Косвенный контроль возникновения помпажа в турбокомпрессоре и устройство автоматической защиты
Любчак Д.С.
Научный руководитель – Оголобченко А.С.
Украина, г. Донецк, Донецкий национальный технический университет
Источник: XI международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2010»: материалы конференции (17-19 марта 2010г., Ухта): в 5 ч; ч. 1.– Ухта: УГТУ, 2010. – с. 131-133.
Как известно, работа центробежного компрессора при возникновении помпажа недопустима, так как при этом имеет место сильная вибрация, большие перегрузки узлов всей установки, резкие колебания нагрузки на приводной электродвигатель, что снижает моторесурс турбокомпрессора и приводит к выходу нагнетателя из строя [1]. Существующие системы автоматизации турбокомпрессоров, например, комплектная аппаратура УКАС, имеют в своем составе устройства противопомпажной защиты на базе струйных регуляторов по величине перепада давления на измерительной диафрагме, смонтированной во всасывающем трубопроводе турбокомпрессора. Однако опыт их эксплуатации показал значительную погрешность срабатывания и сложность поддерживания устройства в рабочем состоянии. Также для некоторых компрессорных станций, которые уже находятся в эксплуатации, имеются определенные трудности с установкой сужающего устройства для обеспечения перепада давления, например, требуется наличие достаточно длинного прямолинейного участка всасывающего трубопровода для установки трубы Вентури.
Нами проведен анализ существующих исследований по возможному косвенному определению помпажа в турбокомпрессоре без использования не надежных в эксплуатации датчиков. По нашему мнению, заслуживают особый интерес исследования на турбокомпрессорных установках, проведенные сотрудниками АО «Специальные научные исследования и конструирование оборудования» (г.Донецк, Украина) под руководством В.В. Нищеты [1,2]. В качестве примера на рисунке 1 представлены характерные зависимости изменения некоторых параметров турбокомпрессорной установки в нормальном режиме эксплуатации и при возникновении помпажа. На рисунке 1 обозначено: Δр – перепад давления на конфузоре нагнетателя, Iст – сила тока статора приводного синхронного электродвигателя турбокомпрессора, N – частота оборотов приводного электродвигателя. В момент времени t=199c наблюдается вхождение турбокомпрессора в зону помпажа. Помпажные колебания параметров продолжаются до момента времени t=234c, а затем в результате открытия противопомпажного клапана сжатый воздух частично отправляется в атмосферу, увеличиваются затраты воздуха через турбокомпрессор и рабочая точка на характеристике совместной работы нагнетателя с пневмосетью смещается вправо от критической и тем самым помпаж исчезает. Как видно, величина силы тока статора приводного электродвигателя турбокомпрессорного агрегата изменяется при помпаже, что может быть зафиксировано и использовано для формирования команды на открытие противопомпажного клапана. Также важным при использовании в качестве информативного параметра величины силы тока является то, что для измерения используются трансформаторы тока, надежные в эксплуатации, имеющие высокую чувствительность и менее сложную конструкцию, чем датчик измерения перепадов давления. Кроме того, преимуществом данного метода является то, что точность и надежность работы устройства автоматической защиты турбокомпрессора от помпажа не зависит от технического состояния компрессорного агрегата - геометрии и шероховатости проточной части, состава и скорости газа, характера движения потока газа – ламинарного или турбулентного.
Для практической реализации косвенного способа контроля помпажа и автоматической защиты турбокомпрессора от помпажа разработаны схемотехнические решения по устройству контроля и защиты. Технические решения ориентированы на применение микропроцессорных элементов, как современный подход к разработке средств автоматизации. Кроме того, при этом обеспечивается высокое быстродействие устройства, что является важным условием противопомпажной защиты турбокомпрессора.
Рисунок 1 – Экспериментальные зависимости изменения параметров турбокомпрессора при помпаже
Микропроцессорное устройство автоматической защиты турбокомпрессора от пом-пажа (УАЗП) выполняет следующие функции:
1. Непрерывный контроль величины силы тока статора приводного электродвигателя турбокомпрессора;
2. Определение помпажных колебаний в турбокомпрессоре.
3. Корректировка уставки срабатывания устройства в зависимости от температуры воздуха окружающей среды;
4. Формирование команды на открытие – закрытие противопомпажного клапана;
5. Сигнализация о работе устройства защиты, о возникновении помпажа, о положении противопомпажного клапана;
6. Выбор режима работы устройства «ручной – автоматический»;
7. Передача информации о работе устройства на ЭВМ.
Структурная схема устройства УАЗП приведена на рисунке 2. Основным элементом устройства является микроконтроллер, который предназначен для обработки информации от датчиков и органов управления, принятия логических решений и своевременного формирования управляющего сигнала на открытие – закрытие противопомпажного клапана и светоиндикации. Информация в устройство поступает от следующих источников: аналоговая от датчика тока о величине силы тока в статорной обмотке приводного электродвигателя турбокомпрессора; аналоговая от датчика температуры воздуха окружающей среды; дискретная от датчиков положения противопомпажного клапана. Сигналы в микроконтроллер поступают через блок согласования входного сигнала, где осуществляется: преобразование токовых сигналов от аналоговых датчиков в сигнал напряжения, для этого используются прецизионные резисторы; осуществляется гальваническая развязка линии связи устройства с контактными датчиками и органами управления с помощью транзисторных оптопар; осуществляется защита микроконтролера устройства от возможных перенапряжений в соединительных линиях датчиков с помощью операционных усилителей, которые охвачены отрицательной обратной связью с коэффициентом усиления равным 1 и выполняют роль «повторителя» входного сигнала. Блок согласования выходного сигнала предназначен для преобразования выходного сигнала микроконтроллера в сигналы управления пусковой аппаратурой приводного электродвигателя противопомпажного клапана. Сигналы формируется с помощью транзисторных ключей. Для управления работой устройства в схеме предусмотрены органы управления. К ним относятся: тумблер «Ручной - Автоматический», кнопки «Открытие противопомпажного клапана», «Закрытие противопомпажного клапана», «Reset». Блок сигнализации предназначен для светоиндикации о состоянии устройства (вкл.-выкл.), о срабатываниях устройства при помпаже, о положении противопомпажного клапана (откр.-закр.). Для передачи информации между устройством УАЗП и ЭВМ диспетчера или оператора компрессорной станции устройство содержит специальный адаптер передачи данных интерфейса RS485.
Рисунок 2 – Структурная схема микропроцессорного устройства автоматической защиты турбокомпрессора от помпажа
В соответствии со структурной схемой разработана принципиальная электрическая схема микропроцессорного устройства автоматической защиты турбокомпрессора от помпажа, которая выполнена на микроконтроллере ATmega16 с встроенным аналого-цифровым преобразователем. В качестве адаптера передачи данных принята микросборка МАХ1480В фирмы MAXIM, которая содержит, кроме собственно приемника и передатчика, преобразователь напряжения с разделительным трансформатором для их питания и оптронные развязки входных цепей. Эти элементы позволяют обеспечить гальваническую развязку линии связи и присоединяемых к ней устройств.
Команда на открытие противопомпажного клапана формируется по отклонению амплитуды текущих колебаний тока статора приводного электродвигателя от заданной – уставки, величина которой определяется экспериментальным путем и периодически корректируется примерно один-два раза в год путём принудительного создания предпомпажных колебаний в турбокомпрессоре. В устройстве программно осуществляется корректировка уставки срабатывания защиты в зависимости от температуры воздуха окружающей среды (как правило, летний или зимний период времени года).
Библиографические ссылки
1. Нищета В.В., Свистельник А.В., Таргонский В.А. Как и куда исчезает моторесурс компрессорной машины. / Вибрация машин: измерение, снижение, защита. – 2007. - №4. – С.50-59.
2. Таргонський В.О., Ніщета В.В., Мамонов О.І. Явище помпажу та засоби його визначення і запобігання на нагнітачах ГПА. / Інформаційний огляд. ДК «Укртрансгаз». – 2005. - №5. – С.6-8.