Comprensione dell'aumento di pressione nei compressori
Definizione: Che cosa è il Surging?
In aumento (chiamato anche "sovracorrente del compressore") è una violenta instabilità aerodinamica nei compressori centrifughi e assiali in cui l'intero flusso attraverso il compressore inverte periodicamente la direzione, creando pressione e flusso oscillanti con frequenze tipicamente comprese tra 0,5 e 10 Hz. Durante un ciclo di sovracorrente, il flusso si interrompe momentaneamente o si inverte, la pressione diminuisce, quindi il flusso riprende in avanti, la pressione aumenta e il ciclo si ripete. Ciò crea enormi forze fluttuanti sul rotore, producendo gravi vibrazione, forte rumore di rimbombo e può distruggere un compressore in pochi minuti se non viene fermato immediatamente.
Il picco di pressione è fondamentalmente un'instabilità del sistema che coinvolge il compressore e le sue tubazioni/volume, non solo il compressore stesso. Si verifica quando si tenta di far funzionare il compressore oltre la sua capacità di aumento di pressione a basse portate; la prevenzione richiede sistemi di controllo anti-picco di pressione che mantengano il flusso al di sopra della linea di picco.
Il meccanismo di sovratensione
Descrizione del ciclo di sovratensione
Un tipico ciclo di sovratensione si svolge come segue:
- Riduzione del flusso: La domanda del sistema diminuisce, il flusso attraverso il compressore si riduce
- Inizio della stalla: A flusso molto basso, le pale del compressore si bloccano (il flusso si separa)
- Collasso di pressione: Il compressore bloccato non riesce a mantenere la pressione di scarico
- Inversione di flusso: Il gas ad alta pressione nella tubazione di scarico/plenum scorre all'indietro attraverso il compressore
- Equalizzazione della pressione: La pressione di scarico diminuisce quando il gas scorre all'indietro
- Riprende il flusso in avanti: Una volta che la pressione scende, il compressore può nuovamente fluire in avanti
- Aumento della pressione: Il flusso in avanti aumenta la pressione di scarico
- Ripetizioni del ciclo: L'alta pressione provoca nuovamente lo stallo, ripetendo il ciclo
Frequenza di sovratensione
- Determinato dal volume del sistema (tubazioni, plenum, serbatoi) e dalle caratteristiche del compressore
- Volumi maggiori → frequenza di sovratensione inferiore
- Intervallo tipico: 0,5-10 Hz
- Piccoli sistemi: 5-10 Hz
- Sistemi di grandi dimensioni: 0,5-2 Hz
- Frequenza relativamente costante per un dato sistema
Condizioni che portano all'ondata
Operare oltre la linea di sovratensione
La linea di sovratensione sulla mappa delle prestazioni del compressore:
- Linea di sovratensione: Limite operativo stabile più a sinistra sulla mappa del compressore
- Funzionamento sicuro: A destra della linea di sovratensione (flussi più elevati)
- Zona di sovratensione: A sinistra della linea di sovratensione (instabile, vietato)
- Margine: In genere, utilizzare il margine di flusso 10-20% a destra della linea di sovratensione
Eventi scatenanti
- Riduzione della domanda: La domanda di processo diminuisce, il flusso si riduce
- Restrizione allo scarico: Chiusura o blocco della valvola
- Riduzione della velocità: Rallentamento del compressore senza riduzione proporzionale della portata
- Variazioni di densità: Cambiamenti di peso molecolare o di temperatura che influenzano le caratteristiche del compressore
- Sporcizia: Depositi sulle lame che riducono la capacità del compressore
Effetti e conseguenze
Vibrazioni
- Ampiezza: Può raggiungere 25-50 mm/s (1-2 pollici/s) o più
- Componente assiale: Particolarmente grave in direzione assiale
- Bassa frequenza: Pulsazioni da 0,5-10 Hz
- Macchina intera: L'intero gruppo compressore oscilla e trema
Danni meccanici
- Guasto del cuscinetto: I carichi d'urto distruggono i cuscinetti in poche ore
- Danni alla guarnizione: Il movimento assiale e le inversioni di pressione distruggono le guarnizioni
- Danni all'albero: Sollecitazioni di flessione e torsione da inversione del flusso
- Danni alla lama: Carichi aerodinamici alternati che causano affaticamento, possibile liberazione della pala
- Danni all'accoppiamento: Giunti che danneggiano gli urti torsionali
- Cuscinetto reggispinta: La spinta alternata rapida può distruggere il cuscinetto reggispinta
Conseguenze del processo
- Oscillazioni di pressione e flusso che influenzano il processo a valle
- Escursioni di temperatura dai cicli di compressione/espansione
- Possibili anomalie di processo o interruzioni del sistema di sicurezza
- Problemi di qualità del prodotto dovuti a condizioni instabili
Rilevamento
Firma di vibrazione
- Insorgenza improvvisa di pulsazione a bassa frequenza di grande ampiezza
- Frequenza nell'intervallo 0,5-10 Hz
- Acuto vibrazione assiale
- Ampiezza variabile e instabile
Firma acustica
- Forte suono rimbombante o sibilante
- Pulsazione ritmica udibile a frequenza di picco
- Distintivo e inconfondibile
Indicatori di processo
- Pressione di scarico oscillante
- Flusso oscillante (può invertirsi)
- fluttuazioni di temperatura
- Fluttuazioni della corrente del motore
Prevenzione: Controllo anti-sovratensione
Componenti del sistema anti-sovratensione
Valvola di riciclo
- Valvola ad azione rapida che bypassa lo scarico del compressore verso l'aspirazione
- Si apre per aumentare il flusso quando ci si avvicina alla linea di sovratensione
- Dimensionato per il flusso completo del compressore, se necessario
Misurazione di portata e pressione
- Monitoraggio continuo della portata e dell'aumento della pressione
- Tracciare il punto operativo sulla mappa del compressore
- Rileva l'avvicinamento alla linea di sovratensione
Controllore
- Calcola la distanza dalla linea di sovratensione
- Apre la valvola di riciclo quando si avvicina l'ondata (con margine di sicurezza)
- I sistemi moderni utilizzano algoritmi adattivi
- Tempo di risposta critico (< 1 secondo requisito tipico)
Procedure operative
- Non operare mai a sinistra della linea di sovratensione
- Mantenere un margine di flusso di 10-20% dall'ondata
- Cambiamenti graduali del carico (evitare rapidi cali della domanda)
- Verificare il funzionamento del sistema anti-sovratensione prima dell'avvio
- Testare periodicamente l'anti-sovratensione
Risposta alle emergenze
Se si verifica un'ondata
- Azione immediata: Aprire manualmente la valvola di riciclo se il sistema automatico non funziona
- Aumentare il flusso: Scarica aperta, riduzione della resistenza, avvio unità parallele
- Ridurre l'aumento di pressione: Compressore lento se a velocità variabile
- Arresto di emergenza: Se l'ondata non può essere fermata entro 10-30 secondi
- Non riavviare: Fino a quando la causa non viene identificata e corretta
Ispezione post-surge
- Controllare eventuali danni alla lama
- Controllare le condizioni dei cuscinetti
- Verificare l'integrità del sigillo
- Esaminare il cuscinetto reggispinta
- Eseguire l'analisi delle vibrazioni prima di rimetterle in servizio
Sovratensione vs. altre instabilità
Sovratensione vs. stallo rotante
- Ondeggiare: Oscillazione del flusso a livello di sistema, frequenza molto bassa (0,5-10 Hz)
- Stallo rotante: Cellule di stallo localizzate che ruotano attorno all'anello, frequenza più elevata (velocità del rotore 0,2-0,8×)
- Gravità: L'ondata è più distruttiva, lo stallo potrebbe essere il precursore dell'ondata
Sovratensione vs. Ricircolo
- Ondeggiare: Inversione del flusso, instabilità del sistema, specifica del compressore
- Ricircolo: Può verificarsi in pompe o compressori, inversione di flusso localizzata, meno grave
- Relazione: La ricircolazione può causare un aumento di pressione nei compressori
La sovratensione è la condizione operativa più pericolosa per i compressori centrifughi e assiali, in grado di distruggere le apparecchiature in pochi minuti. Comprendere il meccanismo di sovratensione, riconoscere i limiti della linea di sovratensione, implementare un efficace controllo anti-sovratensione e mantenere adeguati margini operativi sono assolutamente fondamentali per il funzionamento sicuro del compressore nelle applicazioni di compressione di gas industriali.
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