Оборудование И СХЕМЫ компрессорных станций систем воздухоснабжения

 

Общие сведения о компрессорном оборудовании

Классификация нагнетательных установок и области их применения

Для сжатия и нагнетания воздуха и других газов используются так называемые нагнетатели. В зависимости от создаваемого давления их условно делят на:

а) вентиляторы, создающие давление не выше 10 кПа;

б) воздуходувки (газодувки), создающие давление до 0,3 МПа;

в) компрессоры, развивающие давление свыше 0,3 МПа.

Классифицировать компрессоры можно по принципу действия, конструктивной схеме, по развиваемому давлению, по области применения и другим признакам.

В зависимости от принципа действия все компрессорные машины можно разделить на два обширных класса:

1) объемные – где давление газа повышается за счет сокращения первоначального объема рабочего пространства. К ним относятся:

а) поршневые с кривошипно-шатунным механизмом и со свободно движущимися поршнями;

б) ротационные, в которых роль поршня выполняют либо непосредственно вращающийся винтовой ротор, либо пластины, расположенные в роторе. Это винтовые (Лисхольма), пластинчатые, жидкостно-кольцевые, с восьмеричным ротором (Рутса) компрессоры;

2) нагнетатели динамического действия (кинетического сжатия), в которых давление газа повышается за счет сообщения газу большой скорости с последующим преобразованием кинетической энергии потока в давление. К этому классу относят:

а) лопаточные нагнетатели (турбокомпрессоры);

б) струйные компрессоры (эжекторы).

В свою очередь турбокомпрессоры по конструктивным признакам подразделяют на центробежные, осевые, диагональные и вихревые.

По величине развиваемого давления P _нк, МПа, компрессорные установки (КУ) подразделяют на:

а) низкого давления – P _нк=0,3-2,5;

б) среднего давления – P _нк=2,5-6,0;

в) высокого давления – P _нк=6,0-35;

г) сверхвысокого давления – P _нк>35.

По производительности Q _к, м³/мин, КУ классифицируют так:

а) малые – с Q _к до 100;

б) средние – Q _к от 100 до 500;

в) большие - Q _к более 500.

На промышленных компрессорных станциях в зависимости от необходимого давления и расхода воздуха наиболее часто устанавливают поршневые и центробежные компрессоры. В последние годы все шире стали распространяться винтовые компрессоры.

Каждый тип компрессора имеет свои достоинства и недостатки. Применение того или иного типа зависит от конкретных условий, в которых ему предстоит работать.

Область преимущественного применения машин объемного действия характеризуется средними и высокими давлениями и сравнительно малыми расходами рабочего тела. Турбокомпрессоры применяют при больших расходах газа и меньших степенях повышения давления. Обычно при производительностях единичных машин Q _к до 100-120 м³/мин применяют поршневые компрессоры, в интервале от 100 до 5000 м³/мин – центробежные агрегаты, при расходах свыше 5000 м³/мин – осевые компрессоры. Винтовые компрессоры имеют производительность от 3 до 50 м³/мин и успешно вытесняют поршневые машины в этом диапазоне.

Поршневые компрессоры

Тип поршневого компрессора определяется расположением осей цилиндров в пространстве. Оно бывает вертикальным, горизонтальным и угловым. Угловые делятся на прямоугольные, V -образные, W -образные и звездообразные.

По числу ступеней сжатия различают одно-, двух- и многоступенчатые компрессоры. В компрессоре одноступенчатого сжатия воздух сжимается один раз и затем по трубопроводу поступает в воздухосборник (ресивер). В двухступенчатом компрессоре воздух сжимается дважды: вначале до определенного (промежуточного) давления в цилиндре первой ступени, потом он охлаждается в промежуточном охладителе, затем сжимается до конечного давления в цилиндре второй ступени.

Поршневые машины в зависимости от организации процесса сжатия в цилиндре подразделяются на компрессоры простого и двойного действия, прямоточные и непрямоточные (см. рис. 5.1).

В компрессоре простого действия цилиндр имеет только одну полость сжатия (над поршнем). В компрессоре двойного действия обе полости (над и под поршнем) – рабочие. Компрессоры двойного действия более производительны, но и более сложны. Им нужны дополнительные клапаны, герметизация подпоршневой полости и более сложный механизм движения с крейцкопфом и штоком.

Рис. 5.1. Конструктивные схемы цилиндров поршневых компрессоров:

а – непрямоточный простого действия; б – непрямоточный двойного действия; в – прямоточный простого действия

 

В крейцкопфных машинах (рис. 5.2) поршень приводится в движение от коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм, крейцкопф (ползун) и шток. При этом нормальная составляющая от усилия шатуна воспринимается крейцкопфом, что уменьшает силу трения на боковой поверхности поршня и позволяет сократить его длину и уменьшить износ. Это, как правило, компрессоры непрямоточные, двойного действия, с вертикальным, прямоугольным и горизонтальным расположением цилиндров.

 

Рис. 5.2. Кинематические схемы поршневых компрессоров применяемых в системах воздухоснабжения: а – воздушный бескрейцкопфный компрессор с V -образным расположением цилиндров (ВУ); б – воздушный крейцкопфный с прямоугольным расположением цилиндров (ВП); в – воздушный крейцкопфный с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров (ВМ).

Применение оппозитной компоновки позволяет нейтрализовать влияние больших инерционных сил. Это дает возможность увеличить частоту вращения коленчатого вала в 2-2,5 раза, что во столько же раз увеличивает производительность компрессора при тех же габаритах и массе.

Бескрейцкопфные компрессоры, как правило, строятся как быстроходные машины (до 3000 об/мин) с вертикальным или угловым расположением цилиндров. Это легкие, компактные, хорошо уравновешенные машины. Число цилиндров может достигать 8 и более.

В соответствии с ГОСТ 23680-84 "Воздушные поршневые стационарные компрессоры общего назначения" специально для систем воздухоснабжения производятся ПК следующих 3-х типов (см. рис. 5.2):

а) ВУ – воздушные бескрейцкопфные с V -образным расположением цилиндров;

б) ВП – воздушные крейцкопфные с прямоугольным расположением цилиндров;

в) ВМ – воздушные крейцкопфные с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров.

Все эти компрессоры выпускаются большой номенклатурой по подаче и давлению.

В марке компрессора обозначается тип, подача и давление сжатия. Например типоразмер компрессора 2ВМ4-24/9 означает: воздушный 2-рядный крейцкопфный компрессор с оппозитным расположением цилиндров, поршневым усилием 4 тонно-силы, производительностью 24 м³/мин, полным конечным давлением сжатия 9 кГс/см². Некоторые предприятия указывают в обозначениях своих моделей вместо полного – избыточное давление сжатого воздуха (для Q _к>50 м³/мин).

Поршневые компрессоры имеют КПД выше, чем центробежные, и, следовательно, там, где расходы воздуха невелики, их применение оправдано. Они очень надежно работают в тяжелых условиях при непрерывной круглосуточной эксплуатации. При P _нк>5,0 МПа они вообще незаменимы. Часто их целесообразно применять уже при P _нк>3,0 МПа. Но из-за больших зон перекрытия по давлению и производительности окончательный выбор типа компрессора для установки на КС делается на основании технико-экономических расчетов.

Недостатки ПК:

1) большие удельные габариты и масса;

2) неуравновешенность движущихся масс (потребность в большом фундаменте;

3) малооборотность и связанная с ней трудность привода от быстроходного двигателя;

4) неравномерность подачи воздуха в сеть, т.е. требуется система воздухосбора (ресиверная);

5) воздух загрязняется смазкой.

Недостатки ведут к увеличению массы фундамента, увеличению здания КС и т.п., т.е. ведут к большим капитальным затратам, которые часто не окупаются высоким КПД. Именно поэтому во многих случаях ПК вытесняются ротационными и центробежными компрессорами.

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры относятся к машинам динамического (кинетического) действия, так как повышение давления происходит за счет инерционных сил. Иногда их еще называют поточными машинами.

Рабочий процесс в центробежном компрессоре (ЦБК) и осевом компрессоре (ОК) представляет собой обращенный процесс соответствующих турбин (радиальной и осевой). Именно поэтому ЦБК и ОК часто объединяют одним названием – турбокомпрессоры (ТК).

Преимущества турбокомпрессоров перед поршневыми компрессорами:

1) возможность получения большей производительности;

2) значительно меньшие габариты и масса (меньше капитальные затраты);

3) отсутствует загрязнение воздуха маслом;

4) имеется возможность непосредственного соединения с быстроходным приводом (турбина, электропривод);

5) уравновешенность инерционных сил (мал фундамент);

6) более простой и дешевый ремонт;

7) непрерывная (без пульсаций) подача;

8) возможность экономичного регулирования производительности (изменением частоты вращения и др.).

Недостатки ТК по сравнению с ПК:

1) более низкий КПД (при подаче <100 м³/мин);

2) ограниченная степень повышения давления ();

3) неустойчивость режимов при нормальной работе;

4) наличие больших промохладителей требует подвального помещения в машинном зале для их размещения (или 2-этажной компоновки).

Производительность осевого компрессора может быть существенно большей, чем у центробежного. Однако низший предел по производительности (из условия сохранения высокого КПД) у них тоже выше. Он составляет 300-500 м³/мин (см. рис.4.2).

 

Рис. 5.3. Зависимости КПД компрессоров разных типов от их производительности

 

Производительность осевого компрессора может быть существенно большей, чем у центробежного. Однако низший предел по производительности (из условия сохранения высокого КПД) у них тоже выше. Он составляет 300-500 м³/мин (см. рис. 5.3). Осевые компрессоры имеют КПД больше, чем в ЦБК. Но этот КПД больше только в узкой области по режиму (подаче). Эта область составляет ±5¸10 % от Q_рас (см. рис. 5.4).

 

 

 

Рис.5.4. Изменение КПД осевого и центробежного компрессоров при отклонении режима работы от расчетного

 

 

Осевые компрессоры имеют те же достоинства и недостатки, что и центробежные. Они широко применяются в металлургическом производстве (доменное дутье) и в силовых и энергетических газотурбинных установках (ГТУ).

ГОСТа на обозначение ЦБК и ОК нет.

Невский машиностроительный завод (г. Санкт-Петербург) и Хабаровский завод энергетического машиностроения маркируют выпускаемые ЦБК так: например, К-250-61-1, что означает: К – центробежный воздушный компрессор; 250 – расчетная производительность, м³/мин; 61 – число ступеней в одном цилиндре; 1 – модификация корпуса.

НПО «Казанькомпрессормаш» обозначает, например, так: 32ВЦ-100/9, где: 32 – номер базы корпусов; ВЦ – воздушный центробежный компрессор; 100 - производительность в м³/мин; 9 – расчетное (абсолютное) развиваемое давление в кГс/см²