活塞式天然氣壓縮機在發(fā)動機實驗室的設計應用

汪承紅 毛開清 劉世鋒 丁志強

摘 要： 本文以華菱星馬汽車（集團）股份有限公司節(jié)能環(huán)保大功率天然氣發(fā)動機實驗室項目為例，結合活塞式天然氣壓縮機在發(fā)動機實驗室的實際生產(chǎn)應用，重點闡述了活塞式天然氣壓縮機系統(tǒng)的功能、組成結構、工作流程、實際安裝布置及使用效果等，對于行業(yè)內天然氣發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)應用及天然氣發(fā)動機新產(chǎn)品的性能開發(fā)具有一定的參考意義。

關鍵詞： 活塞式壓縮機；壓縮機結構、原理；設計應用

中圖分類號：TB492 文獻標識碼：A

引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)展和人類文化素質的提高環(huán)保已經(jīng)進入到人類的生活的方方面面。日常生產(chǎn)中到處可以見到清潔、環(huán)保、低碳等字體，這些都體現(xiàn)了社會的發(fā)展和人類環(huán)保意識的增加，加之石油資源的不斷減少，開發(fā)新型可再生能源顯得尤為迫切，天然氣成為了新型能源的典型代表。天然氣相比常規(guī)燃料而言有燃燒后無固體殘留、無有毒有害氣體排放等優(yōu)點，它的開發(fā)利用已經(jīng)開始逐步代替常規(guī)燃料的位置。目前廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中的壓縮機有活塞式天然氣壓縮機，它是一種容積式壓縮機，常用于提高天然氣的壓力和輸送天然氣。近年來，許多發(fā)動機的制造廠家也開始研發(fā)天然氣發(fā)動機用于提供汽車的動力。華菱星馬汽車（集團）股份有限公司自主開發(fā)的天然氣發(fā)動機正是基于這種背景環(huán)境下而設計研發(fā)，其配套建設的發(fā)動機實驗室，獲得了國家國際科技合作項目的支持。生產(chǎn)的發(fā)動機產(chǎn)品為公司的重型載貨汽車整車配套，兼顧提供社會市場配套。[1，2]

1 天然氣壓縮機設計意義及選型

天然氣的開發(fā)，無論是在生活和工業(yè)上的應用都要解決天然氣的運輸和儲存的問題，天然氣的儲存與運輸也成為一個非常重要的環(huán)節(jié)，市場上對于壓縮機的需求也變得越來越大。壓縮機是應用十分廣泛的流體機械，遍布工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防甚至生活各個領域。根據(jù)壓縮機壓縮氣體的原理，壓縮機可分為“容積式”和“動力式”兩大類。容積式壓縮機主要是靠工作腔容積的變化來壓縮氣體；動力式壓縮機是首先增加氣體分子動能然后使動能轉化成壓能；其中容積式壓縮機又可為分“往復式”和“回轉式”。

天然氣作為汽車動力能源是一種非常大的科技進步，它不僅改善了石油能源匱乏的壓力，同時也減少了尾氣排放和處理尾氣的問題。由于天然氣發(fā)動機在開發(fā)過程中需要進行較長時間的性能試驗及耐久試驗，消耗能耗量很大，試驗中要求提供不間斷的供氣。傳統(tǒng)氣瓶倒運及撬罐車運輸均不能很好的滿足開發(fā)試驗需要，綜合考慮上述因素，結合天然氣發(fā)動機的開發(fā)需求，最終選擇了采用活塞式壓縮機進行加壓供氣的方案。[2，8，9]

2 實驗室天然氣加氣站項目背景

華菱星馬汽車（集團）股份有限公司天然氣發(fā)動機實驗室加氣站選用的活塞式壓縮機主要為保證實驗室內天然氣發(fā)動機試驗的正常運行提供不間斷供氣。

實驗室加氣站活塞式壓縮機選用的是撬裝式往復活塞式天然氣壓縮機，它具有耗能少、噪音低、振動小、可靠性高、無油潤滑、操作簡便等特點。加氣站系統(tǒng)設計吸氣壓力0.3MPa，管道設計壓力0.4MPa，排氣壓力2.5MPa，管道設計壓力3.0MPa。天然氣壓縮機站房需給實驗室發(fā)動機提供不間斷供氣，且由于天然氣屬于可燃介質，安全控制相對比較復雜，天然氣站房的安全穩(wěn)定運行是整個實驗室重要的關鍵生產(chǎn)部位之一。

活塞式壓縮機均由交流變頻器控制。通過變頻器可控制壓縮機的輸出壓力，并具備過需方、欠壓、過載和輸出短路等多種保護功能，從而控制調節(jié)供氣壓力。有效避免了憑經(jīng)驗、靠手動就地調節(jié)系統(tǒng)輸出壓力的不足，導致整個系統(tǒng)控制滯后且不精確，節(jié)能效果不大及現(xiàn)場操作存在一定危險性的劣勢，實現(xiàn)了真正意義上的遠程自動控制。[3-7]

3實驗室天然氣加氣站活塞式壓縮機方案設計

3.1 活塞式壓縮機結構特征

壓縮機處在易燃、易爆、高壓和重載的工作環(huán)境中運行，壓縮機的自動化水平高低直接決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟運行指標和安全運行的可靠性。因此，壓縮機系統(tǒng)實行調試、運行自動化的控制管理，以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，采用變頻啟動，系統(tǒng)油壓、電流、氣壓自動監(jiān)控。

本文中選用的活塞式壓縮機為V型兩列活塞式壓縮機，機體（如圖1所示）主要由曲軸箱體、曲軸部件、油泵部件、連桿部件、填料部件、一級活塞部件、二級活塞部件、潤滑、氣路及冷卻系統(tǒng)等組成。曲軸箱（如圖2所示）由灰鑄鐵制成，上面有兩個互成90°的加工平面，并開有兩個直徑相同的孔供安裝十字頭滑道之用。曲軸箱下部可貯存潤滑油供壓縮機使用，并安裝有過濾潤滑油的粗濾油器部件。曲軸箱的兩側面高有手孔蓋，在其中一個蓋上裝有測油桿和加油口。曲軸箱的另兩個端面上開有供安裝軸承、軸承座和油泵的孔，軸承座安裝有骨架式橡膠油封，以便密封曲軸箱內的潤滑油，使其不能向外滲漏。[10，11]

系統(tǒng)曲軸箱（如圖2所示）由灰鑄鐵制成，上面有兩個互成90°的加工平面，并開有兩個直徑相同的孔供安裝十字頭滑道之用。曲軸箱下部可貯存潤滑油供壓縮機使用，并安裝有過濾潤滑油的粗濾油器部件。曲軸箱的兩側面設有手孔蓋，在其中一個蓋上裝有測油桿和加油口。曲軸箱的另兩個端面上開有供安裝軸承、軸承座和油泵的孔，軸承座安裝有骨架式橡膠油封，以便密封曲軸箱內的潤滑油，使其不能向外滲漏。

活塞式壓縮機一級氣缸部件（如圖3所示）是由一級氣缸蓋、一級氣缸、一級氣缸座、一級進、排氣閥及其相關連接件等組成，一級氣缸蓋、一級氣缸、一級氣缸座由灰鑄鐵制成；一級氣缸蓋上對稱布置著兩個吸氣閥孔和兩個排氣閥孔，其上安裝有兩個一級進氣閥和兩個一級排氣閥；一級氣缸上鑄有氣道、水道，供通氣和冷卻氣缸所用。一級氣缸座上也開有兩個一級吸氣閥孔和兩個一級排氣閥孔以及填料筒的安裝孔。二級氣缸部件的結構和一級氣缸部件的結構基本相似。

3.2壓縮機潤滑系統(tǒng)

壓縮機有二個獨立的潤滑系統(tǒng)

1）. 軸承、曲軸、連桿和十字頭導軌潤滑

本系統(tǒng)采用油泵強制潤滑和飛濺潤滑兩種方式。壓縮機主機的軸承、曲軸、連桿采用獨立油泵強制潤滑。潤滑油先經(jīng)過裝在曲軸箱底部的粗濾油器，通過油泵加壓，進入油泵體，調壓后進入精濾體，然后進入位于曲軸箱外部的給油腔內。保持一定壓力的潤滑油經(jīng)過曲軸、連桿上的小孔，潤滑油可到達各潤滑點。曲軸的滾動軸承是通過飛濺油而得到潤滑的。

禁止煤油或汽油沖洗油底殼，以免發(fā)生爆炸危險。

2）. 氣缸潤滑

一、二級氣缸的潤滑是通過氣缸鏡面與填充聚四氟乙烯制成的支承環(huán)，活塞環(huán)之間形成極薄的固體潤滑膜，起自潤滑作用，而不需潤滑油。

3.3壓縮機冷卻方式

壓縮機冷卻形式分為水冷（換熱器）、風冷和油冷三種。本文中的機型采用的是閉式水冷卻系統(tǒng)，主要由一、二級缸座、缸蓋，一、二級氣缸組、一、二級冷卻器組、閥門以及與以上部件相連的水管路等組成。冷卻水水量通過閥門進行調節(jié)，調節(jié)量的大小可根據(jù)壓縮機的排氣溫度來決定，通過水量調節(jié)閥可使水量得到控制，從而保證冷卻水的出口水溫。這樣即避免了氣缸在機器空轉時的過度冷卻，又節(jié)約了冷卻水。

3.4壓縮機控制系統(tǒng)

常規(guī)的壓縮機主要采用單一的繼電器加接觸器的控制方式。這種控制系統(tǒng)控制水平低，由人工進行手動控制，已經(jīng)遠不能滿足設備安全穩(wěn)定運行及發(fā)展的需要。因此，為了適應項目需要，加氣站活塞式壓縮機在方案設計時，充分考慮壓縮機控制系統(tǒng)自動化設計，保證設備根據(jù)試驗需要自動調節(jié)和控制，實現(xiàn)設備的最佳運行狀態(tài)，保持平衡供氣，節(jié)約電能，降低供氣供電成本，確保安全生產(chǎn)。

根據(jù)設計要求及試驗任務需要，結合考慮控制系統(tǒng)的性價比，控制系統(tǒng)選用了Siemens PLC和HMI， HMI與PLC的有效結合，使得現(xiàn)場操作提示、故障提示及報警、運行參數(shù)顯示、控制參數(shù)設定及設備控制和I/O狀態(tài)得以有效顯示。

系統(tǒng)通過防爆壓力變送器對進氣壓力、油壓、水壓、儀表空氣壓力、排氣壓力進行自動控制與保護；并通過防爆溫度變送器對各級排氣溫度進行自動控制與保護。還能對各主、輔電機進行過載、短路、欠壓等保護。系統(tǒng)運行工況圖（如圖4所示）界面力求簡明、精練，操作信息、系統(tǒng)進氣壓力、系統(tǒng)出氣壓力、潤滑油壓力、冷卻水壓力等設備運行關鍵信息均得到有效體現(xiàn)。

4 壓縮機現(xiàn)場調試試驗

壓縮機安裝完畢后，對壓縮機系統(tǒng)進行調試試驗，壓縮機進氣壓力為0.3MPa，壓縮機出口壓力上限為2.5MPa。開機前將氮氣充入機組進氣端，再緩慢打開進氣閥門通入天然氣，并對所有焊接接頭和連接部位進行初次檢查，如無泄漏則手動開啟機組升壓到1.0MPa，繼續(xù)測漏，如無泄漏、異常現(xiàn)象，逐級升壓，直到2.5MPa，保壓30分鐘，然后降到0.3MPa保壓足夠時間進行檢查，如有泄漏，泄壓修復后再按上述規(guī)定重新試驗。

加氣站活塞式壓縮機的正常啟停直接關系到整個實驗室發(fā)動機試驗的正常運行與否，項目竣工調試時，對活塞式壓縮機系統(tǒng)進行了手動/自動開機供氣試驗。試驗選擇了2個試驗間進行發(fā)動機滿負荷試驗，活塞式壓縮機壓力設定為1.6MPa，當壓力加載到設定值后，壓縮機自動進行降頻減載，避免壓力繼續(xù)增大。再通過模式選擇將壓縮機切換成自動模式。觀察發(fā)現(xiàn)壓縮機運行平穩(wěn)。分析整個試驗情況得出：活塞式壓縮機加壓供氣效果明顯，滿足發(fā)動機性能及耐久試驗的要求。 [2]

5 結語

本文主要以安徽華菱星馬汽車（集團）股份有限公司發(fā)動機實驗室天然氣加氣站活塞式壓縮機的設計應用為例做出分析總結?；钊綁嚎s機成功運用于實驗室天然氣加氣站，實現(xiàn)了真正意義上的無人值守，且大大減少了現(xiàn)場操作人員的工作量，提高了實驗室的運行效率，降低了設備故障隱患。變頻器的結合應用使得節(jié)能效果更明顯，從而降低了用氣損耗和電能，降低了企業(yè)能耗成本?？傊?，其在發(fā)動機實驗室天然氣加氣站的成功應用，對同行內的實驗室建設發(fā)展具有重要的意義。

參考文獻

[1] GB50156-2002，汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范[S].

[2] 呂林，劉世鋒，毛開清。螺桿式天然氣壓縮機在發(fā)動機試驗室的設計應用?？萍紕?chuàng)業(yè)月刊，2016，第17期：138-139.

[3] 朱玉峰。往復式壓縮機制冷系統(tǒng)研究。北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[4] 張國輝，李世杰?；钊綁嚎s機設計的基本原則。科技論壇，2000，第六期：117-121.

[5] 活塞式壓縮機設計編寫組。活塞式壓縮機設計。北京：機械工業(yè)出版社，1973.

[6] 王洪偉，李君。壓縮機活塞標斷裂原因分析。材料工程，2009，（12）：35-37.

[7] 林梅?；钊綁嚎s機原理。北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[8] 郁永章。容積式壓縮機技術手冊。北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[9] 馮辛安。機械制造裝備設計。北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[10] SrarovskyL.Solid-Liquid Separation.Butteworths，1977.

[11] Willus C A.Chemical Engineering Progress。1973，（9）.