Grunderna om kolvkompressorer

En kolvkompressor är en maskin med positiv förskjutning som använder en kolv för att komprimera en gas och leverera den med högt tryck.

De är ofta några av de mest kritiska och dyraste systemen i en produktionsanläggning och förtjänar särskild uppmärksamhet. Gasöverföringsledningar, petrokemiska anläggningar, raffinaderier och många andra industrier är alla beroende av denna typ av utrustning.

På grund av många faktorer, inklusive men inte begränsat till kvaliteten på den ursprungliga specifikationen/konstruktionen, tillräckliga underhållsrutiner och operativa faktorer, kan industrianläggningar förvänta sig mycket varierande livscykelkostnader och tillförlitlighet från sina egna installationer.

Varierda kompressorer finns i nästan alla industrianläggningar. Följande typer av gaser komprimeras:

• Luft för komprimerade verktygs- och instrumentluftsystem

• Vätgas, syre osv. För kemisk bearbetning

• Lätta kolvätefraktioner vid raffinering

• Vissa gaser för lagring eller överföring

• Andra tillämpningar

Det finns två primära klassificeringar av industrikompressorer: De två första är följande: intermittent flöde (positiv förskjutning), inklusive typer med fram- och återgående och roterande kompressorer, och kontinuerligt flöde, inklusive typer med centrifugal- och axialt flöde.

Skolvkompressorer används vanligen när höga kompressionsförhållanden (förhållandet mellan utlopps- och sugtryck) krävs per steg utan höga flöden, och processvätskan är relativt torr.

Våtgaskompressorer tenderar att vara av centrifugaltyp. Tillämpningar med högt flöde och lågt kompressionsförhållande är bäst lämpade för axialflödeskompressorer. Roterande typer specificeras främst i tryckluftstillämpningar, även om andra typer av kompressorer också förekommer i lufttjänster.

Grundläggande konstruktion

De primära komponenterna i ett typiskt kolvkompressorsystem kan ses i figurerna 1 och 2. Det bör noteras att författaren aldrig har sett en ”typisk” kompressorinstallation och erkänner att det finns många undantag.

Kompressionscylindrarna (figur 1), även kallade steg, av vilka en viss konstruktion kan ha en till sex eller fler, ger processgasen inneslutning under kompressionen.

En kolv drivs i en fram- och återgående rörelse för att komprimera gasen. Arrangemangen kan vara enkel- eller dubbelverkande. (I den dubbelverkande konstruktionen sker kompressionen på båda sidor av kolven under både fram- och återgående slag.)

Vissa dubbelverkande cylindrar i högtrycksapplikationer har en kolvstång på båda sidor av kolven för att ge lika stor yta och balansera belastningarna. Tandemcylinderarrangemang bidrar till att minimera dynamiska belastningar genom att cylindrarna placeras i par, kopplade till en gemensam vevaxel, så att kolvarnas rörelser motsätter sig varandra.

Gastrycket förseglas och slitage av dyra komponenter minimeras genom användning av engångskolvringar respektive riderband. Dessa är tillverkade av jämförelsevis mjuka metaller i förhållande till kolv- och cylinder-/linermetallurgi eller material som polytetrafluoreten (PTFE).

Figur 2 A. Tvågående HSE-ram och löpande kugghjul

Figur 2 B. Tvågående HSE-ram och löpande kugghjul

De flesta utrustningsutformningar innehåller kraftmatade smörjsystem av blocktyp, men när det inte finns någon tolerans för oljetransport används oljebaserade konstruktioner.

Cylindrar för större tillämpningar (typiskt gränsvärde är 300 hk) är utrustade med kylmedelsgenomgångar för termosyfon- eller cirkulerande vätskekylsystem, medan vissa mindre kompressorer för hemmet och verkstaden vanligtvis är luftkylda. Cylindrar för stora tillämpningar är i allmänhet utrustade med utbytbara foder som pressas in i borrningen och kan innehålla en rotationsskyddsstift.

Processgasen sugs in i cylindern, pressas, innesluts och släpps sedan ut av mekaniska ventiler som vanligtvis fungerar automatiskt genom differenstryck. Beroende på systemets utformning kan cylindrarna ha en eller flera sug- och utloppsventiler.

Uppladdningsventiler och clearancefickor är särskilda ventiler som reglerar den procentuella andel av full belastning som kompressorn bär vid en given rotationshastighet hos dess drivare. Avlastare manipulerar sugventilernas verkan så att gasen kan återvinnas.

Klarhetsfickaventiler förändrar cylinderhuvudets utrymme (klarhetsvolym). De kan ha fast eller variabel volym. Dessa anordningar ligger utanför ramen för denna artikel.

Distansstycket (ibland kallat doghouse) är en konstruktionsdel som förbinder kompressorramen med cylindern. Blandning av vätskor mellan cylindern och distansstycket måste undvikas. Packningsringar innehåller gastrycket i cylindern, och de hindrar olja från att komma in i cylindern genom att torka bort olja från kolvstången längs dess rörelse.

Distansstycket ventileras vanligtvis i enlighet med det farligaste materialet i systemet, vilket ofta är den gas som komprimeras i cylindern. Packningsringarna är konstruerade för att innesluta gasen i cylindern, men med det höga trycket är det möjligt att en del av den komprimerade gasen läcker förbi packningsringarna.

Den löpande växeln, som är inrymd i kompressorns ram (figur 2), består av tvärhuvudet och kopplingsstången, som förbinder kolvstången med vevaxeln, vilket omvandlar dess roterande rörelse till en fram- och återgående linjär rörelse.

Krankaxeln är försedd med motvikter för att balansera de dynamiska krafter som skapas av de tunga kolvarnas rörelse. Den stöds i kompressorns ram av glidlager i flera tappar. Ett svänghjul finns också för att lagra rotationströghet och ge mekanisk fördel för manuell rotation av aggregatet.

Vissa kompressorer smörjer sin rams löpande redskap med en integrerad, axeldriven oljepump, medan andra är försedda med mer omfattande, skidmonterade smörjsystem. Alla korrekt utformade system kommer inte bara att tillhandahålla oljecirkulation till utrustningens kritiska triboytor, utan också smörjmedlets temperaturreglering, filtrering och ett visst mått av instrumentering och redundans.

Suggaser leds i allmänhet genom sugfilter och separatorer för att avlägsna medföljande partiklar, fukt och processvätska i vätskefas som skulle kunna orsaka allvarlig skada på kompressorventilerna och andra kritiska komponenter och till och med hota cylinderintegriteten med katastrofala följder.

Gasen kan också förvärmas för att få flytande processgas att övergå i ångfas. Mellankylare ger en möjlighet att avlägsna värme från processgasen mellan kompressionsstegen. (Se följande avsnitt: Den termodynamiska cykeln.) Dessa värmeväxlare kan vara en del av kompressorns olje- och/eller cylinderkylsystem, eller så kan de anslutas till anläggningens kylvattensystem.

På utloppssidan tjänar tryckkärl som pulsationsdämpare och tillhandahåller systemkapacitans för att utjämna de flödes- och tryckpulsationer som motsvarar kolvens kompressionsslag.

Typiskt sett är kolvkompressorer enheter med relativt låga varvtal och är direkt- eller remdrivna av en elmotor, antingen med eller utan en styrenhet för variabelt varvtal.

Ofta är motorn tillverkad så att den är integrerad i kompressorn, och motoraxeln och kompressorns vevaxel är i ett enda stycke, vilket gör att behovet av en koppling försvinner. Hastighetsreducerare av växellådstyp används i olika installationer.

Ibland, men mer sällan, drivs de av ångturbiner eller andra kraftkällor, t.ex. naturgas- eller dieselmotorer. Systemets övergripande utformning och den typ av drivning som väljs påverkar smörjningen av dessa perifera system.

Den termodynamiska cykeln

En förklaring av några grundläggande termodynamiska principer är nödvändig för att förstå vetenskapen om kolvkompressorer. Kompressionen sker i cylindern som en cykel i fyra delar som inträffar vid varje fram- och tillbakadragning av kolven (två slag per cykel).

De fyra delarna av cykeln är kompression, utmatning, expansion och insugning. De visas grafiskt med tryck mot volym i ett så kallat P-V-diagram (figur 3).

Figur 3. Intag

I slutet av en tidigare cykel har kolven dragits tillbaka helt i cylindern vid V1, vars volym är fylld med processgas vid sugförhållanden (tryck, P1 och temperatur, T1), och alla sug- och utloppsventiler är stängda.

Detta representeras av punkt 1 (noll) i P-V-diagrammet. När kolven avancerar minskar volymen i cylindern. Detta får gasens tryck och temperatur att stiga tills trycket i cylindern når trycket i utloppsröret. Vid denna tidpunkt börjar utloppsventilerna öppna, vilket i diagrammet noteras som punkt 2.

Med utloppsventilerna öppna förblir trycket oförändrat på P2 under resten av den framåtgående slaglängden eftersom volymen fortsätter att minska under utloppsdelen av cykeln. Kolven stannar tillfälligt vid V2 innan den vänder riktning.

Bemärk att en viss minimivolym återstår, den så kallade clearance-volymen. Det är det utrymme som återstår i cylindern när kolven befinner sig i det mest avancerade läget i sin rörelse. En viss minsta clearance-volym är nödvändig för att förhindra kontakt mellan kolv och huvud, och hanteringen av denna volym är en viktig parameter för kompressorns prestanda. Cykeln befinner sig nu i punkt 3.

Expansion sker härnäst när den lilla gasvolymen i clearancefickan expanderas till något under sugtrycket, vilket underlättas av att utloppsventilerna stängs och kolven drar sig tillbaka. Detta är punkt 4.

När P1 uppnås öppnas insugningsventilerna så att ny laddning kan komma in i cylindern för det inkommande och sista steget i cykeln. Återigen hålls trycket konstant samtidigt som volymen ändras. Detta markerar återgången till punkt 1.

Förståelsen av denna cykel är nyckeln till att diagnostisera kompressorproblem och till att förstå kompressoreffektivitet, effektkrav, ventilfunktion osv. Denna kunskap kan man skaffa sig genom att följa trender för processinformation och övervaka vilken effekt dessa punkter har på cykeln.