可變余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響分析

陳 超，張貴軍

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101）

1 可變余隙調(diào)節(jié)的原理

由于往復(fù)壓縮機(jī)存在壓比大，流量選擇范圍大的優(yōu)點(diǎn)，在石化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是由于設(shè)計(jì)裕量、操作彈性的等原因，使得往復(fù)壓縮機(jī)組需要變流量調(diào)節(jié)。常用的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)有出口回流調(diào)節(jié)，完全頂開吸氣閥調(diào)節(jié)，可變余隙調(diào)節(jié)，以及部分頂開吸氣閥的無級(jí)氣量調(diào)節(jié)[1]。

因可變余隙調(diào)節(jié)裝置只能安裝在壓縮機(jī)的蓋側(cè)，對(duì)于化工行業(yè)常用的雙作用氣缸來說，其理論上的調(diào)節(jié)范圍是50%～100%之間，因此可變余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)適用于調(diào)節(jié)范圍不大的工況，因?yàn)樾枰谏w側(cè)增加可變余隙調(diào)節(jié)設(shè)備，增加了占地，因此難以適用于改造及占地緊張的工況。

眾所周知，往復(fù)壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)中氣缸的工作過程包括，膨脹，吸氣，壓縮和排氣4個(gè)階段。隨著余隙容積的增加，膨脹過程和壓縮過程的在曲軸一轉(zhuǎn)時(shí)間中的占比越來越大，吸排氣量越來越少，直到余隙增加到一定值時(shí)，蓋側(cè)氣缸只剩膨脹和壓縮過程，氣缸不再吸氣也不再排氣，從而達(dá)到了氣量調(diào)節(jié)的目的。

往復(fù)壓縮機(jī)排氣量的計(jì)算公式

式中Q——壓縮機(jī)的排氣量m3/min

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

λV——容積系數(shù)，無量綱

λP——壓力系數(shù)，無量綱

λT——溫度系數(shù)，無量綱

λL——泄漏系數(shù)，無量綱

V——?dú)飧兹莘e，m3

式（1） 的幾個(gè)系數(shù)中，容積系數(shù)λV對(duì)排氣量的影響最大，其計(jì)算公式

式中α——相對(duì)余隙容積，無量綱

ε——壓比，無量綱

m——過程指數(shù)，無量綱隨著相對(duì)余隙容積的增加，λV逐漸減小，當(dāng)相對(duì)余隙容積增加到一定值時(shí)，λV將趨近為零，氣缸將不再排氣。

由于往復(fù)壓縮機(jī)的氣體力、慣性力都呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩也呈現(xiàn)周期性變化，由于轉(zhuǎn)矩等于角加速度乘以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于給定的機(jī)組，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定，轉(zhuǎn)矩變化就使得曲軸一會(huì)加速一會(huì)減速，使得曲軸壽命降低，引起機(jī)組振動(dòng)。

API618中，為了限制曲軸的轉(zhuǎn)速變化，規(guī)定往復(fù)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)不均勻度δ不應(yīng)大于1.5%。往復(fù)壓縮機(jī)都會(huì)安裝飛輪，用飛輪矩GD2來使旋轉(zhuǎn)不均勻度達(dá)到API618的要求。式（3） 表示了飛輪矩GD2的計(jì)算公式。

式中GD2——飛輪矩，kg·m2

L——一轉(zhuǎn)中能量變化值，J

n——平均轉(zhuǎn)速，r/min

δ——旋轉(zhuǎn)不均勻度，無量綱

對(duì)于給定的壓縮機(jī)，飛輪矩GD2和平均轉(zhuǎn)速n已確定，因此L與δ成正比例變化，而L的變化是由轉(zhuǎn)矩的變化而決定的，關(guān)于L的計(jì)算各大往復(fù)壓縮機(jī)教材均會(huì)介紹[2]，在此不再贅述。

流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩影響的研究較少。筆者選取煉化領(lǐng)域常用的2D系列和4M系列機(jī)型作為樣本，計(jì)算得到不同余隙調(diào)節(jié)負(fù)荷下，轉(zhuǎn)矩的變化以及引起的L與δ的變化。

2 可變余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響

要想計(jì)算曲軸的轉(zhuǎn)矩，就應(yīng)該先計(jì)算切向力，而切向力大小取決于連桿力，而要計(jì)算連桿力就應(yīng)先計(jì)算由氣體力、慣性力和往復(fù)摩擦力組成的綜合活塞力，其計(jì)算過程在各大教材均有詳解[2]。

因?yàn)橥鶑?fù)壓縮機(jī)往往有多列組成，每一列之間存在著相位差，壓縮機(jī)的總轉(zhuǎn)矩是不同相位的每一列疊加的結(jié)果。煉化企業(yè)常用的往復(fù)壓縮機(jī)多為對(duì)動(dòng)式的2D機(jī)型，兩列相位角相差180°；以及相位角相差90°的4M機(jī)型，每列之間的相位差可參考制造廠的曲軸制造詳圖。對(duì)于4M機(jī)型，合理安排每列之間的相位角會(huì)平抑平衡機(jī)組轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

圖1到圖8分別表示了不同機(jī)型不同余隙負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，以及平均轉(zhuǎn)矩及L的變化波動(dòng)情況。

圖1 2D25機(jī)型不同余隙負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖

圖2 2D25機(jī)型不同余隙負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

從圖1和圖3可以看出，2D機(jī)型壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在逐漸減小，其幅值也在隨著負(fù)荷的減小而減小，從圖2和圖4可以看出，2D機(jī)型壓縮機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)荷的降低逐漸降低，同時(shí)一轉(zhuǎn)中的能量變化值L也在逐漸減小，根據(jù)式（3），旋轉(zhuǎn)不均勻度δ同時(shí)降低，這對(duì)限制曲軸的轉(zhuǎn)速變化是十分有利的。

圖3 2D80機(jī)型不同余隙負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖

圖4 2D80機(jī)型不同余隙負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

圖5 4M16機(jī)型不同余隙負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖

圖6 4M16不同余隙負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

圖7 4M80機(jī)型不同余隙負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖

從圖5和圖7可以看出，4M機(jī)型的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相對(duì)2D機(jī)型來說要小很多，這是由于4M機(jī)型可以通過列的組合及相位角的搭配使得切向力趨于平均。不同于無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)[3]，可變余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)隨著負(fù)荷的降低，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值逐漸降低，但轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)卻仍基本保持不變。

從圖6和圖8可以看出，4M機(jī)型壓縮機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)荷的降低逐漸降低，而一轉(zhuǎn)中能量的變化L的變化率波動(dòng)較小。根據(jù)式（3），L和δ成正比變化，L變化較小則旋轉(zhuǎn)不均勻度δ的變化也會(huì)較小，這對(duì)限制曲軸的轉(zhuǎn)速變化是十分有利的。

圖8 4M80機(jī)型不同余隙負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

在飛輪矩GD2有一定余量的情況下，δ一般不會(huì)超過API618中關(guān)于δ不應(yīng)大于1.5%的要求。

3 結(jié)語

煉化企業(yè)設(shè)定可變余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，一定要校核反向角是否過小，選擇性校核是否因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化過大而引起的旋轉(zhuǎn)不均勻度超過API的要求。