خط عملکرد (Running Line) در کمپرسورها

کمپرسورها تجهیزات توربوماشینی هستند که با هدف افزایش نسبت فشار (نسبت فشار خروجی به فشار ورود) تجهیز طراحی می‌شوند. عملکرد یک کمپرسور را می‌توان توسط منحنی‌های عملکردی که بیانگر ارتباط بین پارامترهای عملکردی کمپرسور هستند؛ نشان داد. از جمله این پارامترهای عملکردی عبارت‌اند از:

1) نسبت فشار  (PR)

2) دبی جرمی  (ṁ)

3) راندمان  (η)

4) توان مصرفی (P)

 

در شکل 1، منحنی نسبت فشار بر حسب دبی جرمی (ṁ-PR) و در شکل 2، منحنی راندمان بر حسب دبی جرمی (ṁ-η)، نشان داده شده است.

 

               

 شکل 1) منحنی نسبت فشار بر حسب دبی جرمی               شکل 2) منحنی راندمان بر حسب دبی جرمی 

 

 مطابق با شکل 1 با کاهش دبی جرمی عبوری از تجهیز، نسبت فشار افزایش می یابد اما میزان این افزایش به علت وقوع ناپایداری های آیرودینامیکی مانند واماندگی گردان (Rotating Stall) و سرج (Surge) دارای محدودیت است. منحنی‌های‌ عملکردی کمپرسور در پیش‌بینی، کنترل و تحلیل عملکرد کمپرسور دارای اهمیت هستند.

 

طراحی و استخراج منحنی عملکرد کمپرسورها با درنظرگرفتن نقطه طراحی یا نقطه‌ی عملکرد (Design Point) و دور نامی (100% Speed) انجام می‌گیرد. یک کمپرسور می‌تواند وابسته به شرایط عملکردی و میزان لودینگ، در دور غیر نامی عمل کند. به مجموعه‌ی منحنی عملکرد کمپرسور در سایر دورهای عملکردی، نقشه عملکرد کمپرسور (Compressor Map) می‌گویند که توسط خط سرج و خط خفگی محدود شده‌اند. عناصر اصلی نقشه کمپرسور عبارت‌اند از:

 

1)     خطوط سرعت (Speed Lines)

نشان‌دهنده سرعت‌ دورانی تجهیز که معمولاً به صورت درصدی از سرعت طراحی نشان داده می‌شوند

 

2)     نقطه عملکرد (Operating Point)

نقطه واقعی عملکرد بر روی منحنی عملکرد کمپرسور است و از تقاطع مقاومت سیستم و مشخصه کمپرسور تعیین می‌شود.

 

3)     خط سرج (Surge Line)

سرج مرز بالایی عملکرد پایدار در منحنی عملکرد کمپرسور است به صورتیکه که در محدوده‌ی سرج، برگشت جریان و ناپایداری در تجهیز رخ می‌دهد. عملکرد نزدیک به خط سرج می‌تواند باعث آسیب‌های جدی به تجهیز شود، به همین علت معمولاً ده درصد تا بیست درصد حاشیه سرج برای عملکرد ایمن درنظرگرفته می‌شود. از اتصال نقاط سرج در دورهای مختلف، خط سرج به‌دست می‌آید.

 

4)     خط خفگی (Choke Line)

خفگی مرز پایینی عملکرد در منحنی عملکرد کمپرسور است که از جمله ویژگی‌های آن می‌توان به عبور حداکثر دبی جریان در سرعت مشخص از تجهیز و کاهش قابل ملاحظه راندمان اشاره کرد. از اتصال نقاط خفگی در دورهای مختلف، خط خفگی به‌دست می‌آید.

در شکل 3، نقشه عملکرد کمپرسور برای دور 70 درصد تا 110 درصد نشان داده شده است.

 

شکل 3) نقشه عملکرد کمپرسور

 

 به منظور استخراج منحنی‌های عملکرد در دور غیر نامی، می‌توان از آنالیز اعداد بی‌بعد در توربوماشین‌ها به منظور ایجاد رابطه‌ بین پارامترهای عملکردی و سرعت دورانی استفاده کرد.  مطابق با این آنالیز:

1.     دبی جرمی متناسب با سرعت دورانی (P ∝ N)

2.     نسبت فشار متناسب با توان دوم سرعت دورانی (PR ∝ N²)

3.     توان متناسب با توان سوم سرعت دورانی (P ∝ N³)

نقطه ی عملکرد کمپرسور در هر دور عملکردی، معادل با یک دبی جرمی و یک نسبت فشار یکتا است. در صورتیکه نقاط عملکردی کمپرسور در دور های مختلف به هم وصل گردد، خط عملکرد (Running Line) تجهیز به دست می‌آید. خط عملکرد نشان‌دهنده مسیر حرکت نقطه کاری کمپرسور در شرایط مختلف عملیاتی است که می‌تواند تحت تأثیر عوامل زیر قرار ‌گیرد:

 

1)     مقاومت سیستم (System Resistance)

مجموعه‌ی افت‌های فشاری که در مسیر جریان رخ می‌دهد؛ شامل، افت فشار در لوله‌ها و شیرآلات، افت فشار در مبدل‌های حرارتی، افت فشار در فیلترها

 

2)     شرایط عملیاتی (Operating Conditions)

شامل دما و فشار ورودی، ترکیب مولکولی سیال، تغییرات دبی مورد نیاز

 

3)     پاسخ سیستم کنترل (Control System Response)

شامل سیستم کنترل سرعت، سیستم کنترل ضد سرج، سیستم کنترل دبی

 

4)     تغییرات بار (Load Variations)

 

5)     شرایط محیطی (Environmental Conditions)

شامل تغییرات دمای محیط، رطوبت، فشار اتمسفر

 

در شکل 4 خط عملکردی برای یک کمپرسور نشان داده شده است.

 

شکل 4) خط عملکرد در نقضه عملکرد کمپرسور

 

خط عملکرد از ابزارهای کلیدی برای تعیین محدوده ایمن و بهره‌برداری بهینه از کمپرسور است و به طراحان و مهندسان در بهبود عملکرد و جلوگیری از مشکلاتی چون سرج و واماندگی کمک می‌کند.

 

تهیه شده توسط دپارتمان تحقیق و توسعه