Использование принципов проектирования для поиска и устранения неисправностей компрессоров

Давайте проведем урок проектирования. Этот раздел даст вам некоторое представление о взаимосвязях и зачастую компромиссах, которые управляют процессом проектирования. Впоследствии вы сможете применять эти взаимосвязи для отыскания источника проблем с компрессором.

Понимание основных взаимосвязей при проектировании

 Перед тем как окунуться в мир инженерии, необходимо понять несколько важных физических взаимосвязей.

Законы идеального газа

В ходе процесса сжатия необходимо рассчитывать и контролировать три величины: давление, объем и температуру. Эти три характеристики газа тесно связаны друг с другом. Если одна из них остается постоянной, две других будут находиться в прямой или обратной зависимости. Законы идеального газа представлены далее.

• Закон Бойля — Мариотта гласит, что когда температура постоянна, а объем уменьшается, давление будет расти.
• Закон Шарля гласит, что когда объем постоянен, а температура возрастает, давление также будет расти.
• Закон Гей-Люссака гласит, когда давление постоянно, а температура возрастает, объем также будет увеличиваться.

Определение стандартного кубического фута Когда мы измеряем объем газа в компрессоре, мы должны использовать стандарт, который будет применяться при любом атмосферном давлении. Атмосферное давление воздуха на пляже в г. Галвестон, штат Техас, будет значительно выше, чем во время снежной бури в г. Денвер, штат Колорадо. Частично разница может быть объяснена относительной высотой обоих мест над уровнем моря. Оставшаяся разница относится к относительной температуре. Можно с уверенностью сказать, что на пляже будет немного теплее.

Несколько сотен лет назад стандартный кубический фут был определен в качестве стандарта для измерения объема газа. Изложенные далее условия близки к условиям на пляже в г. Галвестон зимой. Если мы сидим на пляже и температура окружающего воздуха составляет 60°F, мы, скорее всего, не пойдем купаться. Так что можно заняться делом. При таких условиях температуры и давления, если мы поместим на пляж открытую коробку объемом в один кубический фут, а затем закроем крышку — в коробке окажется стандартный кубический фут воздуха. По определению, для образования стандартного кубического фута необходимы следующие условия: температура окружающей среды 60°F и атмосферное давление 14,7 фунта/кв. дюйм.

Сравнение фактического и стандартного кубического фута

Итак, мы отдохнули на пляже, теперь давайте поговорим о реальных окружающих условиях. Если мы возьмем нашу коробку с «пляжным» воздухом и нажмем на ее крышку так, чтобы она сдвинулась внутрь коробки на половину ее высоты, не давая воздуху выйти наружу, объем воздуха в коробке будет составлять 1/2 фактического кубического фута. Однако в стандартных кубических футах объем воздуха в коробке по-прежнему будет равен 1 стандартному кубическому футу. Разница в том, что теперь тот же газ занимает половину прежнего фактического объема, а давление и температура увеличились. Фактический кубический фут будет равен стандартному кубическому футу для газа только тогда, когда окружающие условия будут составлять 60°F и 14,7 фунта/кв. дюйм.

Почему важно знать температуру и давление газа на каждой ступени

Если мы объединим законы идеального газа и идею стандартного кубического фута, мы сможем вычислить температуру, давление и объем газа, проходящего через компрессор, без необходимости сидеть на пляже и нажимать на коробку. Хотя поездка на пляж и звучит привлекательно, мы сможем сэкономить много времени и денег, вычислив то, как будет работать компрессор, прежде чем собрать его.

Пример проектирования компрессора

В этом примере разобраны типовые шаги процесса проектирования компрессора. Если вы знаете, как спроектирован агрегат для достижения желаемых выходных характеристик, вы сможете выяснить, почему он больше не обеспечивает нужных характеристик после ввода в эксплуатацию.

Шаг 1. Определение общего отношения давлений

Мы начинаем процесс проектирования с расчета общего отношения давлений, исходя из значений давления впуска и давления нагнетания для нашей системы. Предположим, что давление впуска по манометру равно 100 фунтам/кв. дюйм, и мы хотим, чтобы итоговое давление нагнетания по манометру составляло 1000 фунтов/кв. дюйм. Очевидный ответ: разделить 1000 на 100 и объявить, что общее отношение давлений равно 10. Это неверно. Не забывайте, что приведенные значения являются значениями манометрического давления. Мы должны использовать абсолютное давление. Это означает, что к манометрическому давлению нужно прибавить атмосферное давление (14,7 фунта/кв. дюйм на уровне моря; скорректируйте для своего местоположения). После поправки на атмосферное давление и деления конечного давления на давление впуска мы получаем общее отношение давлений 8,84.

На практике общие отношения давлений являются достаточно стандартными. На установках по сбору газа отношения давлений ограничиваются диапазоном от 2,4 до 4,0 на ступень. Установки компримированного природного газа (КПГ) работают с давлением от 5 фунтов/кв. дюйм до 4600 фунтов/кв. дюйм. При транспортировке газа по трубопроводам, наоборот, используются очень малые отношения давлений: от 1,05 до 1,2 на одноступенчатой установке. Независимо от области применения, расчет общего отношения давлений является первым шагом в процессе проектирования.

Шаг 2. Определения количества ступеней в установке

Есть много факторов, ограничивающих максимальное отношение давлений, которое может обеспечить одна ступень. Наиболее важными, вероятно, являются нагрузка на шток и температура газа. К причинам ограничения количества ступеней относятся максимизация эффективности привода (требуемые размер/мощность приводного механизма) и минимизация стоимости периферийного оборудования (промежуточные охладители, сепараторы, оборудование для контроля и управления и т. д.).

Давайте продолжим рассматривать наш пример из предыдущего шага. Мы вычислили, что общее отношение давлений составляет 8,84. Учитывая ограничения на объем и температуру используемой нами газовой смеси, нам понадобится многоступенчатая установка. Поэтому нам нужно вычислить отношение давлений для каждой ступени. Если используется двухступенчатая система, необходимо извлечь квадратный корень из общего отношения давлений. Квадратный корень из 8,84 составляет 2,97. Для трехступенчатой установки необходимо извлечь кубический корень из 8,84, который равен 2,06. Чтобы вычислить отношение давлений для произвольного количества ступеней, необходимо извлечь корень n-ой степени из общего отношения давлений, где n — количество ступеней.

В нашем случае отношение давлений в 2,97 для каждой ступени находится в пределах расчетных ограничений. Хотя наша двухступенчатая система, вероятно, будет иметь такое же количество цилиндров, что и трехступенчатая система, используя двухступенчатую установку, мы устраняем целый комплект промежуточных охладителей, сепараторов и контуров управления. Если бы нашей основной задачей было снижение температуры, трехступенчатая установка обеспечила бы более низкие рабочие температуры (и меньшие нагрузки на шток), но стоимость приобретения и эксплуатации такой установки была бы выше.

Шаг 3. Вычисление температуры газа

Поддержание постоянной температуры во всей установке имеет решающее значение для обеспечения сбалансированной работы. Когда мы вычисляли общее отношение давлений установки, мы пользовались абсолютным давлением. Чтобы точно измерить температурные характеристики, мы должны использовать абсолютную температуру. Шкала Фаренгейта обычно используется для измерения температуры в помещении. Однако абсолютная температура измеряется по шкале Ранкина. Температура по Ранкину высчитывается путем прибавления 460 к температуре по Фаренгейту. Эта шкала используется, потому что все уравнения проектирования и газовых законов зависят от температуры, измеряемой в абсолютной шкале.

Теперь найдем температуру всасывания для каждой ступени. Для вычисления различных характеристик нагнетания используются температура всасывания и отношения давлений для каждой ступени вместе со значением n газа. Значение n — это числовая постоянная, характерная для каждой газовой смеси. Перечень этих постоянных приведен в большинстве технических справочников. Значение n представляет отношение удельных теплоемкостей газа. Это отношение помогает описать объем газа при разных температурах и давлениях. Возможность рассчитать объем нагнетаемого газа в ступени компрессора имеет решающее значение при подборе характеристик цилиндров для следующей ступени. Если неизвестен объем входящего газа, который необходимо сжать, невозможно определить размер цилиндра для ступени.

Шаг 4. Определение мощности компрессора и типоразмеров станины

К этому моменту в процессе проектирования мы уже приняли несколько важных решений. Общее отношение давлений составляет 8,84, что соответствует изменению давления на входе в 100 фунтов/кв. дюйм до желаемого давления нагнетания в 1000 фунтов/кв. дюйм. Мы будем использовать двухступенчатую установку с отношением давлений 2,94 на каждой ступени. Этой информации достаточно для расчета требований к мощности приводного механизма. Определив характеристики приводного механизма, можно будет выбрать станину для компрессорной установки.

Шаг 5. Определение требуемого расхода

Расход иногда выражается в количестве кубических футов, которое может сжать установка за сутки. Что действительно подразумевается под ежедневным расходом? Давайте вернемся на наш солнечный пляж в Галвестоне. Предположим, у нас есть гигантский воздушный шар, вмещающий 1,25 млн куб. фута газа. Хорошо, давайте притворимся, что он не загораживает нам солнце, и продолжим. Если мы подключим компрессор к этому шару и включим компрессор, время, которое потребуется компрессору, чтобы сдуть шар, покажет его расход. Если компрессор сдувает шар в течение 24 часов, расход компрессора составит 1,25 млн куб. фута в сутки. Если же он сдувает шар за 12 часов, расход компрессора составит 2,5 млн куб. фута в сутки.

Спецификация большинства компрессоров указывается в стандартных кубических футах в минуту, а не в сутки. Отсюда и распространенная аббревиатура — SCFM. Если необходимо перевести ежедневный расход в ежеминутный, просто разделите величину на 1440 (60 минут в каждом часе, умноженных на 24 часа в сутках).

Размеры отверстий компрессора измеряются не в футах, а в дюймах. Поэтому перед тем как найти объем газа на выходе, нам также необходимо перевести количество кубических дюймов в отверстии в кубические футы. Это число укажет, какой приблизительный объем газа подается поршнем за один ход. Умножая этот объем на число оборотов в минуту коленчатого вала, можно определить мощность цилиндра в минуту. Для цилиндров двухстороннего действия необходимо сложить рабочий объем со стороны вала с рабочим объемом с внешней стороны. После этого необходимо умножить полученное число на число оборотов в минуту, чтобы определить выработку цилиндра в минуту.

Шаг 6. Вычисление объема газа, перемещаемого поршнем за полный ход

Вычислить расход цилиндра оказалось довольно легко, да? В жизни все сложнее. Вследствие нескольких факторов рабочий объем цилиндра никогда не совпадает с объемом, который поршень перемещает за один ход. Поршень никогда не достигает конца отверстия цилиндра. Этот зазор уменьшает выходной объем цилиндра, поскольку не весь объем газа покидает цилиндр. Еще одним фактором, снижающим эффективность, является расстояние, на которое поршень должен втянуться в цилиндр, прежде чем всасывающий клапан откроется, впуская дополнительный объем газа для следующего такта сжатия. Эти факторы вместе с несколькими другими менее важными факторами в совокупности образуют показатель, называемый объемным КПД. Чтобы вычислить фактический выходной объем, необходимо применить значение объемного КПД цилиндра к идеальному выходному объему.

В нашем примере, чтобы получить желаемое давление в 100 фунтов/кв. дюйм, мы должны использовать расход в 115,53 фактического куб. фута в минуту для поправки на давление на уровне моря и температуру в 80°F (более реалистичная средняя температура для Галвестона). Объемный КПД дополнительно снижает расход, поэтому необходимое окончательное значение объема газа, который перемещает поршень за полный ход, составляет 144,4 куб. фута в минуту. Теперь можно подобрать станину JGA из справочника данных компрессоров Ariel, где приведена вся эта информация. Предположим, что наш расход будет достигаться при частоте вращения привода 1800 об/мин. Вы заметите, что в справочнике указан рабочий объем с внешней стороны и со стороны вала. Это просто диаметр поршня, умноженный на длину хода. Сложите эти два рабочих объема и найдите в приведенных таблицах требуемый объем, перемещаемый поршнем за полный ход: 144 куб. футов в минуту.

Шаг 7. Подбор характеристик для второй ступени

Мы рассчитали характеристики цилиндра первой ступени, зная объем газа, который необходимо сжать. Прежде чем можно будет подобрать характеристики второй (или любой другой) ступени, нам нужно вычислить объем газа, выходящего из предыдущей ступени. Благодаря нашим законам идеального газа, мы можем определить объем газа, выходящего из первой ступени, через давление газа. А давление мы знаем. Мы можем определить давление, умножив давление на входе первой ступени на отношение давлений первой ступени. Поскольку наше отношение давлений для обеих ступеней составляет 2,97, а давление на входе равно 114,7 фунта/кв. дюйм (не забудьте прибавить 14,7 фунта/кв. дюйм атмосферного давления к 100 фунтам/кв. дюйм манометрического давления), наше выходное давление будет составлять 340,6 фунта/кв. дюйм.

Чтобы перепроверить наше окончательное давление на выходе из второй ступени, умножим отношение давлений для второй ступени, равное 2,97, на давление на входе, равное 340,6 фунта/кв. дюйм. Это даст нам окончательное давление на выходе в 1011,5 фунта/кв. дюйм. Это достаточно близко к нашему желаемому давлению в 1014,7 фунта/кв. дюйм. Теперь мы используем нашу формулу закона идеального газа, чтобы вычислить объем (расход) газа на входе второй ступени. Значение фактического расхода составит 41,78 куб. фута в минуту. Если мы применим поправочные коэффициенты, включая объемный КПД, мы получим входной объем, равный 52,2. Затем по справочнику данных компрессоров Ariel мы сможем найти надлежащий объем, перемещаемый поршнем за полный ход, для этого входного объема. В нашем случае нам потребуется использовать станину JGA/2 с длиной хода 6-1/8 дюйма с внешней стороны и 3-3/8 дюйма со стороны вала. Тем самым мы определили характеристики компрессора в соответствии с техническими требованиями.

Использование принципов проектирования для поиска проблемы

В этом сценарии мы рассмотрим проблемную двухступенчатую компрессорную установку. Исходное давление на выходе второй ступени составляло 360 фунтов/кв. дюйм. Оно упало до 300 фунтов/кв. дюйм. На первой ступени давление и температура на выходе возросли. Это могло произойти в течение нескольких недель, но если бы процесс был достаточно медленным и вы бы не записывали уровни на выходе, проблема осталась бы незамеченной. Значения давления подсказывают, где нужно искать проблему, поскольку когда возникает неисправность цилиндра компрессора, он начинает перемещать меньше газа. В многоступенчатой установке проблема обычно будет локализована только в той ступени, где возрастает давление на выходе. Ступени, расположенные между проблемной ступенью и конечным выходом, будут иметь чистое снижение давления. В нашем случае проблема, скорее всего, находится в первой ступени, поскольку ее давление на выходе увеличилось, но при этом давление на второй ступени упало.

В одноступенчатых установках или установках с небольшим изменением давления вам придется полагаться исключительно на температуру, чтобы найти проблемную ступень или область. В нашем сценарии на выходе первой ступени возросло как давление, так и температура. Поскольку температура и давление возросли, а общее отношение давлений упало, в установке имеет место утечка нагнетательного клапана. Когда поршень втягивается, чтобы впустить новую порцию входного газа, горячий выпускной газ также проникает в цилиндр. Это объясняет повышенные температуру и давление на выходе первой ступени. Давление на выходе второй ступени стало ниже, так как часть объема на входе в первую ступень теряется из-за утечки клапана.

Понимая процесс проектирования, в котором отношение давлений на всех этапах стремиться быть одинаковым, вы можете без труда вычислить отношение давлений каждой ступени, зная общее отношение давлений. Разделите окончательное давление на выходе на давление на входе. Так вы найдете общее отношение давлений. Затем извлеките корень n-ой степени из общего отношения давлений, где n — количество ступеней. После этого умножьте давление на входе (с поправкой на атмосферное давление) на отношение давлений первой ступени. Используя это значение в качестве приблизительного давления на выходе, продолжайте использовать этот метод для определения давлений на входе и выходе для каждой ступени. Теперь можно использовать манометрическое давление, чтобы найти проблемную ступень. Температура также может указывать на проблему. Возможно, в качестве единственного средства поиска неисправностей для установок слабого сжатия или одноступенчатых установок придется использовать температуру.