往復式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術的研發與應用

顧興坤，劉燕，顧曉偉

(1.山東易陽石化節能裝備有限公司；2.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061)

1 概述

往復式活塞式壓縮機在石油煉制、化工、化肥、冶金等行業應用廣泛，它不僅是眾多種類工藝生產裝置的關鍵設備，承擔著壓縮并輸送工藝介質的重要任務，同時還是工藝裝置中的高耗能設備，其耗電量約占整個裝置耗電量的30%左右。其高耗能的一部分原因是設計排氣量負荷大于工藝生產裝置所需氣量，而用戶的主導思想仍以調節壓縮機排氣量、穩定系統管網壓力為首選，在節能降耗方面考慮較少，目前的工藝生產裝置設計中也依然以慣用的旁路調節氣量系統為主。

旁路調節系統雖然在調節壓縮機排氣量和穩定系統管網壓力方面確實起著重要作用，但該系統自身需耗用大量的循環冷卻水，以實現對回流的高溫高壓介質降溫降壓到壓縮機入口要求的工藝條件，屬于耗能型調節氣量系統。

21世紀90年代末，我國引進了奧地利賀爾碧格公司的部分行程頂開進氣閥無級調節氣量系統。該技術氣量調節范圍名義上介于20～100%，但絕大多數壓縮機適宜在50～100%范圍內調節其排氣量、實現節能。該系統有5%左右的氣體阻力損失、節能效率在95%以下，結構相對復雜、控制精度要求高、操控繁瑣、氣閥維修或更換頻繁、運行維護費用太高、價格昂貴。

對往復式壓縮機容積流量的調節應盡量實現流量的連續調節，使容積流量隨時和耗氣量相等；對微小型壓縮機，調節系統力求簡單、操作方便、工作可靠；對中大型壓縮機，調節工況的經濟性要盡可能高。

針對以上技術中仍存在的一些不足和缺陷，山東易陽石化節能裝備有限公司（以下簡稱“山東易陽”）研發了往復式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術，其首套和第二套中試產品于2013年11月、12月分別在中國石油化工股份有限公司滄州分公司的重整裝置預加氫增壓機C2101B和硫磺回收裝置硫磺3號壓縮機上得到應用，均取得了良好的經濟效益和社會效益。

往復式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術原理是將壓縮機氣缸蓋改造為余隙容積無級調節裝置，利用余隙缸體和余隙活塞形成的可變余隙容積腔，與壓縮機氣缸直接相通，以改變壓縮機的吸氣量，實現排氣量的調節并實現節能；該裝置是通過液控系統和電儀自控系統智能伺服驅動余隙活塞，使得余隙容積無級可調，從而實現壓縮機排氣量的無級自動實時調節控制。

2 余隙無級調節氣量節能系統研發

2.1 節能系統組成

節能系統由執行子系統、液控子系統、電儀自控子系統和泄漏監測子系統組成，其工藝路線示意圖如圖1所示。

執行子系統采用液壓式結構，它由液壓腔、余隙容積腔、泄漏監測腔、冷卻腔構成，其中余隙容積腔由余隙活塞、余隙缸筒組成。

液控子系統由油箱、電機、油泵、蓄能器、換向閥組等組成。

電儀自控子系統由可編程邏輯控制器（PLC）、AD/DA模塊及控制邏輯程序等組成，它可以根據主控變量或通過手動給定參數、調節控制余隙活塞位置以實現調節余隙容積大小，最終實現壓縮機排氣量的控制。

圖1 ACCV2.2余隙無級調節氣量節能系統工藝路線示意圖

泄漏監測子系統的功能是監測余隙活塞密封組件是否失效，其構成源自執行子系統和電儀自控子系統中監測泄漏的結構部分。

2.2 研發過程所取得的知識產權成果

節能系統的研發內容涵蓋了上述子系統組成的軟硬件部分，已獲得了13項獨立知識產權，如表1所示。

2.3 節能技術改造實施方案

節能系統在原壓縮機系統的基礎上實施配置，其具體實施方案為：將壓縮機原氣缸蓋改換為余隙無級調節氣量執行子系統；新增1套多回路的液控子系統；新增1套電儀自控子系統；新增1套泄漏監測系統；新增1批配套的動力電纜及信號電纜和配套的安裝施工材料等。改造實施后的實物圖如圖2所示。

圖2 余隙無級調節氣量節能系統實物圖

3 余隙無級調節氣量節能技術應用

目前有10幾套余隙無級調節氣量節能技術產品投入了中試試驗及實際應用，表現出較強的技術領先優勢。

3.1 應用情況統計

表2給出了部分余隙無級調節氣量節能系統節能統計數據。

3.2 節能系統的技術應用特點

通過應用實踐，得出該節能技術具有如下特點。

（1）節能效果顯著。充分利用余隙容積的儲能作用，在調節范圍內，壓縮機排氣量與指示功基本成線性正比關系。余隙容積腔直接與壓縮機氣缸相通，進出余隙容積腔的氣體幾乎沒有阻力損失，節能效率近于100%、優于部分行程壓開進氣閥調節技術。

（2）調節范圍寬。對單作用氣缸的往復機，節能系統可實現壓縮機排氣量在0～100%范圍內無級調節；對雙作用氣缸的往復機，可實現壓縮機排氣量在50～100%范圍內無級調節。

（3）壓縮機輸出氣量穩定。并可實現壓縮機的平穩加載或減載及壓縮機間的無沖擊切換。具有降低壓縮機原有振動和原有運行噪音的特點；同時還改善了往復件的運行環境，減小了往復件的摩擦力、提高了往復件的使用壽命，降低了壓縮機系統的運行維護費用?？梢栽诓煌嚎s機系統狀況下進行自身系統的維修或維護，好于部分行程壓開進氣閥調節技術。

表1 余隙無級調節氣量節能技術知識產權統計表

表2 部分余隙無級調節氣量節能系統節能統計數據

此外系統參數設置靈活簡單，有多種參數設置模式，如按鍵設置模式、無線鼠標設置模式；控制技術成熟可靠，操控模式多樣，有手動控制、半自動控制和遠程DCS自動控制3種操控模式選擇，以適應系統在不同環境下的操作控制要求；系統采用單元獨立模塊化結構設計、制造，安裝施工簡單、快捷，便于在壓縮機不停機狀態下進行余隙調節系統的維修、維護和保養；系統性能優越、安全可靠性高、系統自身的能耗低、使用壽命長、基本免維護等；系統的運行和維護費用低，低至年平均費用約為1～2萬元，遠不及部分行程頂開進氣閥系統一個氣閥的材料費用；整機改造費用遠遠低于部分行程壓開進氣閥調節系統。

4 結語

通過對余隙無級調節氣量節能技術在往復活塞式壓縮機的研發與應用，實現了雙作用往復活塞式壓縮機容積流量在50～100%負荷范圍內，單作用往復活塞式壓縮機容積流量在0～100%負荷范圍內的連續無級調節。該技術使得壓縮機排氣量和管網壓力易于調整和控制且輸出氣量穩定，操作平穩，降低了壓縮機系統的運行和維護費用，提高了壓縮機系統的使用壽命等。

經應用客戶標定和5年來的技術產品實踐應用，節能效果顯著，獲得的節能效率接近100%，年節電量和年二氧化碳減排量效益顯著；同時，可降低往復活塞式壓縮機系統的級間冷卻器的負荷，關閉旁路調節系統，節約大量循環冷卻水；對某些壓縮機系統，還可以減少入口氣體對加熱爐瓦斯的消耗，間接節能降耗效益突出。

往復式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術適用性強、應用范圍廣，它適用于所有應用往復式活塞式壓縮機的場合，其主要應用行業有石油石化、天然氣、煤化工、焦化、苯加氫、化肥、冶金、食品等眾多行業，具有較強的推廣應用價值。