Помпаж осевых компрессоров и центробежных нагнетателей
Помпажом осевых компрессоров принято называть явления автоколебаний малой частоты (порядка нескольких герц) всей массы рабочего тела в системе компрессор-сеть. Колебания по своей форме могут быть близкими к гармоническим В режиме помпажа поток рабочего тела в пределах проточной части осевого компрессора может иметь самые различные формы движения, хотя наиболее характерными являются обратные токи [13].
Помпаж как таковой возникает при срыве потока на лопатках компрессора под влиянием больших положительных углов атаки. Например, если при неизменной частоте вращения увеличивать давление в нагнетательном патрубке, то прежде всего в последней ступени компрессора будет снижаться коэффициент расхода. При этом углы атаки на лопатках будут возрастать и в некоторый момент времени в последней ступени произойдет срыв потока и уменьшится напор компрессора.
Уменьшение напора должно восполниться за счет работы прежде всего предпоследней ступени. Но предпоследняя ступень сама уже работает вблизи неустойчивой зоны. Она не может обеспечить двойную нагрузку. Поэтому срыв потока произойдет и предпоследней ступени тоже. Поток воздуха устремится из нагнетательной линии в сторону всасывающей, что приведет к падению давления в нагнетательной камере. В какой-то момент времени давление в нагнетательной линии упадет настолько, что, вращаясь, ступени компрессора будут в состоянии вновь нагнетать воздух и поток вновь изменит направление своего движения. Таким образом, будут возникать колебания воздуха, вихри, различные направления движения воздуха в пределах проточной части компрессора.
Помпажные явления в осевом компрессоре могут охватить компрессор в целом и проявляться в виде периодического изменения давления воздуха на линии нагнетания, температуры воздуха, частоты вращения, а также повышенной вибрации агрегата и шума.
Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и длиной трубопроводов. Амплитуды колебаний также зависят от емкости сети, ее инерционных и демпфирующих свойств. Зависимость от сети настолько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу газа и частоте вращения может работать как в режиме помпажа, так и без его проявления. Изменение емкости по расходу рабочего тела вызывает отклонение момента начала помпажа. Этим, в частности, объясняется то, что линия совместной работы компрессора и газовой турбины в установках с регенерацией теплоты отходящих газов проходит ближе к линии помпажа, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.
При неизменной частоте вращения осевого компрессора, устойчивый режим работы ГТУ начинает нарушаться в области максимума на характеристике pк- G с небольшими отклонениями в ту или иную сторону (см. Рис. 3.6).
Рабочая точка компрессора D1 определяется линиями пересечения характеристики осевого компрессора и характеристики сети (пунктирная линия). Если принять, что по некоторым причинам (при неизменном положении дросселя) расход несколько увеличился, т. е. компрессор начинает работать на режиме точки D2 , а для подачи увеличенного количества воздуха требуется и повышенное давление Р2 > P1. Однако рост давления действует против потока и снижает расход воздуха до его первоначального значения (точка D1). Легко заметить, что режим остается стабильным и при уменьшении расхода, т.е. режим работы осевого компрессора будет оставаться устойчивым до тех пор, пока выполняется условие:
dpк / dG < 0 (3.12)
Если в качестве рабочей точки компрессора принять точку F, то увеличение расхода компрессора с величины GF до Gk приведет к тому, что компрессор будет в этой области развивать большее давление, чем необходимо для подачи расхода Gk , вследствие чего расход еще больше увеличится. Аналогичные рассуждения можно привести и для случая уменьшения расхода воздуха в этой зоне характеристики осевого компрессора. Следовательно, можно утверждать: режим работы осевого компрессора будет неустойчивым в области:
dpк / dG > 0 (3.13)
В многоступенчатых компрессорах помпаж обычно не возникает, когда одна или даже несколько ступеней работают в неустойчивой области, если только характеристика осевого компрессора в целом удовлетворяет условиям стабильности, т.е. соотношение давлений сжатия при постоянной частоте вращения с уменьшением расхода или увеличивается или, по крайней мере, остается постоянным.
Граница помпажа многоступенчатого компрессора в верхней своей части имеет излом в точке В (см. Рис. 3.1). Этот излом является следствием последовательного срыва потока в ступенях при повышении частоты вращения. Точка излома как раз и соответствует такой частоте вращения (при данных pк и G), при которой срыв потока на лопатках компрессора переходит из первых ступеней в последние.
При полном срыве потока в одной из ступеней возникают зоны срыва, которые могут проходить через всю проточную часть компрессора; экономичность компрессора при этом резко падает, агрегат начинает сильно вибрировать, работать на таком режиме нельзя. Внешние признаки помпажа весьма характерны. Вдали от линии помпажа (dpк/dG < 0) при большой производительности компрессор издает резкий свистящий шум. Уровень шума на станции в районе осевого компрессора достигает величины порядка 110-120 дц. По мере уменьшения производительности, вплоть до границы помпажа , заметных изменений в характеристике звука не происходит, затем внезапно появляются резкие периодические хлопки, сопровождающие, как правило, выбросом воздуха из компрессора во всасывающий патрубок.
Меры борьбы с помпажом можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся мероприятия, применяемые при проектировании компрессоров с целью увеличения его рабочей зоны (dpк/dG <0). Сюда относятся выбор малых окружных скоростей, увеличение густоты решетки, выбор профилей лопаток с большой относительной толщиной и большим радиусом скругления входной кромки.
Ко второй группе относятся мероприятия, используемые в работающих установках. Сюда относятся регулирование работы компрессора с помощью поворотных лопаток направляющего аппарата, вдувание воздуха в поток рабочего тела через щели в профиле лопаток, перепуск воздуха.
Наименее экономичным, но весьма простым и эффективным способом, получившим широкое распространение на практике, является перепуск воздуха (противопомпажный сброс воздуха).
Принципиальная схема противопомпажного устройства приведена на Рис. 3.7. Чтобы сохранить устойчивый режим работы компрессора при приближении к границе помпажа, необходимо часть воздуха сбросить из компрессора в атмосферу и тем самым обеспечить производительность компрессора, достаточную для сохранения устойчивого режима работы. Регулируя открытие противопомпажного клапана, регулятор обеспечивает постоянную производительность воздуха (Gсек.) при расходе через сеть (Gc ). Воздух в количестве DG = Gc - Gсек. выбрасывается в атмосферу через противопомпажный клапан.
В компрессорах с высоким соотношением давлений сжатия, когда предельная производительность компрессора определяется режимом запирания его последних ступеней, противопомпажные устройства обеспечивают сброс воздуха через какую-либо из промежуточных ступеней компрессора.
В условиях работы ГТУ на компрессорных станциях наблюдаются случаи появления помпажа при обмерзании входной части осевого компрессора при повышенной влажности наружного воздуха в период сильных туманов, снегопадов и метелей.
Аварийные остановки агрегатов из-за обмерзания входной части компрессора приводят к нарушению работы станции, уменьшают подачу товарного газа и отрицательно сказываются на работоспособности отдельных узлов и деталей ГТУ.
Помпаж осевого компрессора при обледенении входной кромки осевого компрессора может сопровождаться мощным хлопком и выбросом воздуха во всасывающий тракт агрегата. Следует отметить, что помпаж здесь наступает прежде всего в результате внезапного возмущения потока воздуха в момент отрыва кусков льда или налипшего снега со стенок конфузора или направляющих лопаток компрессора. В момент отрыва кусков льда с направляющего аппарата компрессора, возросшая при обледенении в межлопаточных каналах осевая составляющая скорости резко падает, вследствие быстрого увеличения проходного сечения решетки и лопатки как бы не успевают «подхватить» поток воздуха, что вызывает нарушение целостности потока и увеличение местных сопротивлений и, как следствие этого, выброс остатков льда во всасывающий патрубок.
Помпаж центробежного нагнетателя сопровождается теми же внешними признаками, что и помпаж осевого компрессора: хлопки, сильная вибрация нагнетателя, периодические толчки, колебания частоты вращения и температуры газов ГТУ и т.д.
Причинами возникновения помпажа в нагнетателе являются: колебания давления в газопроводе, неправильная или несвоевременная перестановка кранов в трубной обвязке нагнетателя, снижение частоты вращения нагнетателя ниже допустимой, попадание посторонних предметов на защитную решетку нагнетателя и ее обледенение и т. д.
В настоящее время существует достаточно много противопомпажных автоматических систем, позволяющих не допустить попадание нагнетателя в зону помпажа и сигнализирующих о приближении рабочей точки к границе помпажа. Наиболее распространенные системы основаны на сопоставлении величины расхода газа с создаваемым нагнетателем напором с последующим воздействием на перепускной кран. Специальный регулятор, рассчитывая расстояние рабочей точки от границы помпажа, воздействует на перепускной клапан и перепускает часть газа с выхода нагнетателя на вход, чем и осуществляется устойчивость режима работы нагнетателя [11].