Системы управления и регулирования
Потребление энергии составляет примерно 80% всех затрат на производство сжатого воздуха, а это значит, что систему регулирования нужно выбирать очень тщательно. По существу, различие в том, как компрессор работает, значительно важнее различий между типами компрессоров и их производителями. Идеальный вариант — если полная производительность компрессора может быть в точности подогнана под требуемый расход, например, тщательным подбором передаточного отношения редуктора, что часто встречается в случае компрессоров для химии и нефтехимии.
Некоторые потребители являются саморегулирующимися, т.е. увеличение давления приводит к увеличению производительности, и поэтому они образуют стабильные системы. Примерами могут служить пневмотранспортеры, антиобледенительные и охладительные установки и т.д. Однако обычно производительность нужно регулировать, что зачастую делается с помощью встроенного в компрессор оборудования. Имеются две основные группы таких регулирующих систем:
1. Непрерывное регулирование производительности предполагает непрерывное управление приводным двигателем или клапаном в соответствии с изменениями давления. В результате обычно получаются небольшие изменения давления (от 0,1 до 0,5 бар), зависящие от усиления системы регулирования и скорости ее реакции.
2. Регулирование путем нагрузки и разгрузки является наиболее распростране-ной системой регулирования и предполагает колебания давления между двумя значениями. Регулирование производится путем полной остановки потока по достижении большего из этих значений (разгрузка) и возобновления потока (нагрузка), когда давление падает до нижнего предела. Величина изменения давления зависит от допустимого количества циклов нагрузки/разгрузки за единицу времени, но обычно находится в пределах диапазона от 0,3 до 1 бар. Принципы регулирования объемных компрессоров Сброс давления Первоначально для регулирования компрессора использовался разгрузочный клапан, который стравливал превышающее норму давление в атмосферу. Такой клапан простейшей конструкции может быть подпружинен; напряжение пружины в нем определяет конечное давление. Часто вместо этого клапана используется сервоклапан, управляемый регулятором. С этим клапаном можно легко управлять давлением, и этот клапан действует в качестве разгрузочного клапана, когда компрессор запускается под давлением. Сброс давления требует больших затрат энергии, так как компрессор должен непрерывно работать, преодолевая полное противодавление. Вариант, используемый в небольших компрессорах, заключается в том, что для разгрузки компрессора полностью открывается клапан, и компрессор работает против атмосферного давления. При использовании этого способа потребление энергии значительно уменьшается. Байпас Байпасное регулирование в принципе выполняет ту же функцию, что и сброс давления. Разница заключается лишь в том, что воздух, выпускаемый для сброса давления, охлаждается и возвращается на вход компрессора. Этот способ часто используется в технологических компрессорах, когда газ непригоден или слишком дорог, чтобы стравливать его в атмосферу. из-за большой степени повышения давления. Системы управления и регулирования Общие сведения о регулировании Во многих случаях в системе сжатого воздуха требуется поддерживать постоянное давление, в связи с чем возникает потребность управлять потоком сжатого воздуха из компрессорного центра. Существует много способов управления, и их применнение зависит, напр 1. Непрерывное регулирование производительности 2. Регулирование путем нагрузки и разгрузки Во многих случаях в системе сжатого воздуха требуется поддерживать постоянное давление, в связи с чем возникает потребность управлять потоком сжатого воздуха из компрессорного центра. Существует много способов управления, и их применение зависит, например, от типа компрессора, допустимых отклонений давления, колебаний расхода сжатого воздуха и уровня допустимых потерь. Потребление энергии составляет примерно 80% всех затрат на производство сжатого воздуха, а это значит, что систему регулирования нужно выбирать очень тщательно. По существу, различие в том, как компрессор работает, значительно важнее различий между типами компрессоров и их производителями. Идеальный вариант — если полная производительность компрессора может быть в точности подогнана под требуемый расход, например, тщательным подбором передаточного отношения редуктора, что часто встречается в случае компрессоров для химии и нефтехимии. Некоторые потребители являются саморегулирующимися, т.е. увеличение давления приводит к увеличению производительности, и поэтому они образуют стабильные системы. Примерами могут служить пневмотранспортеры, антиобледенительные и охладительные установки и т.д. Однако обычно производительность нужно регулировать, что зачастую делается с помощью встроенного в компрессор оборудования. Имеются две основные группы таких регулирующих систем: 1.
Непрерывное регулирование производительности предполагает непрерывное управление приводным двигателем или клапаном в соответствии с изменениями давления. В результате обычно получаются небольшие изменения давления (от 0,1 до 0,5 бар), зависящие от усиления системы регулирования и скорости ее реакции. 2. Регулирование путем нагрузки и разгрузки является наиболее распростране-ной системой регулирования и предполагает колебания давления между двумя значениями.
Регулирование производится путем полной остановки потока по достижении большего из этих значений (разгрузка) и возобновления потока (нагрузка), когда давление падает до нижнего предела. Величина изменения давления зависит от допустимого количества циклов нагрузки/разгрузки за единицу времени, но обычно находится в пределах диапазона от 0,3 до 1 бар. Принципы регулирования объемных компрессоров Сброс давления Первоначально для регулирования компрессора использовался разгрузочный клапан, который стравливал превышающее норму давление в атмосферу.
Такой клапан простейшей конструкции может быть подпружинен; напряжение пружины в нем определяет конечное давление. Часто вместо этого клапана используется сервоклапан, управляемый регулятором. С этим клапаном можно легко управлять давлением, и этот клапан действует в качестве разгрузочного клапана, когда компрессор запускается под давлением. Сброс давления требует больших затрат энергии, так как компрессор должен непрерывно работать, преодолевая полное противодавление. Вариант, используемый в небольших компрессорах, заключается в том, что для разгрузки компрессора полностью открывается клапан, и компрессор работает против атмосферного давления. При использовании этого способа потребление энергии значительно уменьшается. Схема регулирования производительности компрессора посредством сброса давления Схема регулирования производительности компрессора посредством сброса давления Байпас Байпасное регулирование в принципе выполняет ту же функцию, что и сброс давления. Разница заключается лишь в том, что воздух, выпускаемый для сброса давления, охлаждается и возвращается на вход компрессора.
Этот способ часто используется в технологических компрессорах, когда газ непригоден или слишком дорог, чтобы стравливать его в атмосферу. Схема байпасного регулирования производительности компрессора Схема байпасного регулирования производительности компрессора Дросселирование входа Дросселирование — легкий способ уменьшения потока. Он позволяет увеличивать степень повышения давления в компрессоре, которая зависит от созданного на входе разрежения.
Однако вследствие малого диапазона регулирования его применение ограничено. Компрессоры с нагнетанием жидкости, у которых большой допустимый диапазон отношений давлений, могут регулироваться этим способом вплоть до 10% от максимальной производительности. Этот способ требует относительно больших затрат энергии из-за большой степени повышения давления. Схема регулирования производительности компрессора посредством дросселирования входа Схема регулирования производительности компрессора посредством дросселирования входа Сброс давления с дросселированием входа В настоящее время чаще всего используется способ регулирования, который сочетает максимальный диапазон регулирования (0-100%) с низким потреблением энергии — только 15-20% мощности полной нагрузки при разгруженном компрессоре (нулевой поток). Впускной клапан закрывается, но в нем остается маленькое отверстие. В это время выпускной клапан открывается и стравливает выходящий из компрессора воздух.
Затем компрессорный элемент работает с разрежением на входе и при низком противодавлении. Важно, чтобы сброс давления производился быстро и стравливаемый объем был небольшой. Это позволяет избежать излишних потерь при переходе от работы под нагрузкой к разгрузке. В системе требуется дополнительная емкость — воздушный ресивер, объем которого определяется приемлемой разностью между давлениями нагрузки и разгрузки и допустимым количеством циклов разгрузки в час. Пуск/останов Давление компрессоров мощностью менее 5—10 кВт часто регулируется следующим образом. Когда давление достигает верхнего предела,
электродвигатель останавливается, а когда давление переходит нижний предел, электродвигатель запускается вновь.
Этот способ требует наличия в системе воздушного ресивера большого объема или большой разницы между давлениями пуска и останова, что позволяет уменьшить нагрузку на электродвигатель. Это эффективный способ регулирования, однако следует иметь в виду, что количество пусков в единицу времени должно быть невелико. Регулирование скорости вращения Двигатель внутреннего сгорания, турбина или электродвигатель с регулируемой частотой могут управлять числом оборотов компрессора, а следовательно, и потоком. Это эффективный способ получения постоянного давления на выходе при низком потреблении энергии. Диапазон регулирования изменяется в зависимости от типа компрессора, но наибольший диапазон получается в компрессорах с нагнетанием жидкости. Зачастую регулирование числа оборотов комбинируется со сбросом давления с дросселированием или без дросселирования входа при малой нагрузке. Регулируемый выпускной канал Производительность винтовых компрессоров можно регулировать, перемещая положение выпускного канала вдоль оси винта по направлению к впускному каналу. Однако этот способ требует большого расхода энергии на дополнительные устройства и сравнительно редко используется.
Разгрузка впускным клапаном Эффективная разгрузка поршневых компрессоров возможна при использовании механиче ского способа, благодаря которому впускные клапаны остаются в открытом положении. Воздух всасывается и выталкивается в соответствии с движением поршня. Потери энергии в этом случае минимальны и зачастую не превышают 10% мощности на валу под нагрузкой. В компрессорах двойного действия обычно используется многоступенчатая разгрузка, когда один из цилиндров на протяжении такта разгружается и тем самым достигается оптимальное согласование производительности с потреблением. Еще один способ, используемый для газовых компрессоров, позволяет держать клапаны открытыми во время части рабочего хода поршня и тем самым осуществлять непрерывное регулирование потока. Объем мертвого пространства цилиндра Регулирование объема мертвого пространства цилиндра поршневого компрессора позволяет уменьшать степень его заполнения и, следовательно, регулировать производительность. Объем мертвого пространства цилиндра изменяется с помощью присоединенных снаружи емкостей.
Нагрузка — разгрузка — останов Это наиболее распространенный способ регулирования, используемый в компрессорах мощностью свыше 5 кВт. В этом способе сочетаются широкий диапазон регулирования с низким уровнем потерь. На практике используются комбинация пуска/останова и различные разгрузочные системы. Дросселирование входа Динамические компрессоры допускают возможность непрерывного управления производительностью посредством дросселирования входа. Минимальный поток определяется достижением такой степени повышения давления, которая является границей помпажа: работа машины становится неустойчивой. Диапазон регулирования определяется конструкцией машины, например количеством ступеней и конструкцией рабочего колеса, а также в значительной степени такими внешними факторами, как противодавление, температура всасываемого воздуха и температура охлаждающей жидкости. Обычно минимальный поток находится в пределах от 60% до 85% максимального потока.
Лопатки входного направляющего аппарата Лопатки устроены в виде радиальных пластин на входе, заставляющих входящий газ закручиваться, поток газа при этом дросселируется. Этот способ действует так же, как и дросселирование, но с более широким диапазоном регулирования и улучшенным использованием энергии. Типичное значение нижнего предела регулирования — до 50-60% расчетного потока. Имеется также возможность в некоторой степени увеличить производительность и давление компрессора поворотом лопаток в противоположном направлении, однако это немного ухудшает эксплуатационные качества. Лопатки выходного направляющего аппарата (диффузор) Для того чтобы еще больше расширить диапазон регулирования, можно также управлять потоком в диффузоре компрессорной ступени.
Обычно можно снизить производительность вплоть до 30% при поддержании нужного давления. Как правило, использование этого способа ограничивается одноступенчатыми компрессорами (из-за сложности и роста затрат). Сброс давления Для регулирования динамических компрессоров первоначально также использовался разгрузочный клапан, который стравливал излишки сжатого воздуха в атмосферу. Этот способ, в принципе, не отличается от сброса давления в поршневых компрессорах. Нагрузка — разгрузка — останов В то время как дросселирование входа компрессора ограничивается пределом помпа-жа, данный способ регулирования может быть реализован двумя путями: 1. Дросселирование.
Избыточный поток выпускается в атмосферу (или на вход), однако при неизменном потреблении энергии. 2. Режим «Auto Dual». Система регулирования практически полностью закрывает впускной клапан, а выпускной клапан в это время открывается в атмосферу (сравните с поршневым компрессором). Однако мощность, потребляемая в режиме разгрузки, относительно велика — свыше 20% мощности полной нагрузки и зависит от конструкции рабочего колеса и т.д. Регулирование числа оборотов (только для динамических компрессоров) Регулирование числа оборотов чаще всего используется в компрессорах, в которых нужно регулировать поток и допускаются колебания давления. Когда регулирование осуществляется с постоянным давлением, оно не дает каких-либо преимуществ по сравнению с другими способами регулирования.
