Центробежные компрессоры. 
Теплотехника и энергосиловое оборудование промышленных предприятий

Общие сведения и параметры компрессоров. Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов.

По назначению компрессоры подразделяются на воздушные и газовые (кислородные) машины. Наибольшее распространение получили воздушные компрессоры, или компрессоры общего назначения. Эти машины вырабатывают сжатый воздух давлением до 5,0 МПа, который широко применяется в промышленности. Например, в металлургии сжатый воздух используется для дутья в доменных и мартеновских печах, вагранках, нагревательных и термических печах, в энергетике — для нагнетания в топки котлов и камеры сгорания ГТУ и ДВС.

Сжатый воздух как энергоноситель используется для привода различных пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, обрубных молотов, патронов для зажима деталей в станках, пневмоподъемников и т. д.

Воздух широко используется для транспортирования и перемешивания сыпучих материалов, сепарации пыли и для многих других процессов.

Рост сети газопроводов и увеличение их протяженности способствовали развитию газовых компрессоров на высокие давления — до 40 МПа и выше. Для доставки природного газа в пункт потребления через каждые 100… 150 км газопроводов необходимо устанавливать компрессорные станции, перекачивающие до нескольких миллионов кубометров газа в сутки.

По принципу действия различают поршневые (объемные) компрессоры и турбокомпрессоры.

В поршневых машинах повышение давления происходит изза уменьшения объема замкнутого пространства, в котором находится газ, за счет перемещения стенки (например поршня в цилиндре). При сжатии газ практически неподвижен, силы инерции в нем не проявляются (статическое сжатие). Характерной особенностью этих машин является периодичность рабочего процесса.

В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие использования сил инерции потока газа. Преобразование энергии в таких машинах можно условно разделить на два этапа: на первом этапе газу сообщается кинетическая энергия (например вращающимся лопаточным аппаратом), а на втором — поток газа тормозится и его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Оба этапа могут совершаться одновременно. Характерной особенностью этих машин является непрерывность рабочего процесса.

Следует заметить, что получение сжатых газов является весьма энергоемким производством. Например, на многих машиностроительных заводах для привода компрессоров расходуется около 30% общих затрат энергии, а на предприятиях горнорудной промышленности еще больше.

Конструктивная схема центробежного компрессора представлена на рис. 7.52, а. Можно сказать, что центробежный компрессор действует аналогично центробежному насосу.

Отметим, что компрессорная машина представляет собой открытую термодинамическую систему, и теория этой машины, с достаточно приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа. При этом погрешность составляет 2…3%.

Реальный компрессорный процесс сжатия считается политропным. Работу политропного сжатия идеального газа /_к (без учета потерь на трение) можно определить по уравнению (1.19) (см. гл. 1).

Рис. 7.52. Трехступенчатый центробежный компрессор:

а — общий вид; 6 — часть рабочего колеса с лопаточным диффузором; 1 — вал; 2 — диффузор; 3 — неподвижные направляющие лопатки; 4 — лабиринтовые уплотнения; 5 — концевые уплотнения; 6 — рабочее колесо; 7 — рабочие лопатки; 8 — корпус компрессора Очевидно, что работа /_к, совершаемая над потоком в реальном компрессоре, расходуется на сжатие и перемещение газа, изменение его кинетической энергии и на внутренние потери.

При наличии потерь в зависимости от интенсивности внешнего охлаждения процесс сжатия в компрессоре может протекать с показателем политропы п = 1,2… 1,7, меньшим или большим показателем адиабаты.

К основным параметрам компрессора относятся подача, конечное давление, мощность на валу и КПД (относительный), так как совершенство компрессорного процесса оценивают при помощи относительных термодинамических КПД — изотермического г|_из и изоэнтропного ц_а.

Если действительный политропный процесс в компрессоре происходит с показателем п при удельной энергии L, то изотермический и изоэнтропный КПД определяют по формулам.

где L_m и Ь_я — удельные энергии изотермического и изоэнтропного процессов.

Центробежные и осевые компрессоры (с неинтенсивным охлаждением) оцениваются при помощи изоэнтропного КПД ц_а. Это объясняется тем, что для компрессоров этого типа изоэнтропный процесс является эталонным и наиболее совершенным.

Подачей называется количество газа (воздуха), подаваемого компрессором в единицу времени. Различают массовую т (кг/с) и объемную Со (м³/^с) подачу. В характеристиках машины обычно указывается объемная подача, отнесенная к условиям всасывания либо к нормальным условиям по ГОСТ 2939–63 (/_н = 20 °C, р" = 101,325 кПа). Давление р, развиваемое компрессором, можно рассматривать как энергию, сообщаемую одному кубическому метру газа (1 Дж/м³ = 1 Н • м/м³ = 1 Па).

Мощность на валу центробежного компрессора для одной ступени.

где р — плотность газа (воздуха), кг/м³; Q₀ — объемная подача, м³/с; L_a — удельная энергия изоэнтропного процесса сжатия, Дж/кг; ц_а — относительный изоэнтропный КПД, равный 0,8…0,9; г)_мсх — механический КПД, равный 0,96…0,98.

Мощность многоступенчатого компрессора представляет собой сумму мощностей отдельных ступеней.

Характеристиками центробежных компрессоров называются графически изображенные зависимости р =f (Qo), N_B = /2(60) и Ик = MQo) — Наиболее важной из них является зависимость между давлением (удельной работой) и подачей р = f (Q₀) —

На рис. 7.53 представлены размерные характеристики центробежного компрессора К-5500−42−1 при следующих начальных условиях: Т" = 293 К, Г₀ = 298 К, р" = 0,1 МПа; ДN_MCX = 50 кВт при п = 3000 об/мин, /и" = 166,6 кг/с. На кривых давления и мощности указаны соответствующие частоты вращения. На графике показаны также линии равных КПД (ti"₃).

Характеристики компрессоров имеют особенности, обусловленные сжимаемостью газа (воздуха). Важнейшей из них является граница помпажа, при котором подача машины уменьшается до нуля, а затем резко переходит в рабочий режим. Явление помпажа вызывает сильную вибрацию установки и связанных с ней напорных патрубков, что может вызвать выход машины из строя. Для предотвращения помпажа применяют противопомпажные клапаны, устанавливаемые на нагнетательном трубопроводе непосредственно за компрессором. При достижении давления, близкого к.

Рис. 7.53. Характеристики компрессора К-5500−42−1 при различной частоте вращения.

максимальному, клапан открывается и выпускает газ наружу или перепускает его на вход машины, не позволяя тем самым снизить подачу Gmin;

Размерные характеристики компрессора справедливы только для определенной температуры газа на входе в компрессор. В зимних условиях компрессоры могут иметь ббльший массовый расход газа т, чем летом, при одинаковых степенях повышения давления Zp, так как плотность газа с понижением температуры повышается.

Конструкции центробежных компрессоров. Центробежные компрессоры предназначены для сжатия и транспортирования природного газа, а также для обеспечения работы агломерационных машин и сталеплавильных конвертеров, коксохимического производства, доменных печей, воздухоразделительных установок, холодильных машин и др.

Рис. 7.54. Схема трехсекционного шестиступенчатого центробежного компрессора:

1 — компрессор; 2 — редуктор; 3 — привод; 4 — охладитель II секции; 5 — охладитель I секции Центробежные компрессоры выполняются с большим разнообразием схем и конструкций проточной части, отдельных узлов и деталей. Их изготовляют одноступенчатыми и многоступенчатыми. Повышение давления, создаваемого одной ступенью центробежного компрессора, ограничивается аэродинамической прочностью рабочего колеса. Поэтому для достижения требуемого конечного давления применяются многоступенчатые компрессоры. В современных центробежных компрессорах в зависимости от требуемого конечного давления в одном корпусе размещают 6… 8 ступеней. Многоступенчатые центробежные компрессоры могут иметь промежуточные теплообменники (охладители). После сжатия в секции, состоящей из 1…3 неохлаждаемых ступеней, газ охлаждается в теплообменнике (рис. 7.54).

Центробежные компрессоры общего назначения выпускаются с подачей 1,66; 4,166 и 8,33 м³/с, для кислородных блоков — 15 м³/с и выше, для доменных печей — от 50 до 200 м³/с. В отдельных случаях производят машины с малой подачей 1,0… 1,5 м³/с (компрессоры для нефтехимии и др.). Компрессоры с подачей более 50 м³/с имеют в основном паротурбинный привод.

Компрессоры со средней и высокой подачей большей частью выпускаются с разъемом корпуса в горизонтальной плоскости по аналогии с современными паровыми турбинами. Диффузоры и обратные направляющие аппараты составляют одно целое с корпусом или же, что встречается чаще, размещаются на диафрагмах, плотно вставленных в корпус. Диафрагмы также имеют разъем в горизонтальной плоскости.

Все центробежные компрессоры, как правило, многоступенчатые. Охлаждение корпуса компрессора улучшает его энергети;

Рис. 7.55. Воздушный компрессор К-250−61−1:

I — рабочее колесо I секции; 2 — диффузор канального типа первого колеса;

3 — рабочее колесо II секции; 4 — рабочее колесо III секции; 5 — думмис ческие характеристики, но усложняет конструкцию корпуса, поэтому примеры таких машин единичны.

На рис. 7.55 представлен разрез широко распространенного в промышленности воздушного компрессора К-250−61−1. Компрессор шестиступенчатый, трехсекционный, имеет корпус с горизонтальным разъемом. Все подводящие и отводящие патрубки отлиты как одно целое с нижней половиной корпуса. Диффузоры компрессора канального типа имеют горизонтальный разъем и плотно вставлены в корпус. Привод компрессора электрический и соединен с компрессором через повышающий редуктор.

На рис. 7.56 дан продольный разрез четырехступенчатого компрессора типа К-3250−41−2, применяемого в доменном процессе. Подача такого компрессора Q= 2840…3250 м³/ч при конечном давлении р = 0,36… 0,42 МПа. Привод компрессора происходит от паровой турбины AKB-12-FV с частотой вращения 2500…3400 об/мин. Охлаждение производится выносным охладителем между второй и третьей ступенями.

Регулирование подачи компрессора. Регулирование параметров компрессора производят следующими способами: изменением частоты вращения вала, закруткой потока перед рабочим колесом и дросселированием потока на всасывании или нагне;

Рис. 7.56. Доменный компрессор К-3250−41−2:

1 — рабочее колесо I ступени; 2 — рабочее колесо II ступени; 3 — патрубок отвода газов в промежуточный холодильник; 4 — рабочее колесо III ступени; 5 — рабочее колесо IV ступени танин. Приводным двигателем мощных компрессоров (мощностью более 3 МВт) является паровая или газовая турбина, и изменение частоты вращения достигается здесь без особых затруднений регулированием турбины.

Регулирование закруткой потока перед рабочим колесом осуществляется с помощью специального лопастного аппарата (рис. 7.57). При радиальном входе потока на колесо окружная составляющая абсолютной скорости с_1и = 0. При повороте лопатки изменяется угол входа потока на колесо (а! = var), что влечет за собой появление составляющей c_lu = var и связанное с ней изменение характеристики машины:

вызванное дополнительными потерями напора (uCJg). Такое регулирование достаточно эффективно, хотя и усложняет конструкцию машины.

Регулирование дросселированием потока — весьма простой, но самый неэкономичный способ изменения параметров. Дроссель (задвижку, шибер) устанавливают за компрессором или перед ним на различных расстояниях. Если дроссель находится на значительном расстоянии от компрессора, то его следует считать элементом сети, а изменение параметров машины — результатом работы ее на сеть с более крутой характеристикой. Падение давления на дросселе вызывает потери мощности, снижая экономичность работы машины.

Рис. 7.57. Поворотный лопастный аппарат для закручивания потока перед рабочим колесом при регулировании центробежного компрессора.

Если дроссель находится вблизи машины, то его можно рассматривать либо как элемент сети, либо как элемент машины, влияющей на кинематику потока. В последнем случае изменение параметров будет являться результатом повышения гидравлических потерь в машине. Для обоих случаев характерны дополнительные потери энергии.

Заводы—изготовители центробежных компрессоров не придерживаются единой маркировки. Как правило, буквой К обозначается компрессор с промежуточным охлаждением, первая цифра означает расчетную подачу (м³/мин), следующие цифры означают число ступеней, тип проточной части и особенность конструкции газоохладителя. Например, маркировка воздушного компрессора К-250−61−1 означает компрессор с подачей 250 м³/мин, с числом ступеней 6, типом проточной части 1 и типом охладителя 1.