往復活塞壓縮機余隙調節應用

劉驥(江蘇中能硅業科技發展有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 氣量調節方式

目前，由于往復活塞壓縮機在石油、化工行業的使用越來越多，使用要求也越來越高。由于一些新建裝置的特殊要求，新增加的往復活塞壓縮機還需要滿足不同工況條件下的流量要求，或者應該考慮到新裝置生產一段時間后，生產條件發生微小改變后所引起的流量變化較大的要求，這就需要對往復活塞壓縮機的容積流量進行調節從而能夠滿足新的要求[1]。

1.1 余隙容積調節的方式

目前常用的調節方式多種多樣，各有其優缺點。如何在壓縮機中成功應用并且能夠高效合理的控制壓縮機的余隙容積是目前需要考慮的重要問題。化工用途的往復式壓縮機一般是根據化工需要來進行選擇。活塞機的工作過程就是活塞到最低位置(稱活塞的下止點)時，汽缸吸滿蒸氣。而活塞轉而向上，這時吸、排汽門都關閉，汽缸容積縮小，蒸氣被壓縮，一直壓縮到排汽壓力為止。當壓力達到一定值(大于排汽管內壓力)時，排汽閥開啟，活塞繼續上移，蒸氣排出，一直到活塞上移到最高位置(這位置稱活塞的上止點)時，排汽結束。這樣就要求需要給活塞機流出較大的富余量。但是有時候需要根據實際生產需要進行適當地氣量調節。最為理想的就是對壓縮機進行連續調節，使得能夠按照理想的氣量要求進行工作。

1.2 進、排氣管連通調節

旁路調節是化工生產中被廣泛應用的一種調節方式。主要是通過管路中的旁通閥將機組排出的多余的氣量經管道回流到機組的入口，以滿足生產的負荷要求。在這種調節中，排氣管的旁通管路和旁通閥門與進氣管相連接。調節時只要打開旁路閥，排出的氣體便又回到進氣管路中[2]。壓縮機滿負荷工作，生產裝置不需要多余的氣體經旁路返回壓縮機入口，這種調節方式具有調節方式最簡單、能夠進行連續的氣量調節、同時不改變壓縮機各級的壓縮比、能夠保證機組平穩運行。

1.3 全行程壓開進氣閥調節

全程頂開吸氣閥調節是通過外在的執行機構給吸氣閥一個外力使吸氣閥強制被壓開并保持在壓開的狀態，使壓縮機吸入的氣體全部經吸氣閥返回到入口，此種調節方式具有結構簡單、操作方便、調節過程中氣體只需要克服氣閥開啟和關閉的阻力所造成的低功耗。也是一種被廣泛應用的調節方式[3]。該方式的缺點是只能夠對氣量進行0%、25%、50%、75%、100%的階梯調節、調節范圍有限僅限于粗調節并不能做到精確調節、同時長時間的頂開吸氣閥容易造成吸氣溫度過高。

1.4 部分行程頂開進氣閥調節

部分行程頂開進氣閥調節也叫無級氣量調節。該調節方式依靠的是額外的執行機構，目前國內多采用液壓執行機構，在壓縮機吸氣的過程中打開吸氣閥，在氣體壓縮的過程中適時的撤銷所施加的強制外力造成吸氣閥的延時關閉，使得一部分氣體返回至壓縮機的入口沒有參與壓縮過程。通過對吸氣閥關閉的時間的控制使得機組實現在一定范圍內的負荷的無級調節。該方法節能效果顯著、理論上能夠實現氣量的0%～100%全量程的連續調節[4]。

2 余隙容積調節的原理

現如今的往復式壓塑機通常在幾個常見的構件存在這一定的余隙容積：(1)當一個運行的活塞完成一整個排氣過程時，壓縮機的活塞端面與氣缸內壁之間的間隙V01；(2)活塞機內的氣缸平面與活塞環到端面之間的間隙V02；(3)壓縮機內部氣閥門到氣缸之間的通道內間隙V03，因為氣閥門在壓縮機上的排至方式不同，會影響到容積的值；(4)氣閥本身所具有的容積V04，如閥座的通道、彈簧孔等(通道容積所占比例最大，環形間隙其值甚微)壓縮機的余隙容積，有的是結構上的需要，有的是難以避免的[5]。當氣缸行程容積Vh一定時，余隙容積Vc值越大，相對余隙容積α也越大，λV就越小，即降低了排氣量。

如果壓縮機的余隙連續可調，則壓縮機的排氣量和能耗也連續可調。

3 余隙無級調節裝置結構設計

3.1 余隙無級調節裝置

壓縮機的無級調節是建立在當前的固定調節的基礎上的，能夠在一定的范圍內平滑穩定的改變，同時將活塞機內部的控制余隙的閥門取消，讓余隙的空氣能夠直接連通外部的氣缸[6]。壓縮機的余隙無級調節是專門為往復式壓縮機開發的數字式電液控制風量無級間隙調節控制系統。控制系統通過由可編程控制器(PLC)、電磁換向閥、位移傳感器和伺服缸組成的電液位置控制系統，根據主要控制變量或手動給定的參數，使間隙活塞根據輸入信號線性移動，從而實現對各缸間隙容積變化的良好控制。

3.2 余隙容積的計算和執行機構的設計

執行機構的關鍵是確定增設余隙容積的大小，所以改變壓縮機的排氣量是通過調整缸蓋側余隙容積，進而可確定可調余隙活塞的直徑和行程。對于多級壓縮機而言，一級氣缸余隙容積對壓縮機的排氣量和功耗起決定作用，一級氣缸余隙容積減少時，排氣量和功耗都增大。后級的余隙容積對排氣量影響較小，主要用于調節壓縮比。當一級氣缸余隙容積減少時，如果二級氣缸余隙容積不跟隨變化，則一級壓比增大，二級壓力比減小，會使一級排氣溫度升高。同理，當一級氣缸余隙容積增大時，如果二級氣缸容積不跟隨變化，會使二級壓力比升高，二級排氣溫度升高。因此，余隙無級調節排氣量時各級要均衡調節。

4 余隙容積變化后對壓縮機主要參數及其性能影響分析

余隙容積變化時，壓縮機的容積效率、排氣系數及氣體活塞力等參數會隨之變化。

4.1 容積效率ηv

容積效率就是實際排氣量與氣缸行程容積之比。排氣量降低，容積效率也隨之降低，氣缸容積利用率降低。

4.2 排氣系數λ

式中：(3)知λV、λP、λT和λ1分別為余隙容積數、壓力系數、溫度系數和泄漏系數。

很明顯，減少額定排氣量主要是通過減少排氣系數中的余隙容積系數而來，但λV的變化，對λP、λT和λ1也會有影響[7]。

4.2.1 λP的變化

氣缸蓋側增設補充余隙容積后，余隙容積的增加和進、氣量的減少，進、排氣的阻力損失和氣閥的壓力損失都會相應有所降低，進、出口氣閥處壓力脈動也會變小，這些都會使壓力系數有所增加。

4.2.2 λT的變化

余隙容積增大后，隨著排氣量降低，氣缸內氣體熱和摩擦熱被氣體帶走的量會有所減少，進氣溫升會升高，所以溫度系數會變小。

4.2.3 λ1的變化

泄漏系數λ1是表示氣閥、活塞環、填料及其管道、附屬設備等因密封不嚴而產生的氣體泄漏對排氣量的影響。顯然，余隙容積的增加只會影響到氣閥和活塞環的泄漏量的變化。如圖1余隙容積由Vc增至Vc′后，壓縮曲線由1-2變成1-2′，膨脹曲線由3-4變成3-4′，可見壓縮過程中，平均壓力有所降低，而膨脹過程中平均壓力有所增加，氣閥和活塞環的泄漏量隨著差壓變大而增加，對雙作用缸來說，在壓縮和膨脹過程中，余隙容積增加都會使活塞兩側差壓略有降低，而氣閥大都是由等同數進、出口氣閥組成，所以活塞環泄漏有所降低，氣閥泄漏變化可視為不變。因此，泄漏系數λl因余隙容積變大，會有所變大。

圖1 附加余隙容積時的示功圖

4.3 軸功率變化

余隙容積增加使經過氣閥氣量減少和平均流速降低，進出口氣閥壓損隨之降低。不同排氣量和出口壓力壓縮機，隨著余隙容積的增加，排氣量和軸功率都會減小，軸功率降低的百分比略等于排氣量減少的百分比。各級壓比不變，排氣溫度也不變。但氣體和綜合活塞力及反向角隨余隙變化而變化，特別是潤滑油改質新氫壓縮機第四級缸在100%負荷時反向角為58°，80%負荷時為26°，60%負荷時無反向角，即反向角為0，這就說明在排氣壓力較高，活塞桿與氣缸直徑相差不大時，余隙容積增大會較大改變活塞桿受力和受力方向。這級氣缸就不能用可變余隙調節方法調節氣量。

5 結語

文章通過研究往復式活塞壓縮機的余隙容積，得出相應的容積大小對于活塞壓縮機的影響，余隙容積過大會使壓縮機的生產能力和效率急劇下降。因此，在保證壓縮機安全運行的前提下，余隙容積應盡可能小，但余隙容積過小會增加活塞與答氣缸端蓋相碰撞的危險性，所以決定余隙容積的大小還應該首先考慮到安全運行的要求。文章基于此得出相應的壓縮機余隙調節方法，能夠較好地控制壓縮機余隙的容積。