Розробка ресурсозберігаючого методу пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів на центральних компресорних станціях шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

УДК 622.234.6

Спеціальність 05.05.06 "Гірничі машини"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка ресурсозберігаючого методу пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів на центральних компресорних станціях шахт

Домнічев Олександр Володимирович

Кривий Ріг 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничого обладнання і теплоенергетики Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, Трегубов Віталій Анатолійович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри гірничого обладнання і теплоенергетики.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Виноградов Борис Володимирович, Дніпропетровський хіміко-технологічний університет, Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри теоретичної механіки та опору матеріалів;

- кандидат технічних наук, доцент Оксень Юрій Іванович, Національна гірнича академія Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри гірничої механіки.

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України.

Захист відбудеться "12" грудня 2001р. о 1330 на засіданні спеціалізованої ради Д 09.052.03 по захисту дисертацій у Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 301.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37

Автореферат розісланий "09" листопада 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент М.П. Тиханський

Анотації

Домнічев О.В. Розробка ресурсозберігаючого методу пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів на центральних компресорних станціях шахт. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 "Гірничі машини", - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря на центральних компресорних станціях, обладнаних турбокомпресорами типу К-500-61-1.

Запропоновано новий ресурсозберігаючий спосіб полегшеного запуску турбокомпресорних агрегатів за допомогою стиснутого повітря, названий "Пневмозапуск". Розроблено методику пневмозапуску яка дозволяє підвищити ефективність роботи пневматичного господарства гірничих підприємств і зменшити непродуктивні витрати енергії при виробництві стиснутого повітря.

Приведені в дисертаційній роботі висновки і рекомендації, що присвячені розробці способу пневмозапуску турбокомпресора, підтверджені аналітичними та лабораторними дослідженнями, а також промисловими випробуваннями.

Ключові слова: пневмозапуск, турбокомпресор, стиснуте повітря, непродуктивні витрати, ресурсозбереження.

Домничев А.В. Разработка ресурсосберегающего метода пневмозапуска турбокомпрессорных агрегатов на центральных компрессорных станциях шахт. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 "Горные машины", - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2001.

В диссертационной работе выполнен анализ эффективности эксплуатации компрессорных агрегатов на центральных компрессорных станциях горнорудных предприятий Кривбасса. В ходе проведенных исследований было установлено, что низкая эффективность работы центральных компрессорных станций во многом обусловлена большими затратами энергии, связанными с производством сжатого воздуха. На предприятиях с подземной добычей руды производство сжатого воздуха является одним из основных источников энергетических затрат около 40%.

Для улучшения эффективности работы центральных компрессорных станций необходимо повысить оперативность управления режимами работы компрессорных установок. Существующие способы регулирования производительности характеризуются либо большими непроизводительными потерями энергии, либо требуют высоких капитальных затрат. Регулирование производительности станции может быть осуществлено изменением количества работающих компрессоров или производительности отдельных агрегатов. Остановка и последующий запуск турбокомпрессорного агрегата связаны с большими перегрузками и интенсивным износом оборудования, а следовательно, долговечность компрессора и его основных элементов в значительной степени определяется суммой его пусков. Это обстоятельство ограничивает возможность оперативного маневра мощностью.

Так альтернативой частым пускам и остановкам компрессорного агрегата при временном снижении потребности в сжатом воздухе является перевод его на холостой режим работы. При этом потребляемая двигателем мощность составляет около 30% от номинальной и как следствие непроизводительно затрачивается значительное количество электроэнергии.

Негативные последствия, связанные с операцией запуска турбокомпрессора, могут быть устранены путем предварительного раскручивания ротора до скорости, при которой с учетом передаточного отношения редуктора обеспечивается подсинхронная скорость двигателя. При чем в качестве привода для раскручивания ротора может служить сам турбокомпрессор, переведенный в режим пневматической турбины.

Теоретически исследована и доказана возможность работы турбокомпрессора в режиме пневматической турбины, а также изучена динамика процесса запуска турбокомпрессора и выхода его на рабочий режим. Опираясь, на полученные результаты исследований, были разработаны основы теории пневмозапуска и предложен новый способ облегченного запуска турбокомпрессора при помощи сжатого воздуха, названый "Пневмозапуск".

Для изучения влияния импульсной нагрузки на ротор турбокомпрессора во время запуска на специально построенной упрощенной математической модели были проведены исследования движения системы под действием вынужденной внешней нагрузки при существующем и предлагаемом способах запуска турбокомпрессорного агрегата.

В ходе проведения лабораторных и промышленных исследований были получены основные закономерности и определены параметры процесса пневмозапуска, что позволило спроектировать и испытать промышленную установку для обеспечения облегченного запуска турбокомпрессора при помощи сжатого воздуха.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить новое техническое решение проблемы связанной с повышением эффективности работы пневматического хозяйства горных предприятий.

Разработана методика пневмозапуска которая позволяет повысить эффективность работы пневматического хозяйства горных предприятий и снизить непродуктивные затраты энергии при производстве сжатого воздуха.

Ключевые слова: пневмозапуск, турбокомпрессор, сжатый воздух, непроизводительные затраты, ресурсосбережение.

Domnichev O.V. Elaboration of a resource-saving method of pneumatic start of turbo-compressor units at the central compressor stations of mines. manuscript.

A thesis for a degree of a candidate of engineering sciences in speciality 05.05.06 "Mining machines" Kriviy Rog technical university. Kriviy Rog, 2001.

The thesis is devoted to the problems of the increase of control effectiveness of compressed air production at the central compressors stations equipped with turbo-compressors of K-500-61-1 type.

A new method of a simplified turbo-compressor start with the aid of compressed air, called "Pneumostart", is proposed. Methodics of the pneumatic start which allows to reduce unproductive expenditures of energy at compressed air production is worked out.

Concepts, conclusions and recommendations devoted to the elaboration of method of pneumatic start of turbo-compressor are confirmed dy the analytic and laboratory researches as well as by industrial tests.

Key words: pneumatic start, turbo-compressor, compressed air, unproductive expenditures, resource-saving.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. При підземному видобутку руд, а також на гірничо-збагачувальних комбінатах одним з обов'язкових видів енергії є стиснуте повітря. Воно використовується для роботи головних забійних машин та різноманітного допоміжного устаткування, а також у технологічних процесах збагачення корисних копалин. За даними ДАК "Укррудпром" на шахтах Кривбасу в 2000 році на кожну тону видобутої руди було витрачено в середньому 160,36 м 3 стиснутого повітря.

Виробництво стиснутого повітря для підприємств з підземним видобутком руди є одним із головних джерел енергетичних витрат, що складають близько 40%, без скорочення котрих неможливе подолання енергетичних проблем.

У 90-ті роки через різке падіння обсягів виробництва був втрачений баланс між виробленим і споживаним стиснутим повітрям, що призвело до підвищення непродуктивних втрат пов'язаних із скиданням надлишку стиснутого повітря в атмосферу, та збільшенню кількості "пусків - припинень" компресорних агрегатів, що у свою чергу веде до підвищеного зносу устаткування, а отже зниженню його надійності і довговічності.

На даний час внаслідок загальної тенденції підвищення вартості енергії, навіть невелика економія її протягом тривалого часу, призводить до істотного зниження експлуатаційних витрат. Тому усе частіше розглядаються питання пов'язані з можливістю раціонального регулювання споживаної енергії відповідно до сезонних, добових і інших технологічних циклів.

На основі проведеного аналізу було встановлено, що одним із найбільш перспективних напрямків економії пневматичної енергії на гірничорудних підприємствах є підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря. Існуючі способи регулювання продуктивності компресорних станцій мають ряд істотних недоліків таких як: великі непродуктивні енергетичні втрати, необхідність в високих капітальних витратах, та ін.

Висока вартість стиснутого повітря, що продовжує збільшуватись визначає актуальність даної дисертаційної роботи. Підвищення ефективності експлуатації компресорних станцій дозволить зменшити енергетичні витрати і як слідство, знизити собівартість продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідної роботи 9-И-95 Відділення "Металеві корисні копалини" АГН України, "Дослідження можливості підвищення ефективності експлуатації пневматичних установок залізорудних підприємств". Дослідження виконувалося за замовленням концерну "Укррудпром".

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка ресурсозберігаючого методу пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів для забезпечення підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря на центральних компресорних станціях шахт.

Відповідно до мети роботи необхідно вирішити такі задачі досліджень:

1. Провести аналіз процесів, що відбуваються при виробництві стиснутого повітря.

2. Визначити головні параметри процесу пневмозапуску.

3. Дослідити амплітудно-частотні характеристики ротора турбокомпресора при існуючих та розробленому способах запуску.

4. Розробити методику пневмозапуску турбокомпресорного агрегату.

5. Розробити і випробувати в промислових умовах установки для полегшеного запуску турбокомпресорного агрегату за допомогою стиснутого повітря.

Ідея роботи. Полегшення запуску за рахунок попереднього розгону ротора приводного двигуна до підсинхронної швидкості шляхом переведення компресора в режим турбіни, яка працює від зовнішнього джерела стиснутого повітря.

Об'єкт дослідження - процес запуску турбокомпресорних агрегатів на центральних компресорних станціях шахт.

Предмет дослідження - робота турбокомпресорного агрегату у режимі пневматичної турбіни.

Методи досліджень. У дисертаційній роботі використано комплексний метод досліджень, який включає бібліографічний метод досліджень, теоретичні та експериментальні дослідження, метод статистичного аналізу, метод операційного вирахування. Перевірка результатів теоретичних досліджень проводилась в лабораторних та промислових умовах.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлена аналітична залежність крутильного моменту на роторі від геометрії проточної частини турбокомпресора та параметрів потоку стиснутого повітря.

2. Розроблено математичну модель ротора турбокомпресора та отримані аналітичні залежності для розрахунку вимушених коливань системи при різноманітних формах її навантаження.

3. Отримана залежність між витратою стиснутого повітря і характером наростання кутового прискорення при розгоні ротора до підсинхронної швидкості обертання та обраний оптимальний по витратах енергії режим виконання цієї операції.

Наукове значення роботи полягає:

- у розробці методики пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів, яка дозволяє підвищити ефективність експлуатації шахтних компресорних станцій;

- у визначенні залежності крутильного моменту на роторі від геометрії проточної частини турбокомпресора та параметрів потоку стиснутого повітря;

- у розробці математичної моделі та визначенні впливу осьових стискаючих сил на частотні характеристики ротора турбокомпресора при здійснені пневмозапуску та встановлені нових границь робочої частоти;

- у визначенні залежності між витратами стиснутого повітря і характером наростання кутового прискорення при розгоні ротора, до підсинхронної швидкості обертання.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі проведених досліджень розроблено новий ресурсозберігаючий спосіб пневмозапуску в умовах компресорної станції, який забезпечує підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря за рахунок полегшеного запуску турбокомпресорних агрегатів.

Виготовлена та випробувана у промислових умовах установка, яку було спроектовано за розробленою методикою пневмозапуску турбокомпресорного агрегату, та визначені оптимальні параметри цього процесу.

Особистий внесок здобувача полягає в: формулюванні мети, наукової новизни і задач досліджень; проведенні теоретичних і експериментальних досліджень; аналізу та обробці результатів щодо визначення оптимальних параметрів процесу пневмозапуску турбокомпресора; розробці методики пневмозапуску для забезпечення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря.

Апробація результатів дисертації. Головні результати та основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювалися на науково-практичній конференції НДГРІ "Основные направления развития горнопромышленного комплекса (ГПК) Украины в условиях перехода к рыночной экономике" (м. Кривий Ріг, 1998 р.), на технічній нараді РУ ім. Кірова (м. Кривий Ріг, 1999 р.), на технічній нараді в ДАК "Укррудпром" (м. Кривий Ріг, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції присвяченої 80-летию механіко-машинобудівельного факультету НГАУ "Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья" (м. Дніпропетровськ, 2001р.).

Реалізація роботи. Результати дисертаційної роботи впроваджені у вигляді інженерної "Методики пневмозапуску турбокомпресорного агрегату", та технічних пропозиціях на її розробку, що схвалені ДАК "Укррудпром", ДП РУ ім. Кірова, ДПІ "Кривбаспроект".

Запропоновані технічні пропозиції, які було впроваджено на ДП РУ ім. Кірова згідно з наданими рекомендаціями, дозволили підвищити ефективність технологічного процесу виробництва стиснутого повітря та суттєво знизити енергетичні витрати.

У подальшому результати наукових досліджень заплановано використовувати на центральних компресорних станціях шахт при розробці та реалізації проектів на їх реконструкцію або нове будівництво.

Публікації. По темі дисертації опубліковано шість наукових праць (5 статей - в провідних фахових виданнях, тези доповіді на конференції) та отримано патент України на винахід, які у повній мірі відображають результати наукових досліджень.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота містить 114 сторінок машинописного тексту, в тому числі 23 рисунка, 11 таблиць, список використаних джерел з 76 найменувань, та 4 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наукові положення та результати які захищаються.

У першому розділі "Стан питання. Задачі досліджень" розглянуто сучасний стан пневматичного господарства гірничорудних підприємств та питання, які пов'язані з виробництвом і споживанням стиснутого повітря, експлуатацією турбокомпресорних агрегатів, енергетичними витратами, які мають місце при виробництві стиснутого повітря, а також визначені головні напрямки підвищення ефективності роботи компресорних станцій.

В результаті аналізу робіт таких авторів як: Алексєєв В.В., Бондаренко Г.А., Васильєв В.В., Галеркин Ю.Б., Гречко Е.Н., Дегтярев В.И., Ден Г.М., Карабін А.І., Картавий М.Г., Кудрейко І.А., Мурзин В.О., Паршинцев В.П., Селезньов К.П., Смородін С.С., Ріс В.Ф., Цейтлін Ю.А. та інших, які присвячені різноманітним питанням пов'язаним з роботою шахтних компресорних установок та підвищенням їх ефективності, було доведено, що одним із найбільш перспективних напрямків економії пневмоенергії на гірничорудних підприємствах є підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря.

На підставі літературних даних і досвіду експлуатації турбокомпресорів вдалося виявити два основні джерела непродуктивних енергетичних витрат, які мають місце при виробництві стиснутого повітря: перше, пов'язане з порушенням температурного режиму, друге - зі значними витоками стиснутого повітря з пневматичної мережі і є причиною найбільших втрат енергії в шахтних пневматичних установках.

Поряд із витоками стиснутого повітря в розподільних мережах шахтних пневматичних установок було встановлено, що досить великі енергетичні втрати при роботі компресора пов'язані з частковим або повним викидом стиснутого повітря в атмосферу через випускний клапан.

Часткове розвантаження, яке попереджує автоматичне спрацьовування антипомпажного захисту, провадиться при зменшенні кількості споживаного з мережі повітря, що реєструється по підвищенню його тиску. Така ситуація виникає при випадковому або періодичному одночасному відключенні від мережі великої кількості устаткування яке споживає стиснуте повітря. Переклад компресора на деякий нетривалий час у режим холостої ходи є альтернативою складним операціям припинення і наступного пуску та використовується при плавному відключенні споживачів, ремонтних роботах на повітряних провідних мережах, обмеженнях по споживанню електроенергії та у інших випадках. При цьому паспортна потужність NX, яка споживається турбокомпресором у режимі холостої ходи, дорівнює 800-1200 кВт, а в режимі часткового розвантаження в середньому оцінюється 0,75 NX.

Ці обставини стали підставою для пошуку нових, більш економічних, способів керування режимами роботи компресорної станції. На підставі вище зазначеного були сформульовані мета і задачі дисертаційних досліджень.

У другому розділі "Аналітичні дослідження можливості роботи турбокомпресора у режимі пневматичної турбіни" розглянуті питання можливості роботи турбокомпресора у режимі пневматичної турбіни, та досліджено динаміку розгону ротора.

Процес запуску турбокомпресорного агрегату, що передбачає подолання моментів інерції великих мас і розгін ротора електродвигуна до підсинхронної швидкості, пов'язаний з великими перевантаженнями та інтенсивним зношенням устаткування, а отже довговічність компресора і його головних елементів в значній мірі визначається сумою його пусків.

Негативні наслідки, пов'язані з операцією запуску турбокомпресора, можуть бути усунуті шляхом попереднього розкручування ротора до швидкості, при якій з урахуванням передатного відношення редуктора забезпечується підсинхронна швидкість двигуна. При цьому, як привод для розкручування ротора може служити сам турбокомпресор, переведений у режим пневматичної турбіни. Можливість роботи турбокомпресора в режимі силової установки відома з аварійних випадків мимовільного розкручування ротора непрацюючої машини при надходженні до неї стиснутого повітря з магістралі через запалий зворотний клапан. Проте в таких випадках обертання ротора відбувається в зворотному напрямку, оскільки як показує аналіз, переважає крутильний момент від впливу вітрильного ефекту, що закручується направляючим апаратом потоку, діючого на верхню частину лопаток робочого колеса. Очевидно, що необхідна спрямованість обертання ротора буде забезпечена, якщо штучно створити прямування потоку стиснутого повітря у зворотному напрямку. Крутильний момент, при цьому сформує сила, що виникає від зміни напрямку потоку при обтіканні профілю лопаток робочих коліс.

Проведенні аналітичні дослідження дозволили вивести остаточну формулу для визначення крутильного моменту на відцентровому робочому колесі

(1)

де, Qв - вагова витрата повітря; u1 - окружна швидкість; с 1 - абсолютна швидкість; D і d - зовнішній і внутрішній діаметр колеса.

Дійсна формула описує ідеальні умови роботи колеса відцентрової турбіни і використання її для розрахунку реальної системи неможливе без відповідного коригування. Коригування полягає в урахуванні втрат корисної енергії потоку газу, обумовлених тертям, ударами і завихренням, а головне - непаралельним обтіканням профілю лопаток.

Дослідження динаміки процесу запуску турбокомпресорного агрегату і виходу його на робочий режим виконувалося шляхом реєстрації і аналізу змін активної потужності, споживаної приводним синхронним електродвигуном. Для цього в мережу керування електродвигуном відповідно через вимірювальні трансформатори току і напруги було встановлено самописний ватметр типу Н 3095, клас точності 1,5%, з повторною напругою 100 В і струмом 5 А.

Запис потужності здійснювався, починаючи з моменту пуску турбокомпресора і далі до виходу його на робочий режим. Ці роботи виконувалися на компресорах К-250-61-1 (ЦГЗК) і К-500-61-1 (РКСЦП-3). Оскільки в обох випадках на момент виконання вимірів тиск у магістральному трубопроводі був незначним (0,3 МПа), зареєстрований режим роботи компресора на мережу не відповідав звичайним умовам експлуатації. Тому для проведення аналізу отримана картина доповнювалася потужністю робочого режиму зареєстрованого окремо при тиску в магістральному трубопроводі РМ = 0,8 МПа.

При розгляді діаграми особливий інтерес становить її перша ділянка, що пов'язана з розгоном ротора. Цей процес, тривалість якого складає порядку 10 - 12 с, характеризується стрибкоподібним наростанням навантаження на двигун і наступним його зниженням до номінального значення до кінця розгону. Пікове навантаження при цьому істотно перевищує паспортну потужність двигуна і виходить за межі шкали вимірів.

Зробивши припущення про лінійний характер наростання швидкості обертання при розгоні ротора можна знайти пікову потужність, що розвивається двигуном і виходить з такого рівняння енергетичного балансу

, (2)

де IД - момент інерції ротора двигуна; Ik - момент інерції ротора компресора; i - передатне число редуктора; - підсинхронна частота двигуна; t - час розгону до підсинхронної швидкості; c - синхронна швидкість.

Потужність, яка необхідна для запуску компресорного агрегату за час t = 10с, пов'язана головним чином із подоланням моментів інерції і майже в два рази перевищує паспортну потужність приводного двигуна. У таких умовах, природно, мають місце високі динамічні і теплові навантаження на обмотку двигуна. Підвищене навантаження холостої ходи утруднює розгін ротора і призводить до перевитрати електроенергії. Це позначається дуже відчутно при технологічних розвантаженнях компресорів у перервах між змінами в шахтах, загальна тривалість яких в середньому складає 4 години на добу.

Оскільки підвищена потужність холостої ходи зареєстрована на випадково вибраних для дослідження компресорах, це дає підставу вести мову про характерність цього явища для усього парку турбокомпресорних машин, які експлуатується. Виконані дослідження та спостереження дозволили кількісно оцінити динаміку розгону ротора і встановити джерела підвищених витрат енергії як при запуску, так і при номінальному режимі роботи.

У третьому розділі "Теоретичні дослідження коливань ротора турбокомпресора" застосовуючи метод операційного числення проведено теоретичні дослідження коливань ротора турбокомпресора. В основі розрахунків використані параметри турбокомпресора К-500-61-1. Для створення математичної моделі ротор турбокомпресора уявили як балку на двох опорах із трьома зосередженими масами. У показані маси включається й маса вала, що приводиться до зосереджених мас у місцях кріплення робочих коліс. Для визначення кругової частоти власних коливань ротора скористаємося віковим рівнянням (3).

де, щ - кругова частота коливань; дij - переміщення маси mі, яке викликане одиничною силою прикладеною в точці розміщення маси mj.

У випадку постійної жорсткості вала значення коефіцієнтів дij можна обчислити по отриманій нами формулі

, (4)

де з (?j - ?i) - значення функції Хевісайда.

У нашому випадку вікове рівняння являє собою, кубічне рівняння щодо

x = 1/щ²,

що має тільки позитивні корені.

Рішення кубічного рівняння:

x³+а₂x²+а₁x+а₀=0,

і зіставлення отриманих і експериментально обміряних даних із паспортними показує, що погрішність складає не більш 4%. Тому можна стверджувати, що прийнята нами розрахункова схема близька до реальної і може бути використана у розрахунках на змушені коливання системи при різноманітних формах її навантаження. Якщо припустити, що діючі на кожну з трьох ступенів турбокомпресора сили змінюються по однаковому закону пропорційно споживаної потужності, то залежність зміни сили в часі можна записати аналітично в спрощеній формі у такому вигляді

де F0 - максимальне значення сили, t0 - час наростання максимального тиску (t0=11с), для стандартного способу запуску.

Рівняння руху в цьому випадку (з урахуванням загасання) буде мати вигляд:

, (6)

де б - коефіцієнт загасання (б < щ); F(t) - зовнішня сила діюча на масу m; х(t) - переміщення в часі маси m.

Розв'язок рівняння (6) матиме вигляд

 (7)

Аналіз одержаних залежностей при вирішенні цього рівняння показує, що максимальне значення коефіцієнта динамічності істотно залежить від відношення щ/б і в нашому випадку не перевищує 1,25, а коливання через t > (5-10) t0 практично зникають.

При полегшеній схемі запуску навантаження на ротор можна представити як функцію сили від часу. В аналітичній формі залежність зміни сили від часу буде мати вигляд:

Рівняння руху системи без урахування загасання буде мати вигляд

(9)

Використовуючи операційне числення, знаходимо оригінал зображення, тобто функцію прямування системи в часі

(10)

Коефіцієнт динамічності буде визначатися виразом

м(t) = х(t)/Д ст (11)

де, Д ст - переміщення маси при статичному додатку сили F.

Аналіз отриманих залежностей показує, що при здійсненні запуску турбокомпресора шляхом попереднього розгону ротора турбіни повітряним потоком максимальний коефіцієнт динамічності м у випадку (б) істотно знижується і складає 1,05.

Таким чином, теоретично доведено, що при використанні полегшеного способу запуску з попереднім розгоном ротора повітряним потоком, значно знижується максимальний коефіцієнт динамічності.

Конструктивні особливості відцентрових компресорів та їх робота з високими показниками продуктивності і тиску обумовлює високий рівень осьових сил, що в свою чергу призводять до зміни власних частот коливання системи.

У зв'язку з цим були проведені дослідження по встановленню впливу осьового зусилля на частотні характеристики ротора турбокомпресора.

Аналіз розрахунків показує, що власні частоти зі збільшенням стискаючої сили, зменшуються. Відповідно до розроблених рекомендацій робоча частота гнучкого вала без урахування стискальної сили визначається за формулою

1,3щ1 ? щр ? (0,7ч 0,8)щ2,

де щ1 - перша частота; щ2 - друга частота; щг - робоча частота ротора.

З урахуванням стискальної сили необхідно зменшити діапазон робочої частоти і визначити його по формулі

1,3щ 1 ? щр ? (0,7ч 0,8)щ2/, (12)

де щ2^/ - друга частота з урахуванням стискаючої сили, яка визначається за формулою

(13)

Таким чином, було встановлено вплив осьової стискаючої сили на частоту власних коливань ротора і отримані нові границі робочої частоти турбокомпресора.

Четвертий розділ "Лабораторні дослідження відцентрової пневматичної турбіни" присвячено вивченню процесу розгону відцентрової турбіни при різноманітних зовнішніх навантаженнях і на стаціонарних режимах роботи.

Дослідження проводилися на лабораторній моделі, на якій було проведено дві серії експериментів по вивченню процесу розгону ротора і роботи турбіни на стаціонарних режимах при різноманітному зовнішньому навантаженні.

До параметрів, які підлягають реєстрації при виконанні досліджень, відносяться: витрата Q, температура Т і тиск Р стиснутого повітря, що надходить у турбіну, момент зовнішніх опорів М 0, частота обертання ротора n, час t і характер процесу розгону ротора.

Витрати стиснутого повітря встановлювались за допомогою труби для вимірювання розходу, вмонтованої в трубопровід живлення і з'єднаного з нею дифманометра. З урахуванням показань диференціального манометра, перерахунок проводився відповідно до залежності, м 3/с

, (13)

де ₁ і - питома вага відповідно рідини в манометрі і газу в трубі, H/м 3.

Для визначення температури і тиску повітря, передбачено занурений у потік спиртовий термометр і мікроманометр.

Визначення параметрів процесу розгону ротора і частоти його обертання в стаціонарному режимі провадиться за допомогою спеціального датчика і стандартного приладу реєстрації. Результати цього процесу відображені у виді графічної залежності, побудованої по точках у координатних осях час, с - кутова швидкість, с-1; час, с - кутове прискорення, с-2.

Для встановлення аналітичної залежності кутової швидкості і кутового прискорення від часу застосовуємо метод найменших квадратів. У результаті розрахунків були одержані залежності:

n = 375 (1- ? - 0,435 t); щ = 197,6 ? - 0,458 t.

При цьому коефіцієнт лінійної кореляції між змінними в логарифмічній шкалі становить 0,93ч0,96.

Отримані експериментальні дані по стаціонарним режимам роботи турбіни і перехідним процесам розгону ротора були порівняні з відповідними аналітичними розрахунками. Це дозволило оцінити коректність теоретичних побудов і необхідність введення поправочних коефіцієнтів.

При опрацюванні експериментальних даних розраховувався крутильний момент інерційного опору ротора з урахуванням установленого статичного моменту ротора (МСТ = 0,009 Нм) при даному прискоренні і знаходився чинний крутильний момент М КР. Отримані в такий спосіб із кроком t = 2с значення параметрів і відповідні їм результати аналітичних вимірів приведені в табл.1.

Таблиця 1. Результати першої серії експериментів

Інтервали часу, с	0-2	2-4	4-6	t >6
Середина інтервалу	1	3	5
Кутова швидкість, с-1	125/132,3	285/273,3	340/332,4	360/360
Кутове прискорення, с-2	125/124,9	47/50,01	20/20,01	0
Витрати повітря, м 3/с	0,019	0,0195	0,02	0,02
Тиск повітря, Па	2860	2800	2700	2600
Момент інерції, Нм/с 2	0,025	0,0068	0,004	0
Крутильний момент, Нм	0,034/0,031	0,016/0,033	0,013/0,035	0,009/0,035
Поправочний коефіцієнт, з	1,1	0,48	0,38	0,26

Примітка: в чисельнику - експериментальні дані, в знаменнику - результати аналітичних розрахунків.

Останній рядок таблиці містить значення поправочних коефіцієнтів , знайдених як

= МЕКР МРКР,

що характеризують ступінь невідповідності між зареєстрованими у експерименті і розрахункових розмірах крутильних моментів.

В другій серії експериментів поступово змінювалися моменти зовнішнього опору, витрата повітря і реєструвалися сталі обороти ротора. Результати цих експериментів приведені в табл. 2.

Таблиця 2. Результати другої серії експериментів

Момент опору, Нм	Число оборотів, об/хв, при витраті повітря, мі/хв
	1,27	1,03	0,8	0,65
0,005	7100/7100	5700/5700	4000/4000	3200/3200
0,0103	5900/6600	4400/5213	2650/3121	1700/1900
0,0138	5400/6000	4200/4700	1900/2208	550/600
0,0172	4600/5450	3500/4074	1050/1065	-
0,0241	3380/3700	2000/2365	-	-

Примітка: в чисельнику - експериментальні дані, в знаменнику - результати аналітичних розрахунків.

В результаті обробки табличних даних (табл.2) отримані аналітичні залежності числа обертів вала від значення крутильного моменту при різноманітних втратах повітря:

1 - Q = 1,27 м³/хв; n = 7252 - 6,1·10⁶ М_кр²;

2 - Q = 1,03 м³/хв; n = 5850 - 6 ·10⁶ М_кр²;

3 - Q = 0,8 м³/хв; n = 4272 - 10,8 ·10⁶ М_кр²;

4 - Q = 0,65 м³/хв; n = 3600 - 16,5 ·10⁶ М_кр².

Зіставлення дійсного і розрахункового значень крутильних моментів, як для процесу розгону ротора, так і для стаціонарних режимів показує їх достатньо близький збіг, а отже і слушність вихідних умов, покладених в основу аналітичних вирахувань.

У п'ятому розділі "Пневмозапуск турбокомпресора в умовах компресорної станції" описано промислові дослідження, проведено розрахунок робочих параметрів процесу, запропонована принципова схема компресорної станції та виконано техніко-економічний аналіз.

З метою підтвердження теоретичних і експериментальних положень, на РКСЦП-3 було проведено принциповий експеримент по перевірці можливості використання компресора К-500-61-1 як пневматичної турбіни. Для попередньої технічної оцінки способу пневмозапуску компресора К-500-61-1 були визначені його основні параметри, до яких належать тиск і витрата стиснутого повітря, а також час, необхідний для розгону ротора до заданої швидкості. турбокомпресор пневмозапуск повітря шахта

Скориставшись виконаними раніше аналітичними і експериментальними дослідженнями представимо рівняння балансу крутильних моментів у вигляді

, (15)

де, МСТ - статичний момент зрушення ротора; 1 = 2 - вхідний і вихідний кути робочих лопаток; b1, b2 - ширина міжлопаткових каналів на вході та виході з колеса; 1 - кут закручування потоку на вході в колесо; - щільність повітря при атмосферному тиску;

с 1=Q0/рdb1; u1=0,5dn.

Таким чином, у рівнянні балансу крутильних моментів, невідомими залишаються три параметри: це Q0 - секундна подача стиснутого повітря при атмосферному тиску; n - частота розгону ротора компресора; t - час розгону. Очевидно, якщо задатися значеннями двох із них, можливо визначити третій.

Як параметр, що підлягає визначенню, було прийнято Q0. Значення ж двох інших параметрів вибиралися в інтервалах n=100...600с-1 і t=30...300с. Тут верхній рівень діапазону частот обертання ротора з урахуванням передатного відношення редуктора відповідає підсинхронній швидкості двигуна, а нижній - умові подолання статичного моменту зрушення. Межі діапазону часу розгону прийняті, виходячи з можливої тривалості реального процесу.

Одночасно з визначенням Q0 обчислювалися також значення загальної витрати стиснутого повітря Q і потужності N що розвивається на валу по відповідних формулах:

, мі; , кВт. (16)

Результати виконаних розрахунків, найбільше значимі для аналізу процесу розгону ротора турбокомпресора К-500-61-1, приведені в табл.3.

Таблиця 3. Результати виконаних розрахунків

Параметри	Частота, c-1
	100	600
t, c	30	60	120	180	240	300
МКР, Нм	1390	890	1900	1400	1150	990
N, кВт	139	89	1140	840	690	594
Q0, мі/с	7,8	6,2	8,1	6,7	5,8	5,3
Q, мі	234	370	970	1210	1390	1590

Як видно з таблиці, Q0 мало залежить від часу розгону ротора; як наслідок, це призводить до швидкого зростання загальних витрат повітря в міру подовження операції розгону. Ця обставина робить кращим використання режимів з інтенсивним і відповідно короткочасним розгоном.

Що стосується абсолютних розмірів секундної подачі, то у всіх розглянутих випадках вони порівняні з номінальною продуктивністю компресора (Q0=8,75 мі/с). Відповідно при наявності одного працюючого компресора запуск іншого з розкручуванням ротора до підсинхронної швидкості потребує перенаправлення потоку стиснутого повітря в компресор, який запускається на протязі менш ніж дві хвилини.

При експлуатації компресорних станцій, обладнаних системою пневмозапуску, зниження енергоспоживання пов'язано з можливістю оперативного припинення агрегатів. Це, насамперед, стосується міжзмінних періодів та вихідних і святкових днів, коли відсутня стабільна потреба у стиснутому повітрі. Забезпечувана завдяки цьому річна економія електроенергії для одного турбокомпресора складе

260 4 1000 = 1040000 кВт·год, (17)

де, n_Х = 260 - частота роботи в холостому режимі, 1/рік;

t_Х = 4 - тривалість режиму, год.

Економічний ефект від зниження споживання електроенергії, грн.

1040000 · 0,125 = 130000 (18)

k = 0,125 грн. - вартість 1кВт·год на 01.09.01 р.

Таким чином, отримані внаслідок експериментів дані, дозволили оцінити коректність аналітичних і лабораторних досліджень, а техніко-економічний аналіз підтвердив доцільність застосування полегшеного запуску турбокомпресора шляхом попереднього розкручування ротора стиснутим повітрям.

Висновки

Дисертаційна робота є закінченою науковою роботою, де на підставі результатів теоретичних та експериментальних досліджень отримано нове вирішення актуальної задачі, що заключається в розробці ресурсозберігаючого методу пневмозапуску турбокомпресорних агрегатів, який забезпечує підвищення оперативності керування виробництвом стиснутого повітря на гірничих підприємствах.

Основні висновки і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Встановлено, що часті запуски та зупинки дуже негативно впливають на надійність і довговічність турбокомпресорних агрегатів, крім цього вони призводять до передчасного зносу та виходу з роботи, як окремих вузлів, так і всієї машини в цілому.

2. Доведено, що негативні наслідки, пов'язані з запуском турбокомпресора, можуть бути в значній мірі послаблені в результаті здійснення більш плавного розтягнутого в часі запуску.

3. Визначена залежність крутильного моменту на роторі від геометрії проточної частини турбокомпресора та параметрів потоку стиснутого повітря, що підтвердило можливість запуску турбокомпресорного агрегату з попереднім розкручуванням ротора шляхом використання компресора, як пневматичної турбіни.

4. Розроблено нетрадиційний спосіб запуску турбокомпресора за допомогою стиснутого повітря. На відміну від існуючих способів запуску, процес пневмозапуску здійснюється за рахунок попереднього розкручування ротора стиснутим повітрям, яке надходить від суміжного компресорного агрегату.

5. Розроблено математичну модель та визначено вплив осьових стискаючих сил на частотні характеристики ротора турбокомпресора при здійснені операції пневмозапуску, та встановлено нові границі робочої частоти.

6. Знайдено залежності між витратами стиснутого повітря і характером наростання кутового прискорення при розгоні ротора та визначені головні оптимальні параметри процесу пневматичного запуску турбокомпресора.

7. Розроблено методику пневматичного запуску турбокомпресора, яка дозволяє знизити непродуктивні витрати енергії при виробництві стиснутого повітря, та підвищити ефективність експлуатації шахтних компресорних станцій.

8. Встановлено, що виключення непродуктивної роботи турбокомпресорів на центральних компресорних станціях Кривбасу, коли стиснуте повітря скидається в атмосферу через випускний клапан, дозволить знизити витрати енергії на 15000 мВт·год на рік.

Основні положення та результати дисертації опубліковано в роботах

1. Основи теорії пневмозапуску турбокомпресора. /В.А. Трегубов, М.І. Великий, О.В. Замицький, О.В. Домнічев // Відомості АГН України, 1998. №1. - с. 104-105.

2. А.В. Домничев Пути уменьшения непроизводительных энергозатрат при производстве сжатого воздуха//Проблемы горнодобывающей промышленности металлургического комплекса Украины: Сб. науч. тр. - Кривой Рог: НИГРИ, 1998. - с.142 - 143.

3. Резерви енергозбереження при виробництві стиснутого повітря /В.А. Трегубов, О.В. Замицький, О.В. Домнічев // Відомості АГН України, 1999. №1. - 43 с.

4. Применение облегченного способа пневмозапуска турбокомпрессорных агрегатов/А.В. Домничев // сб. разраб. рудн. Месторожд. - Кривой Рог: КТУ, вып. 74. - 2001. с. 68-71.

5. Исследование влияния способов запуска турбокомпрессора на его динамические показатели/А.В. Домничев // Сб. Разраб. рудн. Месторожд. - Кривой Рог: КТУ, вып. 75. - 2001. с. 110-115.

6. Пат. № 28482А Україна, F04В 41/00, Компресорна станція/Великий М.І., Домнічев О.В., Замицький О.В., Трегубов В.А. Заявл. 19.04.1997; Опубл. 16.10.2000.

7. Способ пневмозапуска турбокомпрессора К-500-61-1/А.В. Домничев//Основные направления развития горнопромышленного комплекса (ГПК) Украины в условиях перехода к рыночной экономике: Материалы докладов научно-практической конференции - Кривой Рог: НИГРИ, 1998. - с. 36-37

Размещено на Allbest.ru

...