Înțelegerea pompajului în compresoare
Pompaj — denumită adesea pur și simplu „surge de compresor” — este o instabilitate aerodinamică violentă care apare la compresoarele centrifugale și axiale, în cadrul căreia întregul flux care traversează mașina își inversează periodic direcția. Rezultatul este o oscilație a presiunii și a debitului, de obicei la frecvențe de 0.5–10 Hz. În fiecare ciclu de pompaj, debitul se oprește momentan sau se inversează, presiunea de refulare scade brusc, apoi debitul în sens normal se reia și presiunea se restabilește, iar ciclul se repetă. Aceste inversări exercită forțe fluctuante enorme asupra rotorului, provocând vibrații — mai ales în axial direcție — un zgomot puternic și asurzitor, precum și capacitatea de a distruge un compresor în câteva minute dacă nu este oprit imediat.
Surge este, în esență, un sistem instabilitate care implică compresorul, împreună cu conductele și volumul conectate la acesta, și nu este o caracteristică specifică doar a compresorului. Aceasta apare atunci când mașina este solicitată peste capacitatea sa de creștere a presiunii la debit redus, iar prevenirea ei necesită un sistem de control anti-surge care menține debitul la un nivel sigur, deasupra liniei de surge.
1. Mecanismul pompajului
Ciclul de suprapresiune
Un ciclu tipic de pompaj se desfășoară printr-o secvență repetitivă:
- Reducerea debitului: cererea sistemului scade, astfel încât debitul prin compresor se reduce.
- Stall onset: la un debit foarte mic, palele intră în pierdere de viteză, iar fluxul se desprinde de suprafața acestora.
- Căderea sub presiune: compresorul blocat nu mai poate menține presiunea de refulare.
- Flow reversal: gazul sub presiune ridicată prins în conductele de evacuare sau în camera de distribuție se întoarce înapoi prin compresor.
- Egalizarea presiunii: presiunea de evacuare scade pe măsură ce gazul se scurge înapoi.
- Fluxul înainte se reia: Odată ce presiunea a scăzut, compresorul poate din nou să împingă gazul înainte.
- Creșteri de presiune: reînnoirea fluxului de ieșire restabilește presiunea de ieșire.
- Cycle repeats: Presiunea ridicată oprește din nou mașina, iar ciclul se repetă.
Frecvența de suprapresiune
- Este determinat de volumul sistemului (conducte, camere de distribuție, rezervoare) împreună cu caracteristicile compresorului.
- Volumele mai mari determină o frecvență mai mică a pompajului.
- Interval tipic: 0,5–10 Hz.
- Sisteme de mici dimensiuni: aproximativ 5–10 Hz.
- Sisteme de mari dimensiuni: aproximativ 0,5–2 Hz.
- Frecvența rămâne relativ constantă pentru un anumit sistem.
Această frecvență joasă, fixată de sistem, se încadrează perfect în domeniul de funcționare al unui analizor portabil. Merită menționat faptul că Balanset-1A măsoară vibrațiile începând de la 5 Hz, astfel încât ciclurile de pompaj de frecvență înaltă ale sistemelor mici se încadrează în banda sa; totuși, elementul cheie al diagnosticului nu este atât frecvența exactă, cât modelul inconfundabil al unei pulsații de joasă frecvență, ample, instabile și predominant axiale, care apare brusc.
2. Condițiile care duc la pompaj
Funcționarea dincolo de linia de pompaj
Fiecare hartă de performanță a unui compresor conține o linie de pompaj care definește limita sa de funcționare stabilă:
- Surge line: limita de funcționare stabilă situată cel mai la stânga pe hartă.
- Funcționare în siguranță: în dreapta liniei, la debite mai mari.
- Surge zone: la stânga liniei — un teritoriu instabil și interzis.
- Marjă: Mașinile funcționează, de obicei, cu o marjă de debit de 10–20% în dreapta liniei de pompaj.
Evenimente declanșatoare
- Reducerea cererii: procesul consumă mai puțin, astfel încât debitul scade spre linia de pompaj.
- Restricție privind descărcarea: o închidere a supapei sau o blocare în aval.
- Reducerea vitezei: compresorul încetinește fără o scădere proporțională a debitului necesar.
- Modificări ale densității: modificările greutății moleculare a gazului sau ale temperaturii care determină modificarea caracteristicilor compresorului.
- Colmatare: depunerile de pe palete care reduc treptat capacitatea utilajului.
3. Efecte și consecințe
Vibrații
- Amplitudine: poate ajunge la 25–50 mm/s (1–2 in/s) sau mai mult.
- Componenta axială: deosebit de pronunțată de-a lungul axei arborelui.
- Frecvență joasă: Pulsări de 0,5–10 Hz.
- Mișcarea întregului aparat: întregul ansamblu al compresorului se balansează și vibrează.
Deteriorări mecanice
- Defecțiunea rulmentului: Solicitările bruște pot distruge rulmenții în câteva ore.
- Seal damage: Mișcarea axială și schimbările bruște de presiune distrug garniturile.
- Deteriorarea arborelui: tensiunile de încovoiere și de torsiune generate de inversările de flux.
- Deteriorarea paletelor: sarcinile aerodinamice alternante provoacă oboseală și poate duce la desprinderea paletelor.
- Defecțiuni la cuplaj: Șocurile de torsiune deteriorează cuplajele.
- Rulment axial: o forță de împingere axială care se schimbă rapid poate distruge rulment axial — adesea prima victimă a unui pompaj.
Consecințele procesului
- Oscilațiile de presiune și debit se propagă în procesul din aval.
- Variațiile de temperatură sunt cauzate de compresiile și dilatațiile repetate.
- Pot apărea anomalii în proces sau declanșări ale sistemelor de siguranță.
- Calitatea produsului poate avea de suferit din cauza condițiilor instabile.
4. Detectare
Semnătura vibrațională
- Debutul brusc al pulsațiilor de joasă frecvență și amplitudine mare
- Frecvență în intervalul 0,5–10 Hz.
- Severă vibrații axiale.
- Amplitudine instabilă, în continuă schimbare.
Această semnătură este distinctivă pe un spectrul de vibrații and on a formă de undă temporală: o izbucnire bruscă de energie cu mult sub viteză de funcționare, care predomină în canalul axial și care se extinde și se contractă, în loc să rămână constant. Monitorizarea vibrațiilor pe rulmentul axial al compresorului este una dintre cele mai rapide metode de a surprinde un pompaj în desfășurare, întrucât acolo se înregistrează cele mai puternice pulsații axiale.
Amprenta acustică
- Un zgomot puternic, asemănător unui bubuit sau unui șuierat.
- O pulsație ritmică auzibilă la frecvența de pompaj.
- Caracteristic și, pentru oricine l-a auzit, inconfundabil.
Indicatori de proces
- Presiunea de descărcare oscilantă.
- Un flux oscilant, care se poate chiar inversa.
- Fluctuațiile de temperatură.
- Fluctuațiile curentului motorului.
5. Prevenire: Controlul anti-pompaj
Componente ale sistemului
Recycle valve. O supapă cu acțiune rapidă care redirecționează gazul de evacuare înapoi către aspirație. Aceasta se deschide pentru a mări debitul pe măsură ce punctul de funcționare se apropie de linia de pompaj și este dimensionată pentru a face față debitului maxim al compresorului, dacă este necesar.
Măsurarea debitului și a presiunii. Monitorizarea continuă a debitului și a creșterii presiunii permite localizarea în timp real a punctului de funcționare pe harta compresorului și detectează orice apropiere de linia de pompaj.
Controller. Controlerul calculează distanța până la linia de pompaj, deschide supapa de recirculare cu o marjă de siguranță pe măsură ce se apropie pompajul și — în instalațiile moderne — utilizează algoritmi adaptivi. Timpul de răspuns este esențial, fiind necesară, de obicei, o reacție în mai puțin de o secundă.
Proceduri operaționale
- Nu lucrați niciodată în partea stângă a liniei de pompaj.
- Mențineți o marjă de debit de 10–20% față de pompaj.
- Efectuați modificările de sarcină treptat și evitați scăderile bruște ale cererii.
- Verificați dacă sistemul anti-pompaj funcționează corect înainte de fiecare pornire.
- Testați periodic sistemul anti-pompaj.
6. Intervenția în situații de urgență
Dacă apare suprapresiunea
- Măsuri imediate: deschideți manual supapa de reciclare în cazul în care sistemul automat nu funcționează.
- Increase flow: deschideți descărcarea, reduceți rezistența sau porniți unitățile în paralel.
- Reducerea creșterii presiunii: reduceți turația compresorului dacă acesta are viteză variabilă.
- Oprire de urgență: dacă pompajul nu poate fi oprit în 10–30 de secunde, opriți mașina.
- Nu reporniți: până când cauza va fi identificată și remediată.
Inspecție post-pompaj
- Verificați dacă palele prezintă semne de deteriorare.
- Verificați starea rulmentului.
- Verificați integritatea garniturii.
- Verificați rulmentul axial.
- Efectuați analiza vibrațiilor înainte de repunerea aparatului în funcțiune — un spectru de referință va evidenția orice nouă dezechilibru, nealiniere sau deteriorarea rulmenților cauzată de incident.
7. Pompaj vs. alte instabilități
Pompaj vs. pierdere de debit cu rotație (rotating stall)
- Pompaj: o oscilație a fluxului la nivelul întregului sistem, la o frecvență foarte joasă (0,5–10 Hz).
- Desprindere rotativă: celule de stagnare localizate care se rotesc în jurul inelului la o frecvență mai mare, de obicei de 0,2–0,8× viteza rotorului, ceea ce le plasează printre subsincron fenomene.
- Severitate: pompajul este mai distructiv dintre cele două; pierderea de debit cu rotație (rotating stall) poate fi un precursor al pompajului.
Pompaj vs. recirculare
- Pompaj: o inversare a sensului de curgere la nivel de sistem, specifică compresorului.
- Recirculare: poate apărea la pompe sau compresoare, reprezintă o inversare localizată a sensului de curgere și este, în general, mai puțin gravă.
- Relaţie: recircularea poate evolua spre un pompaj complet în compresoare.
Pompajul reprezintă cea mai periculoasă condiție de funcționare pentru compresoarele centrifugale și axiale, fiind capabil să distrugă echipamentul în doar câteva minute. Înțelegerea mecanismului de pompaj, identificarea limitei liniei de pompaj, implementarea unor măsuri eficiente de control anti-pompaj și menținerea unor marje de funcționare adecvate sunt absolut esențiale pentru funcționarea în siguranță a compresoarelor în sectorul industrial de comprimare a gazelor.
