سرج، کنترل سرج و کنترل عملکرد کمپرسور سانتریفیوژ – ارائه دهنده: دکتر قندچی
فکر می کنم بهتر باشد اندکی در خصوص سرج صحبت کنم و بعد سراغ کنترل سرج و کنترل عملکرد کمپرسور سانتریفیوژ برویم. لطفا شکل زیر را ملاحظه بفرمایید که مپ کمپرسور سانتریفیوژ مانتوربوی پالایشگاه بندرعباس است.
Centrifugal Compressor Map
این مپ برای بحث کنترل عملکرد هم استفاده میشود به همین دلیل فلش قرمز رنگ رو مشاهده می کنید. دوستان مپ کمپرسور در واقع محدوده عملکرد پایدار کمپرسور رو مشخص می کند این محدوده ما بین دو خط سرج و خط چوک قرار دارد .
در شکل فوق، محور عمودی فشار دیسچارج کمپرسور و محور افقی فلوی حجمی کمپرسور است. هر یک از منحنی ها مربوط به. یک دور ثابت هستند که اینجا بر حسب دور نامی کمپرسور تصحیح شده اند. به عنوان مثال 1.05یعنی 105درصد دور نامی. دور نامی این کمپرسور 10300دور بر دقیق است.
هر خط دور ثابت با نقطه سرج شروع و به نقطه چوک ختم می شود. نقطه سرج همانطور که در شکل مشخص هست دارای کمترین فلوی حجمی(جرمی) و بیشترین فشار دیسچارج هستش. در حالی که نقطه چوک بیشترین فلوی حجمی و کمترین فشار دیسچارج رو داراست. خطی که نقاط سرج هریک ازخطوط سرعت ثابت روبه هم وصل می کند. خط سرج و خط متصل کننده نقاط چوک خط چوک نام دارد. کمپرسور در محدوده مابین این دو خط عملکرد پایداری دارد و خارج این دو خط هیچ گونه عملکردی ندارد. یعنی نمی توان عملا کمپرسور رادرهیچ نقطه ای خارج از این محدوده برای حتی لحظات کوتاهی به کار گرفت.
آیا نقطه چوک خطرناک است؟
نقطه چوک به لحاظ پایداری نقطه خطرناکی نیست منتهی کمپرسور در این نقطه عملکرد بسیار ضعیفی دارد. درنقطه چوک سرعت جریان درگلوگاه فضای مابین دوپره کمپرسور به سرعت صوت می رسدوبه اصطلاح جریان خفه می شود. و اجازه افزایش جریان را در ان شرایط نمی دهد.
دوستان توجه کنند که در گلوگاه ایمپلر جریان با سرعت نسبی چوک می شود نه سرعت مطلق. در همین گروه دو سه هفته پیش با چندتا از دوستان راجع به چوکینگ در کمپرسور بحث میکردیم. منتهی چون کمپرسور توربین گاز بود بنده عرض کردم در کمپرسور جریان مطلقا چوک نمیشود. چون در بخش توربین خیلی زودتر این اتفاق می افتد. چرا که طراح توربین گاز اینگونه میخواهد، دلایل ان را سر فرصت مفصل خدمت دوستان خواهم گفت. همین قدر بگویم درنقطه طراحی طراح بگونه ای گلوگاه جریان رودر سکشن توربین ست می کند که جریان چوک بشود. معمولا درهمون ابتدای توربین یعنی گلوگاه فضای مابین پره های ثابت جریان چوک میشود. در همه شرایط هم به همین گونه خواهد بود. و تقریبا میشود گفت توربین همیشه در نقطه چوک کار میکند. بیشتر از این رو چوکینگ یا خفگی وقت نذاریم.
سرج
سرج در واقع خطرناکترین ناپایداری کمپرسورها محسوب میشه که دلایل زیادی می تواند باعث بروز سرج بشود. دلایلی مثل استال یا کم بودن انرژِی کمپرسوربرای پوش کردن جریان یاهراتفاق دیگری که امکان برگشت جریان رو فراهم کند. دوستان ماهیت سرج هنوز بطور کامل برای محققان مشخص نشده است. بدلیل اینکه نمی توان نقطه سرج را تجربه و دیتا برداری کرد و تحلیل کرد.
خب اگر میشود نقطه سرج رو نه با تحلیل و نه با تجربه مشخص کرد پس این خط سرجی که سازنده ها ارائه می کنند از کجا میاد؟! دوستان خطی که سازنده بعنوان خط سرج به مشتری ارائه می کند در واقع نزدیک ترین خط به خط سرج هست نه خود واقعی خط سرج توجه کنید این خط سوای خط کنترل سرج لاین هست یعنی منظور بنده خط کنترل سرج لاین که معمولا با مارجین 10درصد مشخص می شود نیست بلکه همون خط سرجی که در مپ می بینید و کنترل سرج لاین از روی آن تعیین می شود.
قبل از اینکه خدمتتون بگم چگونه سازنده این خط رو تعیین می کند برویم ببینیم ماهیت سرج چی هست. پدیده سرج یک ناپایداری بسیار خطرناک است که با نوسانات فلوی عبوری کمپرسور همراه است حتی جهت جریان عبوری عوض می شود یک لحظه دبی مثبت داریم لحظه بعد دبی منفی به عبارت دیگر یک لحظه سمت و سوی جریان از ساکشن به دیسچارج و لحظه بعد از دیسچارج به ساکشن است. یک لحظه فشار دیسچارج بیشتر است و لحظه بعد فشار ساکشن. این پدیده علاوه بر نوسانات فشار و دبی با سرو صدای زیاد و با وایبریشن زیاد همراه است و اگر بلافاصله کنترل نشود خرابی های زیادی به بار میاورد و حتی ممکن است خطرات جانی به همراه داشته باشد.
سرج: پدیده ای تک بعدی
دوستان سرج یک پدیده یک بعدی است و با هیچ روش عددی قابل شبیه سازی نیست حتی به روش تجربی فقط قادر هستند به نقطه ای نزدیک نقطه سرج برسند نه خود نقطه سرج. در ورک شاپ سازنده امکان اینکه تمام شرایط پروسسی واقعی فراهم بشه و کمپرسور در شرایط واقعی تست بشود امکانپذیر نیست هم به دلیل هزینه های بسیار زیاد و هم به دلیل خطراتی که ممکنه به وجود بیاد به همین دلیل کمپرسور با یک گاز بی خطر و ارزان قیمت و البته سنگینتر از گاز پروسسی تست میشود مثل هوا، اگر گاز پروسسی سنگینتر از هوا باشد شرایط برای پیدا کردن یک گاز جایگزین واقعا سخت و پر هزینه می شود.
اینکه چرا گاز سنگینتر و بی خطر ؟ دوستان بفرمایند چرا؟!
خب کمپرسور سومی با هوا تست می شد و هوا در یک چرخه باز جریان داشت دبی هوا با یک شیر تنظیم که در ورودی کمپرسور تعبیه شده بود تنظیم می شد زمانی که کمپرسور در یک شرایط نرمال قرار می گرفت شروع میکردند به کاهش تدریجی دبی عبوری در حالی که دور کمپرسور ثابت میماند. این کاهش دبی تا جایی ادامه میافت که علائم سرج شروع به ظاهر شدن میکردند هم وایبریشن هم صداهای ناهنجار و ابنرمال صدایی مثل ((وووش)
) خلاصه در هر نقطه ای ان شرایط ظاهر می شود تمام پارامترهای ان نقطه که با سنسورهای خیلی دقیق و کالیبره ای اندازه گیری می شدند ثبت می شد و فلوی کمپرسور افزایش میافت و از ان نقطه دور می شد. برای دورهای دیگر همین پروسه تکرار می شد. اینکه چگونه مپی رو که برای هوا بدست آوردند برای گاز واقعی تصحیح یا کورکت میکنند بحث مفصلی است که با فرمول های تشابه میسر می شود و از حوصله بحث ما خارج است.
کنترل سرج
خوب دوستان برای انتخاب سیستم کنترل سرج در یک کمپرسور اولین چیزی که مدنظر قرار میگیرد نوع گاز پروسسی است
آیا گاز پروسسی خطرناک است ؟
آیا ارزشمند هست ؟
در صورتی که پاسخ این دو سوال خیر باشد سیستم خیلی ساده می شود.
دوستان احتمال وقوع سرج در زمان های راه اندازی و شات داون بیشتر از هر زمان دیگری است؟ علت ان را دوستان پاسخ دهند!. اینکه سوال مطرح می کنم به این دلیل هست که دوستان فکر کنند تحلیل کنند و خودشان به یک جواب درست برسند. خب در مرحله راه اندازی علاوه بر به حداقل رساندن دبی عبوری از کمپرسور با بستن ،IGVلازم است بخشی از همین جریان حداقلی را با پس کنیم.
اگر گاز عبوری بی خطر و بی ارزش باشد مثل هوا در کمپرسوهای محوری توربین های گاز، از طریق بلو آف و لوو ها به اگزاست توربین ونت می شود. منتهی اگر گاز خطرناک یا با ارزش باشد که در عمده کمپرسورهای سانتریفیوژ اینگونه است لازم است یک ریسایکل ولوو بر روی کمپرسور تعبیه بشه که گاز عبوری رو در مدت راه اندازی ریسایکل کنه تا زمانی که فشار دیسچارج اندکی از فشار هدر خروجی بیشتر بشود و بر چک ولوو غلبه کند طی این مدت آنتی سرج ولوو آرام آرام شروع میکند به بسته شدن تا پروسه فشار سازی صورت بگیره.
گاز ریسایکل شده ممکن است نیاز به خنک کاری داشته باشد یا خیر؟!
پارامترهای زیادی تعیین می کنند که گاز عبوری از آنتی سرج ولوو نیاز به خنک کاری دارد یا خیر. منتهی نکته اینجاست که اگر خنک کاری باشد سرعت عمل سیستم آنتی سرج کند و هزینه آن زیاد می شود در حالی که سیستم آنتی سرج باید یک سیستم سریع و چابک باشد در زمان های راه اندازی و شات دان ماشین قادر به تولید هد کافی برای غلبه بر مقاومت پایین دست خود نمی باشد و یا بطور ساده تر فشار دیس شارژ تولیدی توسط کمپرسور کمتر از فشار پایین دست آن است.
به این دلیل سوال رو مطرح کردم که خیلی جاها دیدم یا شنیدم بحث خط سرج رو مطرح می کنند و نزدیکی نقطه عملکرد به خط سرج که لازم است همین جا عرض کنم در مود راه اندازی نه مپی وجود دارد نه خط سرجی و نه نقطه عملکردی. چرا که پروسه راه اندازی یک پروسه گذرا و وابسته به زمان است و هر لحظه شرایط کمپرسور تغییر می کند در حالی که مپ مربوط به یک شرایط پایدار است.
برگردیم به شرایطی که به ما دیکته می کند آیا برای خط سرج خنک کاری لازم هست یا خیر. هر چه پروسه راه اندازی طولانی تر باشد و جریان مدت زیادی ریسایکل بشه دمای خروجی گاز بالا میره و ممکنه از حد تریپ بیشتر بشه و فرمان تریپ صادر بشه. بعنوان مثال اگر درایور کمپرسور یک توربین بخار باشد که مدت زمانی زیادی برای وارم آپ نیاز دارد حتما به کولینگ نیاز است.
بررسی تفاوت ریسایکل ولوو و آنتی سرج ولوو
شکل فوق یک آنتی سرج ولوو هات بای پس رو نشون میده. یعنی شرایط به گونه ای بوده که نیاز به خنک کاری گاز ریسایکل شده نبوده. و این سیستم یک سیستم سریع و ارزون قیمت است و کاملا جوابگوی پروسه راه اندازی و شات داون است. گاز پروسس اگر سنگین تر باشه هد پلی تروپیک کمتری نیاز است. یعنی سرعت دورانی کمتر برای تست نیاز است. دقیقا محدودیت سرعت است. دوستان زمانی که گاز ریسایکل میشه فشار سازی هم صورت میگیره. به همین دلیل دمای دیسچارج کمپرسور مرتب بیشتر میشود. اما مسئله ای که باعث افزایش مضاعف دمای دیسچارج میشود این. است که دمای ساکشن هم بخاطر ریسایکل شدن بخشی از گاز بالا میره. و اگر این پروسه زمان زیادی طول بکشد حتما نیاز به خنک کاری است. شکل زیر رو ملاحظه بفرمایید.
این شکل شماتیک نشون میدهد که گاز حین راه اندازی و شات داون خنک میشود. خنک کاری سرعت عمل آنتی سرج سیستم رو کند می کند به همین دلیل ممکند جایی شکلی شبیه شکل زیر رو مشاهده کنید.
در مواقعی که سرعت عمل بیشتری نیاز باشد هر دو شیر باز می شوند.
برای بالا بردن سرعت عمل آنتی سرج سیستم همچنین می توان فقط آن بخش از گاز رو که ریسایکل می شود خنک کرد.
به عبارت دیگر
قرار دادن سیستم کولینگ در پایین دست آنتی سرج ولوو 👇
خوب فکر میکنم برای آنتی سرج ولوو به اندازه کافی مطالب گویا باشد و پاسخگوی بحثی که بین دوستان چند روز پیش شکل گرفت باشد.
کنترل عملکرد کمپرسور
دوباره مپ کمپرسور رو ملاحظه بفرمایید.
فرض کنید کمپرسور در نقطه 1در حال کارکرد است و بهره بردار تصمیم میگیرد به نقطه 2سویچ کند حالا در این شکل نقطه 2دبی کمتری دارد. نقطه 2می تواند هرجای دیگری از مپ باشد. بطور کلی برای کنترل عملکرد کمپرسور یا کنترل ظرفیت کمپرسور روش های مختلفی اعمال می شود که هر روش مزایا و معایب خاص خود رو دارد.
Four widely used control methods for controlling the performance of compressors are:
1- Variable speed control
2- Suction throttling
3- Adjustable Inlet Guide Vanes (IGV)
4- By-pass – Discharge throttling
هر کدوم از روش های فوق مزایا و معایب خودشان را دارند و با توجه به شرایط پروسسی و پارامترهای دیگر مثل نوع درایور کمپرسور انتخاب می شوند.
- آپشن ، Variable speed controlبرای اکثر کمپرسورها قابل استفاده هستش، در پارشیال لود عملکرد فوق العاده ای دارد و امکان بکارگیری کمپرسور در حالت overloadهستش چرا که میشه دور رو بیشتر از دور نامی کرد. اما برای این آپشن حتما نیاز به یک درایور دور متغیر و چابک هستش. در هر صورت این آپشن برای اکثر کمپرسورها انتخاب اول هستش.
- آپشن ، Suction throttlingکم هزینه است و قابل استفاده برای همه کمپرسورهاست اما معایب آن میتواند عملکرد ضعیف کمپرسور در پارشیال لود و همچنین عدم امکان مودoverload
- آپشن (Adjustable Inlet Guide Vanes (IGV عملکرد متوسطی در پارشیال لود دارد و می توان تا حدی در مود overload از کمپرسور کار گرفت اما نسبت به ساکشن تراتلینگ هزینه بیشتری دارد.
- آپشن ، By-pass – Discharge Throttlingمناسب است برای همه کمپرسورها، برخلاف سه روش قبلی می توان همه جریان رو برای هر مدت زمانی که لازم باشد بای پس کرد به اصطلاح، zero flow اما در پارشیال لود پر هزینه خواهد بود چرا که ان بخش از گازی که بای پس میشود روش کار انجام میشود و یک انرژی رو حین بای پس در پارشیال لود مرتب هدر میدهیم. امکان استفاده از کمپرسور در مود اور لود وجود ندارد.
آپشن چهارم کنترل عملکرد
خب دوستان تمام این صحبت ها برای این بود ببینیم ریسایکل ولوو و آنتی سرج ولوو تفاوتشان چیست به خاطر ان بحثی که بین دوستان بزرگوار چند روز پیش در گرفت. پس برویم سراغ آپشن چهارم کنترل عملکرد و بقیه آپشن ها را کار نداریم و مورد بحث ما نیستند همین اندازه کوتاه که اشاره شد کفایت می کند. اگر برای کنترل عملکرد کمپرسور از By-pass – Discharge throttlingاستفاده کنیم حتما یک ریسایکل ولوو مجهز به کولینگ نیاز داریم چرا که کمپرسور باید قابلیت این را داشته باشد که برای مدت طولانی در حالی که همه یا بخشی از گاز عبوری ریسایکل میشه کار کند و اگر گاز ریسایکل شده خنک نشود دمای دیسچارج بیش از حد بالا می رود و کمپرسور تریپ میخورد.
اگر شرایط بگونه ای باشدکه بتوان هم برای کنترل سرج هم کنترل عملکردازیک ریسایکل ولوو استفاده کردکه خیلی عالی میشود. منتهی باید سرعت عمل و چابکی سیستم آنتی سرج رو مد نظر داشته باشیم. اما ممکن است شرایط بگونه ای باشد که امکان استفاده از یک ولوو واحد برای هر دو منظور فوق نباشد. به همین دلیل دوستان بعضا مشاهده کردند که کمپرسور علاوه برای آنتی سرج ولوو یک ریسایکل ولوو هم داشته است. شکل شماتیک زیر رو ملاحظه بفرمایید 👇
هات بای پس و کولد بای پس
درشکل یک مسیر هات بای پس برای کنترل سرج ویک مسیر کولد بای پس برای کنترل عملکرددرنظر گرفته شده است. به این ترتیب هم سرعت عمل آنتی سرج سیستم بالاست. هم امکان استفاده از کمپرسور برای مدت زمان زیادی در مود زیرو فلو یا پارشیال لود وجو دارد. تا حالا با یک کمپرسور سروکار داشتیم. اگر واحد مادویا تعداد بیشتری کمپرسور چه با چیدمان موازی یا سری داشته باشد آیا. می توان تصور کرد که آنتی سرج ولوو و ریسایکل ولوو یکی باشند. مطلقا خیر چرا که هر کمپرسور خود نیاز به یک آنتی سرج ولوو دارد. به شکل های زیر توجه کنید.
در هردو چیدمان سری و موازی هر کمپرسور یک هات بای پس مختص به خودش رو داره. برای کنترل سرج و کل مجموعه یک کولد ریسایکل ولوو برای کنترل عملکرد و لود شیرینگ. فلسفه اصلی لود شیرینگ قرار دادن نقطه کاری کمپرسورهای موازی در یک فاصله یکسان از کنترل سرج لاین است. یعنی هر چندتا کمپرسور در یک چیدمان موازی داشته باشیم با اعمال لود شیرینگ سعی. می شود نقاط کاری کمپرسورها نسبت به هم در یک فاصله یکسانی از کنترل سرج لاین باشد.
به عبارت دیگر نقطه کاری همه کمپرسورها یکسان باشد. کنترل سرج لاین در واقع خط سرجی است که برای سیستم کنترل تعریف می شود. و سیستم کنترل این خط رو خط سرج تلقی می کند. کنترل سرج لاین رو بهره بردار تعریف میکند و می تواند در هر فاصله ای از سرج لاین اصلی باشد. حتی خیلی خیلی نزدیک به آن اگر شرایط ایجاب کند و بهره بردار ناگزیر باشد.
با تشکر
جبار غفاری
نظرات بسته شده اند.