Скачать статью

Сегодня мы обратимся к классу промышленного оборудования, который редко попадает в заголовки новостей, оставаясь в тени магистральных газопроводов и гигантских компрессорных станций. Однако именно он делает возможным то, без чего немыслимы современная наука, передовые технологии и устойчивое развитие энергетики. Речь идет о дожимающих компрессорах-бустерах сверхвысокого давления. Проанализируем физические принципы работы пневмоприводных усилителей давления, их место в технологических цепочках, а также ключевые вызовы, связанные с работой с давлениями от 200 до 2000 бар и более.

Прежде чем погрузиться в устройство современных бустеров сверхвысокого давления, стоит оглянуться назад — на долгий путь, который прошла компрессорная техника. История сжатого воздуха насчитывает тысячелетия, и удивительно, что многие принципы, заложенные в древности, дожили до наших дней, претерпев лишь технологическую эволюцию.

Дыхание как первый компрессор

Самым первым в истории человечества устройством для сжатия воздуха были... легкие человека. Здоровые легкие способны создавать давление до 0,08 бар и перерабатывать до 100 литров воздуха в минуту. Этого было достаточно, чтобы раздувать огонь, но совершенно недостаточно для плавки металлов, требовавшей температур свыше 1000 °C. К тому же выдыхаемый воздух содержит углекислый газ, что делало его неидеальным для поддержания горения.

Мехи: первый механический компрессор

Прорывом стало изобретение мехов (рис. 1) — устройства, которое можно считать первым в истории механическим компрессором. Мехи представляли собой гибкий мешок (чаще всего из кожи или животного пузыря) с клапанами, который при сжатии создавал направленный поток воздуха.

Рис. 1. Принцип работы ручных мехов

Простейшие ручные мехи известны с древнейших времен (рис. 2) — они использовались в Древнем Египте, Месопотамии и Китае.

Рис. 2. Кузнечные меха, конец XIX века

Около 1500 года до нашей эры появились ножные мехи — более эффективная версия, освобождавшая руки кузнеца. В I веке до нашей эры греческий инженер Герон Александрийский использовал принципы пневматики для создания автоматических дверей (рис. 3) — одного из первых примеров применения сжатого воздуха в механизмах.

Рис. 3. Механизм Герона для автоматического открывания храмовых дверей

Теплый воздух вытеснял часть воды из котла в бадью, которая своим весом открывала двери храма. Когда огонь в жертвеннике гас, воздух охлаждался, и частичное разрежение в котле заставляло воду переливаться обратно из бадьи в котел. Противовес поднимал бадью на первоначальную высоту, и двери закрывались. Этот автомат удачно иллюстрирует принцип действия теплового воздушного двигателя, изобретенного только в начале XIX в.

Удивительно, но базовая конструкция мехов просуществовала почти три тысячелетия практически без изменений. Лишь в середине XVII века начались серьезные попытки усовершенствовать эту технологию.

Первые поршневые компрессоры

1650 год стал переломным. Немецкий физик Отто фон Герике, вдохновленный открытием Торричелли (явления вакуума), создал первый одноступенчатый поршневой компрессор. Устройство имело клапанное распределение и использовало кривошипно-шатунный механизм для привода поршня. Это решение оказалось настолько удачным, что в разных исполнениях применяется до сих пор. Правда, компрессор Герике предназначался не для нагнетания, а для откачивания воздуха — по сути, это был первый поршневой вакуумный насос (рис. 4).

Рис. 4. Первый поршневой вакуумный насос

1762 год: англичанин Джон Смитон (первый изобретатель, назвавший себя "профессиональным инженером") спроектировал нагнетательную машину с водяным колесом, которая начала постепенно вытеснять мехи. Его "нагнетательная кадка" (рис. 5) представляла собой деревянный цилиндр с поршнем, обшитым кожей для герметичности, и создавала давление около 0,14 бар.

Рис. 5. Схема "нагнетательной кадки"

1776 год: Джон Уилкинсон представил еще более мощную воздуходувную машину, которая стала прототипом всех современных механических компрессоров. Вскоре в качестве приводов для таких нагнетателей начали использовать паровые машины, что значительно увеличило производительность.

1829 год: запатентован первый многоступенчатый компрессор — устройство, сжимавшее газ в последовательно расположенных цилиндрах, что позволяло достигать более высоких давлений.

Промышленная революция и рождение пневматики

Настоящий расцвет компрессорной техники пришелся на вторую половину XIX века. Ключевым моментом стало строительство Мон-Сенисского тоннеля в Швейцарских Альпах (1857–1871) (рис 6). В 1862 году, когда рабочие вручную бурили породу со скоростью 9 дюймов в день, в проект внедрили пневматические бурильные молотки, работавшие от сжатого воздуха. Результат превзошел ожидания: тоннель достроили всего за 14 лет — вдвое быстрее первоначального плана. Это был триумф пневматики, доказавший ее эффективность в тяжелых промышленных условиях.

Рис. 6. Мон-Сенисский тоннель в Швейцарских Альпах (основание 1857–1871 гг.)

1869 год: Джордж Вестингауз создал первую пневматическую тормозную систему для железных дорог (рис. 7) — изобретение, спасшее тысячи жизней. Тормозная система состояла из компрессора на локомотиве, ресивера и специального клапана на каждом вагоне, а также трубки с гибкими соединениями, которая тянулась вдоль всего поезда и управляла тормозами. Это изобретение позволяло машинисту активировать тормоза сразу на всех вагонах, что значительно ускоряло остановку поезда. Это именно тот Вестингауз, который отличился в знаменитой войне токов против другого знаменитого изобретателя Томаса Эдисона, отстаивая преимущества переменного тока.

Рис. 7. Первая пневматическая тормозная система для железных дорог

В Лондоне, а затем и в других городах Европы и США, заработала пневматическая почта (рис. 8) — система труб, по которым сжатым воздухом перемещались капсулы с корреспонденцией. Появились пневматические часы, струйная техника и другие устройства, использующие энергию сжатого воздуха.

Рис. 8. Комната сортировки пневматической почты в главном почтовом отделении

XX век: поршневые, винтовые и мембранные компрессоры

В начале XX века компрессоры становятся портативными — появляются установки на колесах, приводимые в действие паровыми или бензиновыми двигателями. Это открыло новые возможности для строительства, горного дела и дорожных работ.

1933 год: выпущен первый двухступенчатый поршневой компрессор с воздушным охлаждением. Вскоре были установлены стандартные параметры производительности и давления./p>

Но главный прорыв произошел в 1935 году, когда шведский профессор Альф Лисхольм (работавший над паровыми и газовыми турбинами) запатентовал винтовой компрессор. Вместо поршня здесь использовались два ротора (винта) с разным количеством витков, вращающиеся синхронно. Воздух сжимался между стенками корпуса и витками винтов, а масло, заполнявшее камеру, отводило тепло и обеспечивало герметизацию. Винтовые компрессоры оказались более компактными, создавали равномерный поток без пульсаций и работали тише поршневых.

В 1940-х годах появились мембранные компрессоры (диафрагменные) — принципиально новый тип, в котором вместо поршня использовалась гибкая мембрана, приводимая в движение эксцентриком. Главное преимущество — полное разделение сжимаемого газа и механизма привода, что исключало загрязнение среды маслом. Это открыло возможности для работы с чистыми и химически активными газами. Сегодня такие компрессоры используются в медицине, пищевой промышленности и даже на Международной космической станции.

1949 год: рождение газового бустера. В этом году впервые был введен в обиход сам термин "газовый бустер" (gas booster). В 1954 году был разработан первый в мире гидравлический газовый бустер с сухим ходом (без смазки) для азота и гелия до 10 000 psi (около 690 бар).

В 1963 году последовал выпуск первого пневмоприводного газового бустера, а также пневмоприводных насосов для жидкостей. Эта схема — дифференциальный поршень, приводимый в движение сжатым воздухом — легла в основу того класса оборудования, которому посвящена данная статья. С тех пор принцип остался неизменным, но материаловедение и точность изготовления шагнули далеко вперед.

1970-е годы – по настоящее время: развитие технологий сверхвысокого давления

Современные бустеры давления — это высокотехнологичные системы. Их задача парадоксальна: взять уже сжатый газ (например, воздух из цеховой магистрали при давлении 6–10 бар) и увеличить его давление (воздушный бустер) на один-два порядка, не используя электричество. При сжатии потока какого-либо газа (газовый бустер) необходимо также сохранить абсолютную чистоту сжимаемой среды. Как инженерная мысль решает эту задачу?

Большинство бустеров сверхвысокого давления построено на принципе, который можно назвать «пневматическим рычагом». Если Архимед говорил: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю», то создатели бустеров говорят: «Дайте мне площадь поршня, и я создам давление, которое разорвет сталь». Конструктивно бустер представляет собой спаренную систему двух цилиндров разного диаметра, соединенных общим штоком. Приводная часть (низкое давление): большой поршень (диаметр D) находится под действием сжатого воздуха (обычно 2–10 бар). Это рабочее тело — энергия сжатого воздуха, которая есть на любом производстве. Нагнетательная часть (высокое давление): малый плунжер (диаметр d) контактирует непосредственно с перекачиваемым или дожимаемым газом. Сила, развиваемая на большом поршне —F = P(воздух) * S(поршня), передается без потерь на малый плунжер. Давление, создаваемое в камере высокого давления, определяется отношением площадей:
Pвых = Pвх × (Sприв / Sплунж),
где Pвх — давление сжатого воздуха на входе пневмопривода (обычно 6–10 бар), Sприв — площадь приводного поршня, а Sплунж — площадь плунжера высокого давления. Отношение этих площадей формирует паспортный коэффициент мультипликации, который может составлять от 5:1 до 700:1 и выше.

Пример: имеем бустер с коэффициентом 50:1. Подаем на вход воздух 8 бар и газ давлением 10 бар. На выходе получим: 10 + 8*50 = 410 бар. Этого давления достаточно для проверки прочности артиллерийских стволов или для заправки глубоководных дыхательных аппаратов.

Уникальность таких систем — в полной автономности цикла. В конструкции бустера встроен пневматический золотник-распределитель. Когда поршень, нагнетая газ, доходит до конца рабочего хода, золотник автоматически переключается и поршень возвращается в исходное положение, всасывая новую порцию газа. Как только давление в системе достигает заданной величины (настроенной внешним регулятором), движение прекращается: бустер «запирает» линию и не потребляет энергию до момента падения давления. Это режим экономии без электроники.

Современные пневмогидравлические бустеры представлены несколькими конструктивными типами, различающимися по назначению и достигаемым параметрам:

• Односторонние одноступенчатые модели — наиболее распространенный тип. Один пневмопривод большого диаметра приводит в движение плунжер, осуществляющий сжатие в одной камере. Такие устройства способны развивать давление до 150 МПа (1500 бар) при использовании плунжеров малого диаметра. Производительность при этом измеряется миллилитрами за цикл — типичные значения составляют 20–64 мл на двойной ход.
• Двухсторонние компоновки применяются для увеличения производительности. В таких установках несколько пневмоприводов работают параллельно или последовательно на общий шток, обеспечивая повышенный расход при том же давлении.
• Двухступенчатые газовые бустеры отличаются наличием промежуточной ступени сжатия. Первая ступень поднимает давление до 200–600 бар, после чего газ поступает во вторую ступень, где дожимается до финальных 1000–1700 бар. Такая схема позволяет оптимизировать тепловой режим и повысить ресурс уплотнений, что особенно важно при работе с такими газами как гелий и водород.
• Пневмогидравлические бустеры позволяют достичь давления до 4000 бар. В таких машинах применятся сочетание газового бустера первой ступени с пневмогидравлическим бустером второй ступени. При этом гидравлический привод второй ступени приводится в действие насосом с пневматическим приводом.

Пневматические и пневмогидравлические бустеры обладают рядом характеристик, делающих их безальтернативными в определенных сегментах.

Автономность и взрывобезопасность. Отсутствие электродвигателя и искрообразующих элементов позволяет эксплуатировать оборудование во взрывоопасных зонах, на нефтегазовых объектах и в шахтах.

Саморегулирование давления. Бустер автоматически останавливается при достижении заданного давления в выходной магистрали и переходит в дежурный режим. В этом состоянии он не потребляет энергию, не выделяет тепло, и подвижные части устройства не перемещаются. При падении давления (например, из-за утечки или отбора среды) установка автоматически возобновляет работу до восстановления баланса. Это свойство делает пневмобустеры идеальными для систем поддержания давления и длительных статических испытаний.

Простота регулирования. Давление и производительность линейно зависят от давления подаваемого сжатого воздуха. Изменяя настройки входного воздушного регулятора давления, оператор может плавно регулировать выходные параметры во всем рабочем диапазоне без сложных систем управления.

Низкие эксплуатационные расходы. Конструкция содержит минимальное количество подвижных частей и уплотнений. В большинстве моделей пневмопривод работает без смазки, что исключает загрязнение рабочей среды и снижает затраты на обслуживание.

Высокая надежность при циклической работе. В отличие от электродвигателей, частые пуски и остановы не оказывают негативного влияния на ресурс пневмобустера — конструкция рассчитана на миллионы циклов.

Пневмогидравлические мультипликаторы востребованы в широком спектре отраслей:

• Испытательное оборудование. Пневматические испытания трубопроводной арматуры, сосудов, рукавов высокого давления на прочность и герметичность с длительной выдержкой под нагрузкой.
• Нефтегазовый сектор. Зарядка скважинных предохранительных клапанов, гидроразрыв пласта в исследовательских установках, проверка устьевого оборудования. Взрывобезопасное исполнение пневмобустеров особенно ценно на объектах добычи и транспортировки углеводородов.
• Газовая промышленность. Наполнение баллонов высокого давления азотом, гелием, аргоном, кислородом. Двухступенчатые газовые бустеры обеспечивают перекачку газа из транспортных баллонов или моноблоков в рабочие баллоны с остаточным давлением, позволяя практически полностью использовать дорогостоящие газы.
• Водородная энергетика. Компримирование водорода для заправки стационарных и мобильных топливных баков для работы топливных элементов и для испытательных стендов. Стойкость материалов к водородному охрупчиванию — критическое требование к бустерам этого назначения.
• Горнодобывающая промышленность. Зарядка ребризеров шахтных спасателей, системы пожаротушения с азотным наддувом. В подземных условиях взрывобезопасность пневматического привода является обязательным требованием.

При подборе пневматического бустера необходимо учитывать несколько ключевых параметров:

• Коэффициент мультипликации или передаточное соотношение определяет максимальное выходное давление при стандартном входном давлении воздуха (обычно 7–8 бар). Выбирать следует с запасом 15–20% от требуемого рабочего давления системы.
• Производительность (расход) для пневмобустеров указывается в миллилитрах за цикл или литрах в минуту при определенном давлении на выходе. Важно понимать, что с ростом выходного давления производительность падает — это естественное следствие увеличения противодавления рабочей среды на плунжер.
• Материалы проточной части должны соответствовать рабочей среде. Для воздуха и инертных газов достаточно нержавеющей стали; для водорода применяйте нержавеющие стали с пониженным содержанием водорода, а для кислорода требуются специальные сплавы (монель) и уплотнения из негорючих эластомеров.
• Наличие предварительного наддува (входного давления) существенно влияет на производительность. Если на вход одноступенчатого бустера подается газ под давлением, скорость заполнения камеры возрастает.
• Системы подготовки воздуха. Долговечность пневмопривода напрямую зависит от качества сжатого воздуха. Наличие фильтра-влагоотделителя обязательно.

Изготовление компрессорных установок высокого давления является одним из направлений ООО «МВиФ». Многолетний опыт наших специалистов позволяет решить любую Вашу задачу.

Рис. 9. Компрессорная установка с ресивером — сосудом, предназначенным для накопления газа перед выдачей потребителю и сглаживания колебаний давления
Характеристики: Рабочая среда (РС) азот, управляющая среда (УС) воздух, давление РС на входе от 3,0 до 13,8 бар, давление РС на выходе до 120 бар, объем ресивера Р1 5000 мл, производительность от 90 до 300 л/мин, габариты (Выс. х Шир. х Глуб.) 650x860x360 мм, масса до 70 кг.

Рис. 10. Компрессорная установка для повышения давления азота
Характеристики: Рабочая среда (РС) азот, управляющая среда (УС) воздух, давление РС на входе от 20 до 100 бар, давление РС на выходе до 100 бар, габариты (Выс. х Шир. х Глуб.) 445x950x370 мм, масса до 50 кг

Заказной код:

Компания МВиФ предлагает подбор бустеров, изготовление компрессорных установок и полную поддержку на каждом этапе: от проектирования до запуска оборудования и его последующего обслуживания.

По требованию заказчика, часто применяются следующие опции компрессорных установок:

• ДВ — дистанционное включение компрессора при подаче пневмосигнала на порт пилотного управления (с минимальным или нулевым потреблением воздуха).
• ДУ — дистанционное управление компрессором за счет блока подготовки воздуха, выполненного на отдельном пульте и соединенного с компрессором трубкой.
• ВД — пилотный тип клапана автоматического отключения компрессора по предельно высокому выходному давлению. Эта опция нужна для отключения компрессора по достижению требуемого максимального выходного давления. Уставка клапана может быть перенастроена пользователем компрессора.
• НДН - пилотный клапан автоматического отключения компрессора по предельно низкому входному давлению. Эта опция нужна для недопущения снижения давления в баллоне-доноре ниже минимально допустимого значения. Уставка клапана может быть перенастроена пользователем компрессора.
• НДВ - пилотный клапан автоматического включения компрессора при падении давления в ресивере высокого давления
• ПК - предохранительный клапан
• РС5000 - ресивер высокого давления. Объем ресивера задается Заказчиком. При установке ресивера компрессорная установка комплектуется предохранительным клапаном.

Все оборудование сертифицировано в соответствии с требованиями безопасности.

Как видим, современный бустер сверхвысокого давления — не изобретение одного дня, а результат тысячелетней эволюции. От легких первобытного человека и кожаных мехов древнеегипетских металлургов к высокоточным компрессорным установкам MV&F. И сегодня, когда развитие человечества ставит новые задачи, эта эволюция продолжается. Если Вам нужна помощь в подборе и поставке газовых бустеров высокого и сверхвысокого давления, Вы всегда можете обогатиться к специалистам компании ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг».

АВТОР СТАТЬИ

Алексей Рыбалко руководитель отдела продаж ООО «МВиФ»(MV&F)