کمپرسور تجهیزى است براى بالا بردن فشار سیالات تراکمپذیر به منظور انتقال از نقطهاى به نقطه دیگر، غلبه بر اصطکاک مسیر و یا رساندن فشار به میزان مورد انتظار در هر فرایند. در صنعت نفت و گاز، از کمپرسور براى انتقال گاز (تأمین فشار لازم جهت جریان گاز و افتهاى مسیر)، تأمین فشار مخازن ذخیره تحت فشار، تزریق گاز به میدانهاى نفتى به منظور بالا بردن ضریب بهرهورى، بالا بردن سرعت واکنشها در فرایندهاى شیمیایى، تصفیه گاز و تأمین هواى مورد نیاز براى تجهیزات ابزار دقیق استفاده میشود. با توجه به گستردگى کمپرسورهاى موجود، شناخت درست و انتخاب صحیح یک کمپرسور ضمن تأمین شرایط فرایندى مورد انتظار، باعث کاهش هزینه خرید و کاهش در هزینه تعمیرات و نگهدارى آن میشود.کمپرسورها قادرند طیف وسیعى از گازها، از هیدروژن با وزن مولکولى 2 تا گازهایى با وزن مولکولی 400 را متراکم کنند.
کمپرسورها براساس مکانیزم اعمال انرژى به گاز، به دو گروه عمده کمپرسورهاى جابجایى مثبت و دینامیکى تقسیم میشوند. همچنین میتوان کمپرسورها را بر مبناى جریان ورودى بهصورت زیرطبقهبندى کرد:
علاوهبر نوع جریان، طراحان بر اساس محدودههاى خاصى که از نظر نسبت تراکم و شدت جریان گاز در مراجع وجود دارد، نوع خاصى از کمپرسور را براى هدف مورد نظر انتخاب میکنند. کمپرسورهاى مورد استفاده در صنایع مختلف باید در شرایط کارى تعریف شده عملکرد بهینهاى داشته باشند. با توجه به اینکه عملکرد مفید یک کمپرسور تنها در بازهى محدودی است و همچنین تحت تأثیر عوامل دیگرى نیز قرار دارد، کنترل عملکرد آن فرایند پیچیدهاى است. در جریانهای جرمی بالا، رسیدن سرعت سیال به سرعت صوت و پدیده چوک از جمله عوامل محدودیت است. حال آنکه در جریانهای جرمی پایین، وجود دو نوع ناپایداری سبب محدود شدن ناحیهی عملکرد کمپرسور میشود. پایداری در کمپرسورها به معنی توانایی کمپرسور در غلبه بر اغتشاشاتی است که ممکن است پیرامون نقطهی عملکرد آن پدید آید. این اغتشاشات ممکن است به صورت اغتشاش گذرا، در نقطهی عملکرد باشد. در این صورت، سیستم در دو حالت پایدار خواهد ماند: در حالت نخست کمپرسور پایدار است، اگر به نقطهی عملکرد اولیهی خود بازگردد و در حالت دوم، سیستم پایدار است، اگر از حالت تعادل اولیه به حالت تعادل دیگری برسد. براى نمونه، در نیروگاههای گازی که در آنها اتاق احتراق و توربین به کمپرسور متصل است، حالت نخست هنگامی اتفاق میافتد که اجزای جفت شده سبب ایجاد تغییری گذرا در جریان جرمی عبوری شوند. حالت دوم هنگامی روی میدهد که سرعت یا بار گرفته شده از توربین گاز تغییر کند. بنابراین، بهطور کلی، عملکرد پایدار یک سیستم تراکمی به دو عامل بستگی دارد: یکی منحنی مشخصهی سیستم تراکمی و دیگری منحنی مشخصهی وسایل و سیستمهای پاییندستی جفت شده با آن. همانطورکه پیش از این نیز گفته شد، عملکرد پایدار یک کمپرسور محوری و یا گریز از مرکز در سرعتهای بالا و پایین محدود است، زیرا اجزای کمپرسور در این سرعتها، سبب خفگی و ایجاد شوک در آن میشوند. از طرف دیگر، با کاهش جریان عبوری از کمپرسور، ناپایداریهایی در جریان مانند پدیدهی سرج در کمپرسورهاى سانتریفیوژی روى میدهد.
کمپرسورهاى پیچشى از نوع کمپرسورهاى جابجایى مثبت بوده و افزایش فشار در آنها از طریق کاهش حجم صورت میگیرد. عملکرد کمپرسورهاى پیچشى با فشار ِمکش اتمسفریک از حدود 3بار(تک مرحله) تا حدود 17بار(چند مرحله) بوده و شدت جریان ورودى به آن از 850 تا 60000 متر مکعب در ساعت است. این کمپرسورها از لحاظ محدودهی کاربرد مابین کمپرسورهاى رفت و برگشتى و سانتریفیوژ قرار دارند و داراى قیمت کمترى نسبت به آن دو در یک محدوده عملکردى میباشند. راندمان این کمپرسورها در محدوده 75 تا 85 درصد قرار دارد. این کمپرسورها میتوانند گازهاى داراى پلیمر و قیر را فشرده کنند که در این شرایط، راندمان بالاترى نسبت به گاز خالص دارند. از کمپرسور پیچشى براى فشرده کردن گاز در یک فرایند، انتقال نیرو، غلبه بر اصطکاک در خطوط انتقال گاز، ثابت نگه داشتن گاز در سیستمهایى که احتمال نشتى در آنها وجود دارد و… استفاده میشود. در این دسته از کمپرسورها بهوسیله محبوس کردن گاز ورودى و کاهش حجم آن توسط یک عضو متراکمکننده، فشار گاز افزایش مییابد. عمل تراکم گاز در کمپرسورهاى رفت و برگشتى به وسیله پیستون انجام میشود، درحالیکه درکمپرسورهاى پیچشى، مارپیچهاى به نام نر این وظیفه را بر عهده دارد. کار مارپیچه نر در کمپرسورهاى پیچشى دقیقاً مانند وظیفه پیستون در کمپرسورهاى رفت و برگشتى است.
در کمپرسورهاى رفت و برگشتى، ظرف ِحاوی گاز، سیلندراست درصورتیکه در کمپرسورهاى پیچشى، ظرف حاوى گاز، مارپیچهاى است بهنام ماده .گاز، ابتدا بر روى مارپیچه ماده قرار میگیرد و سپس با شروع به کار کمپرسور، حرکت از طریق یک موتور الکتریکی و یا توربین به مارپیچه نر منتقل شده و با چرخش آن، مارپیچه ماده نیز به چرخش درمیآید. برآمدگیهاى روی مارپیچه نر به تناوب درون مارپیچه ماده حرکت کرده و بهتدریج حجم گاز محبوس شده موجود در شیارها کاهش مییابد. این کاهش حجم، سبب افزایش فشار گاز میشود. تراکم گاز تا زمانیکه گاز طول مارپیچه را طى کند، ادامه یافته و از طریق مجراى خروجى، گاز متراکم شده خارج میشود. هرکدام از شیارهاى مارپیچهى ماده بهترتیب به مجراى خروجى میرسند و گاز فشرده شده را درون مجراى خروجى تخلیه کرده و مجدداً از هواى کمفشار پُر میشوند و این سیکل به تناوب تکرار میگردد. در شکل-3 دو مارپیچه نر و ماده نشان داده شده است. مارپیچهى نر، ضخیمتر است و متصل به موتور محرک میباشد. مارپیچهى ماده، مارپیچهی نازکتر بوده و با نیروی مارپیچهى نر حرکت میکند.
کمپرسورهاى رفت و برگشتى از نوع کمپرسورهاى جابجایى مثبت هستند که در آنها تراکم گاز در سیلندر و از طریق رفت و برگشت پیستون انجام میگیرد (شکل4). کمپرسورهاى رفت و برگشتى از جمله قدیمیترین کمپرسورها بوده و در میان کمپرسورهاى کوچک و متوسط جایگاه ویژهاى دارند. در این گروه از کمپرسورها، تراکم گاز توسط کاهش حجم صورت میگیرد. کمپرسور رفت و برگشتى، از نظر تعداد مورد استفاده در صنعت نفت، نسبت به انواع دیگر کمپرسورها در رتبه نخست قرار دارد. این کمپرسورها براى تمام فشارها از خلا تا حدود 6500 بار مناسب هستند و نیز براى مقادیر جریان از 88 مترمکعب بر ساعت تا 17000متر مکعب بر ساعت به ازاى هر سیلندر طراحى و ساخته میشوند. بازدهى این نوع کمپرسور بین 80 تا 90 درصد است و براى نسبتهاى تراکم بالاتر از5، بیشترین بازدهى را نسبت به دیگر انواع کمپرسور دارد. علی رغم مزایاى زیاد، این کمپرسورها از محدودیتهایى نیز برخوردار میباشند؛ درصورت استفاده از کمپرسورهاى رفت و برگشتى براى سرویس با جریان پیوسته با حجم زیاد، معمولاً بیش از یک کمپرسور نیاز خواهد بود. کمپرسورهاى رفت و برگشتى غالباً بزرگ و گرانبها هستند و هزینه تعمیرات و نگهدارى آنها بالاست. این کمپرسورها براى جابهجایى گازهاى داراى ذرات جامد، ذرات ساینده و خورنده، به علت احتمال نفوذ ذرات به فضاى بین سیلندر و پیستون، داراى محدودیت میباشند. همچنین، با توجه به نیروهاى لرزشى بالا، کمپرسورهاى رفت و برگشتى نیاز به فوندانسیونهاى بزرگى دارند.
در این گروه از کمپرسورها، رفت و برگشت پیستون، عمل تراکم را انجام میدهد. در این حالت، موتور، تنها در نصف دوره تحت بار قرار دارد و در نیمه بعدى، بدون بار کار میکند. این روش کارکرد میتواند مشکلاتى براى موتور ایجاد کند و راندمان را درکل پایین بیاورد. براى حل این مشکل عمل تراکم باید هم در مسیر رفت و هم در مسیر برگشت انجام گیرد.
روش معمول براى این کار استفاده از دو پیستون در دو جهت مختلف است، به این دسته از کمپرسورها، Double Actingمیگویند. روش کار کمپرسورهاى Double Actingبه این صورت است که هنگامیکه یک پیستون در حال تراکم است، پیستون دیگر در حال مکش بوده و برعکس.
کمپرسورهاى چند مرحلهاى یا Double Acting در بین کمپرسورهاى رفت و برگشتى داراى بالاترین بازدهى و قیمت بوده و انواع مختلفى از این کمپرسورها با توانهاى مختلف ساخته شده است. در صورتیکه فشار مورد نیاز براى گاز خروجى بالا باشد، استفاده از یک مرحله تراکم ممکن نیست. راه حل پیشنهادى دراین مورد، استفاده از دو یا چند کمپرسور پشت سر هم است بهطورى که خروجى متراکم شده در هر کمپرسور وارد کمپرسور بعدى شود. این روش، معمول بوده و کاربردى است اما به دلیل هزینه بالاى کمپرسور، طراحان ترجیح میدهند تا جاییکه ممکن است، مراحل تراکم را در تعداد کمترى کمپرسور قرار دهند. بهطور مثال، زمانیکه نیاز به دو کمپرسور براى انجام دو مرحله تراکم است، دو مرحله را در یک کمپرسور قرار داده و به این ترتیب، صرفهجویى قابل ملاحظهاى در هزینه ساخت کمپرسور صورت میگیرد. باید توجه داشت که در اثر اِعمال فشار به گاز، دماى آن بالا رفته و درصورتیکه همین گاز، بدون تغییر(کاهش) دما وارد مرحله بعدى شود، راندمان کارى کمپرسور بسیار کاهش یافته و علاوهبر این، میتواند مشکلات دیگرى را نیز در کمپرسور ایجاد نماید. به همین دلیل لازم است بعد از هر مرحله تراکم و قبل از مرحلهبعد، دماى گاز به نحوى کاهش یابد. استفاده از خنک کنندههاى هوایى و مبدل براى این کار مرسوم بوده و بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. گاز متراکم شده در هر مرحله با خنک شدن در این دستگاهها قابلیت تراکم تا فشارهاى بالاتر را نیز پیدا خواهد کرد. کمپرسورهاى پیستونى در فشارهاى و وزنهاى مولکولى متغیر به راحتى کار میکنند اما نیاز به تعمیرات بیشتر و زیرساختهاى بزرگ و پُرهزینه، استفاده از این ماشینها را محدود میکند. این کمپرسورها قادرند فشارهاى بالا را با مقدار جریان اندک تأمین کنند. بنابراین، کاربرد اصلى این کمپرسورها براى ایجاد فشارهاى خیلى بالاست. مکش گاز و تخلیه گاز متراکم شده از طریق شیرهاى تخلیه و اصطکاکهاى ایجاد شده از جمله عوامل موثر در کاهش بازدهى در این نوع کمپرسورها میباشد. یکى دیگر از عوامل پایین بودن بازده این کمپرسورها، کوچک بودن اندازه آنهاست. در کمپرسورهاى کوچکتر، نسبت بیشترى از انرژى ورودى به کمپرسور، صرف اصطکاک ایجاد شده در آن میشود. بهطور کلى، این نوع کمپرسورها قابل استفاده براى انواع سیستمهاى تبرید بوده که یکى از دلایل عمده آن، قابلیت کار این نوع از کمپرسورها در فشارهاى متوسط و بالاست. کمپرسورهاى چند مرحلهاى کاربرد بیشترى نسبت به کمپرسورهاى یک مرحلهاى دارند. بحث ایجاد حرارت در اثر تراکم، از اهمیت خاصى برخوردار است که براى رساندن بازدهى کمپرسور به حد قابل قبول، باید به آن توجه کافى شود.
کمپرسور سانتریفیوژ از نوع کمپرسورهاى دینامیکى است و در آن، انتقال انرژى از طریق مجموعهاى از پرههاى دوار بهصورت ترکیبى از فشار و سرعت درآمده و تبدیل بیشتر سرعت به فشار، بعد از خروج پرههاى پروانه در جزء ثابت موسوم به دیفیوزر انجام میپذیرد. کمپرسورهاى سانتریفیوژ از نظر تعداد مورد استفاده در صنایع، پس از کمپرسورهاى رفت و برگشتى در ردیف دوم هستند و راندمان آنها بین 68 تا 76 درصد قرار دارد. محدوده ظرفیت آنها 1700 تا 340000 مترمکعب در ساعت و فشارهاى خروجى 7/0تا 700بار میباشد. حد پایین فشار به نوع تکمرحله یا دمنده و حد بالاى فشار به کمپرسورهاى تقویتکننده و یا چند مرحلهای منسوب میشود. امکان آلودگى گاز با روغن در آنها وجود نداشته و هزینه تعمیرات و هزینه اولیه براى شرایط عملیاتى مشابه، پایینتر از نوع رفت و برگشتى است.
این کمپرسورها نیاز به فوندانسیون سنگین ندارند و به مدت سه سال یا بیشتر میتوانند به طور دائم کار کنند. درتوربینهاى گازى مدرن که برمبناى چرخه برایتون کار میکنند، از کمپرسور سانتریفیوژ استفاده میشود. در موتور خودروهاى دیزل و برخى خودروهاى سوارى از کمپرسور سانتریفیوژ بهعنوان توربوشارژر و سوپرشارژر استفاده میگردد. براى انتقال گاز در خطوط لوله و انتقال آن از محل تولید به محل مصرف، کمپرسورهاى سانتریفیوژ مورد استفاده قرار میگیرد. در این موارد، کمپرسورها یک یا چندمرحلهاى هستند و به وسیله توربینهاى گاز بزرگ به حرکت درمیآیند. ضخامت پوسته این کمپرسورها به علت الزامات موجود در استانداردهاى API و یا ASME زیاد است که این مسأله ایمنى تجهیزات در کارکرد را تضمین میکند. پروانه این کمپرسورها مانند پروانهى اکثر پمپها پوشیده است و براى راهاندازى آنها معمولاً به توان چندین هزار اسببخار نیاز است. داشتن مشخصات واقعى گاز براى طراحى، تست و تحلیل عملکرد این کمپرسورها ضرورى است.
درمجتمعهاىپتروشیمى، پالایشگاهها و مجتمعهاى فرایندى گاز طبیعى، از کمپرسورهاى سانتریفیوژ چند مرحلهاى استفاده میشود که تمامى طبقات آن بر روى یک محور قرار دارند. این کمپرسورها داراى محفظه بشکهاى و یا افقى هستند.
در میدانهاى نفتى، براى بالا بردن ضریب بهرهروى براى تزریق مجدد گاز، از کمپرسورهاى سانتریفیوژ استفاده میشود. براى این منظور نیز از کمپرسورهاى چند مرحلهاى، تک محوره استفاده میگردد. به علت اینکه فشار خروجى این کمپرسورها به 700 بار میرسد ، لازم است تا آنها داراى محفظهاى بشکهاى شکل باشند.
در شکل-9 تصویر شماتیک از فرایند فشرده شدن گاز در یک کمپرسور پیچشى دو مرحلهاى از نوع Oil-Floodedبه همراه مسیرهاى خنککارى، روغنکارى و برخى از سیستمهاى کنترلى نشان داده شده است.
در این کمپرسور ابتدا گاز به جداکننده-1که بهعنوان مخزن آبگیر عمل میکند، وارد میشود. در مواردى که سیال فرایندى هوا باشد، بهجاى مخزن آبگیر از خشککن استفاده میشود. در ورودى کمپرسورها براى جدا کردن آلودگیهاى احتمالى، چند عدد فیلتر تعبیه میشود. در کمپرسورهاى چند مرحلهاى بهعلت اینکه گاز خروجى از مرحله اول حاوى مقدارى روغن است، گاز خروجى از مرحله اول ابتدا وارد کولر- 1شده و پس از آن وارد جداکننده-2 میشود. گاز سرد شده حاوى مقدارى میعانات است. بنابراین، در مرحله بعد وارد جداکننده-3 میشود تا میعانات همراه آن کاهش یابد. این گاز براى فشرده شدن بیشتر وارد مرحله دوم کمپرسور شده و پس از آن، براى جدا شدن روغن همراه، وارد جداکننده-4و سپس کولر-2 میشود. براى جداسازى میعانات ناشى ازسرد شدن، گاز از جداکننده-5 نیز عبور داده شده و سپس به سمت خطوط لوله هدایت میشود. باید توجه داشت در مواردى که کمپرسور از نوع خشک باشد، گاز خروجى از هر مرحله مستقیماً وارد کولر بعد از خود میشود.
5-1- اتاقک صداگیر
به علت سر و صداى زیاد کمپرسورها، بهویژه کمپرسورهاى پیچشى، در هنگام کارکرد و ایجاد آلودگى صوتى، کمپرسور در یک اتاقک صداگیر نصب میشود.
5-2- شیرهاى هواگیرى و تخلیه میعانات
در مخازن جداسازى که براى جداسازى میعانات در نظر گرفته میشود، شیرهاى تخلیه تعبیه میشود.
5-3- سیستم روانکارى
اصطکاک ایجاد شده در برخورد اجزا متحرک و ثابت از جمله در یاتاقانها سبب فرسودگى اجزا و گرم شدن آنها میشود. در کمپرسورهاى، Oil-Flooded روغن روانکارى اغلب از سیستم روغنى که به محفظه کمپرسور تزریق میشود، تغذیه میگردد. در این سیستم، روغن از مخزن حاوى آن که در واقع جداکننده گاز و روغن است، به کولر روغن پمپ میشود تا دماى آن تا حد مناسبى سرد شود. سپس، براى تمیزى و رفع آلودگیهاى احتمالى، وارد فیلتر شده و پس از آن، به قسمتهایى که باید روغنکارى شود، فرستاده میشود. در برخى موارد، براى آببندى نیز از روغن استفاده میشود. در اینگونه موارد لازم است براى روغن، آببندى سیستمى مشابه با سیستم روغن روانکارى در نظر گرفته شود.
5-4- سیستم خنککاری
در هر کمپرسور از جمله کمپرسورهاى رفت و برگشتى، براى سرد کردن گاز یا روغن، سیستم خنککارى تعبیه میشود. براى این منظور، مسیرهایى براى خنک کننده مورد نیاز در کولرهاى خنک کننده گاز و روغن در نظر گرفته میشود. بهعلاوه در کمپرسورهاى رفت و برگشتى، بر اثر فشرده شدن گاز در داخل سیلندر، دماى سیلندر و پیستون بالا میرود و براى خنک کردن آنها نیز اغلب از آب خنک کارى استفاده میشود. اجزا متحرک در داخل سرسیلندر و محفظه میللنگ به دلیل وجود اصطکاک گرم میشوند. در نتیجه، براى خنک کردن آنها نیز مسیر ِ آب خنک کنندهى جدایى در نظر گرفته میشود.
5-5- سیستم کنترلى
تجهیزات کنترلى یکى از بخشهاى اساسى در هر کمپرسور است که کنترل کارکرد صحیح آن را بهعهده دارند. برخى از این اجزا فقط نشانگرهایى هستند که مقدار متغیر موردنظر مانند دما، فشار و شدت جریان را نشان میدهد. برخى دیگر از این اجزا، ابزارهاى کنترلى هستند که علاوهبر نشان دادن متغیر مورد نظر، کنترل آن را نیز انجام میدهند.
در نهایت سه نوع از کمپرسورهای پرکاربرد صنعت نفت در جدول زیر مورد مقایسه قرار گرفتهاند.
نوع کمپرسور | محدوده فشار خروجی (bar) | محدوده شدت جریان | قیمت | محدوده راندمان (درصد) |
رتبه براساس میزان کاربرى در صنعت نفت |
رفت و برگشتی | 0 – 6500 | 88 – 17000 | گران بها | 80-90 | اول |
سانتریفیوژ | 7/0 – 700 | 1700 – 340000 | متوسط | 68-78 | دوم |
پیچشی | 3 – 17 | 850 – 60000 | ارزانتر | 75-85 | سوم |
گردآورنده: عرفان سیفی – دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان
منابع :
[1] J. T. Gravdahl, O. Eg[2] F. k. moor, E. M. Greitzer, eland, “compressor surge and rotating stall modeling and control”, springer 1999.
“Athory of post – stall transients in a axial compressor system, part 1-development of Equation”, journal of Engineering for gas turbine and power 108, 68-76.
[3] F. willems, W. P. M.heemels, B. d. Jager, A. Stoorvogel, “Positive feedback stabilization of centrifugal compressor surge”, Journal of engineering 2001.
[4] The Design of Ultra-High-Speed Miniature Centrifugal Compressors /Mick V. Casey-PCA Engineers Ltd, England ITSM, University of Stuttgart, Germany
[5] J. T. Gravdahl, O. Egeland, S. O. Vatland, “Drive torque actuation surge control of centrifugal compressor”, Journal of
engineering 2002.
1 دیدگاه
سلام و خسته نباشید بابت مقاله خوبتون؛
ببخشد من از کمپرسور پیستونی استفاده میکنم و دستگاه بیش از حد گرم میشه جدیدا ! چون مدل رو از هواکوب تهیه کرده بودم داخل وبسایتشون در مقاله تعمیر کمپرسور باد صنعتی علت رو کاهش حجم روغن اضافی که باعث این افزایش دما میشه گفته بود در حالی که من اصا روغن کم نکردم! امکانش هست روغن خود به خود کم بشه؟ اینم مقالشونه:
http://havakoob.com/%d8%a2%d8%b4%d9%86%d8%a7%db%8c%db%8c-%d8%a8%d8%a7-%da%a9%d9%85%d9%be%d8%b1%d8%b3%d9%88%d8%b1-%d8%a8%d8%a7%d8%af-%d8%b5%d9%86%d8%b9%d8%aa%db%8c/