Файл: Конспект лекций для студентов специальности 5В071700 Теплоэнергетика Алматы 2014 алматинский университет.pdf

32 крейцкопфом и штоком. а – непрямоточный простого действия; б – непрямоточный двойного действия; в – прямоточный простого действия.
Рисунок 6.3- Конструктивные схемы цилиндров поршневых компрессоров
В крейцкопфных машинах (см. рисунок 6.4) поршень приводится в движение от коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм,
крейцкопф (ползун) и шток.
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).
Рисунок 6.4 - Кинематические схемы поршневых компрессоров, применяемых в системах воздухоснабжения

33
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.
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: 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 м
3
/мин, полным конечным давлением сжатия 9 кГс/см
2
. Некоторые предприятия указывают в обозначениях своих моделей вместо полного – избыточное давление сжатого воздуха (для Q
к

50 м
3
/мин).
Поршневые компрессоры получили преимущественное распространение. Только там, где возникает необходимость в больших расходах воздуха при невысоких давлениях, используют лопаточные компрессоры.
Они очень надежно работают с высоким кпд 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.

34 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - коленчатый вал; 4 - шатун; 5 - ползун;
6 - направляющие; 7 - шток; 8 - сальник; 9 - противовес; 10 - поршневые кольца; 11 - водяная рубашка; 12 - кожух; 13 - клапан.
Рисунок 6.5- Продольный разрез одноступенчатого поршневого компрессора
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.
6.2.2 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).
На рисунке 6.6 показан продольный разрез четырехступенчатого центробежного компрессора. Газ через всасывающий патрубок поступает на рабочее колесо 1 первой ступени. Выйдя из колеса, газ попадает в

35 диффузор, образованный лопатками 2, установленными по окружности рабочего колеса. Далее сжатый в первой ступени газ по обратному направляющему аппарату 3 подводится к рабочему колесу второй ступени, а затем через улитку 4 второй ступени и патрубок 6 поступает в промежуточный охладитель. Охладившись, газ поступает во входной патрубок 7 третей ступени. Пройдя последовательно третью и четвертую ступени, сжатый до конечного давления газ через улитку 5 и нагнетательный патрубок 8 поступает к потребителю. Поскольку со стороны нагнетания в каждой ступени давление выше, чем со стороны всасывания, на ротор компрессора действует осевая сила, направленная справа налево. Для разгрузки действия этой силы на подшипники, служит разгрузочный поршень 9, который, как и лопаточные колеса, закреплен на валу. Справа на поршень действует атмосферное давление, а слева – давление сжатого в последней ступени газа. Равнодействующая этих сил давления компенсирует осевую силу и обеспечивает разгрузку подшипников в роторе.
Рисунок 6.6 – Продольный разрез четырехступенчатого центробежного компрессора
Преимущества турбокомпрессоров перед поршневыми компрессорами:
- возможность получения большей производительности;
- значительно меньшие габариты и масса (меньше капитальные затраты);
- отсутствует загрязнение воздуха маслом;

36
- имеется возможность непосредственного соединения с быстроходным приводом (турбина, электропривод);
- уравновешенность инерционных сил (мал фундамент);
- более простой и дешевый ремонт;
- непрерывная (без пульсаций) подача;
- возможность экономичного регулирования производительности
(изменением частоты вращения и др.).
Недостатки ТК по сравнению с ПК:
- более низкий КПД (при подаче

100 м
3
/мин);
- ограниченная степень повышения давления (
15 8
вк нк


P
P
);
- неустойчивость режимов при нормальной работе;
- наличие больших промохладителей требует подвального помещения в машинном зале для их размещения (или 2-этажной компоновки).
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, м
3
/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 м
3
/мин; 9 – расчетное (абсолютное) развиваемое давление в кГс/см
2
7 Лекция №7. Системы производства и распределения сжатого
воздуха
План лекционного занятия: выбор типа и количества компрессоров, устанавливаемых на компрессорной станции (КС); выбор привода компрессора; привод поршневых компрессоров; привод турбокомпрессоров; энергетические и экономические показатели КС.
Цель лекции: обоснование выбора типа и количества компрессоров; изучение привода компрессора и показателей его работы.
7.1 Выбор типа и количества компрессоров, устанавливаемых на
компрессорной станции (КС)

37
Различают установленную, рабочую и резервную производительности компрессорной станции.
Рабочая производительность КС раб
Q
, м
3
/мин, – сумма номинальных производительностей всех компрессоров станции, за исключением резервных.
Резервная производительность рез
Q
, м
3
/мин, – сумма номинальных производительностей резервных компрессоров данной КС.
Установленная производительность КС Q
уст
, м
3
/мин, – это сумма номинальных производительностей всех компрессорных машин, установленных на станции, включая резервные: рез раб
1
к уст
Q
Q
Q
Q
m
i




, (7.1) где m – число компрессоров на КС;
i
Q
к
, – номинальная производительность одного (i-го) компрессора, м
3
/мин.
Методики выбора указанных производительностей, а также количества, типов и типоразмеров компрессоров, устанавливаемых на станции, зависят от характера потребителей и графика потребления сжатого воздуха от компрессорной станции.
На КС, снабжающих большое число мелких потребителей воздухом с давлением не выше 1-1,2 МПа, обычно устанавливают однотипные агрегаты.
Опыт проектирования показал, что экономически целесообразно размещать на КС: поршневые (ПК) или винтовые компрессоры (ВК), если
Q
м.д

400 м
3
/ч, и центробежные (ЦБК) или осевые нагнетатели (ОК) при Q
м.д

400 м
3
/ч.
Считается достаточно надежным решением устанавливать одну резервную машину при числе рабочих компрессоров п
раб

7.
Если на
КС необходимо установить машины с разной производительностью, то резервный(е) компрессор(ы) должен(ны) иметь производительность самого крупного рабочего агрегата, т.е. наиб к
рез
Q
Q

(основное правило резервирования).
Если потребители не допускают снижения подачи воздуха, то рабочая производительность станции принимается равной максимально длительной нагрузке, т.е. м.д раб
Q
Q

. Если некоторое снижение подачи воздуха допустимо, то рабочая производительность обеспечивает только 75-90 % максимально длительной нагрузки, т.е. м.д раб м.д
9 0
75 0
Q
,
Q
Q
,


и для покрытия Q
м.д приходится включать резервный компрессор.
Величины Q
уст и рез
Q
на КС с однотипными компрессорами зависят от числа рабочих компрессоров n
раб

38
Опыт проектирования и эксплуатации показал, что оптимальное число рабочих машин составляет: на КС с поршневыми компрессорами
5 3
опт раб


n
шт.; на КС с турбокомпрессорами
4 2
опт раб


n
шт. Точное число зависит от уровня тарифов на электроэнергию и заработной платы в том или ином регионе и может быть установлено только на основании технико- экономического сравнения вариантов.
Установив оптимальное количество рабочих компрессоров, определяют оптимальную производительность одной машины опт к
Q
, м
3
/мин: опт раб раб опт к
n
Q
Q

, (7.2) по каталогу выбирают компрессор с производительностью, близкой к оптимальной.
7.2 Выбор привода компрессора
Привод

это комплекс двигателя с передачей.
Компрессоры могут приводиться в действие различными двигателями и с помощью различных передач. Это может быть муфта, редуктор, ременная передача, вариатор, гидромуфта и т.п. Правильный выбор привода может быть осуществлен только на основании технико-экономического сравнения вариантов с учетом преимуществ и недостатков.
7.2.1 Привод поршневых компрессоров.
Для привода ПК могут применяться электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и паровые машины.
Двигатели внутреннего сгорания в стационарных компрессорных установках применяют редко. Их используют только там, где имеется достаточно большой избыток топлива (газ, жидкое топливо). Они удобны в работе, регулировании, но требуют дорогого топлива, для которого нужны хранилища, дополнительное вспомогательное оборудование и т.д. Таким образом, эксплуатация получается дорогая. В настоящее время ДВС применяют для передвижных компрессорных установок.
На газовых и нефтяных месторождениях широко применяются компрессоры со свободно движущимися поршнями. В них энергия сжатия получается за счет сжигания топлива (жидкого, газового) в цилиндрах.
Передача этой энергии поршням компрессора происходит непосредственно.
Рабочий процесс такого привода осуществляется по циклу Дизеля, но нужен синхронизирующий механизм для совместной работы поршней.
Принципиальная схема такого компрессора приведена на рисунке 7.1.

39 1

цилиндры компрессора; 2

ступенчатые поршни; 3

цилиндр двухтактного двигателя с продувочными окнами и форсункой.
Рисунок 7.1 - Схема компрессора со свободно движущимися поршнями
Применение паровых машин возможно в ближайшем будущем. Паровые машины нового поколения достаточно экономичны, удобны в регулировании.
В настоящее время пока не нашли распространения.
Электродвигатели переменного тока – это наиболее распространенный привод ПК. Это синхронные и асинхронные электродвигатели 3-фазного переменного тока на напряжение 380 и 6000 В. Выбор напряжения определяет мощность двигателя. Обычно электродвигатели на 6000 В применяют при их мощности более 200 кВт.
Если позволяет быстроходность компрессора, то двигатель присоединяют к нему непосредственно через муфту. В более редких случаях – через редуктор или ременную передачу.
Необходимо учитывать, что асинхронный электродвигатель имеет большой пусковой момент, а у синхронного он составляет менее 50 % от рабочего. В таком случае компрессор нуждается в разгрузке при пуске.
Синхронный электродвигатель имеет больший КПД, улучшает cos

системы электроснабжения предприятия. Он менее подвержен короткому замыканию благодаря большему зазору между статором и ротором и поэтому находит широкое применение.
Недостатком электропривода является сложность и неэкономичность регулирования производительности компрессора.
7.2.2 Привод турбокомпрессоров.
Для привода ТК можно применять электродвигатели, паровые и газовые турбины.
Турбокомпрессоры небольшой производительности (1000 м
3
/мин и ниже) обычно проектируют на повышенную частоту вращения (4000 – 8000 об/мин и более). Это улучшает габаритно-массовые показатели и повышает
КПД компрессора. При турбинном приводе увеличение числа оборотов не вызывает затруднений, но при электроприводе (при n

3000 об/мин) необходим редуктор. Редукторы с мощностью до 12 МВт и с КПД=0,98 ÷ 0,99

40 серийно выпускаются отечественной промышленностью и, как правило, поставляются в составе компрессорной установки.
Неоспоримое преимущество в настоящее время электропривод имеет при мощности ТК до 6000 кВт благодаря дешевому обслуживанию. Но такой привод из-за невозможности экономичного регулирования частоты вращения вызывает перерасход электроэнергии на 10 – 20 % и более, по сравнению с приводом n=var.
Поэтому при выборе привода ТК с мощностью от 6000 до 12000 кВт необходимо проводить технико-экономическое сравнение вариантов с учетом всех местных факторов и конкретных условий.
Для ТК с мощностью больше 12000 кВт, как правило, устанавливают паро- или газотурбинный привод. Желательно, чтобы турбинный привод позволял менять частоту вращения на 15 % выше и на 30 % ниже номинального значения без существенного снижения КПД и потери устойчивости.
Поэтому для привода ТК нельзя применять обычные генераторные паротурбинные установки (ПТУ), так как они рассчитаны на работу при постоянных числах оборотов (1500, 3000 об/мин). Применяют специальные приводные ПТУ, рассчитанные на переменный режим работы и обладающие пологой зависимостью КПД от частоты вращения.
Мощность электродвигателя N
дв
, кВт, для привода оценивается следующим образом: дв п
об к
к дв




l
G
k
N
, (7.3) где ад ад к


l
l
или из из к


l
l
– внутренняя удельная работа компрессора,
Дж/кг.
Можно принимать ориентировочно: пк из

=0,75 - 0,85 – изотермический КПД поршневого компрессора; тк из

=0,5 - 0,7 – изотермический КПД турбокомпрессора; пк об

=
мех

=0,79 - 0,88 – общий КПД поршневой компрессорной машины; тк об

=0,7 - 0,75 – общий КПД, учитывает гидравлические и механические потери в турбокомпрессоре;
k=1,15 - 1,2 – коэффициент запаса, учитывающий случайные перегрузки.
В настоящее время все шире внедряется частотное регулирование синхронных и асинхронных электродвигателей.

41