بخشی از مقاله
چکیده
سرج بصورت یک ناپایداري در جریان کهساساًا در کمپرسورهاي دوار اتفاق می افتد تعریف می شود. این پدیده هنگامی اتفاق می افتد که کمپرسور قادر به تولید هد کافی براي غلبه بر مقاومت پایین دست خود نمی باشد و یا بطور ساده تر فشار خروجی تولیدي توسط کمپرسور کمتر از فشار پایین دست آن است. در این حالت، یکحرکت رفت و برگشتی - سیکلی - در جریان گاز ایجاد خواهد شد.
از آنجایی که کمپرسورهاي گریز از مرکز، اجزاي اصلی اکثر فرآیندها هستند، حفاظت از این دارایی پرارزش از آسیب هایی که به سبب پدیده سرج اتفاق می افتد، بسیار ضروریست. این وظیفه بر عهده سیستمی به نام سیستم کنترل سرج - آنتی سرج - می باشد . در این مقاله به بررسی مکانیسم وقوع و روشهاي کنترل این پدیده مخرب در کمپرسورهاي گریز از مرکز و نیز سیستم هاي متداول صنعتی کنترلی مربوطه پرداخته می شود.
مقدمه
نمودار عملکرد هر کمپرسور توسط شرکت سازنده تهیه می گردد. این نمودار از دو محور افقی و عمودي و همچنین یک دسته منحنی تشکیل شده که محور افقی میزان جریان - ظرفیت - و محور عمودي، هد یا فشار را نشان می دهد. دسته منحنی نیز بیانگر عملکرد کمپرسور در دورهاي مختلف می باشد
در این نمودار، براي هر دوري یک نقطه حداقل و یک نقطه حداکثر ظرفیت - جریان - وجود دارد که بین این دو نقطه، کارکرد کمپرسور پایدار و قابل پیشبینی می باشد. به نقطه حداکثر ظرفیت، نقطه استون وال و به نقطه حداقل ظرفیت، نقطه سرج گفته می شود.
با اتصال نقاط سرج در دورهاي مختلف خط حد سرج بدست می آید. اگر کمپرسور در سمت راست این خط کار کند، در حالت پایدار و اگر در سمت چپ این خط کار کند، در حالت ناپایدار یا سرج می باشد.
شکل :1 نمایشی از نمودار عملکرد یک کمپرسور
سرج بصورت یک ناپایداري در جریان که اساساً در کمپرسورهاي دوار اتفاق می افتد تعریف می شود . این پدیده هنگامی اتفاق می افتد که کمپرسور قادر به تولید هد کافی براي غلبه بر مقاومت پایین دست خود نمی باشد و ی ا بطور ساده تر فشار خروجی تولیدي توسط کمپرسور کمتر از فشار پایین دست آن است. در این حالت، یکحرکت رفت و برگشتی - سیکلی - در جریان گاز ایجاد خواهد شد.
سیکل سرج
در شکل2، سیکل سرج روي منحنی مشخصه کمپرسور رسم شده است. فرض شود کمپرسور در نقطه پایدار D کار می کند. با کاهش تقاضاي گاز در پایین دست کمپرسور، نقطه کار به سمت نقطه A - حد سرج - خواهد رفت و با گذشتن نقطه کار از A ، کمپرسور دیگر توانایی افزایش فشار خروجی را نخواهد داشت. در نتیجه فشار خروجی کمتر از فشار پایین دست خواهد شد که این سبب می شود جهت جریان از طریق کمپرسور عکس شده و نقطه کار به B جهش پیدا کند . نقطه B، نقطه پایداري در کارکرد کمپرسور نمی باشد.
هنگامی که جریان معکوس اتفاق می افتد، فشار پایین دست کمپرسور افت پیدا کرده و همزمان، جریان به سمت مثبت شدن خواهد رفت تا اینکه نقطه کار به C برسد . در نقطه C، میزان جریان به اندازه اي نیست که بتواند فشار مورد نیاز براي بازگشت به نقطه A را بسازد. در نتیجه نقطه کار به نقطه D یعنی جایی که میزان جریان بیشتر از حدي است که بار تقاضا دارد، می رود. لذا در خروجی دوباره فشار ساخته می شود تا اینکه به نقطه A برسد. اگر تغییري در شرایط کمپرسور ایجاد نشود، این عمل بصورت سیکلی تکرار خواهد شد.
شکل:2 سیکل سرج بر روي منحنی مشخصه کمپرسور
پدیده سرج می تواند بوسیله کمبود جریان ورودي نیز ایجاد شود زیرا کمبود جریان ورودي نیز باعث کاهش جریان خروجی می شود. از آنجایی که این سیکل ممکن است چندین بار در ثانیه اتفاق بیفتد در نتیجه، نوسانات فشاري که ایجاد می کندبسیار آسیب زننده است. لذا براي جلوگیري از این آسیب ها لازم است عواملی که باعث نزدیکی نقطه کار کمپرسور به خط سرج می شوند شناخته شوند.
عوامل ایجاد پدیده سرج
کمپرسور در هر یک از سه حالت کاري خود از قبیل راه اندازي، شرایط عادي بهره برداري و یا زمان توقف اضطراري با خطر سرج مواجه است. لذا سیستم کنترل باید براي جلوگیري از سرج در هر یک از شرایط فوق، طراحی خاص آن شرایط را داشته باشد . بطور کلی می توان از عوامل ایجاد پدیده سرج به موارد ذیل اشاره کرد:
• بالا بودن فشار در هدر خروجی در زمان به خط زدن یک کمپرسور.
• کاهش جریان کمپرسور به هر علت - کاهش مصرف در پایین دست یا بسته شدن شیرهاي بین راهی خطوط انتقال یا تریپ خوردن ایستگاههاي بعدي - .
• افزایش فشار در هدر خروجی کمپرسور به علت بسته شدن مسیر در پایین دست.
• کاهش فشار گاز ورودي به کمپرسور به هر علت.
• تغییرات در جرم مولکولی سیال به علت تغییر در ترکیب گاز.
• کاهش سریع دور به هر علت - مثلا توقف اضطراري - .
مشخصه هاي پدیده سرج
جهت شناسایی پدیده سرج و طراحی سیستم کنترلی مناسب جهت تشخیص به موقع و مهار این پدیده مخرب بایستی با پارامترهاي مشخصه آن آشنایی داشت. از پارامترهاي مهم می توان به موارد ذیل اشاره نمود1]و:[2
• معکوس شدن سریع جریان خروجی کمپرسور در حد میلی ثانیه
• نوسانات شدید فشار
• افزایش سریع دماي گاز عبوري و همچنین دماي داخلی کمپرسور به این علت که در طی پدیده سرج، گاز یکسانی چندین بار در ثانیه از خروجی کمپرسور عبور داده می شود.
• ارتعاشات بیش از حد کمپرسورکه می تواند سبب تریپ کمپرسور هم بشود.
• سر و صدا و نویز زیاد.
عواقب پدیده سرج
در صورت عدم شناسایی و کنترل بهنگام سرج در کمپرسورهاي گریز از مرکز، این پدیده می تواند منجر به وارد آمدن خسارت هاي سنگین مکانیکی و فرآیندي بر تجهیز مربوطه گردد. از جمله این خسارات احتمالی می توان به موارد ذیل اشاره کرد1]و:[2
• ایجاد آشفتگی در فرآیند.
• کم شدن بازده .
• کم شدن عمر کمپرسور به دلیل آسیبهاي مکانیکی وارده به آب بندها ، یاتاقان ها ، روتور و پروانه ه ا - ایمپلر - . در این پدیده به علت نوسانات شدید فشار، روتور ئماًدا به سمت جلو و عقب رانده شده که موجب وارد آمدن بار اضافی بر روي یاتاقانهاخصوصاً یاتاقان بار محوري - تراست بیرینگ - می شود .
• بر حسب سرعت دورانی کمپرسور و کیفیت ساخت یاتاقان، پدیده سرج می تواند بعد از چندین مرتبه تکرار، باعث خرابی یاتاقان بار محوري شود.
• از بین رفتن درجه آزادي هاي داخلی بحرانی و حساس قطعات مکانیکی سیستم - لقی هاي مجاز - .
سیستم هاي شناسایی و کنترل سرج
از آنجایی که کمپرسورهاي گریز از مرکز، اجزاي گران و اصلی اکثر فرآیندها هستند، حفاظت از این دارایی پرارزش از آسیب هایی که به سبب سرج اتفاق می افتد، بسیار ضروریست. این وظیفه بر عهده سیستمی به نام سیستم کنترل سرج - یا آنتی سرج - می باشد .
باید به این نکته توجه نمود که بهتر است بهره بردار، نقطه کار کمپرسور را مد نظر داشته باشد و اجازه ندهد نقطه کار به خط سرج نزدیک شود، به طوري که لازم باشد سیستم کنترلی عمل کند زیرا این احتمال هر چند ضعیف را باید داد که سیستم کنترلی ممکن است بر اثر مشکلی نتواند درست عمل کند. سیستم کنترل سرج، یکی از سیستمهاي ضروري براي کمپرسور سانتریفیوژ می باشد که وظیفه دارد آن را از رفتن به سرج محافظت کند. امروزه سیستمهاي کنترل سرج به صورتهاي مختلفی بکار گرفته می شوند، اما همه آنها در یک هدف اولیه که پیش بینی و جلوگیري از وقوع سرج می باشد مشترکند.
سیستمهاي کنترل باید جریان عبوري و هد کمپرسور را اندازه گرفته و از آن، نقطه کار کمپرسور را بدست آورند . آنگاه در صورتی که فلو عبوري از کمپرسور در یک هد معین، کمتر از یک میزان فلو حداقل گردید، باید شیرآنتی سرج در یک زمان مشخص و در یک ست پوینت خاصی که سیستم کنترل سرج براي آن معین می کند باز شود. با باز شدن این شیر، جریان بیشتري براي کمپرسور مهیا شده و هد کمپرسور نیز کاهش خواهد یافت .
دو روش عمده براي کنترل سرج در کمپرسورهاي سانتریفیوژ وجود دارد:
• کنترل سرعت کمپرسور
• استفاده از شیر آنتی سرج
با دقت در منحنی مشخصه کمپرسور ملاحظه می شود که با پایین آوردن دور می توان از خط سرج فاصله بیشتري گرفت. البته این روش، روش کارآمدي براي کارکرد کمپرسور نیست ضمن اینکه کاهش سرعت، ممکن است بقدر کافی سریع نباشد که بتواند جلوي سرج را بگیرد. شکل3 نمایی از یک سیستم کنترل سرج به روش کنترل سرعت را نمایش می دهد.
چرا که در شروع راه اندازي، خروجی کمپرسور از پایین دست خود ایزوله است و قبل از آنکه گاز فشرده شده بتواند به سمت پایین دست برود باید کمپرسور به یک فشار یا هد معینی برسد . وقتی که فشار خروجی به حد کافی رسید، ارتباط کمپرسور با پایین دست خود برقرار شده و گاز به سمت پایین دست، جریان یافته و همزمان، شیر آنتی سرج بسته شده و سیستم بطور عادي کار خواهد کرد.
در حالت توقف عادي، همزمان با کاهش تدریجی دور، جریان نیز کاهش می یابد. اما در حالت توقف اضطراري، به یکباره آنتی سرج می بایست هد کمپرسور را کاهش دهد.
سیستمهاي کنترلی سرج که از شیر آنتی سرج استفاده می کنند داراي ساختاري همانند شکل4 می باشند.
شکل:3 سیستم کنترل سرج به روش کنترل سرعت
استفاده از شیر آنتی سرج مورد توجه ترین روش می باشد که در این روش کنترل سرج با برگشت دادن مقداري از جریان خروجی کمپرسور به ورودي آن از طریق شیري به نام شیرکنترل آنتی سرج - ASCV - یا شیر ریسایکل صورت می پذیرد. در این روش با کاهش فلو و نزدیک شدن نقطه کار به خط سرج، سیگنالی از کنترلر سرج به شیر آنتی سرج فرستاده شده و سبب می شود که شیر به آهستگی باز شده و قدري به جریان بیفزاید .
عیب این روش در اینست که باز شدن شیر در زمان کار عادي کمپرسور سبب اتلاف انرژي می شود. بنابر این باید سعی شود تا آنجا که امکان دارد در عین حال که ریسک رفتن به سرج کم می شود، از باز کردن شیر ریسایکل نیزجلوگیري شود .
این شیر باید علاوه بر زمان کار عادي کمپرسور، در زمان هاي راه اندازي و توقف نیز از سرج جلوگیري کند .
در زمان راه اندازي، شیر آنتی سرج به مانند یک شیر باي پاس، جریان گاز خروجی کمپرسور را بهورودي آن برگشت می دهد.
شکل :4 سیستم کنترل سرج به کمک شیر آنتی سرج
ورودیهاي کنترلر سرج، مقادیر اندازه گیري شده فشار بالا دست و پایین دست کمپرسور، دما و جریان گاز عبوري و سرعت محور کمپرسور می باشند.
وظیفه کنترلر سرج در این سیستم این است که شیر آنتی سرج را در نزدیکی خط سرج باز کند تا بدون اینکه کارآیی کمپرسور به خطر بیفتد، بیشترین بازده نیز گرفته شود
سیستم هاي صنعتی کنترل سرج
سیستم کنترل سرج، یکی از سیستمهاي ضروري براي کمپرسور گریز از مرکز می باشد که وظیفه دارد آن را از رفتن به سرج محافظت کند. امروزه سیستمهاي کنترل سرج به صورتهاي مختلفی بکار گرفته می شوند، اما همه آنها در یک هدف اولیه که پیش بینی و جلوگیري از وقوع سرج می باشد مشترکند.
