Работа турбокомпрессоров в условиях пониженного давления во всасывающем трубопроводе

Автор:И.В. Филиппов
Описание:Получены индивидуальные характеристики турбокомпрессора типа 4CI 425MX4 серии CENTAC для фактических условий всасывания, рассчитана фактическая удельная работа по сжатию воздуха и определены возможные способы нормализации работы турбокомпрессоров.

Реферат

Одним из перспективных направлений для производства сжатого воздуха на промышленных, в том числе, и горнодобывающих предприятиях является использование турбокомпрессоров. Многие горнодобывающие предприятия России и мира, использующие турбокомпрессоры, расположены в высокогорных районах. Условия эксплуатации турбокомпрессоров при пониженном атмосферном давлении существенно отличаются от регламентированных. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований в реальных производственных условиях были получены индивидуальные характеристики турбокомпрессора типа 4CI 425MX4 серии CENTAC для фактических условий всасывания, рассчитана фактическая удельная работа по сжатию воздуха и определены возможные способы нормализации работы турбокомпрессоров.

Ключевые слова: турбокомпрессор, пониженное давление, индивидуальная характеристика.

Введение

Одним из перспективных направлений для производства сжатого воздуха на промышленных, в том числе, и горнодобывающих предприятиях является использование центробежных компрессорных машин (далее–турбокомпрессор). Турбокомпрессоры имеют неоспоримые преимущества перед традиционно применяющимися в промышленности поршневыми компрессорами, особенно, в области большой производительности [1–5]. Поэтому на некоторых горнодобывающих предприятиях установлены и эксплуатируются турбокомпрессора различных типов отечественного и зарубежного производства. Многие горнодобывающие предприятия России и мира расположены в высокогорных районах, что, несомненно, сказывается на работе турбокомпрессоров.

1. Постановка задачи

Проблемы эксплуатации компрессорных установок даже при условиях близких к паспортным всегда были предметом исследований [6–7]. Однако условия эксплуатациитурбокомпрессоров при пониженном атмосферном давлении существенно отличаются от паспортных. Это и стало предметом исследовании, результаты которых приведены в статье. В качестве объекта исследований были приняты турбокомпрессоры типа 4CI 425MX4 серии CENTAC производства фирмы INGERSOLRAND [8], установленные в своё время на руднике Молибден, а также на некоторых других предприятиях, входящих в компании РусАл – ОАО Севуралбокситруда и в ГМК НорНикель. Наибольшие проблемы возникли на первом, из указанных предприятий. Это привело к необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований, всестороннему анализу полученных результатов и постановке задачи по разработке способов решения возникшей проблемы. Исследований в области изучения работы турбокомпрессоров в высокогорных условиях практически не проводилось. Результаты теоретических исследований встречаются только в работе Баранникова Н.М. [6], а о практических исследованиях вообще не упоминается.

2. Исходные данные

Особенности эксплуатации турбокомпрессоров типа 4CI 425MX4 на руднике Молибден можно сформулировать следующим образом:

– альтитуда расположения компрессорной станции составляет 2039 метров над уровнем моря;

– рудник расположен в отрогах Главного Кавказского хребта на границе двух клима- тических областей: умеренно теплый климат Северного Кавказа и субтропический климат Закавказья;

– климатическая обстановка характеризуется экстремальными условиями (при минимально возможном атмосферном давлении ратм.экстр. = 77 500 Па наблюдается максимально возможная температура атмосферного воздуха Татм.экстр. = 289 К, вероятность которых составляет 0,11 [9].

Таким образом, появилась уникальная возможность произвести натурные исследования реального турбокомпрессора в условиях высокогорья со сложной климатической обстановкой. Создать искусственно такие условия для испытаний крайне сложно.

Турбокомпрессор типа 4CI 425MX4 представляет собой четырех ступенчатую компрессорную машину с возможность установки пятой дополнительной ступени (при необходимости) и имеет основные технические характеристики (паспортные), представленные в табл. 1 [10–12].

Таблица 1 – Технические характеристики компрессор типа 4CI 425MX4

Практика эксплуатации компрессоров типа 4CI 425MX4 показала, что в высокогорных условиях их работа характеризуется:

– уменьшением производительности;

– изменением степени повышения давления в ступенях и в компрессоре в целом;

– нарушением температурных режимов ступеней;

– уменьшением конечного давления (в летний период имеют место случаи, когда не обеспечивается конечное давление на выходе, что приводит к срабатыванию антипомпажной защиты).

3. Теоретические исследования

В процессе проведения теоретических исследований был произведен регрессионный анализ (при помощи математического пакета Table Curve 2D) индивидуальных характеристик компрессора при паспортных условиях работы [13–14], в результате которого было получено уравнение:

где р_пасп – конечное давление сжатого воздуха, МПа; g – массовая производительность турбокомпрессора, кг/мин.

Пересчет характеристик на фактические условия всасывания, приведенные в табл. 2, был выполнен с учетом коэффициентов, определяемых как отношение фактической плотности воздуха к плотности воздуха при паспортных условиях работы. Результатом расчётов являются характеристики компрессора типа 4CI 425MX4 для различных параметров атмосферного воздуха, которые приведены на рис. 1.

Таблица 2 – Параметры атмосферного воздуха

Рисунок 1 – Характеристики компрессора типа 4CI 425MX4: 1 – для паспортных условий работы; 2, 3 и 4 – соответственно, для зимних, летних и экстремальных условий работы

Представленные характеристики получены аналитическим путём и требуют экспериментальной проверки, которая в дальнейшем и была проведена в реальных условиях. Однако, анализируя результаты теоретических исследований, уже можно говорить о негативном влиянии на работу турбокомпрессоров, в первую очередь, пониженного атмосферного давления:

– массовая и объёмная производительность, приведённая к паспортным условиям всасывания, уменьшается на 16…22 %;

– при экстремальных условиях снижение производительности достигает 25 %;

– в летний период возможен режим работы турбокомпрессора, когда не обеспечива- ется требуемое конечное давление.

4. Экспериментальные исследования

Фактические индивидуальные характеристики компрессора типа 4CI 425MX4 были получены в результате экспериментальных исследований. Испытания были проведены в летний (июль) и зимний (февраль) периоды при следующей климатической обстановке:

– летний период: атмосферное давление – 79 400 Па, температура атмосферного воз- духа – 286 К;

– зимний период: атмосферное давление – 78 600 Па, температура атмосферного воздуха – 268 К.

Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях в виде пассивного эксперимента. Все измерения осуществлялись с помощью штатного измерительного комплекса, входящего в комплект системы управления и контроля турбокомпрессора типа 4CI 425MX4. Обработка результатов измерений произведена в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725–2002 (части 1 и 6).

Полученные индивидуальные характеристики приведены на рис. 2. На этом же рисунке для сравнения приведены характеристики, полученные аналитическим способом по выражению (1) при вышеуказанных климатических условиях.

Как видно из рис. 2, индивидуальные характеристики турбокомпрессора, полученные экспериментальным путем, отличаются от теоретических, хотя и незначительно. Это объясняется тем, что реальные условия работы характеризуются не только изменением условий всасывания, но условиями промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха в ступенях.

Рисунок 2 – Индивидуальные характеристики компрессора типа 4CI 425MX4, полученные экспериментально и аналитическим способом

Во время проведения экспериментальных исследований также контролировались температурные режимы в ступенях турбокомпрессора, давления и массовая производительность турбокомпрессора. Сравнительные данные представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Паспортные и экспериментальные значения параметров турбокомпрессора типа 4CI 425MX4

Из приведённых данных видно, что фактические температурные режимы в ступенях отличаются от паспортных, происходит увеличение значений конечной температуры сжатого воздуха в ступенях, а, следовательно, и изменение показателей политропы сжатия.

Оценить экономичность работы турбокомпрессора можно по величине удельной ра- боты по сжатию воздуха. Величина удельной работы определяется из выражения [4,15].

где l_к – удельная работа компрессора, Дж/кг; R – газовая постоянная, Дж/кг×К; Т_в.i – температура воздуха на входе в i – ступень, К; k – показатель адиабаты; ε_i – степень повышения давления в i – ступени; n_i – показатель политропы в i – ступени.

В расчетах были использованы паспортные данные и данные, полученные экспериментальным путём (табл. 3). Результаты вычислений приведены в табл. 4.

Таблица 4 – Удельная работа компрессора

Представленные в табл. 4 данные свидетельствуют о том, что при эксплуатации турбокомпрессоров в высокогорных условиях удельная работа по сжатию воздуха увеличивается на 12…18 % и, следовательно, уменьшается к.п.д. компрессорной установки в целом.

Расчеты для среднегодовых и экстремальных климатических условий (табл. 2) показали, что увеличение удельной работы по сжатию воздуха составляет 14 % и 21 %, соответственно.

Заключение

Подводя итог проведённым исследованиям, можно сделать следующие выводы:

– высокогорные условия и сезонные колебания параметров атмосферного воздуха оказывают негативное влияние на работу турбокомпрессоров;

– фактические показатели работы турбокомпрессоров существенно отличаются от паспортных;

– величина удельной работы как показатель экономичности превышает паспортное значение на 12…21 % в зависимости от климатических условий.

Задача нормализации работы турбокомпрессоров в высокогорных условиях представляется актуальной не только для рассмотренного типа компрессора большой мощности, но и для машин средней и малой мощности. В конкретном случае было принято решение о рассмотрении двух способов:

– закупка и установка пятой дополнительной ступени (для турбокомпрессора типа 4CI 425MX4 такая возможность предусмотрена конструкцией);

– механический наддув во всасывающем трубопроводе при помощи воздуходувок большой мощности.

Для принятия окончательного решения необходимо провести исследования не только технические, но и экономические: оценить прямые и косвенные расходы при реализации указанных способов.

Список источников

1. Girsberger R., Feld H.–J., Kudermasch G., Rofka C., Lindblom C. Low noise turbochargers// CIMAC Congress 2004, Kyoto, 2004. Paper no. 84.
2. Klima J., Martin V., Tomec O. High Perfomance Small Turbocharges // CIMAC Congress 2010, Bergen, 2010. Paper no. 188.
3. Лобода Б.Н., Огнев В.В., Образцов В.И., Гительман А.И., Хазов И.Н. Пильдиш В.Г. Создание и внедрение многоцелевых унифицированных турбокомпрессорных машин для различных отраслей промышленности и транспорта // Компрессорная техника и пневматика. 2006. № 6. С. 20–22.
4. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1981. 270 с.
5. Галеркин Ю.Б., Козаченко Л.И. Турбокомпрессоры: учеб. пособие. СПб.: Изд–во Политехн. ун–та, 2008. 374 с.
6. Баранников Н.М. Повышение эффективности рудничных компрессорных станций. М.: Недра, 1972. 232 с.
7. Азовцев А.Б., Вейраух А.Н., Недоступ В.Д. О проблемах эксплуатации компрессор- ных установок // Компрессорная техника и пневматика. 2006. № 2. С. 28–29.
8. Шерченков П.В. Центробежные компрессоры ЦЕНТАК // Территория Нефтегаз. 2007. № 6. С. 76-79.
9. Филиппов И.В. Влияние изменений давления и температуры атмосферного воздуха на работу компрессоров // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1987.№ 6. С. 89–91.
10. Булавин Д.О. Центробежные турбокомпрессоры фирмы INGERSOLLRAND: Сочетание современных технологий с высоким качеством продукции // Технические газы. 2001. № 3. С. 45–50
11. Лавреченко Г.К., Власюк В.А., Булавин Д.О. Воздушные компрессоры компании ИнгерсоллРэнд: от первых шагов – к непревзойденному успеху // Компрессорная техника и пневматика. 2002. № 7. С. 21–23.
12. Лавреченко Г.К., Швец С.Г., Булавин Д.О. Особенности и характеристики типоразмерных рядов воздушных винтовых компрессоров компании Ингерсолл–Рэнд // Компрессорная техника и пневматика. 2003. № 7. С. 24–25.
13. Шамеко С.Л.., Любимов А.Н., Гаман Е.В. К пересчёту газодинамических характеристик многоступенчатой проточной части ЦКМ на иные условия работы // Компрессорная техника и пневматика. 2010. № 3. С. 28–31.
14. Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчет и проектирование проточной части. М.: КХТ, 2010. 596 с.
15. Добродеев В.П., Добродеев А.В. Метод оценки параметров и эффективности процесса сжатия газа в турбокомпрессорах // Компрессорная техника и пневматика. 2001. № 8. С. 22–25.