2 Конспект лекций дисциплины. Лекция 1 Раздел Компрессорные станции магистральных газопроводов Тема Введение. Назначение и устройство компрессорных станций на магистральных газопроводах
 Скачать 19.77 Mb.
|
|
Тема 2.2 Нерасчетные режимы работы центробежного нагнетателя газа. Неустойчивая работа центробежного компрессора: помпаж и вращающийся срыв, их причины и последствия. При рассмотрении рабочего процесса в центробежном компрессоре мы применяли рассечение рабочей ступени цилиндрической поверхностью диаметром D1 (ось цилиндрической поверхности совпадает с осью рабочего колеса – см. рисунок 2). А А  Рисунок 2. Сечение рабочего колеса центробежного компрессора цилиндрической поверхностью А-А. (Слайд №4) Развернув эту поверхность на плоскость, мы получили плоскостное сечение рабочего колеса (рисунок 3).  Рисунок 3. Плоскостное сечение рабочего колеса центробежного компрессора. Движение потока газа характеризуется следующими параметрами:
(Скорость W1 равна геометрической разности абсолютной C1 и окружной U1 скоростей W1= C1 – U1 . По правилу сложения векторов строится треугольник скоростей на входе в рабочее колесо (см. рисунок 3)).
Разница между углами β1 и β1л называется углом атаки α = β1 - β1л Рабочая ступень центробежного компрессора профилируются исходя из определенного (расчетного) режима работы, который характеризуется расчетной частотой вращения ротора, степенью повышения давления в ступени и соответствующим расходом газа через ступень. На расчетном режиме обеспечивается устойчивая работа компрессора с максимальными значениями коэффициента полезного действия и степени повышения давления. Поток на ходе в ступень имеет осесимметричное течение (вектор абсолютной скоростью С1 совпадает с осью рабочего колеса), при этом газ входит в межлопаточные каналы рабочего колеса безударно, так как вектор относительной скорости W1 совпадает с направлением передних кромок лопаток рабочего колеса (  ). Угол атаки потока во всех сечениях соответствует расчетному значению (α ≈ 0). Вывод: проточная часть центробежного компрессора проектируется для наиболее эффективного (расчетного) режима работы, которому соответствуют вполне определенные скорости потока газа (относительная скорость W1, окружная скорость U1, абсолютная скорость C1, расчетный треугольник скоростей). В процессе эксплуатации центробежный компрессор (нагнетатель газа) может работать на различных режимах и при различных условиях, которые не всегда соответствуют расчетным. При работе центробежного компрессора на нерасчетных режимах параметры потока (скорости, давление, температура) в сечениях проточной части по сравнению с расчетными изменяются. Проходные сечения, подобранные для расчетного режима, в этом случае не будут соответствовать новым значениям параметров потока и в проточной части центробежного компрессора (нагнетателя) возникает срыв потока с образованием зоны завихрения. В результате эффективность работы центробежного компрессора резко снижается. Такой режим работы называется неустойчивым. (Слайд №5) Рассмотрим течение газа в проточной части центробежного компрессора на режимах работы, отличающихся от расчетного (см. рисунок 4). Расход газа через ступень центробежного компрессора прямо пропорционален осевой составляющей абсолютной скорости потока С1. Поэтому уменьшение или увеличение расхода газа Gв рассматривается как уменьшение или увеличение абсолютной скорости C1. При уменьшении расхода газа от расчетного (Gв<Gврасч.) угол атаки α увеличивается (см. рисунок 4б). Возникают удары с вогнутой стороны (корытца) и срывы потока с выпуклой стороны (спинки) лопатки. Вихревая зона из-за пониженного давления на спинке лопатки распространяется по межлопаточному каналу, проникая вглубь и занимая все большую область. Это еще больше снижает расход воздуха и усугубляет данное явление. Наступает неустойчивая работа центробежного компрессора. При увеличении расхода газа от расчетного (Gв>Gврасч) угол атаки α уменьшается (см. рисунок 4в). Возникают удары со стороны спинки лопатки, а со стороны корытца - срывы потока. Вихревая зона из-за повышенного давления на корытце прижимается к профилю лопатки и вглубь канала не распространяется. Гидравлические удары в лопатку и появление вихревой зоны увеличивает потери энергии, расходуемой на сжатие, что ведет к уменьшению степени повышения давления πк. Однако неустойчивой работы компрессора не наблюдается.   U U U а) – расчетный режим; б) – расход газа меньше расчетного; в) – расход газа больше расчетного. Рисунок 4. Характер обтекания лопаток РК ступени центробежного компрессора при изменении расхода газа. Вывод: к неустойчивой работе центробежного компрессора приводит снижение расхода газа относительно расчетного значения и возникающие при этом срывы потока со спинки лопатки. (Слайд №6) Неустойчивая работа центробежного компрессора (как и осевого компрессора) может проявляться в двух формах: помпаж или вращающийся срыв. Вращающийся срыв возникает при обтекании потоком рабочих лопаток с положительными углами атаки, что как мы выяснили, связано с уменьшением расхода газа через центробежный компрессор. При достижении углом атаки критического значения происходит отрыв потока со спинок лопаток. При этом происходит снижение эффективной площади проходного сечения межлопаточных каналов, из-за чего происходит торможение потока и дальнейшее снижение расхода по проточной части компрессора. При двух- или трехступенчатой схеме центробежного компрессора углы атаки возрастают во всех ступенях и срыв потока происходит на лопатках рабочих колес всех ступеней. Лопатки, попавшие в зону срыва, сжимают газ неэффективно, давление за ними понижается, и через зону срыва происходит выброс ранее сжатого газа навстречу потоку. При этом зона срыва будет распространяться по направлению движения потока по проточной части, так как часть газа успевает выйти из нагнетательной улитки в трубопроводную обвязку. В ограниченном пространстве кольцевой проточной части центробежного компрессора появление срывного режима течения на отдельных лопатках приводит к образованию дискретных срывных зон, которые вращаются в том же направлении, что и рабочее колесо, но с меньшей угловой скоростью. Поэтому данная форма неустойчивой работы и получила название вращающийся срыв. Возникновение вращающегося срыва приводит к падению напора ступеней центробежного компрессора, пульсациям давления и расхода газа высокой частоты и малой амплитуды, вследствие чего возникают значительные вибрационные напряжения. При определенном сочетании объемов проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов (нагнетательной улитки, трубопроводной обвязки) может наблюдаться другая форма неустойчивой работы, которую называют помпажом. Помпаж - продольные автоколебания потока, возникающие в результате потери динамической устойчивости течения потока в автоколебательной системой с активными элементами, от которых при колебаниях к потоку может подводиться или отводиться энергия. Помпаж может происходить с различными частотами, соответствующими разным формам колебаний. В отличие от вращающегося срыва при помпаже возникают колебания давления и расхода воздуха низкой частоты и большой амплитуды (частота составляет 0,5 – 2,0 Гц в зависимости от аккумулирующих характеристик присоединенных активных элементов; обычно частота колебаний близка к собственной частоте колебаний массы газа, заключенной в проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов). Вследствие инерционных свойств газа возникающие автоколебания могут периодически изменять режим работы центробежного компрессора с нормального на неустойчивый и обратно. Возникновение помпажа сопровождается шумовым эффектом (в виде хлопков или гула низкого тона) и сильной вибрацией всех элементов конструкции, что приводит к возникновению больших динамических нагрузок во всех элементах конструкции двигателя, а также быстрым ростом температуры газа. (Слайд №7) Вывод: помпажные явления в центробежном нагнетателе газа сопровождаются несколькими явлениями, делающими работу нагнетателя неэффективной и опасной:
Газодинамические характеристики центробежного нагнетателя газа. Обеспечение устойчивой работы - одна из важнейших задач при проектировании и эксплуатации центробежных компрессоров и нагнетателей газа. При проектировании компрессора путем выбора геометрических характеристик проточной части стремятся обеспечить как можно более широкий диапазон работы по расходу (производительности), но фактически центробежные нагнетатели, использующиеся для перекачки природного газа на магистральных газопроводах, имеют достаточно ограниченный рабочий диапазон. С другой стороны, вследствие неравномерности газопотребления, а также в результате переключения технологических кранов на магистральных газопроводах расход газа в газопроводе изменятся в широких пределах. В связи с этим на магистральных газопроводах достаточно часто создаются условия для неустойчивой работы центробежного нагнетателя. Как было отмечено выше, при уменьшении расхода газа через центробежный нагнетатель относительно расчетного значения его устойчивая работа нарушается. Минимальный расход газа через центробежный нагнетатель, при котором возникает помпажный режим работы, определяется при проведении газодинамических испытаний нагнетателей на заводских стендах. По результатам испытаний строятся так называемые газодинамические характеристики нагнетателя, с помощью которых определяются параметры режима работы нагнетателя. Газодинамической характеристикой центробежного нагнетателя называется зависимость степени повышения давления  , политропического коэффициента полезного действия  и внутренней мощности Ni от производительности Q (подача газа) при различных частотах вращения ротора нагнетателя n.Газодинамические характеристики нагнетателей определяются при испытании на воздухе. Каждое испытание производится при заданной частоте вращения ротора нагнетателя n=const. (Слайд №9) Зависимость степени повышения давления  (или перепада давления ΔP ) в нагнетателе от расхода газа Q называется напорной характеристикой. (Слайд №10) Зависимость изменения внутренней мощности нагнетателя Ni от расхода газа Q называется характеристикой мощности. (Слайд №11) Зависимость политропического КПД нагнетателя от расхода газа Q называется характеристикой КПД.(Слайд №12) График, на котором в своих масштабах при заданной частоте вращения ротора построены три главные характеристики нагнетателя (напорная, мощности и КПД) называется суммарной характеристикой. Чаще всего результаты испытаний представляют в виде осредненных по экземплярам конкретного типа нагнетателя зависимостей (степени повышения давления, внутренней мощности и политропического К.П.Д. от расхода на входе в нагнетатель) при ряде значений частот вращения ротора. (Слайд №13) Для возможности использования газодинамических характеристик для природных газов различного состава и при различных начальных параметрах их приводят к фиксированным условиям. Такие характеристики называются приведенными. Приведенные характеристики строятся по экспериментальным данным для заданных физических величин:
Приведенные характеристики строятся во всем возможном рабочем диапазоне величин производительности нагнетателя вплоть до границы неустойчивой работы. (Слайд №14) В настоящее время используется два типа приведенных характеристик нагнетателя. Первый тип характеристик (см. рисунок 5) представляет собой зависимость величин ,  , приведенной относительной внутренней мощности  нагнетателя от приведенного объёмного расхода газа на входе в нагнетатель  пр. при приведенной относительной частоте вращения ротора  : .(Слайд №15)  Приведенная объемная производительность Qн пр, м3/мин Рисунок 5. Приведенные характеристики нагнетателя НЦВ-6,3/76-1,45 первого типа. (Слайд №16) Определение удаленности работы нагнетателя от границы помпажа (неустойчивой работы) по приведенным характеристикам нагнетателей. При определении удаленности режима работы известны: величина частоты вращения ротора п, давление  и температура  газа на входе в нагнетатель, газовая постоянная  (для транспортируемого газа), объемная производительности по условиям входа . Расчет производится следующим образом: 1. Рассчитывается приведенная объёмная производительность (расход газа на входе в нагнетатель) QН пр =QН ·  ,2. Рассчитывается приведенная относительная частота вращения ротора  .(Слайд №17) Коэффициент сжимаемости z - величина переменная, зависящая от давления, температуры и величины относительной плотности газа по воздуху  . (Примечание: Коэффициент сжимаемости учитывает отличие свойств реальных газов (природного газа) от свойств идеального газа (воздуха)). Наиболее просто величину z определить по известным и транспортируемого газа, используя номограмму (см. рисунок 6). 1 2 3 4 5 Р, МПа Рисунок 6. Номограмма расчета z в зависимости от Р, , Т(Слайд №18) Величина газовой постоянной природного газа определяется по газовой постоянной воздуха RВ и относительной плотности газа по воздуху  :  )3. Оценка удаленности режима работы нагнетателя от границы помпажа производится по условию:  ,где  - минимальное значение приведенной объемной производительности, Значение берется по приведенной характеристике первого типа для рассчитанной приведенной относительной частоты вращения ротора  .(Примечание: так как работа нагнетателя непосредственно в критической точке, находящейся на границе помпажа недопустима, установлен 10 %-ый запас по помпажу). (Слайд №19) Граница помпажа - линия на приведенной характеристике центробежного компрессора, соединяющая точки на линиях рабочих режимов, соответствующие срыву потока при различных частотах вращения. Точки пересечения линий рабочих режимов и границы помпажа называются критическими.        Приведенная объемная производительность Qн пр Рисунок 7. Общий вид приведенной характеристики нагнетателя первого типа с нанесенной границей помпажа. С использованием характеристик первого типа можно определить не только удаленность режима работы нагнетателя от границы помпажа, но и другие режимные параметры (политропный КПД, приведенную внутреннюю мощность, степень повышения давления). Лекция №9 |