CC BY
18
Наука й Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
1ЭЗМ
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 04. С. 58-68.
Б01: 10.7463/0417.0001130
Представлена в редакцию: 02.03.2017 Исправлена: 16.03.2017
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 621.514
Нормализация работы турбокомпрессоров в условиях высокогорья
Филиппов И.В. ' . * йуб 1 andeK.ru
1Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана,
Калуга, Россия
Для обеспечения многих технологических процессов используется сжатый воздух, который производится на компрессорах различного типа, в том числе и турбокомпрессорах. Эксплуатация турбокомпрессоров в условиях высокогорья характеризуется тем, что фактические показатели работы турбокомпрессоров существенно отличаются от паспортных значений и параметры сжатого воздуха не всегда гарантируют нормальную и эффективную работу потребителей. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований была определена возможность нормализовать работу турбокомпрессоров и обеспечить надежную и эффективную работу потребителей сжатого воздуха при помощи турбонаддува во всасывающем трубопроводе.
Ключевые слова: турбокомпрессор; пониженное давление; турбонаддув
Введение
Для обеспечения многих технологических процессов используется сжатый воздух, который производится на компрессорных установках различного типа: поршневые, винтовые, центробежные и т.д. В области производительностей от 100 м /мин и до 1000
3 /ГП
м /мин и при умеренных давлениях - от 0,8 МПа и не более 3,0 МПа, целесообразным является использование центробежных компрессорных машин (далее - турбокомпрессор). Турбокомпрессоры имеют неоспоримые преимущества перед традиционно применяющимися в промышленности поршневыми компрессорами [1 - 4]. Поэтому на многих промышленных предприятиях, в том числе нефтегазодобывающей и горнодобывающей отраслей, установлены и эксплуатируются турбокомпрессоры отечественного и зарубежного производства. Некоторые предприятия России и мира расположены в районах, где параметры атмосферного воздуха отличаются от паспортных значений - высокогорье.
1. Постановка задачи
Эксплуатация турбокомпрессоров в условиях высокогорья характеризуется следующим [5]:
- фактические показатели работы турбокомпрессоров существенно отличаются от паспортных значений;
- параметры сжатого воздуха не всегда гарантируют нормальную и эффективную работу потребителей пневмоэнергии.
Задача нормализации работы турбокомпрессоров в высокогорных условиях представляется актуальной и может быть решена с помощью турбонаддува во всасывающем трубопроводе при помощи воздуходувок.
2. Исходные данные
В качестве объекта исследований были приняты турбокомпрессоры типа 4CI 425MX4 серии «CENTAC» производства фирмы INGERSOL - RAND [6 - 8], установленные в своё время на руднике «Молибден», альтитуда расположения которого составляет 2039 метров над уровнем моря. Климатическая обстановка в районе расположения характеризуется экстремальными условиями (при минимально возможном атмосферном давлении ратм.экстр. = 77 500 Па наблюдается максимально возможная температура атмосферного воздуха Татмэкстр. = 289 К), вероятность которых составляет 0,11 [9].
Турбокомпрессор типа 4CI 425MX4 представляет собой четырех ступенчатую компрессорную машину и имеет основные технические характеристики (паспортные), представленные в табл. 1 [6 - 8].
Таблица 1. Технические характеристики компрессора типа 4CI 425MX4
Параметры Паспортное значение
Параметры всасываемого воздуха:
- температура, К 282
- давление, Па 101 650
- плотность, кг/м3 1,257
Производительность объёмная, м3/мин 437,7
Производительность массовая, кг/мин 550,2
Конечное давление сжатого воздуха, Па 795 650
Степень повышения давления 8,02
Результаты теоретических исследований [5] компрессоров типа 4С1 425МХ4 показали, что в высокогорных условиях индивидуальные характеристики этих компрессоров изменяются, как это представлено на рис. 1 [5].
Реальные условия всасывания, характерные для местоположения рудника «Молибден» представлены в табл. 2.
Таблица 2. Реальные параметры атмосферного воздуха
Климатические условия Атмосферное давление Ратм, Па Температура атмосферного воздуха Татм, К Плотность атмосферного воздуха Ратм, кг/м3
Среднегодовые 79 000 273 1,009
Зимний период 78 750 266 1,033
Летний период 79 420 284 0,975
Экстремальные 77 500 289 0,935
Паспортные 101 650 282 1,257
Индивидуальные характеристики получены пересчетом паспортной характеристики турбокомпрессора, определенной с помощью регрессионного анализа, на реальные усло-
вия работы (изменение плотности всасываемого воздуха). В результате регрессионного анализа получено уравнение:
Р пасп = а + Ь- д + с-д2 + й - д3 (1)
гдерпасп - конечное давление, МПа; g - массовая производительность, кг/мин.; а, Ь, с и ё-коэффициенты уравнений регрессии: а = -38,6736; Ь = 0,22596; с = -0,00041419; ё = 2,43589х10"7.
,е
и
н
е
л
в
а
д
е
о
н
ч
е
н
о
К
Массовая производительность, кг/мин
Рис. 1. Характеристики компрессора типа 4С1 425МХ4: 1 - для паспортных условий работы; 2, 3 и 4 - соответственно, для зимних, летних и экстремальных условий работы
3. Теоретические исследования
В процессе проведения теоретических исследований был произведен подбор воздуходувки, для наддува турбокомпрессоров. Рассматривалось несколько вариантов воздуходувок: 1 вариант - ТВ-500-1,08М-В1; 2 вариант - ИЬоп БМБ 450; 3 вариант - ТигЬоМЛХ МАХ500.
Краткие технические характеристики воздуходувок представлены в табл. 3 для паспортных условий всасывания (см. табл. 2).
Таблица 3. Краткие технические характеристики воздуходувок
Параметры
№ варианта Номинальная массовая производительность кг/мин Давление конечное номинальное абсолютное при указанной массовой производительности, МПа,
1 0,108
2 550 0,115
3 0,13
4
Индивидуальные характеристики получены с помощью регрессионного анализа (использован математический пакет Table Curve 2D) для паспортных условий работы (см. табл. 1). В результате регрессионного анализа получено уравнение, аналогичное (1), с коэффициентами, представленными в табл. 3.
Таблица 3. Коэффициенты уравнения для рассматриваемых вариантов
№ варианта Коэффициенты
a b c d
1 0,01102 0,0007510 -1,5509х10"6 9,212х10"10
2 0,05740 0,0007422 -1,6120х10"6 8,2221х10"10
3 0,05720 0,0007247 -1,5299х10"6 8,223х10"10
Индивидуальные характеристики рассматриваемых воздуходувок для паспортных условий всасывания представлены на рис. 2.
Массовая производи тельное гъ: кг мин
Рис. 2. Характеристики воздуходувок: 1 - ТВ-500-1,08М-В1; 2 - Hibon SME 450; 3 - TurboMAX MAX500
Из представленных характеристик видно, что при одинаковой массовой производительности большее конечное давление имеет 3 вариант, а, именно, воздуходувка ТигЬоМАХ МАХ500. Принятый вариант необходимо проверить для реальных условий всасывания, которые приведены в табл. 2 [5].
На рис. 3 представлены характеристики воздуходувки ТигЬоМАХ МАХ500 приведенные к реальным условиям всасывания.
I № Ш
Массовая производительность, ьх.-Мин
Рис. 3. Характеристики воздуходувки ТигЬоМАХ МАХ500: 1 - для паспортных условий работы;
2, 3 и 4 - соответственно, для зимних, летних и экстремальных условий работы
Для многих потребителей сжатого воздуха, в частности, в горнодобывающей отрасли, паспортным рабочим давлением является, именно, 0,8 МПа. Поэтому в случае экстремальных условий работы (вероятность этого случая составляет 0,11) [9], нельзя гарантировать эффективную и безопасную работу потребителей сжатого воздуха. Для решения этой проблемы, в частности на руднике «Молибден», включали второй турбокомпрессор. Конечно, назвать такое решение эффективным, а тем более, экономичным нельзя.
Поэтому и предложено применить турбонаддув для нормализации работы компрессоров и повышения эффективности работы потребителей. На рис. 4 представлены характеристики турбокомпрессора типа 4С1 425МХ4, полученные с помощью уравнений регрессии (1) и приведенные к экстремальным условиям всасывания без наддува и с наддувом. Характеристика с наддувом получена сложением характеристик турбокомпрессора и воздуходувки с учетом изменения температуры воздуха перед первой ступенью компрессора.
Как видно из представленных характеристик, при одном и том же конечном давлении (например, 0,8 МПа) массовая производительность компрессора с наддувом больше на 18 кг/мин, чем без наддува. С другой стороны, при одном и том же расходе (например, 538 кг/мин, что при плотности атмосферного
воздуха ратм = 0,935 кг/м составит 503
о
м /мин) конечное давление возрастает на 14,3 % с 0,7 до 0,8 МПа.
Представленные характеристики получены аналитическим путём и требуют экспериментальной проверки, которая в дальнейшем и была проведена в реальных условиях эксплуатации турбокомпрессоров.
Рис. 4. Характеристики компрессора типа 4С1 425МХ4 для экстремальных условий работы: 1 - без наддува;
2, - с наддувом
Экспериментальные исследования
Для верификации результатов теоретических исследований, а именно, методики пересчета характеристик турбокомпрессора на реальные условия всасывания, были проведены экспериментальные исследования [5]. Фактические индивидуальные характеристики компрессора типа 4С1 425МХ4 были получены в результате экспериментальных исследований. Испытания были проведены в летний (июль) и зимний (февраль) периоды при следующей климатической обстановке: летний период: ратм = 79 400 Па, Татм = 286 К, ратм =
3 „ ^
0,968 кг/м ; зимний период: ратм = 78 600 Па, Татм = 286 К 268 К; ратм = 1,023 кг/м .
Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях в виде пассивного эксперимента. Все измерения осуществлялись с помощью штатного измерительного комплекса, входящего в комплект системы управления и контроля турбокомпрессора типа 4С1 425МХ4. Обработка результатов измерений произведена в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2002 (части 1 и 6).
Полученные индивидуальные характеристики приведены на рис. 5. На этом же рисунке для сравнения приведены характеристики, полученные аналитическим способом по выражению (1) при вышеуказанных климатических условиях.
Рис. 5. Индивидуальные характеристики компрессора типа 4С1 425МХ4, полученные экспериментально и
аналитическим способом
Статистическая обработка экспериментальных и теоретических данных дала результаты, представленные в табл. 4.
Таблица 4. Результаты статистической обработки
Период Среднеквадратичное отклонение ошибки Границы доверительного интервала при коэффициенте Стьюдента, равном 2,583, при уровне доверия 0,99 Погрешность, %
Зимний 0,00334485 0,0004335 2,1081
Летний 0,00215781 0,0001804 3,8485
Среднее значение 0,00275132 0,0003069 2,9783
Погрешность между экспериментальными и теоретическими данными составляет в среднем 2,9783 %, что подтверждает валидность примененного метода приведения характеристик турбокомпрессора к реальным условиям всасывания.
Оценить экономичность работы турбокомпрессора можно по величине удельной работы по сжатию воздуха. Определить величину удельной работы для различных вариантов работы турбокомпрессора можно воспользовавшись выражением [4, 10, 11] и данными приведенными в статье [5]:
где 1к - удельная работа компрессора, Дж/кг; Я - газовая постоянная, Дж/кг*К; Те.1 - температура воздуха на входе в I - ступень, К; к - показатель адиабаты; 8г - степень повышения давления в I - ступени; щ - показатель политропы в I - ступени.
В расчетах были использованы паспортные данные и данные, полученные экспериментальным путём для экстремальных условий. Исходные данные для расчета удельной работы турбокомпрессора с наддувом приняты из условия нормализации всасывания по давлению, но не по температуре. Наддув повышает атмосферное давление от экстремального до паспортного, но температура всасываемого воздуха будет соответствовать экстремальной.
Результаты вычислений приведены в табл. 5.
Таблица 5. Удельная работа компрессора
Условия работы Удельная работа
Дж/кг в % к паспортной
Паспортные 192 700 100,0
Экстремальные без наддува 231 400 119.9
Экстремальные с наддувом 196 200 101.7
Представленные в табл. 5 данные свидетельствуют о том, что при наддуве удельная работа турбокомпрессора незначительно возрастает, а если учесть затраты энергии на наддув (работа воздуходувки), то ожидать экономического эффекта в классическом понимании этого показателя, не приходится. Однако, возвращаясь к поставленной цели - нормализация работы турбокомпрессоров и обеспечение гарантированной работы потребителей сжатого воздуха, то можно утверждать, что наддув позволяет решить эти задачи.
Заключение
Подводя итог проведённым исследованиям, можно сделать следующие выводы:
Задача нормализации работы турбокомпрессоров в высокогорных условиях и обеспечение надежной и эффективной работы потребителей сжатого воздуха представляется актуальной. В статье представлено решение поставленной задачи при помощи турбонад-дува во всасывающем трубопроводе с использованием воздуходувок большой мощности.
Наддув позволяет свети до минимума время использования дополнительных компрессоров при изменении параметров всасываемого воздуха и компенсировать специфические условия высокогорья.
Список литературы
1. Girsberger R., Feld H.-J., Kudermasch G., Rofka C., Lindblom C. Low noise turbochargers // 24th CIMAC World Congress on Combustion Engine Technology (Kyoto, Japan, 7-11 June, 2004): Paper № 84. Kyoto, 2004.
2. Klima J., Vacek M., Tomec O. High perfomance small turbocharges // 26th CIMAC World Congress on Combustion Engine Technology (Bergen, Norway, 14-17 June, 2010): Paper № 188. Bergen, 2010. Pp. 42-43.
3. Лобода Б.Н., Белов Л.В., Каверзнев А.Н., Гительман А.И., Хазов И.Н., Огнев В.В., Пиль-диш В.Г., Солонин В.И. Компактные судовые компрессорные установки двойного применения // Судостроение. 2006. № 3. С. 40-42.
4. Галеркин Ю.Б., Козаченко Л.И. Турбокомпрессоры: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2008. 377 с.
5. Филиппов И.В. Работа турбокомпрессоров в условиях пониженного давления во всасывающем трубопроводе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 339-349. DOI: 10.7463/1214.0739206
6. Шерченков П.В. Центробежные компрессоры «ЦЕНТАК» // Территория НЕФТЕГАЗ. 2007. № 6. С. 76-79.
7. Булавин Д.О. Центробежные турбокомпрессоры фирмы «INGERSOLL-RAND»: Сочетание современных технологий с высоким качеством продукции // Технические газы. 2001. № 3. С. 45-50.
8. Лавреченко Г.К., Власюк В.А., Булавин Д.О. Воздушные компрессоры компании «Ингер-солл-Рэнд»: от первых шагов - к непревзойденному успеху // Компрессорная техника и пневматика. 2002. № 7. С. 21-26.
9. Филиппов И.В. Влияние изменений давления и температуры атмосферного воздуха на работу компрессоров // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1987. № 6. С. 89-91.
10. Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры: Рабочий процесс, расчет и проектирование проточной части. М.: КХТ, 2010. 581 с.
11. Добродеев В.П., Добродеев А.В. Метод оценки параметров и эффективности процесса сжатия газа в турбокомпрессорах // Компрессорная техника и пневматика. 2001. № 8. С. 22-24.
Science ¿Education
of the Baurnan MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 04, pp. 58-68.
DOI: 10.7463/0417.0001130
Received: 02.03.2017
Revised: 16.03.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Turbocharging Normalization in Highland Conditions
I.V. Filippov' * fiv61 andexju
1Kaluga Branch of the Bauman Moscow State Technical University, Kaluga, Russia
Keywords: turbocompressor; low pressure; turbocharging
To ensure many production processes are used compressors of various types, including turbochargers, which produce compressed air. The actual performance values of turbochargers used in highlands are significantly different from the certified values, and parameters of compressed air do not always guarantee the smooth and efficient functioning for consumers.
The paper presents research results of the turbochargers of 4CI 425MX4 type, a series of "CENTAC", manufactured by INGERSOL - RAND Company. The research has been conducted in industrial highland conditions in difficult climatic environment. There were almost no investigations of turbochargers running in highland conditions. The combination of low atmospheric pressure with high temperature of the intake air causes the abnormal operating conditions of a turbocharger. Only N. M. Barannikov in his paper shows the results of theoretical studies of such operating conditions, but as to the practical research, there is no information at all.
To normalize the turbocharger operation an option of the mechanical pressurization in the suction pipe is adopted. As a result of theoretical research, a TurboMAX blower MAX500 was chosen as a supercharger. The next stage of theoretical research was to construct characteristics of the turbocharger 4CI 425MX4 with a mechanical supercharger in the suction pipe. The boost reduces to the minimum the time of using additional compressors when parameters of the intake air are changed and ensures the smooth and efficient functioning for consumers.
To verify the results of theoretical studies, namely, the technique for recalculation of the turbocharger characteristics under the real conditions of suction, were carried out the experimental researches. The average error between experimental and theoretical data is 2,9783 %, which confirms the validity of the technique used for reduction of the turbocharger characteristics to those under the real conditions of suction.
References
1. Girsberger R., Feld H.-J., G. Kudermasch G., Rofka C., Lindblom C. Low noise turbochargers. 24th CIMAC World Congress on 7-11 June, 2004): Paper № 84. Kyoto, 2004.
chargers. 24th CIMAC World Congress on Combustion Engine Technology (Kyoto, Japan,
2. Klima J., Vacek M., Tomec O. High perfomance small turbocharges. 26th CIMAC World Congress on Combustion Engine Technology (Bergen, Norway, 14-17 June, 2010): Paper № 188. Bergen, 2010. Pp. 42-43.
3. Loboda B.N., Belov L.V., Kaverznev A.N., Gitel'man A.I., Khazov I.N., Ognev V.V., Pil'dish V.G., Solonin V.I. Compact turbine-compressor plants of dual use. Sudostroenie [Shipbuilding], 2006, no. 3, pp.40-42 (in Russian).
4. Galerkin Yu.B., Kozachenko L.I. Turbokompressory [Turbochargers]. S.-Petersburg: S.-Petersburg Polytechn. Univ. Publ., 2008. 377 p. (in Russian).
5. Filippov I. V. Work turbochargers under reduced pressure in the suction pipe. Nauka i obrazovanie MGTU im N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2014, no. 12, pp. 339-349. DOI: 10.7463/1214.0739206
6. Sherchenkov P.V. Centrifugal compressors "CENTAC". Territorija Neftegaz [Oil and Gas Territory], 2007, no. 6, pp. 76-79 (in Russian).
7. Bulavin D.O. Centrifugal turbochargers company "INGERSOLL-RAND": the Combination of modern technology with high quality products. Tekhnicheskie gazy [Technical gases], 2001, no. 3, pp. 45-50 (in Russian).
8. Lavrenchenko G.K., Vlasyuk V.A., Bulavin D.O. Air compressors company "In gersollRand": From first steps to an unbeatable success. Kompressornaia tekhnika i pnevmatika [Compressors and Pneumatics], 2002, no. 7, pp. 21-26 (in Russian).
9. Filippov I.V. The influence of changes of pressure and temperature of atmospheric air for the operation of the compressors. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenij. Mashinostroenie [Proc. of Higher Educational Institutions. Machine Building], 1987, no. 6, pp. 89-91(in Russian).
10. Galerkin Yu.B. Turbokompressory. Rabochij protsess, raschet i proektirovanie protochnoj chasti [Turbochargers. Workflow, calculation and design of flowing part]. Moscow: KKhT, 2010. 581 p. (in Russian).
11. Dobrodeev V.P., Dobrodeev A.V. Method of estimation of parameters and efficiency of gas is compressed in turbo-compressors. Kompressornaia tekhnika i pnevmatika [Compressors and Pneumatics], 2001, no. 8, pp. 22-24 (in Russian).
