Comprensione dell'aumento di pressione nei compressori
In aumento — spesso chiamato semplicemente «surging del compressore» — è una violenta instabilità aerodinamica che si verifica nei compressori centrifughi e assiali, in cui l'intero flusso che attraversa la macchina inverte periodicamente la propria direzione. Il risultato è un'oscillazione della pressione e della portata, solitamente a frequenze di 0.5–10 Hz. In ogni ciclo di picco, il flusso si interrompe momentaneamente o si inverte, la pressione di mandata crolla, poi il flusso in avanti riprende e la pressione si ristabilisce, e il ciclo si ripete. Queste inversioni esercitano enormi forze fluttuanti sul rotore, provocando gravi vibrazione — soprattutto nel assiale conseguenza: un forte boato e la capacità di distruggere un compressore in pochi minuti se non viene immediatamente fermato.
Surge è fondamentalmente un sistema un'instabilità che coinvolge il compressore insieme alle tubazioni e al serbatoio ad esso collegati, e non una caratteristica del solo compressore. Si verifica quando la macchina viene spinta oltre la propria capacità di aumento di pressione a bassa portata, e per prevenirla è necessario un sistema di controllo anti-surge che mantenga la portata al di sopra della linea di surge in condizioni di sicurezza.
1. Il meccanismo di picco
Il ciclo di pompaggio
Un tipico ciclo di sovratensione si sviluppa secondo una sequenza che si ripete:
- Riduzione del flusso: La richiesta del sistema diminuisce, quindi la portata attraverso il compressore cala.
- Stall onset: A portate molto basse, le pale vanno in stallo e il flusso si stacca dalle loro superfici.
- Crollo da pressione: Il compressore in stallo non è più in grado di mantenere la pressione di mandata.
- Flow reversal: Il gas ad alta pressione intrappolato nelle tubazioni di scarico o nella camera di raccolta rifluisce all'interno del compressore.
- Compensazione della pressione: la pressione di scarico diminuisce man mano che il gas fuoriesce all'indietro.
- Riprende il flusso in avanti: una volta che la pressione è scesa, il compressore può nuovamente spingere il gas in avanti.
- Incremento della pressione: Il flusso in avanti ripristina la pressione di mandata.
- Cycle repeats: L'alta pressione blocca nuovamente la macchina e il ciclo si ripete.
Frequenza di pompaggio
- Determinato dal volume dell'impianto (tubazioni, camere di distribuzione, serbatoi) e dalle caratteristiche del compressore.
- Volumi maggiori comportano una frequenza di picco inferiore.
- Intervallo tipico: 0,5–10 Hz.
- Sistemi di piccole dimensioni: circa 5–10 Hz.
- Sistemi di grandi dimensioni: circa 0,5–2 Hz.
- La frequenza rimane relativamente costante per un dato sistema.
Questa frequenza bassa, fissata dal sistema, rientra ampiamente nel campo operativo di un analizzatore portatile. Vale la pena notare che il Bilanciamento-1a misura le vibrazioni a partire da 5 Hz, quindi i cicli di picco ad alta frequenza dei sistemi di piccole dimensioni rientrano nella sua banda; l'elemento diagnostico fondamentale, tuttavia, non è tanto la frequenza esatta quanto l'inconfondibile andamento di una pulsazione di bassa frequenza, ampia, instabile e prevalentemente assiale, che si manifesta all'improvviso.
2. Fattori che determinano un picco di tensione
Operare oltre la linea di picco
La mappa delle prestazioni di ogni compressore presenta una linea di sovrapressione che ne definisce il limite di stabilità:
- Surge line: il confine operativo stabile più a sinistra sulla mappa.
- Funzionamento sicuro: a destra della linea, in presenza di portate più elevate.
- Surge zone: a sinistra della linea — territorio instabile e proibito.
- Margine: Le macchine vengono normalmente fatte funzionare con un margine di portata del 10–20% al di sopra della linea di surge.
Eventi scatenanti
- Riduzione della domanda: il processo assorbe meno, quindi la portata scende verso la linea di compensazione.
- Limitazione delle dimissioni: la chiusura di una valvola o un'ostruzione a valle.
- Riduzione della velocità: il compressore rallenta senza che la portata richiesta diminuisca in modo proporzionale.
- Variazioni di densità: variazioni del peso molecolare del gas o della temperatura che modificano la curva caratteristica del compressore.
- Sporcizia: depositi sulle lame che, col tempo, compromettono le prestazioni della macchina.
3. Effetti e conseguenze
Vibrazioni
- Ampiezza: può raggiungere i 25–50 mm/s (1–2 pollici/s) o anche di più.
- Componente assiale: particolarmente grave lungo l'asse del fusto.
- Bassa frequenza: Pulsazioni da 0,5 a 10 Hz.
- Movimento dell'intera macchina: l'intero gruppo compressore oscilla e vibra.
Danni meccanici
- Guasto al cuscinetto: I carichi d'urto possono distruggere i cuscinetti nel giro di poche ore.
- Seal damage: Il movimento assiale e gli sbalzi di pressione danneggiano le guarnizioni.
- Danno all'albero: sollecitazioni di flessione e torsione dovute alle inversioni di flusso.
- Danno alla pala: i carichi aerodinamici alternati causano fatica e può causare il distacco della lama.
- Danni all'accoppiamento: Gli urti torsionali danneggiano i giunti.
- Cuscinetto reggispinta: una spinta assiale che si alterna rapidamente può danneggiare il cuscinetto reggispinta — spesso la prima vittima di un'ondata.
Conseguenze del processo
- Le oscillazioni di pressione e portata si propagano nel processo a valle.
- Le variazioni di temperatura derivano dalle ripetute compressioni ed espansioni.
- Potrebbero verificarsi anomalie di processo o l'intervento dei sistemi di sicurezza.
- La qualità del prodotto può risentire delle condizioni instabili.
4. Rilevamento
Firma vibrazionale
- Insorgenza improvvisa di pulsazione a bassa frequenza di grande ampiezza
- Frequenza compresa tra 0,5 e 10 Hz.
- Acuto vibrazione assiale.
- Instabile, con ampiezza in continua variazione.
Quella firma è inconfondibile su un spettro di vibrazione and on a forma d'onda temporale: un improvviso slancio di energia nelle profondità velocità di marcia, dominante nel canale assiale, che tende ad aumentare e a diminuire anziché rimanere costante. Monitoraggio delle vibrazioni Il monitoraggio del cuscinetto di spinta del compressore è uno dei modi più rapidi per individuare un'oscillazione in corso, poiché è lì che la pulsazione assiale si manifesta con maggiore intensità.
Impronta acustica
- Un forte boato o un sibilo.
- Pulsazione ritmica udibile alla frequenza di risonanza.
- Caratteristico e, per chiunque lo abbia ascoltato, inconfondibile.
Indicatori di processo
- Pressione di scarico oscillante.
- Flusso oscillante, che può addirittura invertirsi.
- Sbalzi di temperatura.
- Fluttuazioni della corrente del motore.
5. Prevenzione: controllo anti-sovratensione
Componenti del sistema
Recycle valve. Una valvola ad azione rapida che reindirizza il gas di scarico verso l'aspirazione. Si apre per aumentare la portata quando il punto di funzionamento si avvicina alla linea di instabilità ed è dimensionata per la portata massima del compressore, se necessario.
Misurazione della portata e della pressione. Il monitoraggio continuo della portata e dell'aumento di pressione consente di tracciare in tempo reale il punto di funzionamento sulla mappa del compressore e di rilevare qualsiasi avvicinamento alla linea di surge.
Controller. Il controller calcola la distanza dalla linea di picco, apre la valvola di ricircolo con un margine di sicurezza man mano che ci si avvicina al picco e, negli impianti moderni, utilizza algoritmi adattivi. Il tempo di risposta è fondamentale e richiede in genere un intervento in meno di un secondo.
Procedure operative
- Non operare mai a sinistra della linea di picco.
- Mantenere un margine di portata del 10–20% rispetto al picco.
- Modificare il carico in modo graduale ed evitare cali improvvisi della domanda.
- Prima di ogni avvio, verificare che il sistema antisovraccarico funzioni correttamente.
- Verificare periodicamente il funzionamento del sistema antisovratensione.
6. Intervento di emergenza
In caso di pompaggio
- Azione immediata: aprire manualmente la valvola di ricircolo in caso di guasto del sistema automatico.
- Increase flow: aprire la valvola di scarico, ridurre la resistenza o avviare unità in parallelo.
- Ridurre l'aumento di pressione: ridurre la velocità del compressore se è a velocità variabile.
- Arresto di emergenza: Se il picco di tensione non può essere interrotto entro 10–30 secondi, spegnere l'apparecchiatura.
- Non riavviare: fino a quando la causa non sarà stata individuata e risolta.
Ispezione post-punta
- Controllare che le lame non siano danneggiate.
- Controllare lo stato dei cuscinetti.
- Verificare l'integrità della guarnizione.
- Controllare il cuscinetto di spinta.
- Eseguire analisi delle vibrazioni prima di rimettere in funzione la macchina — uno spettro di riferimento metterà in evidenza eventuali nuove sbilanciare, disallineamento o danni ai cuscinetti causati dall'incidente.
7. Sovratensioni e altre instabilità
Sovratensione contro stallo rotatorio
- Ondeggiare: un'oscillazione del flusso a livello dell'intero sistema a frequenza molto bassa (0,5–10 Hz).
- Stallo rotante: cellule di stallo localizzate che ruotano attorno all'anello a una frequenza maggiore, in genere pari a 0,2–0,8 volte la velocità del rotore, collocandolo tra i sub-sincrono phenomena.
- Gravità: Il surge è il fenomeno più distruttivo dei due; lo stallo rotatorio può essere un precursore del surge.
Impulso contro ricircolo
- Ondeggiare: un'inversione di flusso a livello di sistema specifica per il compressore.
- Ricircolo: può verificarsi nelle pompe o nei compressori, consiste in un'inversione localizzata del flusso ed è generalmente meno grave.
- Relazione: Il ricircolo può trasformarsi in un vero e proprio picco di pressione nei compressori.
Il fenomeno del surge rappresenta la condizione operativa più pericolosa per i compressori centrifughi e assiali, in grado di distruggere le apparecchiature in pochi minuti. Comprendere il meccanismo del surge, individuare il limite della linea di surge, implementare un efficace controllo anti-surge e mantenere margini operativi adeguati sono fattori assolutamente fondamentali per garantire il funzionamento sicuro dei compressori nei servizi di compressione dei gas industriali.
