также индикаторная диаграмма компрессора при нормальной его работе.

Способ изменения производительности компрессора отжимом клапанов на части хода сжатия, называемый иногда динамическим отжимом пластин клапана, состоит в следующем. Потеря давления в искусственно открытом всасывающем клапане, когда через него возвращается газ из цилиндра компрессора, зависит от скорости движения поршня, а также от изменения объема газа и условий истечения его через проходное сечение и щели и седле клапана. Величина потери давления в зависимости от хода поршня изменяется от нуля в начале хода сжатия до максимального значения.

Пропорционально величине потери давления изменяется усилие, действующее на искусственно удерживаемые в открытом состоянии пластины всасывающих клапанов и направленное в сторону закрытия ими проходного сечения в седле клапана. Если удерживать пластины клапана в открытом состоянии с силой, меньшей максимальной, то в течение каждого хода сжатия газ из цилиндра компрессора будет возвращаться на сторону всасывания до тех пор; пока усилие, создаваемое потоком газа, не превысит усилие, которым исполнительное устройство отжимает пластины. Максимум усилия, создаваемого в результате потери давления, достигается в средней части хода сжатия. Практически удается устойчиво снизить производительность полости цилиндра со 100 до 10-15% номинальной, а иногда и ниже.

На рис. VI.7, в изображена индикаторная диаграмма компрессора при изменении производительности отжимом всасывающих клапанов па части хода сжатия.

2. Регулирование работы центробежных компрессоров

2.1 Введение

Характеристикой компрессора динамического действия называется зависимость его основных рабочих параметров (таких, как отношение давлений , внутренняя мощность N_і, политропный (или изоэнтропный) КПД (или ), коэффициенты эффективной работы , теоретической работы или мощности ) от параметра, характеризующего производительность компрессора при различных фиксированных значениях безразмерной окружной скорости.

Универсальная характеристика двухступенчатого центробежного компрессора в координатах , , представляет собой семейство индивидуальных характеристик, каждая из которых получена при (Рис.6.14, а). Индивидуальные характеристики получают при испытаниях компрессора на специальных стендах, изменяя производительность дросселированием на нагнетании с помощью специальной заслонки или вентиля. При максимальной производительности из-за больших потерь в проточной части значения отношений давлений и КПД невелики. С уменьшением производительности потери в проточной части снижаются. При этом и КПД возрастают. Оптимальному режиму работы соответствуют наименьшие потери и максимальное значение КПД. Дальнейшее уменьшение производительности сопровождается снижением КПД. При минимальной или критической производительности наступает помпаж компрессора. Помпаж - это автоколебательный процесс в системе "компрессор-сеть", при котором давление нагнетания периодически резко снижается, а направление движения газа изменяется на обратное. При этом обычно слышны характерные "хлопки". Положение критической точки Б начала помпажа зависит не только от компрессора, но и от свойств сети: ее объема и частоты собственных колебаний находящегося в ней газа. Помпажу обычно предшествует вращающийся срыв в колесе или диффузоре. Работа компрессора в режиме помпажа недопустима, так как она сопровождается колебаниями ротора и может привести к аварии.

На поле кривых наносятся линии постоянного КПД, наглядно показывающие область оптимальной работы компрессора, в которой лежит точка А, соответствующая расчетному режиму работы. Характеристики отдельных ступеней часто строятся в координатах (Рис.6.14, б) и представляют собой экспериментальную основу при проектировании. Энергетические показатели центробежного компрессора в эксплуатации определяются как его характеристикой, так и сетью, на которую она работает. Для компрессора паровой холодильной машины, например, сетью является система теплообменных аппаратов: испаритель, конденсатор и соединительные трубопроводы. Допустим, что при расчетном режиме совместная работа компрессора и сети определяется точкой А. Рассмотрим изменение режима работы, при котором холодопроизводительность уменьшается, а средние температуры источников остался неизменными (Рис.6.14, в). Перепады температур и уменьшением Q₀ (и массового расхода G) также будут уменьшаться.

Это приведет к снижению давления конденсации и увеличению давления кипения. Отношение давлений должно уменьшаться (кривая 1 на Рис.6.14, а). В нерегулируемом же компрессоре с уменьшением производительности в соответствии с характеристикой (М_и=1,1) будет возрастать. Поэтому для обеспечения нормальной работы холодильных машин применяют различные способы регулирования центробежных компрессоров. Эти же методы регулирования работы турбомашин применяются и в других установках. Рассмотрим их.

2.2 Регулирование перепуском или байпасированием

Регулирование перепуском или байпассированием, при котором сжатый газ со стороны нагнетания пере пускается через дроссельное устройство на сторону всасывания. Энергетически это самый неэффективный из методов регулирования, однако он очень просто осуществляется и обладает неограниченной глубиной регулирования. Поэтому его, к сожалению, часто применяют в процессе эксплуатации.