Компресори за индустриални газове

Компресорът за газ е механично устройство, което увеличава налягането на газа чрез намаляване на неговия обем. Газовите компресори се използват в голямо разнообразие от приложения, включително: транспортиране на природен газ през тръбопроводи, съхраняване на пречистени газове в малки количества, в газови турбини, за отвеждане на топлина в хладилни системи, във въздушни спирачни системи със сгъстен въздух, пневматичен транспорт на прахове, пудри и пелети, хомогенизиране и транспорт на циментови смеси и вар и др.

Компресорите за индустриални газове са предназначени за компресиране и доставка на технически газове (водород, кислород, аргон, хелий, азот и др.) или газови смеси (например амоняк) в разнообразни типове промишлени системи в хранително-вкусовата, химическата и козметичната индустрия, енергетиката, нефтената и газова промишленост, циментовата, стъкларската, полимерната и хартиено-целулозната индустрия, лабораторната дейност, в биогазови инсталации и др. В зависимост от приложението, тези системи могат да транспортират неутрални или агресивни промишлени газове и смеси, за да захранват различни газови процеси.

По отношение на задвижващия механизъм, компресорите за индустриални газове се делят на два типа – центробежни (динамични или кинетични) и обемни, като вторите са по-популярни. Обемните компресори могат да бъдат допълнително подразделени на възвратно-постъпателни, които функционират чрез бутален механизъм, и ротационни типове, като моделите с хеликоидални винтове и тези с въртящ се ротор с лопатки.

Центробежни компресори - използват въртящ се лопатков диск в оформен корпус, за да насочат газа към ръба на работното колело, увеличавайки скоростта на газа. Дифузьорът (дивергентната тръба) превръща енергията на скоростта в енергия на налягането. Този тип компресори се използват предимно за непрекъснато, стационарно обслужване на различни системи в индустриални условия, например в петролни рафинерии, химически и нефтохимически заводи и заводи за преработка на природен газ. Диапазонът на мощностите започва от около 100 конски сили (75 kW). При последователно свързване центробежните компресори могат да постигнат изключително високо изходно налягане от порядъка на 70+ MPa.

Центробежните компресори се използват в малки газотурбинни двигатели или като краен етап на компресия при средни газови турбини. Те са приложими и при двигатели с вътрешно горене в ролята им на компресори и турбокомпресори.

Компресори с диагонален или смесен поток - подобни са на центробежните компресори, но имат радиален и аксиален компонент на скоростта на изхода от ротора. Дифузьорът често се използва за пренасочване на диагоналния поток в аксиалната посока. Диагоналният компресор има дифузьор с по-малък диаметър от еквивалентния центробежен компресор.

Аксиални компресори - използват серия от въртящи се роторни лопатки, подобни на вентилатори, за постепенно компресиране на газовия поток. Стационарните статорни лопатки, разположени след всеки ротор, пренасочват потока към следващия комплект лопатки на ротора.

Площта на сечението на газовия канал намалява по дължината на компресора, за да се поддържа приблизително константно число на Мах. Компресорите с аксиален поток обикновено се използват в приложения с висок дебит, например в средни и големи газотурбинни двигатели. Те почти винаги са многостепенни. За съотношения на налягането над 4:1 често се използва променлива геометрия за подобряване на работата.

Бутални компресори - използват бутала, задвижвани от колянов вал. Те могат да бъдат стационарни или преносими, единични или многостепенни и задвижвани от електрически двигатели или двигатели с вътрешно горене. Малки бутални компресори с мощност от 5 до 30 конски сили (к. с.) обикновено се използват в автомобилни приложения за изпълнение на периодично действие.

По-големите бутални компресори с мощност до 1000 к. с. все още често се срещат в големи индустриални приложения, но броят им намалява, тъй като се заменят с други различни видове компресори.

Наляганията на изхода им могат да варират от ниски до много високи стойности (> 5000 psi или 35 MPa). При някои приложения, като сгъстяване на въздух многостепенните компресори с двойно действие се доказват като най-ефективни, но обикновено са по-големи, по-шумни и по-скъпи от сравнимите ротационни устройства.

Ротационни винтови компресори - използват два въртящи се хеликоидални винта, образуващи изолирани работни камери, които принуждават газа да премине в по-малко пространство. Те обикновено се използват за непрекъснато захранване на газови системи в търговски и промишлени приложения и могат да бъдат стационарни или преносими.

Мощностите им варират от 3 к. с. (2,24 kW) до над 500 к. с. (375 kW) и от ниско до много високо налягане (> 1200 psi или 8,3 MPa). Често се срещат в транспортни и пътно-ремонтни приложения, където захранват пневматични инструменти. Този тип се използва и като част от системи с множество компресори за автомобилни двигатели, тъй като лесно се съчетава с индукционния капацитет на буталния двигател.

Спирални компресори - използват две препокрити спираловидни лопатки за компресиране. Геометрията на лопатките може да бъде инволютна, архимедова спирала или хибридна крива. Компресорите от този тип работят по-гладко, по-тихо и по-надеждно от другите видове компресори.
Често едната от спиралите е фиксирана, докато другата обикаля ексцентрично, без да се върти, като по този начин механизмът улавя или компресират флуида в джобовете, образувани между спиралите.

Диафрагмени компресори - известни също като мембранни компресори, са вариант на конвенционалните бутални компресори. Сгъстяването на газ се осъществява чрез движение на гъвкава мембрана вместо чрез всмукващ елемент. Движението на мембраната напред и назад се индуцира от мотовилка и механизъм на колянов вал. Само мембраната и кутията на компресора влизат в контакт със сгъстения газ.
Мембранните компресори се използват за транспорт и доставка на водород и сгъстен природен газ (CNG), както и в редица други индустриални приложения.

Температура

Съществуват три възможни корелации между температурата и налягането в даден обем газ, подложен на компресия:

• Изотермична - газът се поддържа с постоянна температура през целия процес, тъй като вътрешната енергия се премахва от системата като топлина със същата скорост, която се добавя от механичната работа на компресора. Изотермичното компресиране (или разширяване) се облагодетелства от голяма топлообменна повърхност, малък обем на газа или дълъг времеви мащаб (т. е. малка степен на мощност). С реални устройства изотермичната компресия обикновено не е постижима.
• Адиабатна - в този процес не се прехвърля топлина към или от системата, което означава, че цялата механична работа за компресиране се получава в газа, тъй като повишената вътрешна енергия се проявява като повишаване на температурата или налягането (или и двете). Адиабатното компресиране или разширяване се благоприятства от добрата изолация, големия обем газ или кратката времева скала (т. е. високо ниво на мощност). На практика винаги ще има определено количество топлинни загуби, тъй като създаването на перфектна адиабатна система изисква перфектна топлоизолация на всички части на машината.
• lПолитропна - това предполага, че топлината може да навлезе или излезе от системата и че работата на буталото може да се прояви като повишено налягане (обикновено полезна работа) и повишаване на температурата над адиабатната (обикновено има загуби поради ефективността на цикъла). Ефективността на цикъла тогава се определя от съотношението на повишаването на температурата до теоретичните 100% (адиабатно) спрямо действителните (политропно).

Приложения

Компресорите за индустриални газове се използват в различни промишлени приложения, където са необходими по-високи налягания на работния газ – за транспорт и доставка на широк набор от газове и газови смеси.

Типично приложение е транспортирането по тръбопроводи на пречистен природен газ от производствения обект до потребителя. В нефтопреработвателните заводи, заводите за преработка на природен газ, нефтохимическите и химическите заводи и подобни големи промишлени предприятия такова оборудване се използва за компресиране на газ като междинен или краен продукт.

В хладилни и климатични инсталации газови компресори се използват за предаване на топлина от една точка в друга с помощта на циклите на хладилния агент. В газотурбинни системи те служат за компресиране на входящия въздух за горене.

Компресорите за индустриални газове са изключително популярно решение и при съхранението на пречистени или произведени газове в малки обеми в цилиндри под високо налягане за медицински, заваръчни и други цели. Те се използват още в различни индустриални, производствени и строителни процеси за захранване на всякакви видове пневматични инструменти; в херметични въздухоплавателни средства за осигуряване на дихателна атмосфера с по-високо от околното налягане, както и в някои видове реактивни двигатели (като турбореактивни и турбовитлови) за осигуряване на въздух, необходим за изгаряне на горивото в двигателя. Мощността за задвижване на компресора за въздуха за горене идва от собствените турбини на двигателя.

Газовите компресори са приложими още във водолазни операции, при хипербарна кислородна терапия и други животоподдържащи устройства – за съхраняване на дихателен газ в малък обем, например във водолазни цилиндри. Такива компресори могат да се използват още: в подводници за съхранение на въздух за по-нататъшна употреба като носител на плавателна способност, както и като турбокомпресори и компресори за увеличаване на производителността на двигатели с вътрешно горене чрез концентриране на кислорода.

В железопътния и тежкотоварния транспорт компресорите служат за осигуряване на сгъстен въздух за спирачните системи на железопътни превозни средства и тежкотоварни камиони, както и за задвижване на различни други системи (врати, чистачки, управления на двигателя/скоростната кутия и т. н.).

Лабораторните въздушни компресори и газовите компресори за други специализирани промишлени приложения се използват за обработка и генериране на доставки на специализирани газове, като водород, кислород, аргон, хелий, азот или газови смеси (амонячни компресори) или въглероден диоксид, например за хранително-вкусовата промишленост. Хелиевите компресори доставят газа до резервоари за съхранение за използване в лабораторни приложения, например за откриване на фини течове, докато други типове газови компресори, като кислородните, често се използват за съхранение на кислород в резервоари за болници и медицински заведения.

Използването на компресорна техника за повишаване налягането на индустриални газове е широко разпространено в нефтената и газовата промишленост, където компресори се използват за генериране на сгъстен природен газ за съхранение и транспорт. Някои от тези операции по компресиране изискват компресори за високо налягане, при които налягането на изхода може да бъде от 7 до 20 Mpa и нагоре, с възможност за достигане на 400 MPa в зависимост от приложението.

Управление

Когато става въпрос за управление на бутален компресор, възможностите не са много. Обикновено системи за управление се използват само за функциите “старт” и “стоп”, а компресорът захранва резервоар с горни и долни прагове за налягане. Когато се достигне долната работна точка, компресорът се включва и работи, докато се достигне горната точка на настройка.

Вариант на този метод, наречен контрол на постоянната скорост, позволява на компресора да работи известно време след достигане на горната работна точка, като изпуска въздух в атмосферата, в случай, че съхраняваният сгъстен въздух се използва при по-високо налягане от нормалното. Този процес свежда до минимум броя на двигателните стартирания по време на периоди на голямо натоварване. Селективна двойна система за управление обикновено е достъпна само за системи от 10+ к. с., и позволява на потребителя да избира между тези два режима на управление.

Достъпни са също системи за управление на хеликоидални винтови компресори. В допълнение към управлението “старт/стоп” и регулирането на постоянната скорост, винтовите компресори могат да използват управление за нагнетяване/изпускане, модулация на входящия вентил, плъзгащ вентил, автоматично двойно управление, задвижване с променлива скорост и инсталации с няколко устройства в компресорна последователност. Управлението на нагнетяването/изпускането използва клапан на изпускателната страна и клапан на всмукателната страна, които съответно се отварят и затварят, за да редуцират потока през системата. Това е много често срещана система при безмаслените винтови компресори.

Модулацията на входящия вентил използва пропорционално управление за регулиране на масирания въздушен поток в компресора. Управлението с плъзгащ вентил ефективно съкращава дължината на винтовете, забавя началото на компресията и позволява на част от входящия въздух да прескочи компресията, за да се отговори по-добре на търсенето. Автоматичните превключватели с двойно управление избират между опциите: “старт/стоп” или контрол на постоянна скорост в зависимост от потребностите. Задвижването с променлива скорост забавя или увеличава оборотите на ротора, като по електронен път променя честотата на синусоидата на променливия ток, който върти двигателя.

Последователното свързване на компресори позволява натоварването да бъде разпределено между множество компресори, като се избере например един агрегат да подържа базовото натоварване и се варира с рестартиране на други два допълнителни агрегата с оглед минимизиране на щетите при рестартиране.
При избора на която и да е от тези схеми за управление, идеята е да се постигне най-добрият баланс между задоволяване на търсенето и разходите за работа на празен ход в сравнение с разходите за ускорено износване на оборудването.

Капацитет и мощност

При избора на компресорни машини съществуват три основни параметъра, които трябва да се вземат под внимание в допълнение към многото посочени по-горе точки. Тези спецификации включват: капацитет за вместимост, капацитет за налягане и мощност на машината. Мощността на компресорите типично се измерва в конски сили или киловати.

Разходите за експлоатацията на оборудването обикновено зависят от ефективността на машината, работния и цикъл и т. н.
Обемният капацитет определя колко газ може да достави машината за единица време. Капацитетът за налягане до голяма степен се основава на нуждите на оборудването, което ще работи със сгъстен газ.

Въпреки че много пневматични инструменти са проектирани да работят с нормално въздушно налягане в предприятията, специални приложения, като стартиране на двигатели, изискват по-високо налягане. Така например при избор на бутален компресор най-често предлаганият вариант е едностепенно устройство, което доставя налягане до 10 atm (1MPa), подходящо за захранване на по-малки системи. Двустепенните устройства са предназначени за специални приложения с необходимост от по-високо налягане.

Необходимата мощност за задвижване на компресорите се определя от съображенията за обем и налягане. Добре е да се вземат предвид и някои загуби в системата при определяне на капацитета на компресора: загуби в тръбопроводите, падове на налягането през сушилни и филтри и други, задвижване и др.
Производителите на компресори често публикуват криви на производителността на компресорите, за да позволят на специалистите да оценят производителността им в редица работни условия. Това важи особено за центробежните компресори, които (подобно на центробежни помпи) могат да бъдат оразмерени, за да доставят различни обеми и налягания в зависимост от скоростта на вала и размера на ротора.