Тестирование агрегата винтового и поршневого воздушных компрессоров в последовательном соединении

Тестирование агрегата винтового и поршневого воздушных компрессоров в последовательном соединении

Введение
Современные технологические процессы часто предъявляют сложные и разнородные требования к системам сжатого воздуха. Иногда для их оптимального удовлетворения вместо одного мощного компрессора или параллельной схемы рассматривается последовательное соединение компрессоров различных типов. Данная статья описывает методику и опыт проведения испытаний агрегата, состоящего из винтового и поршневого воздушных компрессоров, соединенных последовательно. Цель испытаний – оценка работоспособности такой схемы, ее эффективности, стабильности параметров и выявление потенциальных особенностей эксплуатации.

1. Объекты испытаний

Объектом испытаний являлся агрегат, включающий в себя:

1. Винтовой воздушный компрессор (Первая ступень): Маслозаполненный винтовой блок, рассчитанный на производительность, достаточную для обеспечения требуемого объемного расхода воздуха на входе во вторую ступень при номинальном давлении нагнетания первой ступени. Компрессор оснащен стандартной системой управления, встроенным охладителем воздуха после сжатия и сепаратором масла.
2. Поршневой воздушный компрессор (Вторая ступень): Многоцилиндровый поршневой компрессор без собственного приводного двигателя (привод осуществляется от вала винтового компрессора через ременную или прямую передачу, либо приводной двигатель поршневого компрессора управлялся синхронно с винтовым). Рассчитан на дальнейшее повышение давления воздуха, поступающего из нагнетания первой ступени, до требуемого конечного высокого давления. Компрессор оснащен необходимыми клапанами, промежуточным и конечным охладителем воздуха.
3. Система соединений и трубопроводов: Трубопроводы высокого давления, соединяющие нагнетание винтового компрессора с всасывающим патрубком поршневого компрессора. Участки трубопроводов оборудованы запорной арматурой, контрольными вентилями для подключения измерительных приборов и предохранительными клапанами.
4. Система управления: Интегрированная или координированная система управления обоими компрессорами, обеспечивающая их синхронный пуск, останов, регулирование производительности и защиту от аварийных режимов.
5. Вспомогательные системы: Система смазки поршневой ступени (если требуется), система охлаждения (воздушная или водяная) для охладителей воздуха и компрессоров (если не используется встроенное охлаждение).

2. Область испытаний

Основные аспекты, подлежащие оценке в ходе испытаний:

• Работоспособность и стабильность: Возможность агрегата запускаться, выходить на установившиеся режимы работы при различных нагрузках и стабильно функционировать продолжительное время.
• Производительность (FAD - Free Air Delivery): Измерение фактической объемной производительности агрегата по всасыванию винтового компрессора при различных конечных давлениях на выходе поршневой ступени и различных режимах регулирования.
• Конечное давление: Способность агрегата достигать и поддерживать заданное максимальное давление на выходе поршневой ступени при номинальной и пониженной нагрузке.
• Удельное энергопотребление (кВт·ч/м³): Определение энергоэффективности агрегата в целом при различных комбинациях давления нагнетания винтовой ступени (давления всасывания поршневой) и конечного давления на выходе поршневой ступени. Сравнение с теоретическими расчетами для последовательного сжатия.
• Температурные режимы:
  • Температура воздуха после каждой ступени сжатия и после каждого охладителя.
  • Температура масла в винтовом блоке.
  • Температура головок цилиндров и выхлопных газов (если применимо) поршневой ступени.
  • Контроль за перегревом узлов.
• Давления:
  • Давление всасывания винтового компрессора.
  • Давление нагнетания винтового компрессора / давление всасывания поршневого компрессора.
  • Давление нагнетания поршневого компрессора (конечное).
  • Перепады давления на охладителях и фильтрах.
• Качество воздуха: Контроль уровня остаточного масла в сжатом воздухе на выходе всего агрегата (особенно критично после поршневой ступени) и точки росы под давлением после финального охладителя.
• Вибрация и шум: Оценка уровней вибрации на корпусах компрессоров и фундаментах, а также шумового воздействия агрегата.
• Режимы регулирования: Тестирование работы системы регулирования производительности (частотный привод винтового компрессора, отключение ступеней поршневого, холостой ход и т.д.) и ее влияния на стабильность давления и эффективность.
• Взаимовлияние ступеней: Анализ влияния изменения нагрузки на одной ступени (особенно поршневой) на параметры работы другой ступени и агрегата в целом.
• Надежность и безопасность: Проверка корректности работы систем защиты от превышения давления, температуры, падения давления масла и других аварийных ситуаций.

3. Методы испытаний

Испытания проводились согласно следующим принципам:

1. Подготовка: Проверка монтажа, центровки (если привод механический), заправка маслами, проверка электрических соединений, калибровка измерительных приборов.
2. Холодный прогон: Запуск агрегата без нагрузки (с открытым стравливающим вентилем на выходе) для проверки вращения, смазки, работы систем управления и охлаждения.
3. Постепенная нагрузка: Последовательное увеличение нагрузки на агрегат путем дросселирования потока на выходе с помощью регулируемого вентиля и/или повышения давления уставки. Нагрузка создавалась стандартной измерительной установкой с дросселирующим устройством (сопло, дроссельный клапан).
4. Стационарные режимы: Достижение и стабилизация агрегата на заданных точках нагрузки (например, 25%, 50%, 75%, 100% от номинальной производительности при нескольких фиксированных конечных давлениях). Измерения параметров проводились только после выхода на устойчивый тепловой и динамический режим (постоянство температур и давлений в течение определенного времени).
5. Измерение FAD: Производительность измерялась на всасывании винтового компрессора с помощью калиброванного расходомера (например, диафрагма, турбинный или ультразвуковой расходомер) и коррекцией на условия всасывания (температура, давление, влажность) согласно стандартным методикам (например, ISO 1217).
6. Энергопотребление: Измерение полной потребляемой электрической мощности агрегата (кВт) высокоточным ваттметром на входе питания. Удельный расход рассчитывался как отношение мощности к FAD.
7. Температурный контроль: Термопары и термометры сопротивления (RTD) устанавливались в контрольных точках, предусмотренных схемой.
8. Контроль давлений: Точные манометры и датчики давления устанавливались во всех ключевых точках (всас винт., нагн. винт/всас порш., нагн. порш., до/после охладителей).
9. Качество воздуха: Пробы воздуха на выходе агрегата анализировались на содержание масла с помощью фотометрического или гравиметрического метода. Точка росы под давлением измерялась датчиком точки росы.
10. Вибрация и шум: Измерялись виброскорость/виброускорение в стандартных точках на подшипниковых узлах. Уровень звукового давления измерялся на заданном расстоянии от агрегата по стандартной методике.
11. Динамические режимы: Проводились тесты на реакцию системы при резком изменении нагрузки (скачкообразное открытие/закрытие выходного вентиля) и при пуске/останове.
12. Продолжительные испытания: Для оценки надежности и стабильности параметров во времени агрегат работал в номинальном режиме в течение нескольких часов непрерывно.

4. Испытательное оборудование

Для проведения комплексных испытаний использовалось следующее оборудование:

1. Нагрузочная установка: Калиброванная установка создания переменной нагрузки (обычно включающая ресивер достаточного объема, дросселирующее устройство с высокой точностью регулирования - например, регулируемое сопло или клапан, систему измерения расхода через это устройство).
2. Измерители расхода:
   • Первичный преобразователь расхода (диафрагма, сопло Вентури) на всасывании винтового компрессора с дифференциальным манометром высокой точности.
   • Дополнительно: ультразвуковые или турбинные расходомеры для перекрестной проверки.
3. Система измерения давления: Набор калиброванных датчиков абсолютного и избыточного давления (пьезорезистивные, емкостные) с необходимыми диапазонами, установленные во всех контрольных точках. Точность класса 0,5 или выше.
4. Система измерения температуры: Калиброванные термопары (Тип K, T) или термометры сопротивления (Pt100), установленные в контрольных точках, подключенные к многоканальному регистратору данных или системе сбора данных (SCADA). Точность ±0.5 °C.
5. Измеритель мощности: Трехфазный цифровой ваттметр (анализатор сети) высокой точности (класс 0.5 или 0.2) для измерения активной мощности, напряжения, тока, коэффициента мощности.
6. Анализатор качества воздуха:
   • Прибор для измерения содержания масла в сжатом воздухе (фотометрический или гравиметрический).
   • Датчик точки росы под давлением с соответствующим индикатором.
7. Вибрационный анализатор: Портативный виброметр или анализатор вибрации с акселерометрами для измерения виброскорости/виброускорения.
8. Шумомер: Калиброванный интегрирующий шумомер с ветрозащитным колпаком для измерения уровня звукового давления по шкале А (дБА).
9. Система сбора данных (АСУ ТП/SCADA или специализированный регистратор): Ключевое оборудование для синхронной записи всех измеряемых параметров (давления, температуры, мощность, сигналы управления) с необходимой частотой дискретизации, особенно важной при тестировании динамических режимов.
10. Контрольно-измерительные приборы (КИП): Эталонные манометры, термометры для периодической поверки штатных датчиков.
11. Средства измерения атмосферных условий: Барометр, психрометр (термометр сухой/влажный) для точного измерения давления, температуры и влажности воздуха всасывания.

Заключение

Проведение полноценных испытаний агрегата из последовательно соединенных винтового и поршневого компрессоров требует тщательной подготовки, применения высокоточного измерительного оборудования и строгого следования методике. Полученные данные позволяют всесторонне оценить работоспособность и эффективность такой нестандартной схемы, выявить оптимальные соотношения давлений между ступенями, оценить энергозатраты, температурные режимы и влияние ступеней друг на друга. Эта информация критически важна для обоснования применения подобных гибридных решений в реальных промышленных установках, где требуется сочетание высокой объемной производительности и очень высокого давления при обеспечении надежности и энергоэффективности. Особое внимание при испытаниях должно уделяться безопасности из-за работы с высоким давлением и возможным перегревом поршневой ступени.