Содержание с. Исходные данные 3 1. Определение наиболее эффективного способа регулирования компрессора по экономическим показателям 4 1.1 Регулирование дросселированием на всасывании 1.2 Регулирование изменением частоты вращения 7 1.3 Регулирование подсоединением дополнительного мертвого пространства 9 1.4 Регулирование производительности отжимом пластин клапанов 10 1.5 Регулирование байпасированием 11 1.6 Анализ способов регулирования 11 2. Определение количества ступеней компрессора 12 3. Построение функциональной схемы компрессорной станции 14 Список литературы 19 Изм. Лист № докум. Реценз. Н. Контр. Утверд. Дата Лит. Разраб. Провер. Подпись Козин Лист Листов 2 1 СумГУ Исходные данные 1) сжимаемая среда – воздух; 2) Объемная производительность компрессора по условиям ì3 всасывания Vâñ 100 . ÷ 3) Давление всасывания ðí 1áàð . 4) Давление нагнетания ðê 5 áàð . 5) Температура всасывания tí 10 Ñ . 6) Глубина регулирования 0,9 . 7) Температура вспышки масла tâñï 220 Ñ . 8) Частота вращения вала компрессора n 1000 îá . ì èí Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 3 1. Определение наиболее эффективного способа регулирования компрессора по экономическим показателям 1.1 Регулирование дросселированием на всасывании Если во всасывающий тракт компрессора вводить дополнительное сопротивление, то компрессор уменьшает подачу. Пусть 1-2-3-4 – индикаторная диаграмма без регулирующего сопротивления во всасывающей трубе (рис. 1.1). сопротивление, Введем понижающее регулирующее давление всасывания от ð1 до ð1 ðåã . При этом процесс расширения представится линией 3-4' и линия всасывания будет 4'-1'. Из диаграммы видно, что всасываемый объем уменьшается от V1 до V1 ðåã , а объем подачи от V2 до V2 ðåã . Соответственно изменяется и подача компрессора. Схема автоматического регулирования такого типа показана на рис 1.2. Если расход из баллона 1 в сеть уменьшается, то при данной подаче компрессора 5 давление в баллоне 1 возрастает и, передаваясь по трубке 2 в полость поршневого механизма 3, воздействует на поршень, который, сжимая пружину, прикрывает дросселирующую заслонку 4; подача в компрессор уменьшается, сравниваясь с расходом из баллона. Регулирующее устройство может быть настроено из требующейся подачи натяжением пружины поршневого механизма 3. Благодаря простоте и автоматичности действия этот способ реагирования широко применяется при высоких степенях сжатия, но энергетическая эффективность его невысока. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 4 При нулевой производительности, достигаемой при полном перекрытии всасывающей линии, кривые расширения и сжатия почти сливаются (рис VI. 2, 3 рисунок). Индикаторная мощность не превышает 2-3% номинальной. При регулировании частичным перекрытием всасывания дросселирующие устройства выполняют в виде клапана, шибера или задвижки и располагают перед всасывающим патрубком компрессора. Уменьшая проходное сечение дросселя, повышают его сопротивление и, следовательно, снижают давление газа, поступающего в цилиндр. Чем глубже дросселирование, тем больше работы требуется для сжатия газа. Индикаторная работа при низком отношении давлений тоже возрастает, при высоком – снижается. Исследование показало, что при мертвом пространстве а = 10% максимуму индикаторной работы при адиабатическом сжатии и расширении соответствует е = 2,69. Мертвое пространство повышает экономичность регулирования, и тем значительнее, чем больше снижается производительность. многоступенчатых При компрессоров регулировании производительности дросселированием на всасывании промежуточные давления снижаются, а отношения давлений сохраняют свою величину на всех ступенях, кроме последней, где они увеличиваются обратно пропорционально производительности. С ростом отношения давлений повышается температура нагнетания последней ступени, которая может стать недопустимо высокой. При этом ухудшаются условия смазки, повышается износ движущихся в цилиндре частей. В случае сжатия воздуха возможен взрыв компрессорной установки. Пределы регулирования могут быть расширены, если при номинальной производительности предусмотреть в тоследней ступени пониженное отношение давлений. Регулирование дросселированием, обеспечивая плавное изменение производительности, конструктивно выполняется весьма просто – в этом его преимущество. Но по расходу энергии оно не экономично. Тем не менее, благодаря ~гостоте конструкции его широко применяют в компрессорах средней и большой производительности. При дросселировании в I ступени возникает вакуум и Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 5 возможен подсос воздуха, что следует учитывать в случае газовых компрессоров. Способ регулирования не экономичен при 0,7 , может возникнуть аварийный режим работы. Следовательно, при регулировании компрессора дросселированием увеличивается удельная следовательно, индикаторная экономичность работа компрессора и работа ухудшается. трения, Способ регулирования не является экономичным. Кроме того, может происходить подсасывание воздуха с маслом – гидроудар и авария компрессора. Работа, совершаемая компрессором при сжатии ê 1 1,41 5 1,4 k ðí ðê ê 1,4 10 5 êÄæ lk 1 1 166,3 , 3 1,4 1 1,23 10 1 k 1 í ðí êã где k - показатель адиабаты сжимаемого газа; k 1,4 – для воздуха; í - плотность сжимаемого газа на всасывании. Плотность сжимаемого газа на всасывании í где R 8314 ðí 105 êã 1,23 3 , R Tí 287 283 ì 8314 Äæ - газовая постоянная рабочего тела; 287 29 êã Ê Tí tí 273 10 273 283 K – абсолютная температура газа на всасывании. Приращение работы сжатия при дросселировании на всасывании: ð lê R Tí ê ðí ê 1 ê 1,41 êÄæ 5 1,4 . 1 0,287 283 1 0,9 12,9 êã 1 Общая работа сжатия: lê/ lê lê 166,3 12,9 179,2 êÄæ . êã Показатель регулирования Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 6 lê/ 179,2 1,08 . lê 166,3 1.2 Регулирование изменением частоты вращения Рисунок 1.3 – Характеристики поршневого, работающего при различной частоте вращения Регулирование специальных Понижение изменением регулирующих числа органов производительности оборотов в осуществляют конструкции многоступенчатого без компрессора. компрессора не вызывает перераспределения отношения давлений между ступенями и потому регулирование можно производить в широких пределах. Плавное и наиболее экономичное регулирование производительности изменением числа оборотов достигается в случае привода от паровой машины или двигателя внутреннего сгорания. Экономичность такого регулирования обусловлена тем, что работа механического трения. уменьшается почти пропорционально производительности. Кроме того, уменьшение числа оборотов вызывает снижение скоростей газа в клапанах и трубопроводах и, значит, межступенчатых потерь давления; индикаторная работа одного оборота уменьшается. Однако вследствие сниженного числа оборотов экономия в работе компрессора поглощается потерями в двигателе, но удельный расход энергии на 1 м3 газа остается приблизительно постоянным при любом числе оборотов. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 7 Линия сжатия – более плавная, увеличится количество тепла отводимого от газа и n . Уменьшаются газодинамические потери во всасывающем и нагнетательном клапанах. В целом КПД компрессорной установки при уменьшении частоты вращения остается неизменным, в виду снижения КПД двигателя. В рассматриваемом способе регулирования, КПД будет приблизительно постоянным, т.е. способ экономичный. Регулирование компрессоров уменьшением числа оборотов не требует усложнения конструкции компрессора (только двигателя - генератор постоянного тока, или частотный преобразователь). Массовый расход рабочего тела в компрессоре mk í Ví 1,23 100 / 3600 0,034 êã . ñ Мощность компрессора N ê mk lk 0,034 166,3 5,65 êÂò . Мощность компрессора при изотермическом сжатии p 5 Nèç mê R Tí ln ê 0,034 0,287 283 ln 4,5 êÂò . 1 pí Изотермический КПД компрессора: èç 4,5 0,795 . 5,65 Учитывая заданную глубину регулирования , определяем новое значение мощности изотермического сжатия mê/ mê 0,034 0,9 0,0306 êã ; ñ p 5 Nèç mê R Tí ln ê 0,0306 0,287 283 ln 4,05 êÂò . 1 pí Мощность трения: Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 8 Nò ð Nê Nèç/ 5,65 4,05 1,6 êÂò . Изотермический КПД компрессора после регулирования èç/ Nèç/ 4,05 0,717 . N ê 5,65 Сравнивая изотермические КПД компрессора до и после регулирования можно сказать, что при регулировании изменением частоты вращения вала компрессора его КПД практически не изменяется (немного уменьшается). Регулирование 1.3 подсоединением дополнительного мертвого пространства Рисунок 1.4 – Диаграмма с дополнительным мертвым объемом Основывается пространства, на том, что занимает газ, часть расширяющийся полезного объема, из мертвого уменьшает производительность. Уравнение Vâñ Vh VM 1/ n p 1 показывает, что каждая единица объема мертвого пространства вызывает потерю 1/ n p 1 единиц мертвого объема цилиндра. Чем больше мертвое пространство VM , тем меньше всасываемый объем Vâñ . На этом основано регулирование производительности компрессора путём присоединения к полости цилиндра дополнительных полостей Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 9 Мощность трения при регулировании Nò/ ð Nò ð 1,6 0,9 1,44 êÂò . Удельная мощность трения при регулировании / òð l N ò/ ð / ê m 1,44 êÄæ . 47 0,0306 êã lê/ lê lò/ ð 166,3 47 213,3 êÄæ . êã Показатель регулирования lê/ 213,3 1,28 . lê 166,3 1.4 Регулирование производительности отжимом пластин клапанов При регулировании производительности компрессоров отжатием клапанов, часть газа из полости вновь возвращается во всасывающий патрубок компрессора. Этим изменяется полезный объем цилиндра компрессора. Рисунок 1.5 – Индикаторные диаграммы ступени при регулировании отжимом клапанов 1 – при отжиме платин всасывающих клапанов на всем ходу поршня; 2 – при отжиме пластин нагнетательных клапанов на всем ходу поршня; 3 – при отсутствии отжима клапанов; 4 – при отжиме всасывающих клапанов на части хода поршня 1. При отжатии всасывающих клапанов весь газ вытесняется поршнем обратно во всасывающий патрубок, производительность компрессора будет равна нулю. На перемещение газа и преодоление механического трения Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 10 затрачивается около 20...25 % мощности компрессора на номинальном режиме. 2. При отжатии газа на части хода – клапан закрывается при углу поворота и начинается сжатие газа. Изменение угла можно плавно изменять производительность от номинальной до 0. При этом лишняя работа на всасывание и вытеснение части газа. Удельная работа возрастает в 1 раз. Способ отличается простотой регулирующих устройств. Приращение удельной работы при регулировании lu/ lò/ ð 47 0,9 42,3 êÄæ . êã Удельная работа компрессора при регулировании lê/ lu/ lê 42,3 166,3 208,6 êÄæ . êã Показатель регулирования lê/ 208,6 1,254 . lê 166,3 1.5 Регулирование байпасированием Часть сжатого газа после концевого холодильника пропускается по байпасу во всасывающий патрубок первой ступени. Индикаторная работа не уменьшается. Работа, затраченная на сжатие газа перепускаемого во всасывание полностью теряется – это неэкономично. Для уменьшенияпотерь энергии производят байпасирование только после первой ступени – давления перераспределяются, как и при регулировании присоединением дополнительных мертвых пространствах. 1.6 Анализ способов регулирования В этом разделе были рассмотрены следующие способы регулирования объемных компрессоров: – регулирование дросселированием на всасывании; Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 11 – регулирование изменением частоты вращения; – регулирование подсоединением дополнительного мертвого пространства; – регулирование производительности отжимом пластин клапанов. Анализируя рассмотренные способы регулирования с позиций энергозатрат на сжатие и перекачивание газа (по показателю регулирования ) можно сделать вывод следующие выводы: – наиболее эффективным способом регулирования является изменение частоты вращения вала компрессора, но его применение требует больших капитальных затрат; – для малых компрессоров также целесообразно применять метод регулирования «пуск-остановка», реализация которого достаточно проста; – наименее эффективен способ регулирования байпасированием, т.е. перепуском рабочего тела с нагнетания на всасывание, но его целесообразно применять для разгрузки компрессора в момент пуска. Также этот способ имеет наибольшую глубину регулирования 0 1. Такую же глубину регулирования можно получить при регулировании дросселированием на всасывании. 2. Определение количества ступеней компрессора Определим количество ступеней компрессора и количество теплоты, отводимой в промежуточных и концевых охладителях. Температура нагнетания газа при адиабатном сжатии в одноступенчатом компрессоре T2 s T1 k 1 k 1,41 1,4 283 5 449 K , где T1 Tí 283 K – абсолютная температура газа на всасывании; ðê 5 5 – степень повышения давления в ступени компрессора. ðí 1 Или t2 s T2 s 273 449 273 176 Ñ tâñï 220 Ñ , т.е. сжатие газа допустимо в одну ступень. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 12 Количество отведенного тепла в концевом охладителе Qî õë mk ñp T2 s T1 0,034 1 449 283 5,64 êÂò , где c p 1 êÄæ – удельная массовая изобарная теплоемкость сжимаемого êã Ê газа (воздуха). Массовый расход охлаждающей воды mw Qî õë 5,64 êã 0,067 , cw tw 4,19 20 ñ где tw 20 Ñ – нагрев воды в концевом охладителе; ñw 4,19 kÄæ – теплоемкость воды. êã Ê Мощность, потребляемая насосом NH где 1000 pw mw 4000 0,067 0,04 Âò , g H 9,81 1000 0,7 êã – плотность воды; H 0,7 – КПД насоса; pw 4 êÏ à – ì3 потери давления в концевом теплообменнике. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 13 3. Построение функциональной схемы компрессорной станции Функциональные схемы автоматизации компрессорной установки должны включать следующие подсистемы: контроль, сигнализация, блокировка и защита газового тракта, системы охлаждения газа, системы смазки и промывки механизма движения и уплотнений привода двигателя компрессора и электродвигателей вспомогательных дистанционное и автоматическое управление пуском и механизмов, остановкой, автоматическое регулирование давления газа и других параметров. 1. На функциональной схеме надо показать: технологическую функциональную схему компрессорной установки или ее систем, приборы, средства автоматизации и управления и связи между ними, необходимые пояснения к схеме. 2. Технологическая функциональная схема должна разъяснять устройство, принцип работы компрессорной установки и взаимодействия ее систем (газового тракта, системы охлаждения, смазки и т.д.). Схема должна включать ступени сжатия, газопроводы всасывающего и нагнетательного тракта, межступенчатые коммуникации, маслопроводы, водопроводы, вспомогательную аппаратуру и регулирующую арматуру. Схемы выполняют без соблюдения масштаба. Действительное пространственное расположение частей установки не учитывается. Графические обозначения элементов схем выполняют в соответствии с действующими стандартами. 3. Приборы, средства автоматизации и управления и связи между ними изображаются с помощью условных обозначений. Условное обозначение прибора, средства автоматизации или управления должно представлять собой построенное определенным образом сочетание букв латинского алфавита, заключенное в окружность и соединенное линией связи с соответствующим местом контроля, объектом регулирования или управления. В верхней части окружности наносят обозначения измеряемой величины и функционального признака прибора. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 14 Порядок расположения буквенных обозначений (слева направо) должен быть следующим: - обозначение основной измеряемой величины; - обозначение, уточняющее основную измеряемую величину; - обозначение функционального признака прибора. Дополнительные условные обозначения преобразователей сигналов и вычислительных устройств, расшифровывающие вид преобразователя или операции, выполняемые вычислительным устройством, наносятся справа от графического изображения прибора. В нижней части окружности наносят позиционное обозначение (цифровое или буквенное), служащее для нумерации комплекта измерений или регулирования по заказной спецификации. Приборы и средства автоматизации, расположенные на щитах, пультах и т.д., показывают в прямоугольниках. Приборы и средства автоматизации, которые расположены вне щитов и конструктивно не связаны с оборудованием и коммуникациями, условно показывают в прямоугольнике "Приборы местные". Прямоугольник располагают над прямоугольником щитов. В спецификации указывают номер позиционного обозначения, наименование контролируемого или регулируемого параметра, предельные значения параметра, место установки, наименование и характеристику прибора, тип, марку или модель прибора, класс точности, количество приборов, предприятие-изготовитель. Компрессорная станция включает в себя следующие основные элементы: – воздухосборник; – система трубопроводов; – фильтр-влагоотделитель; – ресивер; – маслоотделитель; – обратный клапан; – предохранительный клапан; Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 15 – промежуточные (при необходимости) и концевые холодильники; – запорная арматура. Из регулирующих устройств: – байпасный вентиль (используется при пуске компрессора); – регулятор давления (поддержание давления в ресивере). Контролируемые параметры: – расход газа по условиям всасывания; – давление газа по условиям всасывания; – температура газа по условиям всасывания; – давление нагнетания; – температура нагнетания (до и после холодильника). Покажем функциональную схему компрессорной станции с учетом приведенных элементов, измерительных приборов и регуляторов. Рисунок 3.1 – Функциональная схема автоматизации компрессорной станции Сжатый воздух поступает в пневмосеть. После прохождения обратного клапана проводят замер давления и температуры. Мелкие частицы стараются Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 16 отфильтровать при помощи фильтра. Там же производится замер расхода воздуха при помощи дифференциального манометра. Далее воздух поступает в компрессор, приводимый в движение при помощи электродвигателя, где сжимается до давления нагнетания. На двигателе установлены тахометр (для контроля частоты вращения) и магнитный пускатель. Далее производят измерения давления и температуры нагнетания. Сжатый воздух необходимо охладить, до нужных параметров, для этого используют концевые или промежуточные холодильники. Перед подачей сжимаемого газа в охладители производят отделение масла в маслоотделителе. При этом производится замер расхода воздуха при помощи дифференциального манометра. Также предусмотрен сброс сжатого воздуха в атмосферу, оборудованный вентилем с ручным управлением. Воздух поступает в ресивер, где производится замер давления. Ресивер оборудован сливом выпавшей жидкости и устройством для стравливания сжатого воздуха. На выходе из воздухосборника измеряется температура и расход сжатого воздуха путем измерения перепада давления на расширяющемся устройстве. Далее сжатый воздух поступает в пневмосеть и подается к потребителям. Включение оборудования в сеть производиться при помощи клавиши с ручным управлением, и сопровождается включение контрольной лампы (обычно зеленым цветом). Также в схеме КИП и А предусмотрена система поддержания давления в ресивере. Задающий сигнал – по давлению газа в ресивере, регулирующее воздействие – изменение частоты вращения вала электродвигателя. Спецификация к приведенной функциональной схеме показана в таблице 1. Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 17 Таблица 1. – Спецификация на КИП и А к функциональной схеме автоматики Номер позици и Тип прибора Марка 1 Барометр БАММ1 2 3 4а, 5а, 6а 5б 5в 7 8 9, 12 10 11, 14, 15, 16 13 Термометр ТТЖжидкостный М-1-(технический 50..+50) Дифманометр ДСП-71 сильфонный Термопара типа ТХКТХК 0179 БлочноА 682агрегатное 002 устройство Одноканальное контактное КС2 сигнализирующе е устройство Магнитный ПМЛ пускатель 1100 Тахометр ТЭ-6КТК Манометр МТИпоказывающий 1232 Датчик-реле ДД-0,25 давления Регулировочный 15Б816 вентиль с р электроприводом ДифманометрДМЭРрасходомер М Класс точност и Количеств о 1% 1 50 50 Ñ 1% 1 0 63 êÏ à 50 600 Ñ 1% 1 2% 3 – 0,5% 1 – 1,5% 1 – – 1 1% 1 Диапазон измерения 600 800 ì ì ðò . ñò . 0,1 6500 îá ì èí 0 1,6 Ì Ïà 1% 2 0 0,25 Ì Ïà 1% 1 – 4 1,5% 1 20 50 Ñ 0 1,6 Ì Ïà Лис т Изм. Лис т № докум. Подпись Дат а 18 Список литературы 1. Поршневые компрессоры: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Холодильные и компрессорные машины и установки" Б.С. Фотин, И.Б. Пирунов, И.К. Прилуцький, П.И. Пластинин; Под общ. ред. Б.С. Фотина. - Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отд-ние 1987. 372 с: ил. 2. Методические указания к практическим занятиям по разделу "Функциональные схемы автоматизации компрессорных установок" курса Автоматика и автоматизация производственных процессов" для студентов дневной и вечерней форм обучения специальность 0529/ Сост.С.В.Федоренко. - Харьков: ХПИ, 1986. -22с. 3. Промышленые приборы и средства автоматизации: Справочник/ В Я. Баранов, Т.Х. Безновский, В. А. Бек и др.. Под. общ. ред. ВВ. Черенкова. Л.. Машиностроение Ленингр. отд-ние 1987.-847 с: ил. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дат а 19
