往复活塞压缩机余隙调节应用

刘骥(江苏中能硅业科技发展有限公司，江苏 徐州 221000)

1 气量调节方式

目前，由于往复活塞压缩机在石油、化工行业的使用越来越多，使用要求也越来越高。由于一些新建装置的特殊要求，新增加的往复活塞压缩机还需要满足不同工况条件下的流量要求，或者应该考虑到新装置生产一段时间后，生产条件发生微小改变后所引起的流量变化较大的要求，这就需要对往复活塞压缩机的容积流量进行调节从而能够满足新的要求[1]。

1.1 余隙容积调节的方式

目前常用的调节方式多种多样，各有其优缺点。如何在压缩机中成功应用并且能够高效合理的控制压缩机的余隙容积是目前需要考虑的重要问题。化工用途的往复式压缩机一般是根据化工需要来进行选择。活塞机的工作过程就是活塞到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满蒸气。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，蒸气被压缩，一直压缩到排汽压力为止。当压力达到一定值(大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点)时，排汽结束。这样就要求需要给活塞机流出较大的富余量。但是有时候需要根据实际生产需要进行适当地气量调节。最为理想的就是对压缩机进行连续调节，使得能够按照理想的气量要求进行工作。

1.2 进、排气管连通调节

旁路调节是化工生产中被广泛应用的一种调节方式。主要是通过管路中的旁通阀将机组排出的多余的气量经管道回流到机组的入口，以满足生产的负荷要求。在这种调节中，排气管的旁通管路和旁通阀门与进气管相连接。调节时只要打开旁路阀，排出的气体便又回到进气管路中[2]。压缩机满负荷工作，生产装置不需要多余的气体经旁路返回压缩机入口，这种调节方式具有调节方式最简单、能够进行连续的气量调节、同时不改变压缩机各级的压缩比、能够保证机组平稳运行。

1.3 全行程压开进气阀调节

全程顶开吸气阀调节是通过外在的执行机构给吸气阀一个外力使吸气阀强制被压开并保持在压开的状态，使压缩机吸入的气体全部经吸气阀返回到入口，此种调节方式具有结构简单、操作方便、调节过程中气体只需要克服气阀开启和关闭的阻力所造成的低功耗。也是一种被广泛应用的调节方式[3]。该方式的缺点是只能够对气量进行0%、25%、50%、75%、100%的阶梯调节、调节范围有限仅限于粗调节并不能做到精确调节、同时长时间的顶开吸气阀容易造成吸气温度过高。

1.4 部分行程顶开进气阀调节

部分行程顶开进气阀调节也叫无级气量调节。该调节方式依靠的是额外的执行机构，目前国内多采用液压执行机构，在压缩机吸气的过程中打开吸气阀，在气体压缩的过程中适时的撤销所施加的强制外力造成吸气阀的延时关闭，使得一部分气体返回至压缩机的入口没有参与压缩过程。通过对吸气阀关闭的时间的控制使得机组实现在一定范围内的负荷的无级调节。该方法节能效果显著、理论上能够实现气量的0%～100%全量程的连续调节[4]。

2 余隙容积调节的原理

现如今的往复式压塑机通常在几个常见的构件存在这一定的余隙容积：(1)当一个运行的活塞完成一整个排气过程时，压缩机的活塞端面与气缸内壁之间的间隙V01；(2)活塞机内的气缸平面与活塞环到端面之间的间隙V02；(3)压缩机内部气阀门到气缸之间的通道内间隙V03，因为气阀门在压缩机上的排至方式不同，会影响到容积的值；(4)气阀本身所具有的容积V04，如阀座的通道、弹簧孔等(通道容积所占比例最大，环形间隙其值甚微)压缩机的余隙容积，有的是结构上的需要，有的是难以避免的[5]。当气缸行程容积Vh一定时，余隙容积Vc值越大，相对余隙容积α也越大，λV就越小，即降低了排气量。

如果压缩机的余隙连续可调，则压缩机的排气量和能耗也连续可调。

3 余隙无级调节装置结构设计

3.1 余隙无级调节装置

压缩机的无级调节是建立在当前的固定调节的基础上的，能够在一定的范围内平滑稳定的改变，同时将活塞机内部的控制余隙的阀门取消，让余隙的空气能够直接连通外部的气缸[6]。压缩机的余隙无级调节是专门为往复式压缩机开发的数字式电液控制风量无级间隙调节控制系统。控制系统通过由可编程控制器(PLC)、电磁换向阀、位移传感器和伺服缸组成的电液位置控制系统，根据主要控制变量或手动给定的参数，使间隙活塞根据输入信号线性移动，从而实现对各缸间隙容积变化的良好控制。

3.2 余隙容积的计算和执行机构的设计

执行机构的关键是确定增设余隙容积的大小，所以改变压缩机的排气量是通过调整缸盖侧余隙容积，进而可确定可调余隙活塞的直径和行程。对于多级压缩机而言，一级气缸余隙容积对压缩机的排气量和功耗起决定作用，一级气缸余隙容积减少时，排气量和功耗都增大。后级的余隙容积对排气量影响较小，主要用于调节压缩比。当一级气缸余隙容积减少时，如果二级气缸余隙容积不跟随变化，则一级压比增大，二级压力比减小，会使一级排气温度升高。同理，当一级气缸余隙容积增大时，如果二级气缸容积不跟随变化，会使二级压力比升高，二级排气温度升高。因此，余隙无级调节排气量时各级要均衡调节。

4 余隙容积变化后对压缩机主要参数及其性能影响分析

余隙容积变化时，压缩机的容积效率、排气系数及气体活塞力等参数会随之变化。

4.1 容积效率ηv

容积效率就是实际排气量与气缸行程容积之比。排气量降低，容积效率也随之降低，气缸容积利用率降低。

4.2 排气系数λ

式中：(3)知λV、λP、λT和λ1分别为余隙容积数、压力系数、温度系数和泄漏系数。

很明显，减少额定排气量主要是通过减少排气系数中的余隙容积系数而来，但λV的变化，对λP、λT和λ1也会有影响[7]。

4.2.1 λP的变化

气缸盖侧增设补充余隙容积后，余隙容积的增加和进、气量的减少，进、排气的阻力损失和气阀的压力损失都会相应有所降低，进、出口气阀处压力脉动也会变小，这些都会使压力系数有所增加。

4.2.2 λT的变化

余隙容积增大后，随着排气量降低，气缸内气体热和摩擦热被气体带走的量会有所减少，进气温升会升高，所以温度系数会变小。

4.2.3 λ1的变化

泄漏系数λ1是表示气阀、活塞环、填料及其管道、附属设备等因密封不严而产生的气体泄漏对排气量的影响。显然，余隙容积的增加只会影响到气阀和活塞环的泄漏量的变化。如图1余隙容积由Vc增至Vc′后，压缩曲线由1-2变成1-2′，膨胀曲线由3-4变成3-4′，可见压缩过程中，平均压力有所降低，而膨胀过程中平均压力有所增加，气阀和活塞环的泄漏量随着差压变大而增加，对双作用缸来说，在压缩和膨胀过程中，余隙容积增加都会使活塞两侧差压略有降低，而气阀大都是由等同数进、出口气阀组成，所以活塞环泄漏有所降低，气阀泄漏变化可视为不变。因此，泄漏系数λl因余隙容积变大，会有所变大。

图1 附加余隙容积时的示功图

4.3 轴功率变化

余隙容积增加使经过气阀气量减少和平均流速降低，进出口气阀压损随之降低。不同排气量和出口压力压缩机，随着余隙容积的增加，排气量和轴功率都会减小，轴功率降低的百分比略等于排气量减少的百分比。各级压比不变，排气温度也不变。但气体和综合活塞力及反向角随余隙变化而变化，特别是润滑油改质新氢压缩机第四级缸在100%负荷时反向角为58°，80%负荷时为26°，60%负荷时无反向角，即反向角为0，这就说明在排气压力较高，活塞杆与气缸直径相差不大时，余隙容积增大会较大改变活塞杆受力和受力方向。这级气缸就不能用可变余隙调节方法调节气量。

5 结语

文章通过研究往复式活塞压缩机的余隙容积，得出相应的容积大小对于活塞压缩机的影响，余隙容积过大会使压缩机的生产能力和效率急剧下降。因此，在保证压缩机安全运行的前提下，余隙容积应尽可能小，但余隙容积过小会增加活塞与答气缸端盖相碰撞的危险性，所以决定余隙容积的大小还应该首先考虑到安全运行的要求。文章基于此得出相应的压缩机余隙调节方法，能够较好地控制压缩机余隙的容积。