معرفی کمپرسور های شعاعی، مزایا و معایب

1-1 مبانی کمپرسورهای شعاعی تک شفت

کمپرسورهای شعاعی تک شفت را می‌توان به‌عنوان ترکیبی از چند مرحله کمپرسور شعاعی که روی یک شفت مشترک قرار دارند، توصیف کرد. هر مرحله از کمپرسور شامل پروانه‌های چرخانی است که انرژی جنبشی به گاز منتقل می‌کنند و سپس این انرژی از طریق دیفیوزر به افزایش فشار استاتیک تبدیل می‌شود.

اصول کاری مختلف باعث ایجاد تفاوت‌هایی در ویژگی‌های عملکردی کمپرسورهای شعاعی نسبت به کمپرسور‌های پیستونی می‌شود. کمپرسورهای شعاعی در انواع مختلفی از کاربردها در کارخانه‌های شیمیایی، پالایشگاه‌ها، برنامه‌های جابجایی گاز در خشکی و دریا، تزریق گاز، جمع‌آوری گاز و انتقال و ذخیره‌سازی گاز طبیعی استفاده می‌شوند. کمپرسورهای شعاعی برای فشارهای خروجی تا 70 مگاپاسکال استفاده شده‌اند، بنابراین بخشی از دامنه جریان/فشار با کمپرسورهای پیستونی هم‌پوشانی دارند. کمپرسورهای شعاعی معمولاً توسط توربین گازی یا موتور الکتریکی رانده می‌شوند، اگرچه در کاربردهای پایین‌دستی، ممکن است از توربین‌های بخار یا توربو‌اکسپندرها به عنوان محرک استفاده شود. سرعت‌های عملیاتی معمولی برای کمپرسورهای شعاعی در برنامه‌های انتقال گاز حدود 14,000 دور در دقیقه برای واحدهای 3700 کیلوواتی و 8000 دور در دقیقه برای واحدهای 15,000 کیلوواتی است.

 

1‌-2 اجزای یک کمپرسور شعاعی تک شفت

شکل 1.1 یک مقطع عرضی از یک کمپرسور شعاعی تک شفت را نشان می‌دهد. اجزا اصلی کمپرسور به طور خلاصه در اینجا معرفی می‌شوند. در شروع، گاز از طریق فلنج مکش کمپرسور وارد تجهیز می‌شود. هدف قسمت مکش کمپرسور تغییر جهت جریان از حالت شعاعی به محوری است. در اکثر کمپرسور‌ها پره‌های راهنمای ثابت به کاهش چرخش جریان کمک می‌کنند و یک میدان جریان متقارن محوری را به داخل کمپرسور هدایت می‌کنند؛ با این حال، برخی ماشین‌ها از پره‌های راهنمای متغیر برای ایجاد چرخش و تغییر زاویه جریان ورودی کمپرسور استفاده می‌کنند. پس از عبور از ورودی، جریان به داخل پروانه هدایت می‌شود. مسئولیت پروانه افزایش انرژی جنبشی و پتانسیل گاز است . این امر نیاز به گشتاوری دارد که از طریق شفت به پروانه منتقل می‌شود که توسط یک درایور چرخانده می‌شود. پس از اینکه جریان با سرعت بالا از پروانه خارج می‌شود، در دیفیوزر سرعت آن کم می‌شود و فشار استاتیک آن افزایش می‌یابد. به دلیل اتلاف‌ها و گرمای فشرده‌سازی، گاز با افزایش فشار دمای خود را افزایش می‌دهد. اگر مراحل فشرده‌سازی بیشتری وجود داشته باشد، گاز از دیفیوزر خارج شده و وارد کانال بازگشتی می‌شود که جریان را به ورودی مرحله بعدی هدایت می‌کند. پس از اینکه گاز از مرحله نهایی فشرده‌سازی در یک بخش خاص خارج می‌شود، از دیفیوزر وارد یک جمع‌کننده یا ولوت می‌شود که جریان را به صورت شعاعی به بیرون از فلنج تخلیه هدایت می‌کند.

 

 

 

شکل1.1: اجزای مختلف یک کمپرسور شعاعی تک شفت

 

سایر اجزا کمپرسور عبارت اند از:

·         پوسته‌ای که به‌عنوان ساختار کلی کمپرسور در نظر گرفته می‌شود.

·          آب‌بندها و دیافراگم‌هایی که مراحل را از هم جدا کرده و اطمینان می‌دهند که گاز مسیر اصلی را دنبال می‌کند و نشتی از مسیر جریان را به حداقل می‌رسانند.

·          روتور که علاوه بر انتقال توان، پروانه ها را روی خود نگه میدارد.

·         یاتاقان‌ها نیز به‌عنوان پشتیبان شفت به‌صورت شعاعی و محوری عمل کرده و بخشی از یک سیستم دینامیکی روتور-یاتاقان کلی هستند که برای عملیات مطمئن تجهیز در نظر گرفته شده اند.

 

1‌-3 انواع پیکربندی کمپرسورهای شعاعی تک شفت

کمپرسورهای تک شفت معمولاً دارای مراحل گریز از مرکز در بین یاتاقان‌ها هستند (between bearing). با این حال، پوسته آن‌ها می‌تواند در چندین پیکربندی مختلف طراحی شود. این پوسته‌ها معمولاً به صورت استوانه‌ای یا بشکه‌ای (Vertically Split)،  شکاف افقی (horizontally split).

 

Vertically Split 

شکل 1.2 یک کمپرسور با پیکربندی بشکه‌ای را نشان می‌دهد. در این تصویر، مجموعه روتور، که از گذرگاه‌های پره‌های روتور و استاتور تشکیل شده و هسته اصلی کمپرسور را شکل می‌دهد، به صورت محوری از پوسته جدا می‌شود. پوسته وظیفه دارد خط مرکزی کمپرسور را نسبت به زمین تنظیم کند و فشار داخل کمپرسور را نیز تحمل کند، به دلیل نداشتن شکاف افقی، این نوع پیکربندی می‌تواند در فشارهای بسیار بالا مورد استفاده قرار بگیرد.

 

 

شکل 1.2: کمپرسور با پیکربندی بشکه ای

 

 

Horizontally Split 

کمپرسورهایی با پوسته دارای شکاف افقی، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، در کاربردهای نسبتاً کم‌فشار استفاده می‌شوند و محدودیت فشار آن‌ها تقریباً 7 مگاپاسکال است که عمدتاً این محدودیت فشار توسط توانایی آب‌بندی خط شکاف برای جلوگیری از نشتی تعیین می‌شود. این طراحی‌های پوسته با شکاف افقی ممکن است به‌عنوان "شکاف محوری" نیز توصیف شوند. شکاف افقی پوسته صاف بوده و با تعداد زیادی پیچ در اطراف آن محکم شده است تا از نشت سیال جلوگیری کند.

یکی از مزایای طراحی پوسته با شکاف افقی، دسترسی آسان به بخش‌های داخلی کمپرسور از بالا پس از برداشتن درپوش است. که بازرسی، تعمیر و نگهداری آن‌را آسان تر می‌کند.

 

 

شکل 1.3: کمپرسور با پیکربندی شکاف افقی

 

 

1‌-4 معایب و مزایای کمپرسور های شعاعی تک شفت

 

مزایا

·         ظرفیت بالا و دبی جریان زیاد: کمپرسورهای سانتریفیوژ برای کاربردهایی که نیاز به جریان هوای زیاد دارند، مانند سیستم‌های تهویه، فرآیندهای صنعتی و خطوط لوله گاز، ایده‌آل هستند.

·         مناسب برای کاربردهای پیوسته و فشار بالا: این کمپرسورها برای کار مداوم در فشارهای بالا طراحی شده‌اند و برای فرآیندهایی که نیاز به خروجی ثابت دارند، مانند تولید مواد شیمیایی و تولید برق، مناسب هستند.

·         نیاز کم به تعمیر و نگهداری: به دلیل داشتن قطعات متحرک کمتر نسبت به کمپرسورهای پیستونی، کمپرسورهای سانتریفیوژ معمولاً نیاز کمتری به تعمیرات دارند و هزینه‌های عملیاتی را در طول زمان کاهش می‌دهند.

 

معایب

·         هزینه اولیه بالاتر نسبت به انواع دیگر: در حالی که کمپرسورهای سانتریفیوژ ممکن است از نظر هزینه طولانی‌مدت مقرون به صرفه باشند، هزینه خرید و نصب اولیه آن‌ها معمولاً بالاتر از گزینه‌های جایگزین مانند کمپرسورهای پیستونی است.

·         بازدهی کمتر در دبی‌های پایین: کمپرسورهای سانتریفیوژ برای شرایط دبی پایین بهینه نشده‌اند و معمولاً بازدهی کمتری در هنگام کار در خارج از محدوده ایده‌آل خود دارند.

·         نسبت کاهش بار محدود: این کمپرسورها توانایی کمی در کارایی در دبی‌های کم دارند، بنابراین برای کاربردهایی که با نوسانات زیاد در تقاضا روبرو هستند، گزینه مناسبی نیستند.

 

تهیه شده توسط دپارتمان تحقیق و توسعه