2.10 Противопомпажная защита цбн

Помпаж, или неустойчивый режим работы, нагнетателя является наиболее опасным автоколебательным режимом в системе нагнетатель - газопровод, приводящий к срыву потока в проточной части нагнетателя.

Внешне помпаж проявляется в виде хлопков, сильной вибрации нагнетателя, отдельных периодических толчков, в результате чего возможны разрушение рабочего колеса нагнетателя, повреждение упорного подшипника, разрушение лабиринтных уплотнений и т.д. Возникновение помпажа в нагнетателе вызывает колебания частоты вращения и температуры газа РТУ, приводящей во вращение нагнетатель, и, как следствие, к возникновению неустойчивой работы осевого компрессора, что, в свою очередь, приводит к аварийной остановке ГПА.

Причинами возникновения помпажа является изменение характеристики сети (газопровода), вследствие:

- колебаний давления газа в газопроводе;

- влияния параллельно включенных, но более напорных нагнетателей;

- неправильной или несвоевременной перестановки кранов в трубной обвязке нагнетателя.

Изменение режима работы нагнетателя до значительного уменьшения расхода газа (приблизительно до 60% расчетного значения), вследствие:

- снижения частоты вращения нагнетателя ниже допустимой;

- ухудшения технического состояния газотурбинного привода;

- попадания посторонних предметов на защитную решетку нагнетателя и ее обледенение и др.

Режимы работы нагнетателя по расходу газа, как правило, ограничиваются 10%-м запасом от границы помпажа (Рис. 2.18) и определяются как:

. (3.1)

Пример 3.2. Определить запас устойчивой работы нагнетателя ГПА-Ц-6,3/56М-1,45, имеющего следующие параметры рабочего режима: давление газа на входе нагнетателя = 3,9 МПа, давление газа на выходе нагнетателя = 5,3 МПа, температура газа на входе = 16 °С, частота вращения нагнетателя = 8100 об/мин, производительность нагнетателя = 475 тыс.н·м /ч, плотность газа = 0,676 кг/м .

Решение. Относительная плотность газа по воздуху

. (3.2)

Газовая постоянная

R= = 52,2 кг · м/кг · K 512 Дж/кг · K. (3.3)

Коэффициент сжимаемости газа по параметрам входа определяется по номограмме рис. 1.1, либо по соотношению [2]:

, (3.4)

где - соотношение температур газа на входе и критической

;

- соотношение давлений газа на входе и критического

;

- критическая температура ( = 190,1 К);

- критическое давление ( = 4,73 МПа).

Плотность газа на входе

= 10 · 3,9/0,93 · 289,2 · 52,2 = 28,32 кг/м .

Объемная производительность нагнетателя

= 475 · 0,676/0,06/28,32 = 189 м / мин.

Приведенная объемная производительность

= 189 · 8200/8100= 191,3 м /мин.

Запас устойчивой работы нагнетателя

· 100% = (191,3 - 135)/135 · 100% = 41,7%,

где = 135 м /мин определяется по характеристике нагнетателя.

Эксплуатационный персонал должен по показаниям штатных приборов периодически контролировать положение рабочей точки на характеристике нагнетателя и не допускать ее приближения к опасной зоне, для чего при работе на частичных режимах необходимо повышать частоту вращения нагнетателя либо уменьшать напор и расход параллельно работающей группы нагнетателей. При возникновении помпажа необходимо открыть перепускной кран, соединяющий линию нагнетания с всасывающей, при этом расход газа через нагнетатель увеличится, а степень сжатия снизится, рабочая точка нагнетателя переместится вправо от границы помпажа (см. Рис. 2.18).

Рис. 2.18. Принципиальная характеристика нагнетателя с линиями ограничения по помпажу;

- объёмный расход газа; - относительный политропный напор;

1 - нормальный режим работы нагнетателя; 1’ - режим работы нагнетателя после открытия перепускного крана;

1’’ - режим полного открытия перепускного крана;

1’’’ - режим работы нагнетателя с малыми возмущениями. I - линия контроля помпажа;

II - линия ограничения больших возмущений; III - линия границы помпажа; IV - линия ограничения числа хлопков

В настоящее время существует достаточно много противопомпажных автоматических систем, позволяющих не допустить попадание нагнетателя в помпаж и сигнализирующих о приближении рабочей точки к границе помпажа. Наиболее распространенные системы основаны на сопоставлении величины расхода газа с создаваемым нагнетателем напором с последующим воздействием на перепускной кран. Хорошо известны сигнализаторы помпажа, разработанные НЗЛ, которые укомплектованы пневматическими ППЗ на базе элементов системы "Старт".

Более современные системы включают защиту и регулирование нагнетателя в области помпажных режимов и имеют перепускной кран с регулируемым проходным сечением. К таким системам относится, например, система фирмы ССС ("Компрессор контролс корпорейшн").

Данная система антипомпажной защиты обеспечивает положение рабочей точки нагнетателя в правой зоне от линии границы помпажа (см. Рис. 2.18, линия III). Это достигается открытием перепускного (антипомпажного) крана на величину, необходимую для поддержания минимального расхода. Вследствие большой инерционности системы нагнетатель-газопровод воздействие на перепускной клапан должно начаться до того, как рабочая точка достигнет границы помпажа. Точка на характеристике нагнетателя, соответствующая открытию клапана, является линией контроля помпажа (см. Рис. 2.18, линия I). Расстояние между линией контроля и линией границы помпажа определяет предел безопасности или зону контроля помпажа (заштрихованная площадь на Рис. 2.18). Открытие перепускного клапана увеличивается по мере перехода рабочей точки в зону контроля помпажа. Расстояние между рабочей точкой нагнетателя и границей помпажа рассчитывается с использованием следующего соотношения:

, (3.5)

где - политропный напор; - коэффициент объемного расхода; - абсолютное давление на входе; - степень сжатия; - показатель политропы, ; - перепад давления на конфузоре.

Отношение значений параметра в рабочей точке и на границе помпажа при постоянной частоте вращения является соотношением наклонов двух линий, проходящих через рабочую точку и точку на границе помпажа (см. Рис. 2.18). Расстояние между границей помпажа и линией контроля помпажа рассчитывается как производная от , в результате чего критерий будет равен 1,0, когда рабочая точка находится на линии контроля помпажа, и больше 1,0, когда рабочая точка находится в зоне контроля помпажа. Зона контроля помпажа имеет две области регулирования:

- область регулирования между линиями I и II соответствует малым возмущениям потока газа;

- область регулирования между линиями II и III соответствует большим возмущениям потока газа;

Регулятор, рассчитывая расстояние рабочей точки от границы помпажа в случае его работы в области регулирования между линиями I и II (точка 1’’’), воздействует на перепускной регулирующий клапан типа "Моквелд", перепускает часть газа с выхода нагнетателя на вход, восстанавливая режим работы нагнетателя в точке 1’. Если же рабочая точка нагнетателя находится в области регулирования между линиями II и III (точка II), то при быстром приближении к границе помпажа регулирующий клапан полностью открывается, а затем несколько прикрывается по мере удаления рабочей точки от границы помпажа, устанавливая режим работы нагнетателя, соответствующий точке 1’. В случае, если помпаж все-таки произошел, а это значит, что рабочая точка находится между линиями III и IV, регулятор ограничивает число "хлопков" путем удаления линии контроля помпажа от линии границы помпажа.