СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ОТ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
METHOD OF PROTECTING RADIAL-FLOW COMPRESSOR AGAINST VARIABLE DYNAMIC LOAD

Изобретение относится к области компрессоростроения, преимущественно центробежного направления.
Известны способы защиты центробежных компрессоров от помпажа (см., например, Р.А.Измайлов, Нгуен Минь Хай «Способы защиты центробежного компрессора от помпажа» в сборнике докладов «Труды XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике» г.Казань, 2007 г., том 2, с.139-149), которые можно разбить на две группы - параметрический и признаковый.
Указанные способы различаются системой диагностики предпомпажного состояния компрессора. В центробежном компрессоростроении наиболее распространен параметрический способ защиты от помпажа, когда измеренный расход газа на входе компрессора сравнивается с заранее экспериментально (или расчетно по характеристикам ступеней) определенной производительностью, соответствующей границе помпажа. Признаковый способ предусматривает измерение пульсаций давления в проточной части компрессора. В настоящее время используют различные признаки реализации этого способа. В основном они базируются на своевременном обнаружении предпомпажного состояния (предсрыв и вращающийся срыв). На стр.140-143 вышеуказанной работы кратко приведены алгоритмы реализации, преимущества и недостатки признакового способа защиты.
При достижении границы предпомпажного состояния, определенной по тому или иному способу, открывают антипомпажный клапан компрессора и перепускают часть газа с нагнетания компрессора на всас.
Указанные способы не могут надежно защитить центробежный компрессор от помпажа, сохраняя всю область возможной работы машины с высоким КПД, особенно на нестационарных переходных режимах работы компрессора.
В работе Гузельбаева Я.З. («Некоторые особенности динамических свойств центробежных компрессорных установок и сети», Труды XIV Международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования» - г.С.-Петербург, 2008, с.191-196) содержатся примеры самопроизвольного, несанкционированного, кратковременного входа компрессора в помпаж, несмотря на наличие средств защиты, на быстропротекающих переходных режимах работы компрессора. К таким режимам относятся в основном аварийные остановы со стравливанием (или без стравливания) газа из контура, когда происходит скачкообразное изменение осевых сил, действующих на упорный подшипник, приводящие в ряде случаев к аварии. Связано это с недоучетом нестационарных динамических свойств сети и динамических характеристик компрессора. Таким образом, переходные нестационарные процессы запуска и останова компрессора, связанные с динамическими свойствами самого компрессора и сети, создают опасные условия работы для компрессора по перегрузкам упорного подшипника. Особо остро проблема защиты от нестационарной динамической нагрузки сети на переходных режимах стоит для двухсекционных центробежных компрессоров с индивидуальным контуром байпасирования каждой секции, с расположением колес «спина к спине» и с разгрузочным устройством, имеющим думмис, полость низкого давления и полость высокого давления между секциями. Резко меняющиеся перепады давления при аварийном останове компрессора: отключение привода, но продолжающаяся работа сжатия газа на выбеге ротора с нерасчетным соотношением степеней сжатия секций компрессора и с постоянно изменяющейся динамической характеристикой сети приводит к нерасчетным условиям работы упорных подшипников.
В этом случае система диагностирования и распознавания опасного режима должна отслеживать приближение значения осевой силы, действующей на ротор, к допустимому значению несущей способности упорного подшипника компрессора. Так как время срабатывания системы весьма ограничено из-за кратковременности переходных процессов, то необходимо предусмотреть определенный запас времени на реакции механической части системы, с помощью которой осуществляется тот или иной способ выхода из аварийного режима работы компрессора.
Задачей изобретения является защита двухсекционного центробежного компрессора с индивидуальным контуром байпасирования каждой секции, с расположением рабочих колес «спина к спине» и разгрузочным устройством от нестационарной динамической нагрузки сети, при этом достигается технический результат - повышение надежности и безопасности работы такого центробежного компрессора на переходных режимах посредством ограничения перепада давления газа на разгрузочном устройстве.
Указанная задача решается тем, что способ защиты от нестационарной динамической нагрузки сети на переходных режимах работы двухсекционного центробежного компрессора с индивидуальным контуром байпасирования каждой секции, с расположением рабочих колес «спина к спине» и разгрузочным устройством, имеющим думмис, полость низкого давления и полость высокого давления между секциями, заключается в том, что ограничивают перепад давлений газа между полостями низкого и высокого давлений разгрузочного устройства путем использования нормально закрытого клапана, установленного в канале, сообщающем полости низкого и высокого давления разгрузочного устройства, и открывающегося при перепаде давления между этими полостями, превышающем величину допустимого перепада давлений между ними, которую задают из условия допустимой несущей способности упорного подшипника компрессора.
При этом используют указанный клапан, сообщающий полость низкого давления разгрузочного устройства с полостью всасывания секции низкого давления компрессора при необходимости повышения перепада давления между полостями разгрузочного устройства.
Фиг.1 поясняет предложенный способ защиты.
Двухсекционный центробежный компрессор с индивидуальным контуром байпасирования каждой секции содержит корпус 1, в котором установлены:
- двухсекционный ротор 2 с расположением колес 3 и 4 «спина к спине», имеющий упорный подшипник 5;
- устройство для разгрузки подшипника 5 от осевых усилий, включающее думмис 6 и полости 7 и 8 низкого и высокого давлений соответственно.
Между полостями 7 и 8 низкого и высокого давления разгрузочного устройства устанавливают нормально закрытый клапан (электроклапан) 9, имеющий сообщение с:
- полостью 7 низкого давления;
- полостью 8 высокого давления;
- полостью всасывания секции низкого давления.
Клапан 9 и трубопроводы, связующие его с вышеуказанными полостями, могут располагаться вне корпуса 1 компрессора.
При запуске (останове) компрессора реализуется алгоритм управления компрессором на переходных режимах, отслеживающий, чтобы перепад давлений между полостями 7 и 8 низкого и высокого давления разгрузочного устройства не превышал допустимого перепада давлений, рассчитанного из условия допустимой несущей способности упорного подшипника при текущих значениях параметров (давление, температура) сжимаемого газа и частоте вращения ротора 2.
При необходимости снижения перепада давлений электроклапан 9 осуществляет перепуск газа из полости 8 высокого давления в полость 7 низкого давления; в случае необходимости повышения перепада давления электроклапан 9 организует перепуск газа из полости 7 низкого давления в полость всасывания секции низкого давления.
Так как основной причиной опасных аварийных ситуаций при работе компрессора на переходных режимах является превышение значения осевой силы, действующей на ротор со стороны газа, над несущей способностью упорного подшипника, то непосредственное прямое воздействие ограничением перепада давления на разгрузочном устройстве, исходя из условия допустимой несущей способности упорного подшипника и внесенным в алгоритм управления компрессором на переходных режимах работы компрессора, несомненно, защитит компрессор от нестационарной динамической нагрузки сети.
В двухсекционном компрессоре с индивидуальным контуром байпасирования каждой секции повышение или понижение перепада давления между полостями 7 и 8 разгрузочного устройства может зависеть и от быстродействия байпасных клапанов каждой секции. В таблице  приведены значения замеренных параметров компрессора (5ГЦ2-300/4,5-64) в моменты времени:
- перед аварийным остановом (τ=0);
- через 5 с (τ=5);
- через 18 с (τ=18).
Наименование параметра
τ=0
τ=5
τ=18
Давление газа на выходе из 1 секции, p<sub>1</sub>, МПа
1,654
1,369
0,782
Давление газа на выходе из 2 секции, р<sub>2</sub>, МПа
5,963
2,904
1,414
Осевая сила (по замерам ЭМП), Н
24175
-37683
-27420
Частота вращения ротора, об/мин
8484
8326
3409
Из таблицы видно, что в первые 5 с (время открытия байпасных клапанов каждой секции от 1 до 2 с) происходит резкое снижение давления газа из второй секции компрессора (градиент давлений Δp/Δτ=0,61 МПа/с по сравнению с градиентом давления 1-й секции Δp/Δτ=0,057 МПа/с), что приводит к ударному воздействию на осевой электромагнитный упорный подшипник 5 (изменение осевого усилия от 24178 до 37683 Н с изменением направления силы). Расчетное значение несущей способности электромагнитного упорного подшипника 5±30000 Н. В этом случае необходимо быстро снизить давление в полости 7 разгрузочного устройства, т.е. сообщить полость 7 с полостью всасывания 1-й секции (секции низкого давления) компрессора, тем самым увеличить перепад давления между полостями 7 и 8 разгрузочного устройства.
В предлагаемом способе защиты компрессора от нестационарной динамической нагрузки значение осевой силы, действующей на ротор 2, регулируется и удерживается в диапазоне несущей способности упорного подшипника 5 в основном за счет изменения давления в полости 7 разгрузочного устройства.
Реализация предлагаемого способа
В САУ компрессора для работы на переходных (нестационарных) режимах закладывается следующий алгоритм:
1. В каждый момент времени
- замеряется (для электромагнитного упорного подшипника 5) или рассчитывается (по математической модели) по текущим параметрам газа значение осевой силы, действующей на ротор 2, которое
- сравнивается с допустимой несущей способностью упорного подшипника 5.
2. При приближении значения осевого усилия к значению несущей способности упорного подшипника 5 по знаку анализируется направление этого усилия (например: плюс - в сторону привода, а минус - в сторону свободного конца). При положительном направлении осевого усилия давление в полости 7 надо снижать (перепад давления между полостями 7 и 8 надо увеличивать), клапан 9 должен открыть перепуск из полости 7 в полость всасывания секции низкого давления. При отрицательном направлении осевого усилия перепад давления между полостями 7 и 8 должен убывать, клапан 9 должен открыть сообщение между ними.
Для реальной конструкции компрессора 5ГЦ2-300/4,5-64 (наружный диаметр рабочих колес - 600 мм, диаметр думмиса - 260 мм, давление за 1-й секцией 1,65 МПа, давление за 2-й секцией - 5,96 МПа, изменение перепада давления между полостями 7 и 8 на 0,1 МПа может привести к изменению осевого усилия, действующего на ротор, а соответственно, и на упорный подшипник до 2200 кгс, т.е. предложенный способ может эффективно защищать упорный подшипник.