Характеристика компрессорного оборудования

Машины, предназначенные для повышения давления и перемещения различных газов, называют компрессорами. Повышение давления газа в компрессорах происходит при увеличении или преобразовании энергии газа.

Классифицировать компрессоры можно по принципу действия, по конструктивной схеме, по отношению давлений, по области применения.

Область преимущественного применения машин объемного действия характеризуется средними и высокими отношениями давлений и сравнительно малыми расходами рабочего тела.

Турбокомпрессоры применяют при существенно больших расходах газов и меньших отношениях давлений.

Область предпочтительного применения основных типов компрессоров - поршневых ротационных, центробежных и осевых показана на рис. 4.1.

Под принципом действия понимается совокупность физических явлений, которые используются для повышения давления газа, и способы подвода энергии к газу.

Повышение давления можно достичь уменьшением объема замкнутого пространства, в котором находится сжимаемый газ, за счет перемещения стенок (например, поршня в цилиндре). Поскольку в этом случае газ при сжатии неподвижен, указанный способ условно называется статистическим. Этот способ является основным принципом работы объемных компрессоров. Характерная особенность этих машин - периодичность рабочего процесса. К объемным компрессорам относятся винтовые, поршневые, пластинчатые, ротационные машины.

Второй способ повышения давления газа заключается в использовании сил инерции в потоке. Например, при замедлении потока газа происходит переход кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления. Этот способ назван динамическим. Повышение давления динамическим способом является основным принципом работы турбокомпрессоров. Характерная особенность этих машин - непрерывный поток газа и непрерывность процесса сжатия.

По конструктивной схеме компрессоры динамического действия могут быть разделены на турбокомпрессоры (осевые, радиальные, диагональные, вихревые) и струйные компрессоры.

На промышленных компрессорных станциях в зависимости от необходимого давления и расхода наиболее часто устанавливаются поршневые и центробежные турбокомпрессоры. Эти виды компрессоров и рассматриваются в данном пособии.

Рис. 4.1. Область преимущественного применения нагнетательных машин: I - поршневые компрессоры; II - ротационные нагнетатели и компрессоры; III - центробежные и осевые компрессоры; IV - центробежные и осевые вентиляторы

Рис. 4.2. Поршневой компрессор одноступенчатого сжатия: 1-поршень; 2-цилиндр; 3 и 4 -всасывающий и нагнетательный клапаны; 5- поршневой палец; 6-шатун; 7-коленчатый вал

Воздушные поршневые компрессоры классифицируются следующим образом [19, 20].

По расположению осей рабочих цилиндров - угловые, оппозитные, вертикальные, V - и W- образные.

По числу ступеней сжатия - одно, -двух - и многоступенчатые.

В компрессоре одноступенчатого сжатия (рис. 4.2) воздух сжимается один раз, а затем по трубопроводу поступает в воздухосборник. В компрессорах двухступенчатого сжатия (рис. 4.3) воздух сжимается дважды: вначале до определенного давления в цилиндре первой ступени, охлаждается до конечного давления в цилиндре второй ступени.

Поршневые компрессоры в зависимости от организации процесса сжатия в цилиндре подразделяются на простого и двойного действия, а так же на компрессоры прямоточные и непрямоточные (рис. 4.4). В поршневых компрессорах простого действия воздух сжимается только в одной рабочей полости цилиндра, т.е. с одной стороны поршня. В компрессорах двойного действия воздух сжимается в двух рабочих полостях цилиндра попеременно то с одной, то с другой стороны поршня. Такая конструкция позволяет более полно использовать объем цилиндра и увеличить производительность на единицу объема. Однако машина при этом усложняется из-за применения дополнительных клапанов. Поэтому двойное действие применяется только в машинах большой производительности, где размеры цилиндров позволяют разместить клапаны в обеих полостях.

У непрямоточных компрессоров (рис. 4.4) направления движения рабочего тела в цилиндре при всасывании и нагнетании противоположны. В прямоточных компрессорах всасывающий клапан расположен в поршне, а рабочее тело при всасывании и нагнетании движется в одном направлении.

Преимущество непрямоточных многоцилиндровых машин состоит в возможности регулирования производительности путем принудительного открытия всасывающих клапанов. Недостаток непрямоточных машин состоит в значительном подогреве всасываемого рабочего тела вследствие теплового контакта с поверхностью полостей всасывания.

Применение принципа прямоточности позволяет уменьшить подогрев на всасывании.

По конструкции механизма движения поршневые компрессоры разделяются на крейцкопфные и бескрейцкопфные.

В крейцкопфных машинах (рис. 4.5) поршень приводится в движение от коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм, крейцкопф (ползун) и шток.

В бескрейцкопфных машинах (рис. 4.6) последние два элемента отсутствуют, поршень приводится в движение непосредственно через кривошипно-шатунный механизм.

Крейцкопфные машины - как правило, непрямоточные, большой производительности с цилиндрами двойного действия. Такие машины выпускаются как с вертикальным (вертикальные компрессоры), так и с горизонтальным (горизонтальные компрессоры) расположением цилиндров.

Рис.4.3. Схема поршневого компрессора двухступенчатого сжатия:

1, 2 - цилиндры первой и второй ступеней сжатия

Рис.4.4. Схемы поршневых компрессоров:

I - непрямоточный простого действия; II - непрямоточный

двойного действия; III - прямоточный простого действия

Большая масса поступательно движущихся частей и связанные с этим большие инерционные силы обуславливают относительно небольшую частоту вращения крейцкопфных машин - до 500 об/мин. В настоящее время эти машины вытесняются более прогрессивными с большей частотой вращения вала (более 500 об/мин) оппозитными компрессорами. Эти машины с оппозитным расположением цилиндров и встречным движением поршней. Оппозитные компрессоры выполняются в виде единичного агрегата со встроенным электродвигателем.

Бескрейцкопфные компрессоры являются быстроходными машинами (до 3000 об/мин) с вертикальным или угловым расположением цилиндров (рис. 4.6).

В зависимости от числа ступеней сжатия компрессоры подразделяются на одно-, двух- и многоступенчатые. Для определения двухступенчатого сжатия широко применяются оппозитные компрессоры, у которых часть цилиндров служит первой ступенью, а часть второй. Благодаря многоступенчатому сжатию достигается высокое конечное давление сжатого воздуха.

Во многих современных стационарных установках двухступенчатого сжатия в качестве первой и второй ступеней используются обычные одноступенчатые бескрейцкопфные компрессоры, объемные производительности которых подбираются исходя из наиболее выгодных условий работы.

По типу привода поршневые компрессоры подразделяются на машины с внешним приводом и машины со встроенным электродвигателем.

По конечному рабочему давлению различают компрессоры низкого давления (от 0,3 до 1,2 МПа), среднего (от 1,2 до 10 МПа), высокого (от 10 до 100 МПа) и сверхвысокого давления (свыше 100 МПа).

По способу отвода теплоты разделяют компрессоры с водяным или воздушным охлаждением.

В соответствии с ГОСТ 23680-79 воздушные поршневые стационарные компрессоры общего назначения должны изготавливаться следующих типов:

В - воздушные бескрейцкопфные;

ВУ - бескрейцкопфные с V - образным расположением цилиндров;

ВП - крейцкопфные с прямоугольным расположением цилиндров (типы П и ПБ);

ВМ - крейцкопфные с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров.

Компрессоры с прямоугольным расположением цилиндров типа ВП изготавливаются с водяным охлаждением. Условное обозначение компрессора характеризует его основные параметры. Так, например, 302ВП-10/8 означает, что это компрессор третьей модификации (3) со смазыванием цилиндров и сальников (0), с поршневым усилием базы 19,6 кН (2 тс.), тип ВП - крейцкопфный с прямоугольным расположением цилиндров. Цифры в виде дроби означают: числитель - производительность компрессора 10 м³/мин, знаменатель - конечное избыточное давление сжатия 0,8 МПа (8 кгс/см²).

Оппозитные компрессоры типа ВМ выпускаются с водяным охлаждением (допускается изготовление с воздушным охлаждением). Условное обозначение крейцкопфного с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров в компрессоре 2ВМ-10-50/8 расшифровывается следующим образом: двухрядный (2), типа ВМ, с поршневым усилием 9,8 кН (10 т с.), числитель дроби - производительность 50 м3/мин, знаменатель абсолютное конечное давление 0,8 МПа (8 кгс/см²).

Компрессоры бескрейцкопфные с V - образным расположением цилиндров типа ВУ изготавливаются с воздушным охлаждением. Технические характеристики поршневых компрессорных машин, выпускаемых машиностроительными заводами России, приведены в табл. 4.1.

Объемная производительность большинства используемых турбокомпрессоров значительно больше производительности машин объемного действия и достигает 0,5×10⁶ м³/ч.

При очень малых значениях производительностей применение турбокомпрессоров становится проблематичным из-за необходимости увеличивать частоту вращения ротора и неизбежного падения КПД машины, связанного с уменьшением размеров проточной части.

Таблица 4.1

Технические характеристики поршневых воздушных компрессоров низкого, среднего и высокого давления, выпускаемых

заводами России

Производительность по всасыванию воздуха

Конечное давление нагнетания, кг/см²

Марка компрессора

Расположение цилиндра

Количество ступеней

Мощность на валу компрессора, кВт

Число оборотов компрессора в минуту

Вид передачи движения от привода

Габариты компрессора,мм

Вес, кг

Расход охлаждающей воды,

длина

ширина

высота

компрессора

привода

м³/час

С электродвигателем 4000 3000 2650

С электродвигателем 3000 3500 2430

С электродвигателем 4000 3000 2500

С электродвигателем 2040 957 1270

С электродвигателем 2025 835 1120

С электродвигателем 1761 690 1376

агрегата

0,25

0,6

1,25

1,8

2,7

3,0

4,5

Модель Модель К-75 ВК25Э КВ-100 135В-3/8 ЭК16/1 ВУ-3/8 2РУ-2,5/200 2р-3/220 2р-3/220 2рв-3/350 КВ-200

2,8 4,5

- -

- - - - -

- - 1,0 1,0 - 1,0 - - 7,5 7,5 0,6

Продолжение табл.4.1

С электродвигателем 6600 4500 2500

С электродвигателем 3700 3200 2570

С электродвигателем 7600 4400 2470

С электродвигателем 3330 1890 1925

С электродвигателем 4100 400 2645

7,0

7,8

3р-7/220 200В-10/8 2р-10/20 2ВП10/8 160В ВУ-22/6 5ВП30/8 В300-2К В300-2К РСК-50/7 ВП-50/8 ЗГ-50/200 5ВП60/2 55в ВГ-100/8 6000/200 ЗГ-100/200 3/ЧГ-

- - - - -

12,6 3,0 6,0 2,7 2,2 8,4 13,0 13,0 8,0 10,0 - 8,4 28,0 -

Отношение давления в одной ступени турбокомпрессора ограничено максимально допустимыми значениями окружных скоростей, поэтому машины на большие отношения давлений выполняют многоступенчатыми. Для большинства применяемых турбокомпрессоров отношение давлений составляет 10-20. В конструктивном отношении центробежные компрессоры не имеют такого разнообразия, как поршневые. Машины такого типа подразделяются на центробежные компрессорные установки с горизонтальным разъемом корпуса.

Установки с горизонтальным разъемом корпуса предназначены для сжатия и транспортировки воздуха, технологических газов, природного и попутного нефтяного газов конечным давлением до 4 МПа в различных отраслях промышленности. Установки включают в себя: компрессор и привод, систему смазки и систему автоматики.

Горизонтальный разъем корпуса компрессора упрощает осмотр и ремонт подшипниковых узлов, уплотнений и деталей проточных частей.

Установки оснащены промежуточными и, при необходимости, концевыми охладителями газов. Исполнение установок обуславливается свойствами сжимаемой среды.

Условное обозначение установок, изготавливаемых на НПО «Казанькомпрессормаш», состоит из набора букв и цифр, например, ЦК-135М1. Буквы ЦК, ВЦ - установка с центробежным воздушным компрессором. Цифры перед буквами, если они есть, номер базы корпусов, цифры после букв (через дробь) означают в числителе - производительность (м³/мин), в знаменателе - абсолютное конечное давление (кг с/см²), буквы М и М1 - модернизация.

В условном обозначении центробежных компрессорных машин, выпускаемых Невским машиностроительным заводом им. В И. Ленина, (К-250-61-1) буква К обозначает компрессор, цифры после буквы через черточку обозначают - производительность (м³/мин), последующие модификацию.

Технические характеристики центробежных компрессорных машин, выпускаемых НЗЛ, представлены в табл. 4.2.