空气压缩站进气保护装置设计

摘要：空气压缩站的增压机组由西屋电机驱动，是单层结构、单级吸气、单级排气的四级压缩无油空气的H型等温式离心压缩机。文章介绍了离心压缩机组喘振保护原理，对现存问题进行了分析和论证，设计了一套额外保护方式，从而达到离心压缩机组的顺利运行。

关键词：离心压缩机；进气保护装置；喘振；保护方式；增压机组；空气压缩站 文献标识码：A

中图分类号：TH457 文章编号：1009-2374（2016）24-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.012

1 概述

空气压缩站的增压机组是IHI-寿力压缩技术有限公司设计制造的离心式空气压缩机，型号为NK36-4，该型号机组由西屋电机驱动，单层结构、单级吸气、单级排气的四级压缩无油空气的H型等温式离心压缩机，额定流量为750Nm3/min，额定进口压力为1.0MPa，额定出口压力为5MPa。在增压机组的调试过程中可谓是故障频发，例如增压机意外停机造成前端低压离心机组喘振停机、四级轴振动过大、进气空气冷凝水含量大、供气管道出口振动大等现象。本文将对增压机意外停机造成低压机组喘振停机的故障进行原因分析，阐述进气保护装置的详细设计。

2 故障现象分析及保护设计

2.1 故障现象

增压机的运行供气需要一台低压离心压缩机和两台螺杆压缩机为其提供原料用气，参考气路系统原理图如图1，当增压机组进入加载状态后，原料用气就全部送入增压机组。在调试过程中，当增压机组加载运行时发生意外停机故障，整个原料用气的供给管道内的压力迅速上升，引起低压离心机组的系统压力和第三级排气压力也迅速提高，造成低压离心机组发生喘振停机。

2.2 故障原因分析

增压离心机组在故障停车时候会自动关闭它本身的进气阀门以保证增压机组本身的安全。

在分析故障原因前，需要了解低压离心机组喘振检测和保护的原理。英格索兰低压离心机组的喘振检测和保护主要依靠它的CMC控制系统完成，在机组达到喘振点前打开旁路阀，将一部分空气排入大气，使压缩空气系统获得其要求的空气，从而实现喘振防护。CMC控制系统内包含由喘振压力变送器和电动机电流互感器组成的喘振检测系统。当末级排气压力和电动机电流的不断变化并且大于喘振敏感性设定点值时，CMC会感受到喘振。当控制器发现出现喘振时，空压机将卸载。控制器将按一定比例增加旁路阀位置，使进气阀达到最小负荷点（如果进气阀未处于那个位置），然后按正常系统需求将空压机重新加载至运行压力。该过程将在10分钟内最多重复3次。如果空压机在10分钟内喘振4次，空压机将保持卸载直到运行人员按下复位按钮。即使有防止喘振的CMC控制，喘振仍可能发生。当系统需求在大的容量范围内快速变化时，为防止喘振，控制器对打开旁路阀的反应可能不够快。CMC读取排气压力、电动机安培以及大约20个其他的压力和温度输入，然后控制进气阀和旁路阀的位置。当控制器太慢而来不及反应时，就会出现机组喘振停机的现象。通过上述原理的分析和现场实际考察，得出了造成原料机的低压离心机组喘振停机的原因是原料用气供应管路上无防喘保护装置。因为当原料用气全部供给增压机后，如果增压机意外停机，整个供气管路上仅有增压机自带的放空管路（管径为DN80，而低压离心机组的供气管径为DN400）可以排除很小部分气体，导致原料用气供气管内压力急速上升引起低压机组喘振。

2.3 保护设计方案

为了解决上述故障，決定在增压机的进气放空阀旁并联一个气动控制的套筒导向型调节阀，调节阀由增压机提供控制信号。当增压机重故障信号触发（即发生意外停机）时，增压机将立刻给套筒导向型调节阀发送动作指令使套筒导向型调节阀迅速全部打开，将原料用气的供给管道内的压缩空气排向消音塔，避免管道压力飙升，起到保护低压离心机组的作用。

新增套筒导向型调节阀的技术要求：（1）日常使用为常闭状态，工作时充气、阀门关闭，紧急情况动作时失气并快速打开阀门，全关至全开的响应时间应尽可能短；（2）执行机构的供气压力为0.4～0.8MPa；（3）阀门的控制方式为开关量控制电磁阀的开关；（4）该阀门仅用于快速放气，无需中间调节环节；（5）阀门公称通径DN200，阀前压力为1.0MPa，阀后压力为0.1MPa。阀门选定之后，就需要根据阀门的特性对阀门的控制回路进行设计安装。调节阀的开启控制信号由增压机的重故障信号触发。结合次阀门技术要求需要选择阀门种类，主要在电磁阀和电动阀之间进行选择。

电动阀与电磁阀的区别：电磁阀是电磁线圈通电后产生磁力吸引克服弹簧的压力带动阀芯动作，只能进行阀门的开关，无法精确调整阀门的开度。

电动阀是通过电动机驱动阀杆，带动阀芯动作，电动阀又分开关型和调节型，阀门的行程机构靠电机进行拖动，所以其开阀和关阀都比较缓慢，可以精确地调节阀门各个行程位置。

电动阀和电磁阀的用途对比：电磁阀一般用于液体和气体管路的开关由于其功率和体积因素，一般适用于小型管道的快速通断。

电动阀一般安装在液体、气体和风系统管道主要进行模拟量调节，即需要不断变化阀门在管道中的开度来控制管道中介质的流通量。

电磁阀通过线圈驱动，只能开或关，可以在很短的时间内完成阀门的全开全关。

电动阀的驱动一般是用电机，阀门电机驱动大概从全开到关需要20～30秒的时间。

所以通过对比基本可以选择电磁阀门来进行管道内压缩空气的快速释放，并且可以选择电磁阀门中的气动电磁阀门来进行保护装置的设计。

气动电磁阀有良好的适用性，大部分的工厂和车间都具备压缩空气源，移动压缩机可存放在几米开外的地点。可按需求任意的储备大容量的压缩空气，而且其还可以实现无级调速的直线和回转工作。气动电磁阀设计和操作简单，适用于各类的自动化操控系统。和液压电磁阀相比，气动电磁阀反应更快、动作更灵敏。调节控制方便，不但可以组成气动控制回路，还可以和电动、液压结合使用。气动电磁阀价格适中，整套装置的费用也不会很贵，而且气动电磁阀使用寿命长，不需要经常维护保养，因此维护保养的费用也比较低。压缩空气在很大程度上不受高温、高压以及腐蚀的影响，气动电磁阀这一个优点是其他电磁阀无法比拟的。

气动电磁阀有着独特的排放空间处置方法，可安装在任意工厂车间内。在安全方面，气动电磁阀即便在危险工况中工作也不会引起火灾，如果电磁阀过载就会自动停止或打滑。

气动电磁阀也存在着一些缺点，如假设工作压力较低，就不会容易获取较大的输出和转矩，所以气动电磁阀不适应重载系统；有比较大的排气噪音，因为空气没有润滑功能，所以在气路中会自动设置润滑装置；气动电磁阀的信号传递速度仅限于声速范围，因此不适用于传递速度较高要求的工况；实现作业过程中遥控也十分困难，气动电磁阀有出现泄漏的情况，如果达到一定量的外泄漏也是允许的。由于空气有压缩性，载荷变化时平稳性稍差。综合对比，气动电磁阀满足设计要求，并且由于厂房本身可以提供气源故最终选择气动电磁阀。最终选择电磁阀为此导向阀门，并设计了电气控制接线图。

3 安装调试及测试

3.1 电磁阀安装步骤及注意事项

（1）在现有增压机进气管道选择合适位置，将管道断开，并焊接法兰，将电磁阀门安装，由于电磁阀门一般是单向工作的，不能反装，所以按照阀门阀板上的气流指示顺序进行安装；（2）电磁阀与管道垂直，线圈垂直向上；（3）引入一无缝钢管接入其气动入口，另根据需要将电磁阀门气路压力调整到0.6MPa；（4）此电磁阀的输入电源为220V，通过说明书查阅可知其工作特性是通入220V工作电源后再引入气源的同时能够快速关闭阀门，其基本保护思路为通过一个继电器，接入增压机组的故障信号，一旦增压机组发生故障需要停机的时候，故障信号会控制继电器的通断，来达到阀门快速打开的作用，即阀门在正常供气环节中是通电保持关闭的状态，一旦发生故障增压机组停机，即增压机组发出故障信号直接断开了此气动电磁阀门的工作电源，阀门迅速打开，从而达到了增压机组进气管道压缩空气卸载的问题。

3.2 电磁阀调试

电磁阀安装完事后送电发现阀门无动作，检查接线和原理图没有问题，再检查电磁阀电源线部分，发现电磁阀的电源插头（此电磁阀为220V供电）插头弹簧片松动，导致电源接触不良，所以才沒有阀门动作，后来紧固了阀门的电源螺丝，从而使其能够正常通电。

在调试保护的时候发现原来设计是增压机组的故障信号为常开点接入，然后手动给增压机组故障信号阀门并没有通断，接着分析发现增压机组的故障信号实际为常闭点，需要接入继电器的常闭点才能达到通断阀门电源的目的。调试成功后，修改了增压机组气动流程，加入了启动增压机组前必须送电磁阀门的工作电源，并且需要运行人员手动打开电磁阀的供气管道来保证电磁阀门的正常工作，从而确保一旦增压机组出现故障停机后关闭进入阀门，此保护电磁阀门会迅速打开卸掉管道压力来保护低压供气机组的目的。

3.3 电磁阀试验测试

在安装完电磁阀后，手动通过增压机组发出故障报警信号，此电磁阀迅速打开，时间在10秒之内，从而达到了设计需求，保证了增压机组在故障停机关闭入口阀时，低压供气机组无法迅速卸除在管道上的压力。增压机进气放空管道经过上述的保护调节阀的安装后，在增压机组出现意外停车的情况时，新增的套筒导向型调节阀能够快速反应，避免了低压离心机组发生喘振事故。

4 结语

本文介绍了空气压缩站增压机添加进气保护装置原因，分析了低压离心机出现喘振的原理，同时对进气保护装置的设计方案进行了详细的介绍，并最终通过实际试验对比解决了因机组保护装置而引起的喘振问题，对增压机的日后使用建立了良好的使用条件。

作者简介：汤旭（1984-），男，辽宁人，沈阳发动机设计研究所能源动力保障中心技术组工程师，研究方向：自动化。

（责任编辑：黄银芳）