一種應(yīng)用于井口氣回收的壓縮機(jī)節(jié)能裝置

呂倩航++王亦凡++王剛++盧玉姣

摘 要針對(duì)天然氣在試氣、試采過程中及尚未布設(shè)網(wǎng)管的情況下放空燃燒造成浪費(fèi)和污染的問題，提出一種雙作用往復(fù)式壓縮機(jī)的余隙自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)用于井口氣回收的壓縮機(jī)節(jié)能裝置，運(yùn)用電液調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣量自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制，突破了傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)范圍小、能耗大的難點(diǎn)。本裝置對(duì)現(xiàn)有的往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將原有的缸蓋部分改為可調(diào)余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過上位機(jī)、PLC組成的控制系統(tǒng)控制余隙缸活塞的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)余隙容積、壓縮機(jī)氣量的調(diào)節(jié)，達(dá)到回收天然氣和壓縮機(jī)節(jié)能目的。

【關(guān)鍵詞】井口 氣壓縮機(jī) 余隙 節(jié)能

在天然氣采集過程中，由于初期測(cè)試、管路不完善等原因，將剛采得的天然氣直接放空燃燒，該過程造成巨大的能源浪費(fèi)與環(huán)境污染。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前回收天然氣常采用的方法為運(yùn)用移動(dòng)撬裝式井口氣回收裝置進(jìn)行回收。但由于井口氣的氣量、溫度、壓力等參數(shù)變化范圍大，壓縮機(jī)可調(diào)節(jié)性差，導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗大、工作效率低且易發(fā)生壓縮機(jī)部件損壞現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 節(jié)能裝置整體設(shè)計(jì)

應(yīng)用于井口氣回收的壓縮機(jī)節(jié)能裝置主要由余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一種伺服活塞缸式的具有余隙調(diào)節(jié)功能的壓縮機(jī)缸蓋，取代傳統(tǒng)壓縮機(jī)缸蓋，通過改變余隙活塞的位置實(shí)現(xiàn)余隙部分容積的變化?？刂葡到y(tǒng)包括PLC、上位機(jī)等，通過控制液壓系統(tǒng)中M型電磁閥的導(dǎo)通方向及導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)而完成余隙活塞的運(yùn)動(dòng)。

活塞壓縮機(jī)氣缸都存在余隙容積，由于氣體的膨脹使氣缸工作容積部分失去進(jìn)氣作用，所以要盡可能往少控制的指標(biāo)。下式為活塞壓縮機(jī)實(shí)際氣體指示功率計(jì)算公式：

由計(jì)算公式可以看出，氣缸余隙容積與指示功率是成反比，余隙容積增加，排氣量降低，指示功率隨之減少。

1.1 節(jié)能裝置節(jié)能原理分析

如圖1為壓縮機(jī)工作氣體示功圖。圖中，橫坐標(biāo)V表示氣缸容積變化，縱坐標(biāo)P表示氣缸壓力變化，P1、P2分別是進(jìn)、排氣壓力。在圖中，1-2-3-4表示存在余隙容積時(shí)全排氣量的循環(huán)圖。其中3-4過程為余隙部分氣體膨脹過程，4-1過程為壓縮機(jī)吸氣過程，1-2過程為氣體壓縮過程，2-3過程為壓縮機(jī)排氣過程。通過四個(gè)過程P-V所圍成的面積為壓縮機(jī)指示功。

若增加余隙容積到，此時(shí)功率循環(huán)圖為1-2-3-4。氣體的膨脹過程增長(zhǎng)，氣體對(duì)壓縮機(jī)活塞做功，減輕了曲軸連桿的負(fù)載；進(jìn)氣量由全進(jìn)氣量相應(yīng)的線段長(zhǎng)度4-1減少到線段長(zhǎng)度4-1，進(jìn)氣量減少，入口壓力得以提高；壓縮過程按1-2進(jìn)行，壓縮過程活塞力的增加速率小于余隙容積為時(shí)的速率，提高壓縮機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少震動(dòng)和噪聲；排氣量由相應(yīng)的全排氣量線段2-3減少到線段2-3。

當(dāng)井口氣氣量、來氣壓力等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，我們通過分析改變余隙部分的容積進(jìn)行不同工況條件下的壓縮機(jī)調(diào)節(jié)。

1.2 余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由余隙缸、余隙活塞、液壓缸磁致伸縮位移傳感等組成，它取代原有的缸蓋、余隙閥及氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過電磁閥控制液壓伺服活塞的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)可調(diào)余隙活塞的運(yùn)動(dòng)，改變余隙容積。當(dāng)接入氣缸工作腔的余隙容積增大時(shí)，入口壓力提高，余隙缸與壓縮機(jī)氣缸相通，使氣量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)55%～100%，由于余隙缸的直徑僅略小于氣缸直徑，直接與氣缸相通，所以進(jìn)出余隙缸的氣體幾乎沒有阻力損失。

1.3 電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和液壓油站，壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位，對(duì)上位機(jī)輸入來氣量、氣體壓力、溫度等參量，上位機(jī)計(jì)算余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)位移，進(jìn)而計(jì)算出電磁閥導(dǎo)通方向及時(shí)間，PLC與上位機(jī)通信，將控制信號(hào)發(fā)送給電磁閥，電磁閥執(zhí)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)余隙活塞的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)磁致伸縮位移傳感器反饋位移量給上位機(jī)，為后續(xù)通訊提供控制依據(jù)。

1.4 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

液壓控制模塊由電機(jī)、液壓泵、溢流閥、華德M型三位四通電磁閥、壓力表等組成，液壓泵將電機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能。溢流閥在回路中功能為溢流調(diào)壓，使泵油的一部分進(jìn)入液壓缸工作，而多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱。

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和PLC控制系統(tǒng)組成，其中上位機(jī)用于擬定壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力，并根據(jù)算法計(jì)算余隙調(diào)節(jié)量、功率后，與PLC通信，控制電磁閥動(dòng)作。同時(shí)上位機(jī)可根據(jù)所擬定的進(jìn)氣壓力及PLC反饋的余隙調(diào)節(jié)活塞的位置繪制相關(guān)曲線圖，便于直觀地反映調(diào)節(jié)過程。

2 總結(jié)

針對(duì)油氣田油氣回收中的壓縮機(jī)節(jié)能問題，本項(xiàng)目提出的一種雙作用往復(fù)式壓縮機(jī)的余隙自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，運(yùn)用電液調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣量自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制，調(diào)節(jié)精度高，突破了傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)范圍小、能耗大的難點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量在55%-100%范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)節(jié)。較現(xiàn)有壓縮機(jī)，對(duì)井口氣氣量變化適應(yīng)性強(qiáng)，降低了壓縮機(jī)部件的故障率，經(jīng)濟(jì)效益良好。

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作者單位

武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070