Назначение и схема ступенчатого сжатия

Ступенчатое сжатие газа приводит к усложнению компрессор­ного хозяйства, и его применение вызвано следующими при­чинами.

Прежде всего, оно необходимо в случае, когда температура конца сжатия газа превышает допускаемую по условиям безопасности и нормальной смазки компрессора. При температуре достигающей 180 - 200° С, компрессорное масло начинает интен­сивно разлагаться. На горячих поверхностях образуется нагар - слой продуктов окисления масла, лакообразная пленка из загу­стевшего масла. Нагар ухудшает охлаждение, мешает правиль­ному действию поршневых колец (вплоть до заклинивания, поломок колец, задиров цилиндра) и клапанов, увеличивает силы тре­ния, износ и аэродинамическое сопротивление клапанов. В воз­душных компрессорах нагар в нагнетательных трубах может самовозгораться, что сопровождается повышением температуры. Раскаливание стенок воздухопровода нередко приводит к раз­рушительным взрывам, если при этом концентрация паров масла в воздухе достигает предела взрываемости. Поэтому степень повышения давления в одной ступени компрессора ограничивают, за исключением небольших компрессоров с благоприятными условиями охлаждения, значением ε ≈ 4.

Ограничение температуры сжимаемого газа - не единственная причина применения ступенчатого сжатия, которое используется и в компрессорах без смазки цилиндров. Дело в том, что при рас­членении процесса повышения давления газа на ступени с проме­жуточными охлаждениями работа изменения давления совершается при меньших удельных объемах, благодаря чему достигается экономия мощности. Вместе с тем увеличиваются потери в клапа­нах и межступенных коммуникациях, усложняются компрессор и вся компрессорная установка за счет охладителей и коммуни­каций, так что для данного значения ε существует некоторое рентабельное число ступеней, зависящее от соотношения между стоимостью машины и затратами энергии на сжатие газа.

Чем меньше затраты на энергию (например, при систематически неполной загрузке компрессора) и чем больше расходы на проме­жуточное охлаждение, тем выгоднее компрессор с малым числом ступеней. На практике применяют следующие числа ступеней z [151:

z.............. 1 2 3 4 5 - 7

ε.............. ≤ 7 5 – 30 13 – 150 35 – 400 150 – 1100

Принципиальная схема процесса представлена на рис. 16.1, а. Поток газа проходит как бы через ряд одноступенчатых машин 1, 2, 3, 4, включённых последовательно и объединённых внутренними коммуникациями с охладителями, влагомаслоотделителями и сепараторами газоконденсата. Для каждой ступени сохраняются обозначения одноступенчатого сжатия с указанием номера ступени в индексе соответствующей величины, например, p_нi, p_кi, T_нi, T_кi и т. д.¹

В связи с возможным отбором (или подводом) газа после некоторой ступени (на рисунке - после второй ступени) различают массовые расходы газа до и после отбора.

_________________

¹ На схеме обозначены только для второй ступени (i = 2).

Расходы газа на входе каждой ступени (индекс «н i») неодинаковые также вследствие внешних утечек , перетеканий и конденсации высококипящих компонентов газа .

Рис. 16.1. К ступенчатому сжатию газа:

а – принципиальная схема: - внешние утечки в атмосферу;

- перетекания из полостей высокого давления; - отбор

газа; б, в – графики рабочего процесса, построенные в

различных координатах

Например, для первой ступени:

.

Для второй ступени:

,

где - массовый расход газа, перетекающего из полостей высокого давления.

Аналогично составляют уравнения баланса масс для любой ступени. Эти уравнения можно также представить в объёмных величинах, если все члены поделить, например, на начальную плотность газа.

Гидравлические (точнее, газодинамические) потери в охладителях приводят к тому, что давление газа после каждого охладителя несколько меньше, чем давление перед охладителем. Эти потери оценивают с помощью коэффициентов ; и т. д., зависящих от конструкции охладителя и рассчитываемых по скоростям и плотностям газа. Ориентировочно x = 0, 90 – 0, 99. Степень повышения давления в z – ступенчатом компрессоре:

,

где ε ₁, ε ₂,... – степени повышения давления в первой, второй и т. д. ступенях.

Распределение температур в многоступенчатом компрессоре зависит от степени охлаждения газа в охладителях. Оно называется п о л н ы м, если температура газа на входе в последующую ступень такая же, как начальная температура предыдущей, т. е. . Практически охлаждение не бывает полным. Предел возможного охлаждения газа определяется начальной температурой охлаждающего агента (воды, воздуха). В совершенных конструкциях охладителей разность температуры охлаждённого газа и начальной температуры воды равна всего лишь 5ْ C, но чаще составляет 10 - 15ْ C. Следовательно, для полного охлаждения необходимо, чтобы поступающая вода была холоднее газа, всасываемого первой ступенью, что бывает далеко не всегда.