往復(fù)式壓縮機(jī)能效優(yōu)化分析

楊 菁

(中石化洛陽工程有限公司 設(shè)備室，河南 洛陽 )

往復(fù)式壓縮機(jī)能效優(yōu)化分析

楊 菁

(中石化洛陽工程有限公司 設(shè)備室，河南 洛陽 )

節(jié)能減排是目前世界上最熱門的話題，本文根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)組設(shè)計經(jīng)驗，分析了往復(fù)機(jī)的能效轉(zhuǎn)化過程，提出了降低機(jī)組能耗的一些措施，對往復(fù)式壓縮機(jī)的設(shè)計有一定借鑒作用。

往復(fù)式壓縮機(jī)；能耗；優(yōu)化

往復(fù)式壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，它依靠改變工作腔容積來提高氣體壓力。這類壓縮機(jī)具有裝盛氣體的氣缸及壓縮氣體的活塞，氣缸上裝有控制進(jìn)、排氣的閥門。當(dāng)活塞作往復(fù)運動時，氣缸容積周期性地變化，在氣閥的配合下，實現(xiàn)氣體的吸進(jìn)、壓縮、排出和膨脹過程。

往復(fù)式壓縮機(jī)在石油化工企業(yè)應(yīng)用十分廣泛。

其主要優(yōu)點：

(1)適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達(dá)到所需壓力；

(2)熱效率高；

(3)適應(yīng)性強(qiáng)，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響；

(4)對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工較容易，造價也較低廉。

缺點：

(1)轉(zhuǎn)速不高，機(jī)器大而重；

(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修量大；

(3)排氣不連續(xù)，造成氣流脈動；

(4)運轉(zhuǎn)時有較大的振動。

1 能量轉(zhuǎn)化分析

1.1 級的實際工作循環(huán)

被壓縮氣體進(jìn)入工作腔內(nèi)完成一次氣體壓縮稱為一級。每一級由進(jìn)氣、壓縮、排氣和膨脹過程組成，完成一次這樣的過程稱為一個工作循環(huán)，如圖1所示。

1-2為進(jìn)氣過程，活塞從外止點到內(nèi)止點運動，吸氣閥打開，氣體進(jìn)入氣缸，當(dāng)活塞運動到內(nèi)止點時，吸氣結(jié)束。由于要克服進(jìn)氣閥及氣體通道的阻力損失，因此氣缸內(nèi)的吸入壓力要低于管道中的壓力。

2-3為壓縮過程，活塞自內(nèi)止點向外止點運動，氣體受到壓縮，并隨著工作腔容積的不斷減小壓力不斷提高，直到壓力達(dá)到排出壓力。

3-4為排氣過程，氣體繼續(xù)被壓縮，直到能打開排氣閥，開始排氣，活塞到達(dá)外止點，排氣結(jié)束。由于氣體排出氣缸要克服排氣閥及氣體通道的阻力損失，因此氣缸內(nèi)的排出壓力要高于管道中的壓力。

4-1為膨脹過程。排氣終了剩余在余隙容積中的高壓氣體在吸氣過程中繼續(xù)膨脹，直至能打開吸氣閥為止。

圖1 級的實際循環(huán)指示圖

1.2 級的能量損失

往復(fù)式壓縮機(jī)是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為靜壓能與動能的機(jī)械。氣體進(jìn)出氣缸經(jīng)過濾清器、氣閥、氣缸、冷卻器、油氣分離器、管道等一系列阻力元件，從而產(chǎn)生流動阻力損失。

從原動機(jī)獲得的能量，即軸功率，其中一部分有用的能量使氣體的壓力得以提高，而另一部分則是損失的能量，它是必須付出的代價。

1.2.1 氣閥損失

氣閥是控制氣體進(jìn)出氣缸的部件，是易損部件之一。氣閥的好壞直接影響壓縮機(jī)的排氣量、功率消耗及機(jī)器運行的可靠性?；钊舷峦鶑?fù)運動一次，吸、排氣閥各啟閉一次。

影響氣閥損失的因素有：①氣閥流通面積。流通面積越小，流速越大，阻力損失相應(yīng)增大；②彈簧力。彈簧力過強(qiáng)會引起閥片在閥座和升程限制器中振動，使流通面積時大時小，導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體壓力波動；彈簧力過弱會導(dǎo)致氣閥關(guān)閉延遲，如圖2所示。③氣閥的磨損。主要表現(xiàn)在氣閥啟閉過程中，在氣體撞擊力作用下，閥片、閥座和升程限制器的相互磨損，閥片和導(dǎo)向塊接觸處的磨擦磨損及閥片和彈簧間的接觸磨損等。這些磨損均會造成摩擦能量損失。

設(shè)計過程中，可以采用特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)替代傳統(tǒng)的金屬制作閥片。聚醚醚酮樹脂是一種新型特種高分子材料，也被稱為超耐熱性熱可塑性樹脂，是一種結(jié)晶性、不透明、淺茶灰色的芳香族系超耐熱性塑脂[1]。

與金屬閥片相比，PEEK閥片可設(shè)計成較大的升程，增加流通面積，從而降低氣閥功耗，提高氣閥效率；塑料與金屬的密封面貼合密封性能良好；通流特性較好，因氣流摩擦引起的能量損耗降低。氣閥能耗降低可達(dá)10%～15%，使排出氣體的溫度下降，能有效降低壓縮機(jī)的能耗。

圖2 氣閥起閉工作過程及彈簧力不當(dāng)?shù)墓ぷ髑€

1.2.2 泄漏損失

(1)氣閥泄漏：氣體得不到充分壓縮就排出，吸氣時又漏到氣缸中如此反復(fù)循環(huán)，影響了下一級的吸收，本級吸收的新鮮氣體就減少。

(2)活塞環(huán)泄漏：如活塞環(huán)斷裂、磨損過大時，壓縮時氣體會漏到吸氣端或平衡缸，吸氣時又漏回來，影響排氣量。

(3)填料泄漏：填料磨損過大時，高壓氣體就會從填料處大量泄漏到大氣中。

2.2.3 機(jī)械損失

機(jī)械損失：軸承、密封、聯(lián)軸器的機(jī)械摩擦損失。

2 氣量調(diào)節(jié)方式與能耗關(guān)系

現(xiàn)今新設(shè)計的煉油企業(yè)生產(chǎn)彈性很大，往復(fù)機(jī)使用過程中，往往要滿足不同工況的氣量要求，當(dāng)工藝過程所需氣量小于壓縮機(jī)實際排氣量時，就需要對壓縮機(jī)的排氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使壓縮機(jī)的排氣量適應(yīng)耗氣量的要求。因而采用何種方式進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，就成為一個需要認(rèn)真考慮的問題。

氣量調(diào)節(jié)方式的選擇，不僅要考慮到設(shè)備一次性投資的多少，還要考慮到長周期運行能耗的高低和成本的大小，在保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn)的前提下，盡量降低能耗是工程設(shè)計的首要任務(wù)。

2.1 氣量調(diào)節(jié)原理

氣量調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)是容積流量公式：

(1)

只要改變式(1)中任何一個量，容積流量即可改變。但是，氣缸直徑無法改變；在曲柄連桿驅(qū)動的壓縮機(jī)中，行程也不能變；所以，實際上只有各系數(shù)和轉(zhuǎn)速可以改變，并且除溫度系數(shù)因經(jīng)濟(jì)性差不采用外，其它都可用來調(diào)節(jié)氣量。

2.2 常用調(diào)節(jié)方式對比

2.2．1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，因為原動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以連續(xù)地改變，所以可比較方便地實現(xiàn)連續(xù)的排氣量調(diào)節(jié)，并且壓縮機(jī)上不需設(shè)專門的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其缺點是受原動機(jī)本身性能的限制，低于額定轉(zhuǎn)速時，效率低；轉(zhuǎn)速低時進(jìn)氣速度降低，氣閥工作可能會出現(xiàn)不正常；對潤滑、振動影響大。

2.2．2 旁路調(diào)節(jié)

將排出的氣體通過旁路管線和旁通閥全部或部分返回進(jìn)氣管，實現(xiàn)容積流量調(diào)節(jié)。圖3所示的是末級排氣返回一級人口的方案，也是目前較為廣泛采用的一種旁路調(diào)節(jié)方式[2]。

圖3 氣量旁路調(diào)節(jié)流程示意圖

2.2．3 余隙容積調(diào)節(jié)

氣缸設(shè)置補助余隙裝置，連通余隙改變相對余隙和容積效率來調(diào)節(jié)氣量。

補助容積有不變與可變兩種。不變?nèi)莘e，只能調(diào)節(jié)到某一固定值，范圍在氣量的85%～100%內(nèi)確定，此法工程上采用較多；可變?nèi)莘e可分級調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)過程較復(fù)雜，工程上采用較少。

2.2．4 壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

利用一個壓開裝置，把進(jìn)氣閥強(qiáng)制地壓開，使進(jìn)氣閥全部地或部分地喪失正常工作能力，也即使壓縮機(jī)吸進(jìn)的氣體，因進(jìn)氣閥片不能自動關(guān)閉而在壓縮和排氣行程又重新回到進(jìn)氣管，借以達(dá)到調(diào)節(jié)氣量的目的。

2.2．5 常用調(diào)節(jié)方式的性能比較

常用調(diào)節(jié)方式的性能比較見表1。

表1 常用調(diào)節(jié)方式的性能比較

在工程設(shè)計中，常用的是賀爾碧格公司的HydroCOM 全行程氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。HydroCOM系統(tǒng)參考了大型柴油發(fā)動機(jī)中噴射部件的技術(shù)，并結(jié)合智能控制技術(shù)，通過液壓傳動裝置使壓縮機(jī)在壓縮過程中，進(jìn)氣閥成為受控氣閥，即通過延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥的方式，使氣缸中的部分氣體返回進(jìn)氣腔，從而實現(xiàn)在部分行程壓開進(jìn)氣閥的氣量調(diào)節(jié)方式。

圖4 HydroCOM系統(tǒng)省功P-V圖

如圖4所示，當(dāng)氣缸進(jìn)氣終了時，進(jìn)氣閥的閥片在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下仍被卸荷器強(qiáng)制地保持開啟狀態(tài)，壓縮過程并不沿原壓縮曲線由位置C到位置D，而是先由位置C到達(dá)位置Cr，此時原本吸人氣缸中的部分氣體經(jīng)被頂開的進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣管而不被壓縮；待活塞運動到特定的位置Cr(對應(yīng)所要求的氣量)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)使頂開進(jìn)氣閥片的強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置Cr到達(dá)位置Dr。這樣就能實現(xiàn)只對實際需要的氣量進(jìn)行壓縮，能最大限度地節(jié)省能源。其調(diào)節(jié)范圍較廣，一般可做到10-100%的無級調(diào)節(jié)氣量，從而使機(jī)組的操作工況真正可以根據(jù)工藝變換實時自動調(diào)節(jié)[3]。

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次性投資較大，但氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能非常明顯，特別是對工藝系統(tǒng)波動大及裝置部分負(fù)荷(尤其是80%負(fù)荷以下)時節(jié)能效果明顯。

3 其他節(jié)能措施

(1)進(jìn)氣壓力提高，則原動機(jī)能耗降低。采用高效的過濾器、生產(chǎn)操作上定期除灰使過濾器的阻力控制在設(shè)計范圍內(nèi)是壓縮機(jī)節(jié)能的重要途徑。

(2)壓縮機(jī)的機(jī)械效率提高，則能耗降低。但壓縮機(jī)的機(jī)械效率主要是由壓縮機(jī)的設(shè)計、制造、安裝決定的，當(dāng)壓縮機(jī)處于正常運行時，該參數(shù)變化不大。

(3)壓縮機(jī)的等溫效率提高，則能耗降低。壓縮機(jī)的等溫效率與操作條件有著非常密切的關(guān)系。所以在操作中重點是確保氣體在級間冷卻器得到充分冷卻，使壓縮機(jī)盡量趨近于等溫壓縮，有效提高壓縮機(jī)的等溫效率，降低壓縮機(jī)能耗。

4 結(jié)束語

設(shè)計中，選用聚醚醚酮(PEEK)制作閥片，并根據(jù)裝置的工藝操作要求，選擇合適的氣量調(diào)節(jié)方法，對裝置的節(jié)能降耗及提高壓縮機(jī)的運行可靠性有著深遠(yuǎn)的意義。

[1] 王永恒. 聚醚醚酮(PEEK)及在往復(fù)壓縮機(jī)中的應(yīng)用[J]. 甘肅科技，2009(8)：59 - 61.

[2] 郁永章．容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 孟玉青，郝 燁，龐洪強(qiáng). HydroCOM氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在加氫裂化新氫壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2010(8)：38 - 39.

(本文文獻(xiàn)格式：楊 菁.往復(fù)式壓縮機(jī)能效優(yōu)化分析[J].山東化工，2016，45(08)：96-98.)

浙江“豐利”再次被認(rèn)定為浙江省知名商號

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2016-03-10

楊 菁(1969—)，女，天津?qū)幒尤?，工程師，主要從事設(shè)備機(jī)械設(shè)計。

TQ051.21

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1008-021X(2016)08-0096-03