往復(fù)式壓縮機(jī)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

顧興坤，劉燕，顧曉偉

(1.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

1 概述

往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)在石油煉制、化工、化肥、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，它不僅是眾多種類工藝生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著壓縮并輸送工藝介質(zhì)的重要任務(wù)，同時(shí)還是工藝裝置中的高耗能設(shè)備，其耗電量約占整個(gè)裝置耗電量的30%左右。其高耗能的一部分原因是設(shè)計(jì)排氣量負(fù)荷大于工藝生產(chǎn)裝置所需氣量，而用戶的主導(dǎo)思想仍以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排氣量、穩(wěn)定系統(tǒng)管網(wǎng)壓力為首選，在節(jié)能降耗方面考慮較少，目前的工藝生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中也依然以慣用的旁路調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)為主。

旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)雖然在調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排氣量和穩(wěn)定系統(tǒng)管網(wǎng)壓力方面確實(shí)起著重要作用，但該系統(tǒng)自身需耗用大量的循環(huán)冷卻水，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回流的高溫高壓介質(zhì)降溫降壓到壓縮機(jī)入口要求的工藝條件，屬于耗能型調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)。

21世紀(jì)90年代末，我國引進(jìn)了奧地利賀爾碧格公司的部分行程頂開進(jìn)氣閥無級(jí)調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)。該技術(shù)氣量調(diào)節(jié)范圍名義上介于20～100%，但絕大多數(shù)壓縮機(jī)適宜在50～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其排氣量、實(shí)現(xiàn)節(jié)能。該系統(tǒng)有5%左右的氣體阻力損失、節(jié)能效率在95%以下，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、控制精度要求高、操控繁瑣、氣閥維修或更換頻繁、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用太高、價(jià)格昂貴。

對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)容積流量的調(diào)節(jié)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，使容積流量隨時(shí)和耗氣量相等；對(duì)微小型壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)力求簡單、操作方便、工作可靠；對(duì)中大型壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)工況的經(jīng)濟(jì)性要盡可能高。

針對(duì)以上技術(shù)中仍存在的一些不足和缺陷，山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司（以下簡稱“山東易陽”）研發(fā)了往復(fù)式壓縮機(jī)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)，其首套和第二套中試產(chǎn)品于2013年11月、12月分別在中國石油化工股份有限公司滄州分公司的重整裝置預(yù)加氫增壓機(jī)C2101B和硫磺回收裝置硫磺3號(hào)壓縮機(jī)上得到應(yīng)用，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

往復(fù)式壓縮機(jī)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)原理是將壓縮機(jī)氣缸蓋改造為余隙容積無級(jí)調(diào)節(jié)裝置，利用余隙缸體和余隙活塞形成的可變余隙容積腔，與壓縮機(jī)氣缸直接相通，以改變壓縮機(jī)的吸氣量，實(shí)現(xiàn)排氣量的調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)節(jié)能；該裝置是通過液控系統(tǒng)和電儀自控系統(tǒng)智能伺服驅(qū)動(dòng)余隙活塞，使得余隙容積無級(jí)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的無級(jí)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。

2 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)研發(fā)

2.1 節(jié)能系統(tǒng)組成

節(jié)能系統(tǒng)由執(zhí)行子系統(tǒng)、液控子系統(tǒng)、電儀自控子系統(tǒng)和泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)組成，其工藝路線示意圖如圖1所示。

執(zhí)行子系統(tǒng)采用液壓式結(jié)構(gòu)，它由液壓腔、余隙容積腔、泄漏監(jiān)測腔、冷卻腔構(gòu)成，其中余隙容積腔由余隙活塞、余隙缸筒組成。

液控子系統(tǒng)由油箱、電機(jī)、油泵、蓄能器、換向閥組等組成。

電儀自控子系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、AD/DA模塊及控制邏輯程序等組成，它可以根據(jù)主控變量或通過手動(dòng)給定參數(shù)、調(diào)節(jié)控制余隙活塞位置以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)余隙容積大小，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的控制。

圖1 ACCV2.2余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)工藝路線示意圖

泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)的功能是監(jiān)測余隙活塞密封組件是否失效，其構(gòu)成源自執(zhí)行子系統(tǒng)和電儀自控子系統(tǒng)中監(jiān)測泄漏的結(jié)構(gòu)部分。

2.2 研發(fā)過程所取得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果

節(jié)能系統(tǒng)的研發(fā)內(nèi)容涵蓋了上述子系統(tǒng)組成的軟硬件部分，已獲得了13項(xiàng)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如表1所示。

2.3 節(jié)能技術(shù)改造實(shí)施方案

節(jié)能系統(tǒng)在原壓縮機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)施配置，其具體實(shí)施方案為：將壓縮機(jī)原氣缸蓋改換為余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量執(zhí)行子系統(tǒng)；新增1套多回路的液控子系統(tǒng)；新增1套電儀自控子系統(tǒng)；新增1套泄漏監(jiān)測系統(tǒng)；新增1批配套的動(dòng)力電纜及信號(hào)電纜和配套的安裝施工材料等。改造實(shí)施后的實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)實(shí)物圖

3 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

目前有10幾套余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品投入了中試試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用，表現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

3.1 應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

表2給出了部分余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 節(jié)能系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

通過應(yīng)用實(shí)踐，得出該節(jié)能技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

（1）節(jié)能效果顯著。充分利用余隙容積的儲(chǔ)能作用，在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，壓縮機(jī)排氣量與指示功基本成線性正比關(guān)系。余隙容積腔直接與壓縮機(jī)氣缸相通，進(jìn)出余隙容積腔的氣體幾乎沒有阻力損失，節(jié)能效率近于100%、優(yōu)于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)。

（2）調(diào)節(jié)范圍寬。對(duì)單作用氣缸的往復(fù)機(jī)，節(jié)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量在0～100%范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)；對(duì)雙作用氣缸的往復(fù)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量在50～100%范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)。

（3）壓縮機(jī)輸出氣量穩(wěn)定。并可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)加載或減載及壓縮機(jī)間的無沖擊切換。具有降低壓縮機(jī)原有振動(dòng)和原有運(yùn)行噪音的特點(diǎn)；同時(shí)還改善了往復(fù)件的運(yùn)行環(huán)境，減小了往復(fù)件的摩擦力、提高了往復(fù)件的使用壽命，降低了壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用?？梢栽诓煌嚎s機(jī)系統(tǒng)狀況下進(jìn)行自身系統(tǒng)的維修或維護(hù)，好于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)。

表1 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)統(tǒng)計(jì)表

表2 部分余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

此外系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置靈活簡單，有多種參數(shù)設(shè)置模式，如按鍵設(shè)置模式、無線鼠標(biāo)設(shè)置模式；控制技術(shù)成熟可靠，操控模式多樣，有手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程DCS自動(dòng)控制3種操控模式選擇，以適應(yīng)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的操作控制要求；系統(tǒng)采用單元獨(dú)立模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造，安裝施工簡單、快捷，便于在壓縮機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維修、維護(hù)和保養(yǎng)；系統(tǒng)性能優(yōu)越、安全可靠性高、系統(tǒng)自身的能耗低、使用壽命長、基本免維護(hù)等；系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低，低至年平均費(fèi)用約為1～2萬元，遠(yuǎn)不及部分行程頂開進(jìn)氣閥系統(tǒng)一個(gè)氣閥的材料費(fèi)用；整機(jī)改造費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過對(duì)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了雙作用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)容積流量在50～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，單作用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)容積流量在0～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)。該技術(shù)使得壓縮機(jī)排氣量和管網(wǎng)壓力易于調(diào)整和控制且輸出氣量穩(wěn)定，操作平穩(wěn)，降低了壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，提高了壓縮機(jī)系統(tǒng)的使用壽命等。

經(jīng)應(yīng)用客戶標(biāo)定和5年來的技術(shù)產(chǎn)品實(shí)踐應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，獲得的節(jié)能效率接近100%，年節(jié)電量和年二氧化碳減排量效益顯著；同時(shí)，可降低往復(fù)活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)的級(jí)間冷卻器的負(fù)荷，關(guān)閉旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，節(jié)約大量循環(huán)冷卻水；對(duì)某些壓縮機(jī)系統(tǒng)，還可以減少入口氣體對(duì)加熱爐瓦斯的消耗，間接節(jié)能降耗效益突出。

往復(fù)式壓縮機(jī)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)適用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，它適用于所有應(yīng)用往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)的場合，其主要應(yīng)用行業(yè)有石油石化、天然氣、煤化工、焦化、苯加氫、化肥、冶金、食品等眾多行業(yè)，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。