不同氣量調(diào)節(jié)方式在活塞式壓縮機(jī)上的應(yīng)用

何月倫 雷 濤 馬曉偉

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司)

不同氣量調(diào)節(jié)方式在活塞式壓縮機(jī)上的應(yīng)用

何月倫 雷 濤 馬曉偉

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司)

主要分析了車間所屬裝置壓縮機(jī)采用的氣量調(diào)節(jié)方式的工作原理和工作過程，結(jié)合實(shí)際闡述了各種調(diào)節(jié)方式在能耗、投資、運(yùn)行維護(hù)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

活塞式壓縮機(jī) 氣量調(diào)節(jié) 能耗

活塞式壓縮機(jī)通常根據(jù)工藝技術(shù)條件所需要的最大流量和最高壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，并且考慮余量，在正常運(yùn)行狀態(tài)下壓縮機(jī)組的容積流量基本保持穩(wěn)定，但實(shí)際生產(chǎn)中裝置加工負(fù)荷的變化、加工方案的調(diào)整往往要求壓縮機(jī)低于額定流量運(yùn)行，這就需要對壓縮機(jī)排量進(jìn)行調(diào)節(jié)。某車間所屬3套裝置的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)采用了不同的氣量調(diào)節(jié)方式，各有特點(diǎn)，取得了令人滿意的應(yīng)用效果。筆者對所采用的各氣量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 變轉(zhuǎn)速氣量調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用

車間制氫裝置(氫壓縮機(jī))采用變轉(zhuǎn)速方法調(diào)節(jié)氣量。由于雙作用活塞式壓縮機(jī)實(shí)際排氣量V=π(2D2-d2)SnIλ/4，其中n為曲軸轉(zhuǎn)速，因此改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n就能得到不同的排氣量。車間制氫裝置采用背壓式汽輪機(jī)作為原動機(jī)，使用機(jī)械液壓放大PG-PL型調(diào)速器調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變從動的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)。汽輪機(jī)驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示。汽輪機(jī)驅(qū)動往復(fù)壓縮機(jī)過程中，壓縮機(jī)曲軸回轉(zhuǎn)一周，曲軸上的載荷隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生改變，產(chǎn)生交變的載荷，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速差異較大時，交變的載荷對減速器傳動副的沖擊很大，為減少這種損害，汽輪機(jī)驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)中采用低速彈性減振聯(lián)軸器和大質(zhì)量的飛輪，通過增大飛輪質(zhì)量減少壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的不均勻度、減小沖擊載荷，設(shè)置減振聯(lián)軸器可進(jìn)一步保護(hù)減速器不被沖擊載荷損害。對于本裝置，流經(jīng)汽輪機(jī)的蒸汽作為工藝原料進(jìn)入裝置反應(yīng)系統(tǒng)，減少了裝置能源消耗。

圖1 汽輪機(jī)驅(qū)動的往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)組成簡圖

采用變轉(zhuǎn)速氣量調(diào)節(jié)方式的往復(fù)活塞壓縮機(jī)，一般壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速按汽輪機(jī)最大轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后壓縮機(jī)各缸(級)活塞速度降低，活塞環(huán)、填料及十字頭滑板等零件單位時間內(nèi)受摩擦的距離縮短，磨損量相應(yīng)降低[1]；同時，轉(zhuǎn)速降低，活塞環(huán)與氣缸鏡面的摩擦功耗降低，摩擦熱減小，經(jīng)氣缸冷卻水冷卻后，氣缸傳遞給缸內(nèi)氣體的熱量較少，氣體膨脹過程指數(shù)m大，容積系數(shù)λv值大，機(jī)組效率提高；機(jī)組總的摩擦功耗與轉(zhuǎn)速有近似正比的關(guān)系，轉(zhuǎn)速降低，機(jī)組功耗降低。具體對由汽輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，調(diào)速器調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是連續(xù)的，因此壓縮機(jī)排量在不另外附加設(shè)備的情況下就能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；另一方面，通常情況下，壓縮機(jī)由汽輪機(jī)驅(qū)動時其功率與轉(zhuǎn)速的2.5～3.0次方成正比[2]，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排量，節(jié)能效果明顯。但受制于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)自身情況，轉(zhuǎn)速有一個調(diào)節(jié)范圍，主要原因是：汽輪機(jī)徑向軸承采用橢圓軸承結(jié)構(gòu)，用于承載油膜的最小厚度隨轉(zhuǎn)速減小而減小，當(dāng)最小油膜厚度過薄，可能引發(fā)軸頸與軸承內(nèi)表面間的干摩擦；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動值一般會增高，且和速度下降率的平方成正比關(guān)系，這樣振動可能過大，導(dǎo)致壓縮機(jī)及其基礎(chǔ)的損壞[3]，這使壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié)范圍受到限制。在車間實(shí)際生產(chǎn)中，為避免低轉(zhuǎn)速對機(jī)組的不利影響，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速一般控制在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于4 000r/min時，飛輪支撐軸承振動、減振聯(lián)軸器受到的沖擊力有增大的趨勢。

2 柱塞卸荷器調(diào)節(jié)法的應(yīng)用

車間加氫精制裝置新氫壓縮機(jī)采用柱塞卸荷器為主要的氣量調(diào)節(jié)手段。柱塞卸荷器與指式卸荷器的卸荷原理相同，在壓縮機(jī)壓縮行程中氣缸與吸氣管路通過氣閥連通，使氣缸內(nèi)的氣體無法得到有效壓縮。為提高柱塞卸荷器調(diào)節(jié)法的適用性，柱塞卸荷器結(jié)合固定余隙容積調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)組合使用，對于新氫壓縮機(jī)的一列雙作用氣缸，采用柱塞卸荷器調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)排氣量0%～50%～100% 3檔的初步調(diào)節(jié)，使用固定余隙調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)90%檔的初步調(diào)節(jié)，在每檔之間使用旁路調(diào)節(jié)方式進(jìn)行細(xì)調(diào)，控制進(jìn)入工藝系統(tǒng)的流量，氣量組合調(diào)節(jié)工藝流程如圖2所示。與柱塞卸荷器配套使用的是菌狀氣閥，菌狀閥由PEEK材料制成，與金屬閥相比，質(zhì)量輕、閥片沖擊力小、壽命長且閥片與閥座之間有良好的氣密性。壓縮機(jī)氣缸正常負(fù)荷工作時，柱塞在卸荷器驅(qū)動部件帶動下下移，插入位于氣閥中心的卸荷孔，使氣閥處于正常工作狀態(tài)。壓縮機(jī)氣缸需要卸荷時，柱塞上移，卸荷孔被打開，在壓縮階段氣體從缸內(nèi)由卸荷孔回到氣閥進(jìn)口，達(dá)到卸荷的目的；在吸氣過程中，吸氣閥正常開啟，這時卸荷孔面積和氣閥流通面積都是有效流通面，減少了氣體進(jìn)入氣缸時的壓力損失。對于軸側(cè)和蓋側(cè)各有多個進(jìn)氣閥的氣缸采用柱塞卸荷，當(dāng)單個氣閥上的卸荷孔面積能夠滿足氣缸卸荷要求時，其他氣閥可以不設(shè)置卸荷器，減少了卸荷器數(shù)量和運(yùn)行故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備維修。但對于由多個菌狀閥組成的氣閥來說，任何一個菌狀閥出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致整個氣閥失效，增大了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，因此對菌狀閥的質(zhì)量也提出了更高的要求。壓縮機(jī)采用固定余隙容積調(diào)節(jié)法實(shí)現(xiàn)機(jī)組90%檔負(fù)荷，通過氣動閥控制固定余隙容積與氣缸的接通或隔離。氣缸吸氣階段，余隙腔中的高壓氣體會膨脹進(jìn)入氣缸，推動活塞運(yùn)動，減少活塞回程中壓縮另外一側(cè)氣體時消耗的功，對整個機(jī)組而言，采用余隙容積調(diào)節(jié)流量功耗基本不受損失[4]。旁路調(diào)節(jié)保持了氣量調(diào)節(jié)的連續(xù)性，但不經(jīng)濟(jì)，僅作為輔助小量調(diào)節(jié)。

圖2 氣量組合調(diào)節(jié)工藝流程

3 HydroCOM的應(yīng)用

車間加氫改質(zhì)裝置新氫壓縮機(jī)采用HydroCOM(液壓驅(qū)動、計(jì)算機(jī)控制的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng))調(diào)節(jié)氣量。在往復(fù)式壓縮機(jī)中，普遍采用自動氣閥，即氣閥閥片的啟閉和壓縮機(jī)間沒有任何機(jī)械或運(yùn)動上的聯(lián)系，僅與氣閥兩側(cè)的氣體壓差和氣閥本身設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，而HydroCOM由電子測控系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，可以在壓縮過程的任意時刻控制氣閥的啟閉，氣閥何時啟閉不再由氣閥兩側(cè)的壓差決定，使氣閥成為受控制的“主動閥”。這樣受控地延遲氣閥的關(guān)閉時間，使多余的未經(jīng)壓縮的氣體在活塞的推動下回到進(jìn)氣管路，僅對需要的剩余氣體進(jìn)行壓縮，并完成排氣過程。

在HydroCOM控制下壓縮機(jī)的工作循環(huán)過程如圖3所示，1-1′即為多余氣體的回流過程，從圖中看到，回流過程使壓縮氣體量減少了(V1-V1′)，而在調(diào)節(jié)工況下，壓縮機(jī)的比功率與正常工況時相比基本保持不變[5]，因此節(jié)能效果明顯。在調(diào)節(jié)工況下，壓縮機(jī)活塞經(jīng)過下死點(diǎn)(BDC)后，吸氣閥在卸荷器的控制下延期關(guān)閉，延期時間由DCS的負(fù)荷信號在中間接口單元(CIU)內(nèi)轉(zhuǎn)換得到，延期結(jié)束時，液壓油缸與液壓油站的低壓回油管路連通，卸荷器與氣閥閥片在氣體力、閥片彈簧力、卸荷器復(fù)位彈簧力作用下向氣閥閥座側(cè)移動關(guān)閉氣閥。在使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)吸氣閥運(yùn)動規(guī)律發(fā)生了變化，經(jīng)分析：在氣閥打開時，氣閥碰撞升程限制器的速度大幅降低；而在氣閥關(guān)閉過程中，卸荷器復(fù)位速度遠(yuǎn)小于氣閥閥片自動關(guān)閉時的速度，閥片與卸荷器同速運(yùn)動[6]，這樣在使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，閥片速度降低，氣閥使用壽命得到提高。同時，使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，由于氣閥被卸荷器強(qiáng)制打開，減少了進(jìn)氣閥的功效損失，使得機(jī)組滿負(fù)荷時也能節(jié)能[7]。但是，在氣體回流過程中，氣閥相對壓力損失與頂開的吸氣閥個數(shù)成反比[8]，因此應(yīng)用HydroCOM調(diào)節(jié)氣量時，一般情況下壓縮機(jī)每個氣閥都安裝有調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這增加了設(shè)備的投資和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 HydroCOM系統(tǒng)控制下壓縮機(jī)工作循環(huán)過程

4 結(jié)束語

車間裝置使用的壓縮機(jī)采用不同的氣量調(diào)節(jié)方式，各有特點(diǎn)，制氫裝置使用汽輪機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，氣量調(diào)節(jié)時節(jié)能效果明顯，但汽輪機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，操作難度大；加氫精制裝置壓縮機(jī)使用柱塞卸荷器，結(jié)合固定余隙容積和旁路進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，由于需要旁路作為細(xì)調(diào)手段，節(jié)能效果稍差，但簡單易行，投資??；加氫改質(zhì)裝置壓縮機(jī)使用HydroCOM，壓縮機(jī)僅壓縮裝置需要的氣量，節(jié)能效果顯著、操作簡單，但初期一次性投資較大。近年來，氣量調(diào)節(jié)方法在使用和研究上有了新進(jìn)展，余隙調(diào)節(jié)裝置與控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可變余隙容積的自動實(shí)時控制，并投入工業(yè)應(yīng)用；大余隙容積、相位壓縮機(jī)等氣量調(diào)節(jié)新方法已得到研究開發(fā)，有的完成了實(shí)際驗(yàn)證。無疑，價(jià)格便宜、操作簡便、調(diào)節(jié)范圍廣的無級氣量調(diào)節(jié)技術(shù)會有更大的應(yīng)用市場。

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何月倫(1975-)，工程師，從事設(shè)備管理工作，hylksh@petrochina.com.cn。

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0254-6094(2017)02-0221-03

2016-03-29，

2016-11-22)