Инженерная теория регулирования винтовых компрессоров переводом на холостой ход

Инженерная теория регулирования винтовых компрессоров переводом на холостой ход

Г.А. Бондаренко, к.т.н.

(ОАО «НПАО ВНИИкомпрессормаш»)

Винтовые компрессорные установки выгодно отличаются наличием штатной системы регулирования производительности. Эффективность работы винтовых компрессоров в режимах переменного потребления воздуха зависит от экономичности принятого способа регулирования. Принципиально возможны несколько способов регулирования производительности:

1. Байпасирование (перепуск) с нагнетания на всасывание или сброс части сжатого воздуха.

2. Изменение частоты вращения.

3. Дросселирование на всасывании.

4. Изменение объема полостей с помощью золотниковых устройств.

5. Перевод компрессора на режим холостого хода.

6. Периодический пуск и останов компрессора.

Сравнительная экономичность некоторых способов регулирования по результатам испытаний маслозаполненного винтового компрессора производства ОАО «Казанькомпрессормаш» [1] приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Характеристики регулирования винтовых компрессоров различными способами: 1 - байпасирование; 2 - изменение частоты вращения; 3 - дросселирование на всасывании; 4 - золотниковым регулятором (по данным [1]); 5 - дросселирование на всасывании компрессора CF-180 (по данным ОАО «НПАО ВНИИкомпрессормаш»)

Из способов, обеспечивающих непрерывный процесс регулирования (кривые 1-4), байпасирование должно быть отброшено как не приводящее к снижению потребляемой мощности, а изменение частоты вращения и объема полостей - как требующие сложных и дорогостоящих устройств. Вполне приемлемым является дросселирование на всасывании. Однако глубокое регулирование таким способом недостаточно экономично, т.к. при изменении производительности до нуля мощность уменьшается лишь на 25-30%. Это происходит потому, что при дросселировании на всасывании во входной полости компрессора образуется разряжение, и степень сжатия возрастает. Вместе с тем возрастают и внутренние перетечки в радиальных и торцевых зазорах винтовых пар, и удельная мощность сжатия.

Опыты, проведенные во ВНИИ Компрессормаше на установке ВВ-32/8 с компрессорным блоком CF-180 R фирмы GHH-Rand (Германия), показали, что более совершенная проточная часть компрессора со шлифованными роторами с очень малыми зазорами (0,02-0,03 мм) позволяет получить снижение мощности при глубоком дросселировании до 40-50% (рис.1, кривая 5).

Для реализации непрерывного регулирования требуются системы с обратными связями, обеспечивающие стабилизацию регулирующего органа (заслонки) в положении, соответствующем данному уровню потребления воздуха. Для винтовых машин небольшой единичной мощности применение таких систем считается экономически неоправданным. Поэтому широкое распространение получили системы периодически непрерывного регулирования: переход на холостой ход и останов - пуск компрессора.

Рассмотрим регулирование переводом на холостой ход на примере винтового воздушного компрессора общего назначения. Элементы системы регулирования представлены на упрощенной пневмогидравлической схеме установки на рис. 2. Система работает следующим образом. На входном патрубке компрессора установлена заслонка с поворотным диском, который поворачивается с помощью присоединенного пневмодвигателя. С сокращением потребности в сжатом воздухе начинает возрастать давление на нагнетании, и при превышении величины 8,1 кгс/см2 командный воздух из ресивера воздействует на подпружиненную диафрагму регулятора производительности, отжимает ее от седла и поступает к пневмодвигателю, давит на его поршень и закрывает дисковую заслонку. Прекращается подача сжатого воздуха в сеть. Потребление воздуха продолжается, и давление в сети начинает падать. При уменьшении давления до 8 кгс/см2 регулятор производительности закрывается. Уменьшается давление на поршень пневмодвигателя, и дисковая заслонка открывается.

Если по условиям эксплуатации установки необходимо обеспечение работы в более широком диапазоне изменения давления в сети, в качестве регулятора применяется электромагнитный клапан, подключенный параллельно регулятору производительности. Этот клапан срабатывает на открытие или закрытие по команде от электроконтактного манометра, предварительно настроенного на минимальное и максимальное допустимые давления. При этом происходит соответственно закрытие или открытие дроссельной заслонки. Одновременно с краном-регулятором открывается или закрывается электромагнитный стравливающий клапан, установленный на линии нагнетания для обеспечения минимально необходимого расхода воздуха через компрессор с целью его охлаждения.

Рассмотрим детальнее регулирование винтового компрессора путем периодического перевода на холостой ход, обратившись к схематическому изображению процессов, приведенных на рис.3.

Рисунок 2 - Схема винтовой компрессорной установки: 1 - электродвигатель; 2 - винтовой компрессор; 3 - ресивер; 4 - дроссельная заслонка; 5 - пневмопривод; 6 - регулятор производительности; 7 - электроконтактный манометр; 8 - клапан мембранный электромагнитный

Рисунок 3 - График работы винтового компрессора, регулируемого переводом на холостой ход, при различных уровнях потребления сжатого воздуха: а - режим, близкий к номинальному; б - режим среднего потребления; в - режим малого потребления; г - регулирование отключением компрессора.

Если в данный момент времени дроссельная заслонка на всасывании в компрессор закрыта (что соответствует режиму холостого хода), то через некоторое время давление в сети сжатого воздуха упадет до минимально допустимого значения Pmin, и регулятор производительности даст импульс на открытие заслонки. Давление в сети начнет возрастать, поскольку производительность компрессора несколько больше потребления сжатого воздуха. Это соответствует процессу 1-2 на рис.3,а. Через промежуток времени наступит момент, когда давление нагнетания достигнет максимально допустимой величины Pмах и регулятор производительности даст импульс на закрытие дроссельной заслонки - переход на режим холостого хода (процесс 2-3), который длится в течение времени , пока вследствие разбора воздуха потребителями давление упадет до Pmin, и далее эти процессы повторяются. Таким образом, работа винтового компрессора - это чередование процессов нагнетания и холостого хода. Длительность этих процессов (или их частота) зависит от соотношения производительности компрессора и расхода потребителей, а также от характеристик сети (емкость, инерционность).

Если сеть состоит из ресиверов, коллекторов и многочисленных воздухопроводов, то емкость и инерционность ее велики, и процессы накачки и сброса давления происходят медленно. Если емкость сети мала, то при таком же соотношении выработки и потребления сжатого воздуха процессы будут чередоваться с большей частотой. В случае если потребитель соединен непосредственно с компрессором, то частота циклов будет наибольшей.

В общем случае график работы винтового компрессора представляет собой непрерывный, чередующийся процесс включения компрессора до достижения максимального давления и переход на холостой ход. На рис.3 приведены графики работ компрессора для четырех режимов с различным уровнем потребления сжатого воздуха. Заштрихованные области графиков характеризуют экономию потребляемой мощности привода по сравнению с нерегулируемым компрессором.

Как видно из графиков рис.3,а, при потреблении сжатого воздуха, близком к нормальной производительности компрессора (несколько меньшем), переход компрессора на холостой ход происходит редко и на короткое время. Экономия электроэнергии при этом невелика, и на этом режиме целесообразнее в принципе сбрасывать небольшие количества воздуха, чем осуществлять переход на холостой ход, вырабатывая ресурс элементов системы регулирования.

При среднем потреблении (рис.3,б) длительность интервалов работы под нагрузкой и на холостом ходу соизмерима, экономия существенна. Со снижением потребления до малого (рис.3,в) увеличивается длительность холостого хода, возрастает экономия электроэнергии.

Опыт показывает, что для винтовых установок малой мощности (до 100 кВт), при малом разборе воздуха экономически целесообразно производить периодические отключения компрессора (рис.3,г). При этом, однако, количество циклов “пуск-останов” лимитируется ресурсом установки.

Ниже приведен приближенный теоретический анализ данного способа регулирования.

Рассмотрим упрощенную схему “компрессор-сеть” (рис.2). Считаем заданными приведенные к нормальным условиям (p0; t0) номинальную производительность компрессора Vк и текущее потребление воздуха Vп, емкость ресивера Q. В данном случае емкость ресивера есть обобщенное понятие - это емкость собственно ресивера, если таковой имеется, и емкость воздушного нагнетательного коллектора, продувочных емкостей, масловодоотделителей, цеховых воздухопроводов и др. Допустимый диапазон работы по давлению в сети - от рmin до pmax. Определяем временные интервалы работы компрессора в режиме нагнетания и холостого хода . Очевидно, что задача имеет смысл лишь при соблюдении условия Vк>Vп.

Изменение массы воздуха в ресивере за промежуток времени dt описывается уравнением

,

где ,

- массовые расходы произведенного и потребленного воздуха

- плотность воздуха при нормальных условиях.

Строго говоря, и на интервале “пуск-рабочий режим-останов” зависят от времени, т.к. имеют место изменяющиеся во времени процессы разгона компрессора, увеличение давления и нагрева воздуха на режиме рабочих оборотов, выбега роторов компрессора при останове. Если пренебречь влиянием этих процессов в силу малости, решение задачи можно выполнить в конечных разностях.

Пусть в некоторый момент времени t=t0 давление в ресивере равно минимально допустимому p1=рmin, и компрессор включается в работу на нагнетание. В этот момент в ресивере содержалось массовое количество воздуха, равное:

,

где - плотность воздуха.

Одновременно с нагнетанием воздуха в ресивер происходит его отбор к потребителю. В силу условия Vк>Vп давление в ресивере будет постепенно подниматься, и в некоторый момент времени

оно достигнет максимально допустимой величины р2=рмах. Массовое количество воздуха в ресивере станет равным:

,

где .

Масса воздуха в ресивере увеличилась на величину

. (1)

Это приращение произошло за счет превышения производства воздуха над потреблением за период :

. (2)

Для упрощения дальнейших выкладок принимаем температуру воздуха в ресивере постоянной: Т1=Т2=Т0. Из уравнения (1) и (2), выполнив необходимые подстановки и преобразования, получим длительность работы в режиме нагнетания:

, (3)

которая, очевидно, тем больше, чем ближе по величине производительности Vк и Vп.

К моменту достижения максимального давления и переключения компрессора на холостой ход в ресивере накопилось

воздуха. Часть этого воздуха будет израсходована в режиме потребления (без подкачки) за период времени, равный:

. (4)

Очевидно, что длительность работы в режиме холостого хода тем больше, чем больше объем ресивера и меньше потребление Vп.

Учитывая, что

,

и обозначив

и , (3) и (4)

преобразуются к виду:

, ()

. ()

Длительность одного цикла “нагнетание-холостой ход” составляет

. (5)

Комплекс

является постоянным для каждого рассматриваемого случая регулирования. Разделив на этот комплекс обе части равенств (), () и (5), получим простые выражения:

,

, (6)

.

Эти безразмерные зависимости являются универсальными характеристиками рассматриваемого способа регулирования винтового компрессора. Их графические изображения в относительных координатах, приведенные на рис.4, пригодны для любых сочетаний производительности компрессора и величины потребления, объема ресивера и диапазона допустимого изменения давления в сети нагнетания.

Все эти функции симметричны относительно ординаты . Длительность цикла минимальна при , т.е. когда Vп=0,5Vк. При >0,5 время холостого хода меньше времени нагнетания, а при <0,5 - наоборот. Практическое значение имеют правые ветви характеристик при >0,5, для которых

 и .

Из графиков, например, следует, что при производительности компрессора 50 м3/мин, объеме ресивера 50м3, диапазоне изменения давления в ресивере от 6 до 8 кгс/см2, при относительном потреблении =0,8, длительность интервалов работы на холостом ходу составляет 2,5 мин, интервалов нагнетания - 10 мин, что соответствует примерно пяти переключениям компрессора в час. Заметим, что абсолютные величины интервалов прямо пропорциональны объему ресивера и обратно пропорциональны производительности компрессора.

Рисунок 4 - Характеристики регулирования (зависимость относительных длительностей нагнетания, холостого хода и цикла нагнетания - холостой ход от относительного потребления воздуха )

Определим экономию электроэнергии при регулировании переключением на холостой ход по сравнению, например, с байпасированием или сбросом излишнего воздуха в атмосферу.

При байпасировании потребляемая компрессором мощность не изменяется: Nн=const. При переходе на холостой ход мощность, потребляемая за один цикл “нагнетание+холостой ход”, равна:

(7)

Как отмечалось выше, для современных винтовых компрессоров

,

где =0,3-0,5. С учетом выражений (6) относительную экономию энергии можно записать в виде

. (8)

Естественно, что при уменьшении потребления экономия возрастает. Однако здесь уместно сделать следующие замечания. Если условия эксплуатации таковы, что уровень потребления изменяется от максимальной величины

до любых меньших значений, такой метод регулирования вполне оправдан. Если же компрессор выбран с “запасом” так, что максимальная величина потребления существенно меньше от номинальной производительности компрессора, то в этом случае может оказаться гораздо более выгодным использовать следующий, меньший по производительности типоразмер компрессора, с электродвигателем меньшей мощности. Наглядное представление об этом дает рис.5, где представлено сравнение относительной потребляемой мощности компрессора при байпасном регулировании с относительной мощностью при регулировании переводом на холостой ход. Заштрихованная площадка иллюстрирует в некотором масштабе выигрыш от перевода компрессора на холостой ход. Из рисунка, например, следует, что компрессор ВВ-50/8 целесообразно применять до производительности, равной , ниже которой экономически более выгодно применение компрессора ВВ-32/8.

Рисунок 5 - Сравнение потребляемых мощностей при различных способах регулирования: 1 - байпасирование; 2 - перевод на холостой ход; пунктиром ограничены поля применимости ряда винтовых компрессоров ОАО «ВНИИкомпрессормаш»

Более выгодным было бы полное отключение привода на период, равный отрезку времени . Однако здесь следует иметь в виду, что электродвигатели допускают ограниченное количество включений в час, которое определяется минимальным временем, необходимым для температурной стабилизации обмоток после каждого пускового перегрева. Число включений тем меньше, чем больше номинальная мощность двигателя.

Очевидно, что условием, при котором допустимо и целесообразно регулирование путем останова и последующего пуска двигателя, будет неравенство

,(9)

где i - допустимое число включений в час.

Из выражений (4) и (9) можно определить, при каком относительном потреблении целесообразно применять регулирование включением-выключением:

. (10)

Экономия мощности при этом определится из выражений (7) и (8), полагая :

, (11)

т.е. в 1/(1-к) раз больше, чем при переводе на холостой ход.

Приведенная выше инженерная теория может служить основой для разработки алгоритмов системы регулирования винтового компрессора путем перевода на холостой ход и (или) включением-выключением привода, анализа его работы при частичных режимах с оценкой затрат потребляемой энергии, с целью повышения экономической эффективности от использования винтовых компрессоров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Хисамеев И.Г., Максимов В.А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры. - Казань: Наука, 2000. - 638с.