Регулирование поршневых насосов и компрессоров

Регулирование подачи поршневых насосов необходимо как на длительный период работы, так и кратковременно.

При регулировании подачи пользуются различными способами: воздействием на привод насоса, воздействием на его коммуникации либо изменением конструктивных размеров насоса.

Из формулы подачи насоса Q=FSnzŋ0 следует, что изменять подачу можно изменением числа рабочих камер z, изменением диаметра D или длины хода поршня S, переходом на другое число ходов n. Также можно изменить подачу, влияя на объемный коэффициент ŋ₀, главным образом на его составляющую – коэффициент наполнения.

Число рабочих камер можно изменить путем снятия всасывающих клапанов с одной из камер.

Замена цилиндровых втулок в комплекте с поршнями большого диаметра на меньший применяется при увеличении давления насоса. Этот способ широко используется при бурении скважин, когда увеличение глубины бурения требует преодоления насосом гидравлических сопротивлений с сохранением установленной мощности.

Изменение длины хода поршня достигается перестановкой пальца кривошипа. Этот способ широко используется при глубинно-насосной добыче нефти на станках - качалках.

Регулирование подачи изменением числа двойных ходов поршня требует установки между двигателем насосом различных редукторов (коробки перемены скоростей, турбопередачи) либо применения специальных многоскоростных двигателей.

Во всех случаях характеристики насосов будут иметь вид, показанный на рисунке 6.31. Если построить на рабочих характеристиках p-Q насоса гидравлическую характеристику трубопровода, то на пересечениях кривых получим различные рабочие точки А₁, А₂, А_З и т.д.

Все перечисленные способы обеспечивают ступенчатое регулирование.

Рисунок 6.31

Назначение регулирования производительности поршневого компрессора сводится в большинстве случаев к поддержанию постоянного конечного давления, которое зависит от соотношения между подачей компрессора и расходом газа из емкости или из сети трубопроводов, куда подает компрессор. Если расход газа возрастает из-за увеличения его потребления, то давление в нагнетательной сети падает, что является сигналом о необходимости увеличить подачу компрессора и привести ее в соответствие с потреблением.

Способы регулирования поршневых компрессоров весьма разнообразны. Наиболее распространены следующие:

1) временная остановка двигателя или отключение от него компрессора;

2) изменение частоты вращения вала компрессора;

3) отжим всасывающих клапанов;

4) изменение объема «мертвого» пространства;

5) дросселирование во всасывающей линии;

6) перепуск газа во всасывающую линию.

Остановка одного или нескольких компрессоров для ступенчатого изменения производительностикомпрессорной станции — целесообразный способ регулирования. Отключение компрессора от двигателя, производимое посредством пневматических или электромагнитных муфт, менее экономично, чем остановка двигателя,
но более удобно.

Изменение частоты вращения вала компрессора — наиболее выгодный способ регулирования при условии, что двигатель допускает экономичное изменение частоты вращения. К сожалению, этой способностью не обладают ни электродвигатель переменного тока, ни в должной мере двигатель внутреннего сгорания, которые в основном используются для привода компрессоров. Регулировать производительность компрессоров можно при помощи коробок передач; однако их применение усложняет установку.

Отжимание всасывающих клапанов (рис. 5.1) происходит при помощи вилки 5, передающей усилие на пластину 6. Вилка соединяется с поршнем 4, передвигающимся в цилиндре 3 и поджатым пружиной.

Рис. 5.1. Схема устройства для отжима всасывающего клапана

К цилиндру по трубке 2поступает воздух из поласти нагнетания. Поршень перемещается вниз, вилка ложится на пластину всасывающего клапана и держит его открытым до того момента, пока достигнутое давление в воздухосборнике 1компрессора не понизится до заданного значения. В рассматриваемой схеме показано регулирование прерывистым способом. Существуют также схемы с плавным (непрерывистым) регулированием, производящим открывание клапана на частичном моменте хода. По рациональности такой способ регулирования уступает выше рассмотренным способам, так как для отжатия клапана в цилиндре происходят определенные затраты мощности (рис. 5.2, а).

Изменение объема "мертвого" пространства осуществляется подключением дополнительных полостей и, следовательно, уменьшением объемного коэффициента. Производительность компрессора при наименьшем объеме «мертвого» простран­ства пропорциональна объему V₁ (рис. 5.2, в), а при включении "кармана" объему V₁^‘, который меньше объема V₁. Дополнительные
полости выполняют постоянного или переменного объема и располагают в крышке цилиндра или в отдельных баллонах.

Экономичность этого способа высокая. При снижении производительности на 30% повышение удельного расхода энергии не превышает 2% полной индикаторной мощности.

Дросселирование воздуха во всасывающей линии путем частичного перекрытия приводит к падению давления на приеме компрессора, что равноценно увеличению гидравлического сопротивления всасывающего клапана, вызывающему уменьшение λ₀ и λ_p (рис. 5.2, г). Дросселирование — неэкономичный способ регулирования, так как приводит к увеличению удельного расхода энергии. Кроме того, следует иметь в виду, что дросселирование во всасывающей линии вызывает опасное возрастание конечной
температуры воздуха (из-за повышения отношения давлений).

Рис. 5.2. Индикаторные диаграммы при регулировании.
а — отжатием всасывающего клапана; б — перекрытием всасывающей линии; в — включением дополнительных "мертвых" пространств; г — дросселированием во всасывающей линии.

Частным случаем дросселирования является перекрытие всасывания (рис. 5.2, б).

Перепуск газа из нагнетательной линии во всасывающую является основным средством разгрузки компрессора при пуске. Для длительного регулирования этот способ не пригоден вследствие его неэкономичности.

 

4. Уплотнения в насосах и к Уплотнения.

Уплотнения в центробежном компрессоры используют для изоляции внутреннего пространства от атмосферы (внешние уплотнения) и разделения отдельных участков с различным давлением внутри компрессора (внутренние уплотнения).

Внутренние уплотнения обычно выполняют лабиринтными. Они состоят из гребней, которые разделяют зазор между вра­щающейся и неподвижной деталями, на ряд последовательно расположенных камер. Из области более высокого давления через зазор над гребнем протекает газ. При этом происходит его расширение с падением давления и температуры (адиабат­ное расширение). В пространстве между гребнями скорость газа практически полностью гасится, а температура повышается до первоначальной. Такой процесс повторяется в каждой после­дующей камере, поэтому давление газа становится все меньше и меньше. Чем меньше зазор между гребнем уплотнения и чем меньше угол кромки гребня, тем незначительнее утечки через лабиринтное уплотнение (рисунок 4). Общие потери газа через лабиринтные уплотнения составляют 2—6% массы всасываемого газа и зависят от конструкции и размеров машины.

В зависимости от формы уплотнения подразделяют на глад­кие (рисунок 4, г) и ступенчатые (рисунок 4, а—в). Гладкие уплот­нения просты в изготовлении и эксплуатации, но утечки через них в 1,5—1,8 раза выше, чем через ступенчатые.

 

 

 

Рисунок 4 – Лабиринтные уплотнения

 

Лабиринтные уплотнения устанавливают также в местах выхода вала из корпуса компрессора.

Если утечка сжимаемого газа недопустима, применяют следующие средства герметизации:

1) В месте выхода вала постоянно поддерживают давление ниже атмосферного, поэтому через лабиринтное уплотнение в машину извне проникает небольшое количество воздуха;

2) В месте выхода вала давление поддерживают немного выше атмосферного, но ниже чем в машине, для чего на валу устанавливают простейший вентилятор1 (рисунок 5 а). В пространстве а воздух из окружающей среды смешивается с газом, и образующаяся смесь удаляется через отверстие б

3) Для уплотнения вала нагнетателя природного газа обеспечивают подачу масла в опорный подшипник. При этом давление масла поддерживается с помощью регулятора несколько большим, чем давление газа в нагнетателе.

4) Применяют торцовые уплотнения, при необходимости герметизируемые циркулирующим маслом (рисунок 5 б)

Используют сильфонное уплотнение (рисунок 5 в). Кольца торцовых уплотнений 1 прижимаются друг к другу двумя концентрично расположенными сильфонами 2, сжатыми между вращающимся диском 3 и стенкой корпуса. В кольцевое пространство между сильфонами под давлением подается масло, полностью герметизирующее выход вала.

Рисунок 5 – Уплотнения вала в компрессорах

 

 

Основные к требования внешним уплотнениям:

- не допускать выхода сжимаемой среды наружу

- обусловливать минимальные утечки сжимаемого и запирающего газа (жидкости);

- обеспечивать долговечность работы не ниже долговечности основных деталей машины;

- быть удобными в изготовлении, сборке и эксплуатации.