Inzicht in stotting in compressoren
Opkomend — vaak kortweg compressorsurge genoemd — is een heftige aerodynamische instabiliteit in centrifugaal- en axiale compressoren waarbij de gehele stroming door de machine periodiek van richting verandert. Het gevolg is een oscillerende druk en stroming, meestal met frequenties van 0.5–10 Hz. In elke pulscyclus stagneert de stroming kortstondig of keert deze om, daalt de uitlaatdruk sterk, waarna de voorwaartse stroming weer op gang komt en de druk zich herstelt, en de cyclus herhaalt zich. Deze omkeringen oefenen enorme wisselende krachten uit op de rotor, wat leidt tot ernstige trillingen — vooral in de axiaal gevolg — een luid dreunend geluid, en het vermogen om een compressor binnen enkele minuten te vernielen als deze niet onmiddellijk wordt uitgeschakeld.
Surge is in wezen een system instabiliteit waarbij de compressor, de daaraan gekoppelde leidingen en het volume betrokken zijn; het is dus geen eigenschap van de compressor alleen. Dit doet zich voor wanneer de machine bij een laag debiet boven zijn drukstijgingsvermogen wordt belast, en om dit te voorkomen is een anti-surge-regeling nodig die het debiet veilig boven de surge-lijn houdt.
1. Het overspanningsmechanisme
De surgecyclus
Een typische overspanningscyclus verloopt volgens een zich herhalende reeks:
- Stroomvermindering: de systeembehoefte neemt af, waardoor het debiet door de compressor daalt.
- Stall onset: bij een zeer laag debiet treedt er een stall op bij de schoepen en lost de stroming los van de schoepoppervlakken.
- Drukverlies: De vastgelopen compressor kan de uitlaatdruk niet langer op peil houden.
- Flow reversal: gas onder hoge druk dat in de afvoerleiding of het verdeelhuis is opgesloten, stroomt terug door de compressor.
- Drukvereffening: de uitlaatdruk daalt naarmate het gas naar achteren ontsnapt.
- De voorwaartse stroming wordt hervat: zodra de druk is gedaald, kan de compressor het gas weer verder pompen.
- Druk stijgt: De hernieuwde voorwaartse stroming zorgt ervoor dat de uitlaatdruk weer op peil komt.
- Cycle repeats: door de hoge druk loopt de machine weer vast, en zo gaat het maar door.
Surgefrequentie
- Bepaald door het systeemvolume (leidingen, luchtkamers, vaten) in combinatie met de eigenschappen van de compressor.
- Bij grotere volumes is de pulsfrequentie lager.
- Typisch bereik: 0,5–10 Hz.
- Kleine systemen: ongeveer 5–10 Hz.
- Grote systemen: ongeveer 0,5–2 Hz.
- De frequentie blijft voor een bepaald systeem relatief constant.
Deze lage, systeemgebonden frequentie ligt ruim binnen het werkbereik van een draagbare analysator. Het is vermeldenswaard dat de Balans-1a meet trillingen vanaf 5 Hz, zodat de hogere frequenties van de pulsatiecycli bij kleine systemen binnen dit bereik vallen; de belangrijkste diagnostische aanwijzing is echter niet zozeer de exacte frequentie als wel het onmiskenbare patroon van grote, onstabiele, overwegend axiale laagfrequente pulsaties die plotseling optreden.
2. Omstandigheden die tot een stroomstoot leiden
Buiten de vloedlijn opereren
Op de prestatiekaart van elke compressor staat een drukpiekcurve die de stabiele grens aangeeft:
- Surge line: de meest linkse stabiele bedrijfsgrens op de kaart.
- Veilige werking: rechts van de lijn, bij hogere debieten.
- Surge zone: links van de lijn — onstabiel en verboden terrein.
- Marge: machines worden doorgaans bedreven met een debietmarge van 10–20% rechts van de surge-lijn.
Aanleidinggevende gebeurtenissen
- Vraagbeperking: het proces verbruikt minder, waardoor de stroming naar de buffertank afneemt.
- Beperking van de afvoer: een klepsluiting of een verstopping stroomafwaarts.
- Snelheidsbeperking: de compressor vertraagt zonder dat het benodigde debiet evenredig afneemt.
- Veranderingen in dichtheid: veranderingen in het molecuulgewicht of de temperatuur van het gas die de karakteristiek van de compressor beïnvloeden.
- Vervuiling: afzettingen op de messen die de capaciteit van de machine na verloop van tijd verminderen.
3. Gevolgen en consequenties
Trilling
- Amplitude: kan oplopen tot 25–50 mm/s (1–2 inch/s) of meer.
- Axiale component: met name langs de as van de schacht.
- Lage frequentie: Pulsaties van 0,5–10 Hz.
- Beweging van de gehele machine: de hele compressor schudt en trilt.
Mechanische schade
- Lagerstoring: Schokbelastingen kunnen lagers binnen enkele uren vernielen.
- Beschadiging van de afdichting: Axiale bewegingen en drukwisselingen beschadigen afdichtingen.
- Schade aan de as: buig- en torsiespanningen als gevolg van de omkerende stromingen.
- Schade aan schoep: wisselende aerodynamische belastingen veroorzaken vermoeidheid en kan ertoe leiden dat het blad losraakt.
- Schade aan de koppeling: Torsieschokken beschadigen koppelingen.
- Druklager: snel wisselende axiale druk kan de druklager — vaak het eerste slachtoffer van een piek.
Gevolgen voor het proces
- Druk- en debietschommelingen verspreiden zich naar het stroomafwaartse proces.
- Temperatuurschommelingen ontstaan door herhaaldelijke samendrukking en uitzetting.
- Dit kan leiden tot storingen in het proces of het in werking treden van veiligheidssystemen.
- De productkwaliteit kan onder de onstabiele omstandigheden te lijden hebben.
4. Detectie
Trillingspatroon
- Plotseling begin van een laagfrequente pulsatie met grote amplitude
- Frequentie in het bereik van 0,5–10 Hz.
- Streng axiale trilling.
- Onstabiel, voortdurend wisselende amplitude.
Die handtekening is herkenbaar op een trillingsspectrum and on a tijdgolfvorm: een plotselinge uitbarsting van energie diep onder de grond bedrijfssnelheid, die in het axiale kanaal de overhand heeft en die groeit en krimpt in plaats van stabiel te blijven. Trillingsbewaking op het druklager van de compressor is een van de snelste manieren om een beginnende pulsatie op te merken, aangezien de axiale pulsatie daar het sterkst voelbaar is.
Akoestisch kenmerk
- Een luid dreunend of suizend geluid.
- Een ritmische trilling die hoorbaar is bij de pulsfrequentie.
- Karakteristiek en, voor iedereen die het ooit heeft gehoord, onmiskenbaar.
Procesindicatoren
- Schommelende afvoerdruk.
- Een oscillerende stroming, die zelfs kan omkeren.
- Temperatuurschommelingen.
- Schommelingen in de motorstroom.
5. Preventie: overspanningsbeveiliging
Systeemonderdelen
Recycle valve. Een snelwerkende klep die het afvoerlucht terugvoert naar de aanzuigzijde. De klep gaat open om de doorstroming te vergroten wanneer het werkpunt de pulsatielijn nadert, en is zo gedimensioneerd dat deze indien nodig de volledige compressorstroom kan verwerken.
Debiet- en drukmeting. Door het debiet en de drukstijging continu te bewaken, wordt het actuele werkpunt op de compressorkarakteristiek weergegeven en wordt elke nadering van de surge-lijn gedetecteerd.
Controller. De regelaar berekent de afstand tot de drukpiek, opent de recirculatieklep met een veiligheidsmarge wanneer de drukpiek nadert, en maakt — in moderne installaties — gebruik van adaptieve algoritmen. De reactietijd is van cruciaal belang; er moet doorgaans binnen één seconde worden ingegrepen.
Werkwijzen
- Werk nooit links van de stroomstootlijn.
- Zorg voor een reservecapaciteit van 10–20% ten opzichte van de piekbelasting.
- Pas de belasting geleidelijk aan en voorkom plotselinge dalingen in de vraag.
- Controleer voor elke start of het overspanningsbeveiligingssysteem goed werkt.
- Test het overspanningsbeveiligingssysteem regelmatig.
6. Noodhulp
Als surge optreedt
- Onmiddellijke actie: Open de recirculatieklep handmatig als het automatische systeem niet werkt.
- Increase flow: de afvoer openen, de weerstand verlagen of parallelle eenheden starten.
- De drukstijging beperken: vertraag de compressor als deze een variabel toerental heeft.
- Noodstop: Als de stroomstoot niet binnen 10 tot 30 seconden kan worden gestopt, schakel de machine dan uit.
- Niet opnieuw starten: totdat de oorzaak is vastgesteld en verholpen.
Inspectie na de piekperiode
- Controleer of het mes beschadigd is.
- Controleer de staat van de lagers.
- Controleer of de afdichting intact is.
- Controleer het druklager.
- Presteren trillingsanalyse voordat de machine weer in gebruik wordt genomen — een referentiespectrum zal eventuele nieuwe onevenwicht, verkeerde uitlijning of lagerschade die door het incident is veroorzaakt.
7. Stroomstoten versus andere instabiliteiten
Overbelasting versus rotatiestall
- Golf: een systeemwijde stromingsoscillatie met een zeer lage frequentie (0,5–10 Hz).
- Roterende kraam: plaatselijke stilstaande cellen die met een hogere frequentie rond de ring draaien, doorgaans 0,2–0,8× de rotorsnelheid, waardoor deze tot de subsynchroon phenomena.
- Ernst: surge is de meest destructieve van de twee; een roterende stall kan een voorbode zijn van een surge.
Piekbelasting versus recirculatie
- Golf: een compressorspecifieke, systeembrede omkering van de doorstroming.
- Recirculatie: kan zich voordoen in pompen of compressoren, is een plaatselijke omkering van de stromingsrichting en is doorgaans minder ernstig.
- Relatie: recirculatie kan bij compressoren uitmonden in een volledige drukstoot.
Surge is de gevaarlijkste bedrijfstoestand voor centrifugaal- en axiale compressoren; deze toestand kan apparatuur binnen enkele minuten vernielen. Inzicht in het surge-mechanisme, het herkennen van de grens van de surge-zone, het toepassen van effectieve anti-surge-regeling en het handhaven van de juiste bedrijfsmarges zijn van cruciaal belang voor een veilige werking van compressoren bij industriële gascompressietoepassingen.
