氣液增壓泵的施工與應用

周杰（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

氣液增壓泵的施工與應用

周杰（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)日新月異的快速提高，對各種增壓設備的應用也日趨普遍，增壓泵是一種利用大面積活塞的低氣壓產(chǎn)生小面積活塞的高液壓或氣壓的加壓方式，具有廣泛的適應性和可靠性（見圖1）。

增壓泵；輸出壓力高；范圍廣；靈活；安全；自動保壓；維護簡單

圖1 增壓泵

圖2 增壓泵原理圖

1 特點

（1）輸出壓力高 氣動液體管道增壓泵的最高工作壓力可達到700MPa，氣動氣體管道增壓泵的最高工作壓力可達到300 MPa。

（2）適用介質(zhì)范圍廣 工作介質(zhì)可為液壓油、水及大部分化學腐蝕液體，也可為壓縮空氣、氮氣、水蒸氣、天然氣等，而且可靠性高，免維護和壽命長。

（3）多種氣體驅(qū)動 壓縮空氣、氮氣、水蒸氣、天然氣等均可做為泵的驅(qū)動氣源。

（4）應用靈活 選用不同型號的泵，可獲得不同的壓力區(qū)域。

（5）易于調(diào)節(jié) 在泵的壓力范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥從而調(diào)節(jié)驅(qū)動氣壓，輸出液壓或氣壓相應得到調(diào)整。

（6）自動保壓 無論何種原因造成保壓回路壓力下降，氣液增壓泵將自動啟動，補充泄露壓力，保持回路壓力恒定。

（7）操作安全 采用氣體驅(qū)動，無電弧及火花，可在危險場所使用。

（8）維護簡單 增壓泵零件及密封少，相同系列泵的所有“O”型圈、維修包易損部件可相互替換，使維護更簡單。

2 適用范圍

①適用于易燃易爆、空間狹小、無用電設施等各種惡劣的環(huán)境下施工。②應用范圍廣，工業(yè)領(lǐng)域用于高壓動力、高壓瓶充氣、將低壓氣體轉(zhuǎn)換成高壓氣體、利用高壓輸送流體等。凡是氣源壓力不夠高，無論是工業(yè)機械或測試裝置，均可采用增壓泵。

3 工藝原理

增壓泵主要由氣體增壓缸，控制主閥和相應管路組成。增壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

當氣缸活塞移動到上死點，頂開閥1，由A1口來的低壓氣通過閥1進入N腔，氣體作用在主閥大端的力大于作用于主閥小端的力，推動主閥活塞向右移動，最后由A1口來的低壓氣通過主閥芯部的通路進入R腔，推動氣缸活塞向下移動，同時將T腔中的低壓空氣壓縮至高壓，通過閥4從B口排出，此時閥3關(guān)閥。當氣缸活塞移動至下死點時，頂開閥2，N腔通過閥2與大氣相遇，主閥活塞在M腔低壓氣作用下向左移動，使R腔通過C1口與大氣相通，此時閥4已關(guān)，T腔剩余氣體膨脹后閥3打開，低壓氣體或液體通過A2口進入T腔，氣缸活塞向上移動，開始第二個壓縮循環(huán)，如此往復運動，隨著輸出壓力的增高運動減慢，直至達到壓力平衡自動停止。如系統(tǒng)壓力失去平衡，增壓泵將自動啟動，再次進行加壓，使系統(tǒng)壓力達到平衡。

4 施工工藝

4.1 施工前準備

圖3

（1） 根據(jù)所應用的工程特點及要求進行增壓泵的選型。如圖3。某廠增壓泵選型說明（各廠家對型號的表示方式各不一樣，不影響使用）。（2） 根據(jù)所選增壓泵、工作環(huán)境、現(xiàn)場實際情況以及經(jīng)濟分析選擇合適的驅(qū)動氣源壓力與輸入介質(zhì)壓力。（3） 根據(jù)驅(qū)動氣源壓力及輸入介質(zhì)壓力選擇合適的連接管道、控制閥門、裝置調(diào)壓閥及壓力表等附件。（4） 制定合理的安全措施，確保施工工藝安全可靠。

4.2 工藝流程與系統(tǒng)圖

圖4 系統(tǒng)圖

5 施工要點

（1）在使用增壓泵的過程中，最重要的參數(shù)是增壓比、驅(qū)動氣源壓力、輸入介質(zhì)壓力，增壓比是出廠時就制定且無法改變的參數(shù)，因此在我們選定一臺增壓泵后，在額定區(qū)間要獲得不同的增壓情況只有通過改變驅(qū)動氣源壓力和輸入介質(zhì)壓力來對其進行無級調(diào)節(jié)。

每一臺增壓泵出廠時因設計局限、使用材質(zhì)、密封圈等各種原因，使每臺增壓泵在出廠時也限定了他們自身所能承受的驅(qū)動氣壓范圍和輸入介質(zhì)壓力范圍（且驅(qū)動氣源壓力一般限制在10bar內(nèi)），為了保證泵的使用壽命，建議驅(qū)動氣源壓力≤8bar。

由于影響經(jīng)濟效益的因素除增壓泵本身價值、附件、驅(qū)動氣源等因素外，增壓時間也是非常關(guān)鍵的因素之一，而影響增壓時間的直接因素是輸出流量，輸出流量又直接受到驅(qū)動氣源壓力與輸入介質(zhì)壓力的影響，輸出流量與驅(qū)動氣源壓力、輸入介質(zhì)壓力的關(guān)系為：當輸入介質(zhì)壓力高、驅(qū)動氣源壓力高、排氣壓力低時，增壓泵的排氣能力（輸出流量）大；反之，增壓泵的排氣能力（輸出流量）小。

經(jīng)以上分析，在整個工藝流程中最關(guān)鍵的是調(diào)壓閥1與調(diào)壓閥2的調(diào)節(jié)（及為驅(qū)動氣源壓力和輸入介質(zhì)壓力的確定），故在使用之前務必根據(jù)增壓泵特性曲線圖及現(xiàn)場氣源和輸入介質(zhì)壓力范圍等參數(shù)，同時考慮經(jīng)濟因素計算出合適的驅(qū)動氣源壓力與輸入介質(zhì)壓力。

（2）下面舉例說明其操作過程的主要參數(shù)、選型及要點 如現(xiàn)有10m3系統(tǒng)需充入壓力為60bar氣體做壓力試驗，現(xiàn)場常用氣源為廠內(nèi)供應7bar的壓縮空氣，此時我們可選STA10型增壓泵使用，驅(qū)動氣源壓力調(diào)節(jié)為6bar，輸入介質(zhì)壓力調(diào)節(jié)為7bar即可獲得最佳使用效果。以下為操作分析：

是否滿足增壓泵設計要求—增壓泵選型—驅(qū)動氣源壓力確定—輸入介質(zhì)壓力確定—工作時間計算

①是否滿足增壓泵設計要求。壓縮空氣壓力為7bar≤8bar（滿足驅(qū)動氣源壓力≤8bar），符合增壓泵設計要求。故可用壓縮空氣做為驅(qū)動氣源，由于只是做一般的壓力試驗，對氣源使用無過多要求，輸入氣源也可選用壓縮空氣。

②增壓泵選型。某廠生產(chǎn)的單作用單級增壓泵參數(shù)見表1。

系統(tǒng)需充入氣體壓力為60bar，根據(jù)表1可知，選用STA10型增壓泵即可。

③驅(qū)動氣源壓力確定?？紤]到驅(qū)動氣源壓力越高對增壓泵使用壽命影響越大，故可通過調(diào)壓閥1將驅(qū)動氣源調(diào)節(jié)到PL=6bar，此時氣源即滿足使用條件（PB=10 PL=60bar），同時還能降低對增壓泵使用壽命的損耗。

④輸入介質(zhì)壓力確定。STA10型增壓泵驅(qū)動氣源PL=6bar特性曲線圖，如圖5所示。

圖5 STA10型增壓泵驅(qū)動氣源PL=6bar特性曲線圖

根據(jù)特性曲線圖可知輸入氣源壓力PA越大，增壓泵輸出初始流量越大，工作時間越短，故可將輸入介質(zhì)壓力定為PA=7bar（滿足PA≥5.5bar，故可以使輸出壓力PL達到60bar）。

⑤工作時間計算。根據(jù)以上分析，對增壓泵工作時間（T）的計算為：忽略預沖壓至7bar的時間，初始加壓輸出流量為S1=96L/min，當壓力達到60bar時輸出流量為S2=0L/min，總體積V=10m3。

T=2V/（S1+ S2）=2×10×1000/（96+0）≈208.33min

故利用STA10型增壓泵在驅(qū)動氣源壓力PL=6bar輸入介質(zhì)壓力PA=7bar的條件下工作時間大約為：T≈208.33min，經(jīng)濟、方便、快捷可行。如時間較長影響施工，我們可采用雙作用增壓泵或選用多臺增壓泵同時加壓。

假設上例需充入氣源壓力為220bar，不難根據(jù)以上分析選STA40型增壓泵即可，當驅(qū)動氣源壓力PL=6bar時，最大輸出氣源壓力為PB= 40PL=240bar≥220bar，符合條件。

根據(jù)STA40型增壓泵參數(shù)表分析（見表1），當輸入氣源壓力PA=7bar，最大輸出氣源壓力為

受加壓腔余隙的設計限制無法加壓至要求壓力。此時我們可通過增加輸入氣源壓力PA或使用雙級增壓泵：①增加輸入氣源壓力，使PA≥220×15/320bar=10.3125bar即可（可利用氮氣瓶加壓輸入氣源壓力）。②根據(jù)某廠生產(chǎn)的雙作用雙級增壓泵參數(shù)（見表2），可直接選用STT40型增壓泵。

6 效益分析

（1）經(jīng)濟效益 ①相同系列泵的所有“O”型圈、維修包易損部件可相互替換，大大降低了維修成本。②增壓泵小巧靈活、組裝使用方便，適用各種空間狹小的環(huán)境，大大降低了機具使用成本。③增壓泵是一種活塞泵，工作時，增壓泵迅速往復工作，隨著輸出壓力的增高，泵的往復減慢直至停止，此時，泵輸出的壓力恒定，能量消耗最低，各部件停止運動。因為持續(xù)保壓不消耗任何能量，最大節(jié)能可達70%。

（2）社會效益 增壓泵為氣體驅(qū)動（一般低壓氣體均可），無需用電、無油耗，運行過程不產(chǎn)生任何廢氣、廢液和噪音，使用過程中安全可靠，可謂新一代的節(jié)能降耗、綠色環(huán)保產(chǎn)品，其社會效益尤為顯著。

（3）舉例分析 目前有一易燃易爆廠區(qū)有1000m米不同管徑管線（平均為DN200mm）含設備，需做氣密試驗，且試驗壓力為60bar，需保壓24小時，如發(fā)現(xiàn)漏點后需及時處理并補充壓力，再次進行試壓工作，試壓空間狹小，廠區(qū)內(nèi)有最高壓力為8bar的壓縮空氣提供。

方案一：使用氮氣瓶加壓。①由于氮氣瓶搬運不方便，且空間狹小，廠區(qū)環(huán)境易燃易爆，危險性極高。②加壓時間長，資源消耗大，經(jīng)濟效益差。③控制性差，如發(fā)現(xiàn)法蘭面螺栓未緊固造成泄漏，等泄壓緊固后再次加壓需再次搬運氮氣瓶補充壓力，極不方便。

方案二：采用增壓泵。①體積小，靈活方便，使用安全可靠。②根據(jù)以上應用分析選用STA10型增壓泵使用，驅(qū)動氣源壓力調(diào)節(jié)為6bar，輸入介質(zhì)壓力調(diào)節(jié)為7bar即可獲得最佳使用效果，經(jīng)濟效益高。如加壓時間過長可選用雙作用泵。③當發(fā)現(xiàn)法蘭面螺栓未緊固造成泄漏，等泄壓緊固后只需打開驅(qū)動氣源開關(guān)閥便可自動加壓到指定壓力，補充壓力方便，可控性好，耗能低。

7 機具設備

主要機具設備見表3。

8 質(zhì)量管理

除了必須嚴格遵守國家、地方和企業(yè)制定的有關(guān)質(zhì)量規(guī)定外，在施工中還應做到。凡不符合質(zhì)量要求的設備、閥門、管道等材料不得使用。驅(qū)動氣源壓力進入增壓泵時不得超過10bar，否則將對增壓泵造成過度磨損，嚴重影響其使用壽命。使用過程中還應注意所有設備、閥門、管道及附件是否固定牢固，同時注意各壓力表的變化情況。

9 結(jié)語

徐州林德氣體6000m3/h制氫裝置項目是由天然氣裂解產(chǎn)生氫氣和蒸汽，蒸汽直接輸送給客戶使用，生產(chǎn)出的氫氣進入緩沖罐，一部分直接輸送給客戶使用，一部分由隔膜壓縮機加壓后產(chǎn)生20MPa的高壓氫氣輸送到DN15的高壓管線，然后由高壓管的各個分支將高壓氫氣裝入氫氣瓶（氫氣瓶一般沖壓到13MPa～15MPa）進行零售。同時多余的高壓氫氣將由減壓閥減壓再次輸入主管提供給客戶使用。在整個裝置中有90米DN15mm工作壓力為20MPa的高壓管道需要進行試壓工作，試驗壓力為22MPa。

經(jīng)過分析與現(xiàn)場實際情況考察，該工程作業(yè)環(huán)境危險，禁止易燃易爆物品，且工作壓力高。利用氮氣瓶沖壓不但壓力不夠且造價高，利用大型壓縮機加壓危險性高，成本更高，最終選擇了利用增壓泵加壓進行管道試壓，在安全、節(jié)能、方便快捷的試壓模式下達到了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

表1 單作用單級增壓泵參數(shù)（PL=驅(qū)動氣源壓力 PA=輸入介質(zhì)壓力 PB=輸出介質(zhì)壓力）

表2 雙作用雙級增壓泵參數(shù)

表3 主要機具設備一覽表