一种应用于井口气回收的压缩机节能装置

吕倩航++王亦凡++王刚++卢玉姣

摘 要针对天然气在试气、试采过程中及尚未布设网管的情况下放空燃烧造成浪费和污染的问题，提出一种双作用往复式压缩机的余隙自动调节技术，设计开发用于井口气回收的压缩机节能装置，运用电液调节技术实现对气量自动实时的控制，突破了传统气量调节技术的调节范围小、能耗大的难点。本装置对现有的往复式压缩机进行创新设计，将原有的缸盖部分改为可调余隙执行机构，通过上位机、PLC组成的控制系统控制余隙缸活塞的直线运动，从而实现余隙容积、压缩机气量的调节，达到回收天然气和压缩机节能目的。

【关键词】井口 气压缩机 余隙 节能

在天然气采集过程中，由于初期测试、管路不完善等原因，将刚采得的天然气直接放空燃烧，该过程造成巨大的能源浪费与环境污染。经过调研发现，目前回收天然气常采用的方法为运用移动撬装式井口气回收装置进行回收。但由于井口气的气量、温度、压力等参数变化范围大，压缩机可调节性差，导致压缩机能耗大、工作效率低且易发生压缩机部件损坏现象，造成巨大的经济损失。

1 节能装置整体设计

应用于井口气回收的压缩机节能装置主要由余隙执行机构、液压系统和控制系统等组成。余隙执行机构以一种伺服活塞缸式的具有余隙调节功能的压缩机缸盖，取代传统压缩机缸盖，通过改变余隙活塞的位置实现余隙部分容积的变化。控制系统包括PLC、上位机等，通过控制液压系统中M型电磁阀的导通方向及导通时间进而完成余隙活塞的运动。

活塞压缩机气缸都存在余隙容积，由于气体的膨胀使气缸工作容积部分失去进气作用，所以要尽可能往少控制的指标。下式为活塞压缩机实际气体指示功率计算公式：

由计算公式可以看出，气缸余隙容积与指示功率是成反比，余隙容积增加，排气量降低，指示功率随之减少。

1.1 节能装置节能原理分析

如图1为压缩机工作气体示功图。图中，横坐标V表示气缸容积变化，纵坐标P表示气缸压力变化，P1、P2分别是进、排气压力。在图中，1-2-3-4表示存在余隙容积时全排气量的循环图。其中3-4过程为余隙部分气体膨胀过程，4-1过程为压缩机吸气过程，1-2过程为气体压缩过程，2-3过程为压缩机排气过程。通过四个过程P-V所围成的面积为压缩机指示功。

若增加余隙容积到，此时功率循环图为1-2-3-4。气体的膨胀过程增长，气体对压缩机活塞做功，减轻了曲轴连杆的负载；进气量由全进气量相应的线段长度4-1减少到线段长度4-1，进气量减少，入口压力得以提高；压缩过程按1-2进行，压缩过程活塞力的增加速率小于余隙容积为时的速率，提高压缩机运行的平稳性，减少震动和噪声；排气量由相应的全排气量线段2-3减少到线段2-3。

当井口气气量、来气压力等参数发生变化时，我们通过分析改变余隙部分的容积进行不同工况条件下的压缩机调节。

1.2 余隙调节执行机构

余隙调节执行机构由余隙缸、余隙活塞、液压缸磁致伸缩位移传感等组成，它取代原有的缸盖、余隙阀及气动执行机构，通过电磁阀控制液压伺服活塞的运动，进而带动可调余隙活塞的运动，改变余隙容积。当接入气缸工作腔的余隙容积增大时，入口压力提高，余隙缸与压缩机气缸相通，使气量调节范围可达55%～100%，由于余隙缸的直径仅略小于气缸直径，直接与气缸相通，所以进出余隙缸的氣体几乎没有阻力损失。

1.3 电液控制系统

电液控制系统包括控制系统和液压油站，压缩机启动时，余隙执行机构复位，对上位机输入来气量、气体压力、温度等参量，上位机计算余隙执行机构移动位移，进而计算出电磁阀导通方向及时间，PLC与上位机通信，将控制信号发送给电磁阀，电磁阀执行动作实现余隙活塞的直线运动，同时磁致伸缩位移传感器反馈位移量给上位机，为后续通讯提供控制依据。

1.4 液压动力系统

液压控制模块由电机、液压泵、溢流阀、华德M型三位四通电磁阀、压力表等组成，液压泵将电机提供的机械能转换成压力能。溢流阀在回路中功能为溢流调压，使泵油的一部分进入液压缸工作，而多余的油经溢流阀流回油箱。

1.5 控制系统

控制系统由上位机和PLC控制系统组成，其中上位机用于拟定压缩机进气压力，并根据算法计算余隙调节量、功率后，与PLC通信，控制电磁阀动作。同时上位机可根据所拟定的进气压力及PLC反馈的余隙调节活塞的位置绘制相关曲线图，便于直观地反映调节过程。

2 总结

针对油气田油气回收中的压缩机节能问题，本项目提出的一种双作用往复式压缩机的余隙自动调节技术，运用电液调节技术实现对气量自动实时的控制，调节精度高，突破了传统气量调节技术的调节范围小、能耗大的难点；实现压缩机气量在55%-100%范围内的无级调节。较现有压缩机，对井口气气量变化适应性强，降低了压缩机部件的故障率，经济效益良好。

参考文献

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作者单位

武汉理工大学机电工程学院 湖北省武汉市 430070