不同气量调节方式在活塞式压缩机上的应用

何月伦 雷 涛 马晓伟

(中石油克拉玛依石化有限责任公司)

不同气量调节方式在活塞式压缩机上的应用

何月伦 雷 涛 马晓伟

(中石油克拉玛依石化有限责任公司)

主要分析了车间所属装置压缩机采用的气量调节方式的工作原理和工作过程，结合实际阐述了各种调节方式在能耗、投资、运行维护方面的优缺点。

活塞式压缩机 气量调节 能耗

活塞式压缩机通常根据工艺技术条件所需要的最大流量和最高压力进行设计选型，并且考虑余量，在正常运行状态下压缩机组的容积流量基本保持稳定，但实际生产中装置加工负荷的变化、加工方案的调整往往要求压缩机低于额定流量运行，这就需要对压缩机排量进行调节。某车间所属3套装置的往复活塞式压缩机采用了不同的气量调节方式，各有特点，取得了令人满意的应用效果。笔者对所采用的各气量调节方式进行了详细论述。

1 变转速气量调节方式的应用

车间制氢装置(氢压缩机)采用变转速方法调节气量。由于双作用活塞式压缩机实际排气量V=π(2D2-d2)SnIλ/4，其中n为曲轴转速，因此改变压缩机转速n就能得到不同的排气量。车间制氢装置采用背压式汽轮机作为原动机，使用机械液压放大PG-PL型调速器调节汽轮机转速，从而改变从动的压缩机转速，实现压缩机排量调节。汽轮机驱动往复式压缩机系统组成简图如图1所示。汽轮机驱动往复压缩机过程中，压缩机曲轴回转一周，曲轴上的载荷随曲柄转角的变化而发生改变，产生交变的载荷，当压缩机转速与汽轮机的转速差异较大时，交变的载荷对减速器传动副的冲击很大，为减少这种损害，汽轮机驱动往复式压缩机系统中采用低速弹性减振联轴器和大质量的飞轮，通过增大飞轮质量减少压缩机旋转的不均匀度、减小冲击载荷，设置减振联轴器可进一步保护减速器不被冲击载荷损害。对于本装置，流经汽轮机的蒸汽作为工艺原料进入装置反应系统，减少了装置能源消耗。

图1 汽轮机驱动的往复式压缩机系统组成简图

采用变转速气量调节方式的往复活塞压缩机，一般压缩机转速按汽轮机最大转速设计，转速调节后压缩机各缸(级)活塞速度降低，活塞环、填料及十字头滑板等零件单位时间内受摩擦的距离缩短，磨损量相应降低[1]；同时，转速降低，活塞环与气缸镜面的摩擦功耗降低，摩擦热减小，经气缸冷却水冷却后，气缸传递给缸内气体的热量较少，气体膨胀过程指数m大，容积系数λv值大，机组效率提高；机组总的摩擦功耗与转速有近似正比的关系，转速降低，机组功耗降低。具体对由汽轮机驱动的压缩机，调速器调节汽轮机转速是连续的，因此压缩机排量在不另外附加设备的情况下就能实现无级调节；另一方面，通常情况下，压缩机由汽轮机驱动时其功率与转速的2.5～3.0次方成正比[2]，通过改变转速来调节压缩机排量，节能效果明显。但受制于汽轮机、压缩机自身情况，转速有一个调节范围，主要原因是：汽轮机径向轴承采用椭圆轴承结构，用于承载油膜的最小厚度随转速减小而减小，当最小油膜厚度过薄，可能引发轴颈与轴承内表面间的干摩擦；当转速降低时，压缩机转速波动值一般会增高，且和速度下降率的平方成正比关系，这样振动可能过大，导致压缩机及其基础的损坏[3]，这使压缩机排气量调节范围受到限制。在车间实际生产中，为避免低转速对机组的不利影响，汽轮机转速一般控制在额定转速以上运行，当转速低于4 000r/min时，飞轮支撑轴承振动、减振联轴器受到的冲击力有增大的趋势。

2 柱塞卸荷器调节法的应用

车间加氢精制装置新氢压缩机采用柱塞卸荷器为主要的气量调节手段。柱塞卸荷器与指式卸荷器的卸荷原理相同，在压缩机压缩行程中气缸与吸气管路通过气阀连通，使气缸内的气体无法得到有效压缩。为提高柱塞卸荷器调节法的适用性，柱塞卸荷器结合固定余隙容积调节、旁路调节组合使用，对于新氢压缩机的一列双作用气缸，采用柱塞卸荷器调节方式实现排气量0%～50%～100% 3档的初步调节，使用固定余隙调节方式实现90%档的初步调节，在每档之间使用旁路调节方式进行细调，控制进入工艺系统的流量，气量组合调节工艺流程如图2所示。与柱塞卸荷器配套使用的是菌状气阀，菌状阀由PEEK材料制成，与金属阀相比，质量轻、阀片冲击力小、寿命长且阀片与阀座之间有良好的气密性。压缩机气缸正常负荷工作时，柱塞在卸荷器驱动部件带动下下移，插入位于气阀中心的卸荷孔，使气阀处于正常工作状态。压缩机气缸需要卸荷时，柱塞上移，卸荷孔被打开，在压缩阶段气体从缸内由卸荷孔回到气阀进口，达到卸荷的目的；在吸气过程中，吸气阀正常开启，这时卸荷孔面积和气阀流通面积都是有效流通面，减少了气体进入气缸时的压力损失。对于轴侧和盖侧各有多个进气阀的气缸采用柱塞卸荷，当单个气阀上的卸荷孔面积能够满足气缸卸荷要求时，其他气阀可以不设置卸荷器，减少了卸荷器数量和运行故障带来的风险和设备维修。但对于由多个菌状阀组成的气阀来说，任何一个菌状阀出现问题都会导致整个气阀失效，增大了运行风险，因此对菌状阀的质量也提出了更高的要求。压缩机采用固定余隙容积调节法实现机组90%档负荷，通过气动阀控制固定余隙容积与气缸的接通或隔离。气缸吸气阶段，余隙腔中的高压气体会膨胀进入气缸，推动活塞运动，减少活塞回程中压缩另外一侧气体时消耗的功，对整个机组而言，采用余隙容积调节流量功耗基本不受损失[4]。旁路调节保持了气量调节的连续性，但不经济，仅作为辅助小量调节。

图2 气量组合调节工艺流程

3 HydroCOM的应用

车间加氢改质装置新氢压缩机采用HydroCOM(液压驱动、计算机控制的压缩机气量调节系统)调节气量。在往复式压缩机中，普遍采用自动气阀，即气阀阀片的启闭和压缩机间没有任何机械或运动上的联系，仅与气阀两侧的气体压差和气阀本身设计参数有关，而HydroCOM由电子测控系统和液压执行系统构成，可以在压缩过程的任意时刻控制气阀的启闭，气阀何时启闭不再由气阀两侧的压差决定，使气阀成为受控制的“主动阀”。这样受控地延迟气阀的关闭时间，使多余的未经压缩的气体在活塞的推动下回到进气管路，仅对需要的剩余气体进行压缩，并完成排气过程。

在HydroCOM控制下压缩机的工作循环过程如图3所示，1-1′即为多余气体的回流过程，从图中看到，回流过程使压缩气体量减少了(V1-V1′)，而在调节工况下，压缩机的比功率与正常工况时相比基本保持不变[5]，因此节能效果明显。在调节工况下，压缩机活塞经过下死点(BDC)后，吸气阀在卸荷器的控制下延期关闭，延期时间由DCS的负荷信号在中间接口单元(CIU)内转换得到，延期结束时，液压油缸与液压油站的低压回油管路连通，卸荷器与气阀阀片在气体力、阀片弹簧力、卸荷器复位弹簧力作用下向气阀阀座侧移动关闭气阀。在使用调节系统后，压缩机吸气阀运动规律发生了变化，经分析：在气阀打开时，气阀碰撞升程限制器的速度大幅降低；而在气阀关闭过程中，卸荷器复位速度远小于气阀阀片自动关闭时的速度，阀片与卸荷器同速运动[6]，这样在使用调节系统后，阀片速度降低，气阀使用寿命得到提高。同时，使用调节系统后，由于气阀被卸荷器强制打开，减少了进气阀的功效损失，使得机组满负荷时也能节能[7]。但是，在气体回流过程中，气阀相对压力损失与顶开的吸气阀个数成反比[8]，因此应用HydroCOM调节气量时，一般情况下压缩机每个气阀都安装有调节执行机构，这增加了设备的投资和运行风险。

图3 HydroCOM系统控制下压缩机工作循环过程

4 结束语

车间装置使用的压缩机采用不同的气量调节方式，各有特点，制氢装置使用汽轮机驱动压缩机，压缩机转速可在一定范围内实现无级调节，气量调节时节能效果明显，但汽轮机系统复杂，操作难度大；加氢精制装置压缩机使用柱塞卸荷器，结合固定余隙容积和旁路进行气量调节，由于需要旁路作为细调手段，节能效果稍差，但简单易行，投资小；加氢改质装置压缩机使用HydroCOM，压缩机仅压缩装置需要的气量，节能效果显著、操作简单，但初期一次性投资较大。近年来，气量调节方法在使用和研究上有了新进展，余隙调节装置与控制系统相结合，实现了可变余隙容积的自动实时控制，并投入工业应用；大余隙容积、相位压缩机等气量调节新方法已得到研究开发，有的完成了实际验证。无疑，价格便宜、操作简便、调节范围广的无级气量调节技术会有更大的应用市场。

[1] 郁永章.活塞式压缩机[M].北京：机械工业出版社，1982：113.

[2] 余国琮.化工机械工程手册(中卷)[M].北京：化学工业出版社，2002：14～113.

[3] (美)Hanlon P C，著，郝点，译.压缩机手册[M].北京：中国石化出版社，2003：426.

[4] 高慎琴.化工机器[M].北京：化学工业出版社，1992：80.

[5] 吴荣仁，牛卫飞.活塞式压缩机顶开吸气阀调节排气量的分析[J].流体机械，2003，31(7)：12～15.

[6] 唐斌，李连生，王乐.往复式压缩机气量无级调节过程中进气阀的动态研究[J].机械工程学报，2011，47(4)：136～141.

[7] 周振堂，吴涛.HydroCOM系统无级调节压缩机气量的分析[J].压缩机技术，2009，(1)：16～17.

[8] 孙学亮，洪伟荣，吴荣仁.部分行程压开吸气阀调节的理论研究[J].流体机械，2006，34(11)：19～22.

何月伦(1975-)，工程师，从事设备管理工作，hylksh@petrochina.com.cn。

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0254-6094(2017)02-0221-03

2016-03-29，

2016-11-22)