氣閥改造提升壓縮機的性能*

潘樹林，歐勝芳，潘 曦

(1.廣西大學(xué)/廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室 廣西南寧 530004；2.浙江浙歐氣閥制造有限公司 浙江溫州 325006；3.西安交通大學(xué)流體機械及壓縮機國家工程研究中心 陜西西安 710049)

氣閥改造提升壓縮機的性能*

潘樹林1，2，歐勝芳2，潘 曦3

(1.廣西大學(xué)/廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室 廣西南寧 530004；2.浙江浙歐氣閥制造有限公司 浙江溫州 325006；3.西安交通大學(xué)流體機械及壓縮機國家工程研究中心 陜西西安 710049)

壓縮機是化肥生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，對產(chǎn)能、電耗及安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。氣閥對壓縮機的性能有著重要影響，被稱為壓縮機的“心臟”。理論與實踐表明，對壓縮機氣閥進(jìn)行分析與改造，能有效降低壓縮機的電耗，提升壓縮機的排氣量，保障壓縮機安全可靠運行。

壓縮機；氣閥；電耗；排氣量；可靠性

壓縮機是化肥生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其排氣量直接影響企業(yè)的產(chǎn)能，電耗直接影響噸氨能耗，可靠性直接影響企業(yè)的安全生產(chǎn)。氣閥對壓縮機的性能，如排氣量[1]、功率[2]及可靠性[3]等有著重要影響，因此氣閥被稱為壓縮機的“心臟”。但長期以來，許多壓縮機生產(chǎn)或運行企業(yè)僅把氣閥當(dāng)做五金件或備件，對壓縮機氣閥并不重視。近年來，由于產(chǎn)能過剩，化肥行業(yè)徘徊在虧損邊緣，競爭日趨激烈，企業(yè)為了求生存，紛紛采取節(jié)能減排、節(jié)能增效措施以降低成本。由于市場對工藝壓縮機效率與可靠性的要求越來越高，一些壓縮機生產(chǎn)企業(yè)開始重視氣閥，并提出：不研究氣閥的企業(yè)不是真正的壓縮機生產(chǎn)企業(yè)，而僅是一般的機械廠?；市袠I(yè)等一些壓縮機運行企業(yè)也開始重視氣閥，在氣閥的采購、安裝、運行管理、維修等方面很有心得，如一些化肥企業(yè)采購氣閥時，除了有使用壽命要求外，還明確了采用該氣閥后壓縮機的排氣量、電耗等方面的要求，并與有關(guān)高校、科研機構(gòu)合作改造氣閥，均取得了良好的效果。

1 氣閥改造降低壓縮機的電耗

氣閥從本質(zhì)上說屬于節(jié)流元件，其結(jié)構(gòu)形式、有效通流面積、運動規(guī)律等都對氣流流經(jīng)氣閥的阻力損失有重要影響[4]。通常壓縮機中氣閥的功耗占壓縮機軸功率的5%～20%[5]，循環(huán)壓縮機中氣閥的功耗更大[6]，因此氣閥對壓縮機的效率有重要影響。

評價相同工藝系統(tǒng)中不同類型壓縮機或是相同壓縮機氣閥改造前后的性能時，可以采用比功率衡量其效率。比功率R定義為單位排氣量消耗的軸功率：

R=P/Q

(1)

式中：P——軸功率；

Q——排氣量。

(1) 對化肥企業(yè)來說，同一工藝系統(tǒng)的壓縮機比功率R越大意味著噸氨電耗越高。對循環(huán)壓縮機而言，由于氣閥改造后的壓縮機排氣量并不發(fā)生變化，而壓縮機軸功率與電機電流成正比，因此通過氣閥改造前后電機電流的變化就能評價氣閥改造的效果[6]。

河南心連心化肥有限公司二分公司合成工段配置4臺D- 12/288- 314型氮氫氣循環(huán)壓縮機，壓縮機電機額定功率為850 kW。試運行期間，通過與該企業(yè)其他分公司合成工段類似型號的壓縮機對比，發(fā)現(xiàn)D- 12/288- 314型氮氫氣循環(huán)壓縮機電機電流過大、電耗過高。通過對隨機配置的氣閥進(jìn)行分析與對比，發(fā)現(xiàn)氣閥通流面積明顯偏小，需對氣閥從結(jié)構(gòu)形式、氣流通道、運動規(guī)律等方面進(jìn)行改造。改造后，壓縮機電機電流平均值由改造前的53.18 A下降至47.93 A，電機功率下降約77 kW，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

(2) 對于進(jìn)氣壓力接近于大氣壓的一般多級壓縮機而言，高壓級氣閥的改造對壓縮機排氣量的影響較小。高壓級氣閥的改造效果評價可借鑒循環(huán)壓縮機，但由于一級氣閥的改造在影響壓縮機軸功率的同時，還影響壓縮機的排氣量，因此需用比功率衡量氣閥改造效果[7- 8]。

安陽化學(xué)工業(yè)集團公司的6M32B- 274/314型半水煤氣壓縮機氣閥易堵塞，特別是一級氣閥更易堵塞。氣閥改造前，壓縮機的一級排氣壓力為0.20～0.22 MPa(表壓)，4臺壓縮機日產(chǎn)合成氨380～395 t，電機電流340～350 A，平均每個月因清洗與損壞需更換氣閥208只。氣閥改造后，在吸氣壓力與吸氣溫度基本不變的情況下，壓縮機一級排氣壓力在0.23～0.25 MPa(表壓)，4臺壓縮機日產(chǎn)合成氨410～430 t，電機電流320～340 A，平均每個月因清洗與損壞需更換氣閥減少至34只，改造效益顯著。

(3) 四川美豐化工股份有限公司德陽分公司4M32G- 184/15.3型二氧化碳壓縮機一級氣閥改造前，一級排氣壓力為0.221 MPa(表壓)，班尿素產(chǎn)量為199.64 t，電機電流為148.3 A。一級氣閥改造后，在吸氣壓力與吸氣溫度基本不變的情況下，壓縮機一級排氣壓力為0.240 MPa(表壓)，班尿素產(chǎn)量為208.95 t，電機電流為148.55 A。一級氣閥改造后，4M32G- 184/15.3型二氧化碳壓縮機比功率下降，節(jié)電效果明顯。

2 氣閥改造提升壓縮機的排氣量

壓縮機排氣量Q按式(2)計算[3]：

Q=λVλPλTλlVhn

(2)

式中：λV——容積系數(shù)；

λP——壓力系數(shù)；

λT——溫度系數(shù)；

λl——泄漏系數(shù)；

Vh——行程容積；

n——壓縮機轉(zhuǎn)速。

業(yè)內(nèi)許多人認(rèn)為氣閥對壓縮機排氣量影響很小，因為氣閥改造前后壓縮機轉(zhuǎn)速與行程容積不變，但事實并非如此。實際上，除了氣閥的余隙容積影響壓縮機的容積系數(shù)外[9]，氣閥彈簧力影響壓縮機的壓力系數(shù)[10]，氣閥的功耗影響壓縮機的溫度系數(shù)[9]，氣閥的氣密性與延遲關(guān)閉影響壓縮機的泄漏系數(shù)[11]，因此，氣閥對壓縮機排氣量有較大影響[1]。

2D5.5- 19/12型一氧化碳壓縮機為滄州大化TDI有限責(zé)任公司PSA- CO系統(tǒng)工藝壓縮機，其一級吸氣壓力為0.02 MPa(表壓)，一級吸氣溫度為30 ℃，系統(tǒng)滿負(fù)荷工況下，壓縮機的供氣量需達(dá)到1 195 m3/h(標(biāo)態(tài))。經(jīng)試驗，單開1臺該型壓縮機的實際供氣量約為1 140 m3/h(標(biāo)態(tài))，供氣量尚缺約55 m3/h(標(biāo)態(tài))。為保證系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)，只好開2臺該型壓縮機并采用“三回一”閥位50%調(diào)節(jié)方法，使供氣量穩(wěn)定在1 195 m3/h(標(biāo)態(tài))，由此造成系統(tǒng)電耗大幅上升。通過分析計算與討論，決定對該型壓縮機的一、二級氣閥進(jìn)行改造以提升壓縮機的排氣量，并進(jìn)行對比試驗。試驗時，氣閥改造前后的壓縮機一級吸氣壓力、一級吸氣溫度、二級吸氣溫度及三級吸氣溫度均保持不變，其中：一級吸氣壓力為0.02 MPa(表壓)，一級吸氣溫度為30 ℃，二級吸氣溫度為32 ℃，三級吸氣溫度為32 ℃。2D5.5- 19/12型一氧化碳壓縮機一、二級氣閥改造前后實測工藝參數(shù)如表1所示。

表1 2D5.5- 19/12型一氧化碳壓縮機一、二級氣閥改造前后工藝參數(shù)

項目一級排氣壓力/MPa一級排氣溫度/℃二級排氣壓力/MPa二級排氣溫度/℃三級排氣壓力/MPa三級排氣溫度/℃電機電流/A改造前0．26800．601051．20100290改造后0．28820．671061．20100300

通過實測，氣閥改造前壓縮機的供氣量約為1 140 m3/h(標(biāo)態(tài))，改造后約為1 210 m3/h(標(biāo)態(tài))，改造后壓縮機的排氣量提高約6%。改造后，滄州大化TDI有限責(zé)任公司PSA- CO系統(tǒng)在滿負(fù)荷工況下運行時，僅需開1臺2D5.5- 19/12型一氧化碳壓縮機并采用“三回一”閥位18%方法調(diào)節(jié)氣量即可，系統(tǒng)電耗得以大幅下降。

壓縮機排氣量可通過壓縮機后的流量計或相關(guān)產(chǎn)品的班產(chǎn)量、日產(chǎn)量計算得到。對于多級壓縮機而言，一級氣閥對壓縮機排氣量的影響相對其余級顯著得多，要改變壓縮機的排氣量，首先應(yīng)改造其一級氣閥。一級氣閥改造后，壓縮機排氣量的相對變化量可按式(3)計算：

(3)

式中：ε1——氣閥改造前一級壓比；

河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司6M50- 305/320氮氫氣壓縮機一級氣閥改造前，一級進(jìn)氣壓力為0.027 MPa(表壓)，一級排氣壓力為0.24 MPa(表壓)[12]。一級氣閥改造后，一級進(jìn)氣壓力為0.026 MPa(表壓)，一級排氣壓力為0.26 MPa(表壓)。根據(jù)式(3)可得，6M50- 305/320型氮氫氣壓縮機一級氣閥改造后，壓縮機排氣量提升約6.7%。廣西河池化學(xué)工業(yè)集團公司等企業(yè)的4M22系列二氧化碳壓縮機在進(jìn)氣工況完全相同的情況下[13]，一級氣閥改造后，一級排氣壓力由0.260 MPa(表壓)提升至0.275 MPa(表壓)，壓縮機排氣量提升約4.2%。

3 氣閥改造提升壓縮機的可靠性

壓縮機的安全可靠運行是化肥企業(yè)安全生產(chǎn)的必要條件。對壓縮機的各級而言，其超溫超壓運行給壓縮機的安全運行帶來隱患。為避免出現(xiàn)壓縮機超溫超壓運行，一些化肥生產(chǎn)企業(yè)采取降低工作壓力、出口回流及進(jìn)氣冷卻等措施，為此造成產(chǎn)能下降、能耗上升。

如前所述，氣閥改造可降低壓縮機的電耗，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在絕熱狀態(tài)下，外界對氣體所做的功全部使得氣體焓值、溫度上升，因此氣閥改造也可降低壓縮機排氣溫度。實踐中，在壓縮機的吸氣壓力與吸氣溫度基本不變的情況下，一級氣閥改造后，雖然壓縮機排氣量與一級壓比上升，但壓縮機排氣溫度還能大幅降低，如：安陽化學(xué)工業(yè)集團公司6M32B- 274/314型半水煤氣壓縮機一級氣閥改造后，一級排氣溫度由165～180 ℃下降至150～160 ℃[7]；四川美豐化工股份有限公司德陽分公司4M32G- 184/15.3型二氧化碳壓縮機一級氣閥改造后，一級排氣溫度由155.49 ℃下降至144.38 ℃[8]；河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司6M50- 305/320型氮氫氣壓縮機一級氣閥改造后，一級排氣溫度由150 ℃下降至137 ℃[12]；廣西河池化學(xué)工業(yè)集團公司等企業(yè)的4M22系列二氧化碳壓縮機一級氣閥改造后，一級排氣溫度由161 ℃下降至145 ℃[13]。

前面闡述了氣閥改造可提升壓縮機的排氣量，氣閥改造后，多級壓縮機各級吸入氣量的變化還影響級間壓力。實踐中，當(dāng)壓縮機某一級排氣壓力超過設(shè)計值時，通過改造下一級的氣閥能降低該級的排氣壓力[14]。

在煤化工領(lǐng)域，雖然原料氣進(jìn)入壓縮機前需經(jīng)過洗氣、除塵、脫硫等設(shè)備，但在許多煤化工企業(yè)，進(jìn)入壓縮機的原料氣中常含有較多粉塵，同時還含有焦油、硫等雜質(zhì)，原料氣壓縮機氣閥因此頻繁堵塞。氣閥堵塞后，造成壓縮機的排氣量下降、排氣溫度上升、能耗增大。氣閥頻繁堵塞還造成壓縮機需要頻繁停車以更換或清洗氣閥，由此造成壓縮機的運轉(zhuǎn)率降低、檢修人員的勞動強度增大。目前，抗堵塞氣閥已在此類壓縮機中得到廣泛應(yīng)用[15]。

4 結(jié)語

氣閥是壓縮機的“心臟”，壓縮機生產(chǎn)與運行企業(yè)評價氣閥性能時，不能僅考慮氣閥的使用壽命，而應(yīng)將氣閥與壓縮機當(dāng)作一個有機整體，全面分析氣閥對壓縮機性能的影響。實踐證明，氣閥改造對化肥企業(yè)增產(chǎn)、節(jié)能及安全生產(chǎn)有極其重要的促進(jìn)作用。

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ImprovingCompressorPerformancebyRevampofAirValve

PAN Shulin1,2, OU Shengfang2, PAN Xi3

(1.Guangxi University/Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intersification Technology, Nanning 530004, China；2.Zhejiang Zheou Pneumatic Co., Ltd., Wenzhou 325006, China；3.National Engineering Research Center of Fluid Machinery and Compressors,Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

The compressor is critical equipment in fertilizer production, it plays a vital role in production capacity, power consumption and safety in production. The air valve has an important influence on performance of compressor, it is called the heart of compressor. Theory and practice show that analysis and revamp of air valve of compressor can reduce compressor power consumption, increase compressor displacement and ensure safe and reliable operation of compressor.

compressor; air valve; power consumption; air displacement; reliability

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目(13C26213302272)；國家火炬計劃項目資助項目(2015GH040953)；廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室主任課題基金資助項目(2015Z002)

潘樹林(1970—)，男，博士，教授，主要從事高效壓縮機氣閥研究；panshulin@163.com

TH457

A

1006- 7779(2017)05- 0040- 04

2017- 09- 07)