高壓氣體壓縮機的排污系統設計分析

趙越凡　郭志飛　孫立濤

摘要：文章闡述了高壓氣體壓縮機的排污系統設計，主要是以氣動閥結構的高壓空氣壓縮機的排污系統為研究的對象。通過對氣動閥的工作過程進行了分析和描述，還對氣動閥芯的受力方面進行了探究。從而提出了高壓氣體壓縮機的排污系統設計方法。同時，還對高壓氣體壓縮機在排污過程中的負荷變化特性進行了分析，并提出排污系統的重要作用以及相關零部件的設計。證明了高壓氣體壓縮機的排污系統的可靠性與可行性。

關鍵詞：高壓;氣體壓縮機;排污系統;設計分析;研究

前言：高壓氣體壓縮機排污系統的設計，是保障壓縮機穩定工作的前提。因此，高壓氣體壓縮機的排污系統設計，必須要滿足對壓縮機的冷卻系統及后處理系統等方面進行正常的排污。而如果高壓氣體壓縮機的排污系統不能夠及時的進行排污，可能會導致壓縮機所壓縮的氣體蘊含積碳，甚至會出現液擊的問題，導致壓縮機故障。所以，高壓氣體壓縮機的排污系統研究，不僅需要加強對壓縮機排污過程中壓縮機負荷變化特性進行探索，還需要加強對其排污系統以及關鍵的零部件設計進行設計。從而使得高壓氣體壓塑機的排污系統在正常的工作狀態下，不僅保障壓縮機的穩定工作，還可以實現其可行性、可靠性。

一、現階段高壓壓縮機的幾種排污方式

高壓壓縮機的排污方式通常有4種：第一，通過手動的方式截止閥進行排污;第二，當處于低壓級時，利用疏水閥進行排污，當處于高壓級時，可以利用手動截止閥的方式排污;第三、利用電磁閥進行排污;第四，當低壓級時可以利用電磁閥進行壓縮機排污，當處于高壓級時可以利用氣動閥進行排污。同時，壓縮機的排污方式中，電磁閥排污的方式自動化程度相對較高。而氣動閥排污方式相對比較穩定、可靠。因此多被用于高壓環境當中。此外，高壓時，國產的電磁閥性能并不穩定，所以在進行高壓氣體壓縮機的排污系統設計方案中，會采用電磁閥與氣動閥兩者聯合的形式進行排污，構建一種相對比較先進又易于實現排污的方法。

二、高壓氣體壓縮機的排污系統描述

首先，高壓氣體壓縮機的排污系統設計，一般常規的排污系統其控制單元主要手動與自動兩種方式。而手動的排污結構，相對比較簡單，性能方面也相對比較可靠。但通常手動方式壓縮機排污系統會涉及到氣體的多級壓縮，以及各級氣體的排污。特別是在高壓之下的氣體，進行手動排污時，必然會存在一定的風險問題。比如說勞動程度過強等。其次，通過自動的方式促使壓縮機自動排污。而該排污方式的結構，是對排污系統中電磁閥或者氣動閥等結構應用的基礎上，從一定程度上提高壓縮機排污系統的安全性與自動化水平。然而，現階段高壓氣體壓縮機的排污系統設計，大部分都是采用這兩種控制單元方式，通過不同方式的組合實現壓縮機的排污，從而保障高壓氣體壓縮機在正常工作過程中的穩定性。

例如：以某型號高壓壓縮機的排污系統為例。當高壓壓縮機處于前三級程度時，通過手動閥與電磁閥進行壓縮機排污。那么，第IV級、第V級的排污方式則是手動閥和氣動閥方式。不過，為了更好的促進高壓壓縮機排污出現噴濺現象，降低高壓級排污產生的噪聲，保護環境。一般就會將各級的排污物通過各自的排污管，利用集污器進行收集之后。最后，通過統一的方式利用總管將排污排放到相對安全的地方。同時，各級的自動排污閥前，會有串聯備用的排污系統截止閥。當壓縮機的排污系統正常工作時，該截止閥則就處于全開狀態。當壓縮機排污系統的自動閥出現失靈的現象，就可以通過手動的方式，推動排污系統的截止閥進行人工排污。具體見圖表1。

三、高壓氣體壓縮機的排污系統設計分析

由上圖表1中所展示的高壓壓縮機的排污系統為例，當Ⅰ級、Ⅱ級排污時，可以利用電磁閥進行直接排污。當排污系統在Ⅲ級、Ⅳ級以及Ⅴ級時，就可以利用排污系統的氣動閥和電磁閥實施排污。同時，還可以結合PLC控制系統，實現對壓縮機排系統各級的排污閥的開啟與關閉。當壓縮機排污的時間間隔與各級排污閥開啟的時間，均是通過季節的變化進行調整的。同時，也是實現排污系統的自動控制。因此，在進行壓縮機排污系統設計過程應當注重對氣動閥的設計。

（一）排污系統中氣動閥的設計及其工作原理

首先，高壓氣體壓縮機排污系統設計過程中，其主要零部件氣動閥的結構設計，主要包含了起到氣動閥的閥體、閥芯以及氣動閥閥座和升程限制器、密封圈等連接件相互組成。其次，氣動閥在工作過程當中，通過氣動閥的閥芯對于其閥體的運動，可以實現控制閥門口的通斷以及開度大小。并實現對介質方式、壓縮機壓力以及流量等方面的控制。具體見圖表2所示。當高壓氣體P2通過壓縮機排污系統中氣動閥的閥座作用于氣動閥閥芯的底部時，低壓氣體P1則會從氣動閥的上端開始作用于氣動閥的閥芯上部。當壓縮機在正常狀態下工作時，P1和P2兩點的共同作用，會促使整個氣動閥的閥體處于密封狀態。但當電磁閥進行控制的低壓級排污時，P1的作用力會大大降低。而此時的氣動閥的閥芯會在壓力P2的作用下，逐漸脫離氣動閥的閥座，從而最終實現壓縮機的排污。然而，當高壓氣體壓縮機排污時，壓力P1和P2就會隨著壓力逐漸降至排污背壓Pb1。和Pb2。當壓縮機排污結束之后，低壓級的排污電磁閥就會快速閉合。但當壓力P1增加時，在P1的作用下，氣動閥的閥芯就會逐漸向氣動閥的閥座方向進行運動，一直到整個氣動閥的閥體實現密封為止。同時，當壓力P2快速上升時，短時間中，PI和P2就會上升到正常的工作壓力，從而完成高壓氣體壓縮機的排污循環，最后，壓縮機恢復到正常輸氣的工作狀態。

（二）排污系統中氣動閥力學分析及計算

壓縮機排污系統中的氣動閥在工作狀態下，不僅需要充分考慮4個壓力對氣動閥閥芯的作用，同時還需要正確認識到氣動閥的計算。F1為低壓氣體P1從氣動閥的頂部作用于氣動閥的閥芯頂端的作用力。F2為高壓氣體P2從氣動閥額閥座作用于閥芯底部的作用力，G為氣動閥的閥芯重力。當氣動閥的閥芯向下時，控制氣體的作用力計算方式則為F1= D02P1，向上時，高壓氣體壓縮機的排污氣體作用力則為F2= d20P2，當氣動閥的閥芯與閥體兩者之間的靜摩擦力為Fm時，其方向是變化的。并且，與氣動閥的閥芯運動處于相反。

如圖表3中所示，

如果，壓縮機處于低壓級時，排污系統的電磁閥就會關閉，但是高壓級時，排污系統的氣動閥并未關閉。只有當p1接近或等于相隊的壓力時，高壓氣動閥才會關閉。因此，由此加減，高壓氣體壓縮機排污系統設計過程中，對于電磁閥以及氣動閥排污的過程通過分析可知，想要實現高壓氣體壓縮機正常排氣工作，實現壓縮機正常排污。就需要氣動閥保持密封性、以及開啟或關閉等工作狀態。而只有結合氣動閥的工作壓力以及相關結構參數之間的關系，才可以確定氣動閥用于高壓氣體壓縮機排污系統設計的合理性。

（三）壓縮機排污系統的改進

當前現有的高壓氣體壓縮機排污系統，主要分為三種，CZS型空氣壓縮機、CCS型空氣壓縮機以及LHC型空氣壓縮機等高壓壓縮機排污系統。第一，CZS型的壓縮機，采用了串聯電磁閥和氣動閥構成排污系統。在壓縮機同時排放或同時泄壓時，對單的作用小、排量的空氣壓縮機組實用性相對簡單。但當壓縮機的壓力過低時，高壓級氣動閥若是不能夠及時打開，那么壓縮機啟動時就會出現延時、關閉等現象。第二，CCS型壓縮機排污系統，采用了類似的串聯電磁閥和氣動閥，構成排污系統。然而，受壓縮機排污系統氣動閥的壓力及引自機組本身低壓級電磁閥的影響。在壓縮機氣動閥控制排污的時，一但低壓部分電磁閥關閉不嚴，就會造成壓縮機的排污氣動閥滯后關閉，從而影響到高壓段的排污。第三，LHC型壓縮機排污系統，采用低壓級電磁閥方式直接實施壓縮機排污。而高壓級通過采用單氣路控制各級氣動閥，其排污系統的電磁閥、氣動閥結構，不僅克服了延時關閉問題和高壓氣動閥排污滯后情況，還達到有效排污的目的。不過，該排污系統一旦電磁閥、氣動閥出現關閉不嚴的狀況，就會導致系統無法在線維修。

具體情況如圖表4所示，當出現任意一排污單元的壓力時，其壓縮機的排污系統可以分為4個時間段。而壓縮機的排污時段，則為排污系統的排污閥開啟狀態，則壓縮機實施排污。在壓縮機中的液體沒有排凈時，壓力也沒有得到相應的降低。當壓縮機壓力泄壓一段時段后，在進行排氣，則可能會由于排污系統排污閥前后的壓力差距過大，導致壓力快速下降。當泄壓之后，壓縮機排污前后，壓力差處于相對平衡的狀態，而壓力不再降低。恢復時段，壓縮機的排污系統排污關閉之后，壓縮機依然會運轉工作，因此這時壓力就會恢復到排污前的狀態。

然而，現有的高壓氣體壓縮機的排污系統的工藝，一般都是通過PLC自動控制程序所設定的定時排污時序。然而，如果僅考慮壓縮機排污系統的排污閥開啟與關閉的時間間隔，吹除時段時間過長，就會造成能量的過多消耗。并且，其壓力上升降卻取決于壓縮機排污系統中排污單元的設計。排污閥通徑越大，壓力平衡點就越低，造成能量消耗過多的現象。因此，結合壓縮機排污系統的排污壓力大小，可以確定排污閥的通徑，并進一步對PLC控制系統進行調整排污的時間與排污時間的間隔。并通過程序設計來實現氣動閥的自動關系。如圖表4中所展示的時間斷，在不同的壓力，自動選擇壓縮機排污系統排污的提前關閉。以此減少壓縮機能量的損失，提高其的充氣效率。此外，高壓氣體壓縮機的排污系統設計，在線維修相對比較困難。因此，串聯排污系統改為并聯壓縮機排污系統，改進后的壓縮機排污系統，雖然管路制作相對更加復雜，成本有所提升，但可以更好的改善高壓氣體壓縮機的排污情況。

四、排污系統設計的應用實例及運行參數

圖表5 某高壓氣體壓縮機的排污系統運行狀況以及排污情況

以某高壓氣體壓縮機的排污系統為例，當高壓氣體壓縮機的排污系統處于正常工作狀態時，其排污工作運行的參數如上圖表5。當壓力處于Ⅰ級、Ⅱ級以及Ⅲ級時，通過PLC控制系統的電磁閥就會進行排污。當高壓壓力處于Ⅳ級時，氣動閥就會自動進行排污。同時，當壓壓縮機在正常排污過程中，通過相應參數進行排污，對其可靠性與耐久性實驗，可以發現壓縮機的排污效果均能達到高壓活塞氣體壓縮機的相關要求。而現階段，壓縮機排污系統已經被廣泛的應用在多個地方，因此，高壓氣體壓縮機的排污系統設計能夠實現正常工作。不過，在高壓氣體壓縮機的排污系統設計方案中，排污系統中氣動閥的設計應當滿足與相應的條件。

結語：綜上所述，傳統的壓縮機的排污系統，在排污時會頻繁的負荷。并在加載時會導致機組的運行短期出現不穩定的現象。因此，壓縮機的排污系統設計如果不合理，會導致充氣的效率大大降低，而排污系統的故障還會對壓縮系統造成巨大的影響。所以，高壓氣體壓縮機的排污系統設計，對于抵押級排污電磁閥的選擇方面要合理化。保障高壓氣動閥在工作時的可靠性，同時還需要考慮電磁閥與氣動閥設計的合理性，以此來增加排污系統的靈敏性，從而到達排污的目的。

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作者簡介：趙越凡（1988.6），男，漢族，河北邢臺人，碩士，講師，從事機械工程、智能制造研究。

郭志飛（1988-），男，漢族，河北邢臺人，碩士，工程師，主要研究方向：機器視覺、計算機圖形學。

孫立濤（1991.6），男漢族河北省邢臺市人，碩士，助教，從事智能控制、科研信息化。