往復(fù)壓縮機(jī)兩種氣量調(diào)節(jié)方式的比較

陳青松，楊 楊，祝 進(jìn)

（1.中韓（武漢） 石油化工有限公司，湖北武漢 430081；2.中國石化滄州煉化公司，河北滄州061000 3.中國石化安慶分公司，安徽安慶 246000）

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)在煉油廠中廣泛使用，其設(shè)計(jì)排氣量一般是根據(jù)裝置所需的最大流量或近期可能所需的擴(kuò)容流量來選擇，通常都具有一定的富裕量。由于工藝條件的變化，當(dāng)實(shí)際耗氣量小于壓縮機(jī)的額定排氣量時(shí)，需要對壓縮機(jī)進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，以滿足工藝需求。過去主要通過開返回線的方法來調(diào)節(jié)，該方法使壓縮機(jī)做了大量的無用功，浪費(fèi)很多能耗。近年來，各石化企業(yè)為節(jié)能增效，在往復(fù)壓縮機(jī)上增上了大量的氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的形式目前常用的有延時(shí)關(guān)閉氣閥和余隙調(diào)節(jié)2種方式，對于這2種方式的優(yōu)劣比較，目前沒有具體定論。為了方便各企業(yè)選擇更合適的氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本文對此進(jìn)行調(diào)查研究。

2 兩種調(diào)節(jié)方式的工作原理

2.1 余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)基本原理

圖1 存在余隙Vc 和Vc′的示意圖和示功圖

正常的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)存在一定余隙Vc，該余隙通常較小，正常余隙下往復(fù)機(jī)的理想氣體示功圖如圖1（a）。圖1中，橫坐標(biāo)V和縱坐標(biāo)p分別表示氣缸的體積和壓力，1-2，2-3，3-4，4-1分別為壓縮、排氣、膨脹、吸氣4個(gè)過程。

在圖1（a） 中，由于余隙容積Vc的存在，工作活塞剛開始向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，因留存在余隙容積Vc內(nèi)的氣體壓力大于進(jìn)氣壓力，吸氣閥不能打開，直到活塞右行到位置4時(shí)，缸內(nèi)氣體體積由Vc膨脹到V4、壓力由p2下降至p1時(shí)才開始進(jìn)氣。如果將余隙體積Vc增加到Vc′，余隙體積Vc′更大，使得膨脹過程更長，吸氣和排氣過程變短，壓縮過程也相應(yīng)變長，如圖1（b） 所示，壓縮機(jī)的排氣量（2-3線） 和所需要的能耗（1-2-3-4所圍的面積） 均減小[5]?？烧{(diào)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)是將原壓縮機(jī)氣缸缸蓋改為可調(diào)的余隙活塞缸，利用可調(diào)的余隙活塞缸調(diào)節(jié)余隙大小實(shí)現(xiàn)對氣量的自動(dòng)控制（圖2）。

2.2 延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)是利用程序控制延遲吸氣閥在壓縮過程中的關(guān)閉時(shí)間來調(diào)節(jié)氣量。其主要工作原理是通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在進(jìn)氣閥卸荷器上，通過計(jì)算機(jī)將壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)信號(hào)反饋至液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電子模塊，來控制進(jìn)氣閥的啟閉時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量30%～100%范圍的無級(jí)調(diào)節(jié)[2]。其示功圖如圖3所示，當(dāng)進(jìn)氣過程達(dá)到C點(diǎn)后，給定的閥位信號(hào)使得液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)將吸氣閥強(qiáng)制保持在開啟狀態(tài)，壓縮過程由原壓縮曲線C-D，改變?yōu)镃r-Dr，C-Cr為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)制吸氣閥開啟的時(shí)間，該段體積的變化即為調(diào)節(jié)減少下來的氣量，而圖中斜線陰影部分C-Cr-Dr-D所圍的面積即壓縮機(jī)所減少的做功。

3 各企業(yè)使用情況統(tǒng)計(jì)

本次以某石化企業(yè)所在6家煉油廠為調(diào)查對象，對各企業(yè)往復(fù)壓縮機(jī)使用氣量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2種氣量調(diào)節(jié)方式均有所推廣。6家企業(yè)共計(jì)36臺(tái)套機(jī)組在使用氣量調(diào)節(jié)裝置，延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)市場占比仍占絕對優(yōu)勢（表1）。

圖2 可調(diào)余隙的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與壓縮機(jī)配合安裝示意圖

圖3 延時(shí)關(guān)閉氣閥系統(tǒng)壓縮機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)過程

通過對2種氣量調(diào)節(jié)方式歷年發(fā)生的故障進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（表2），余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障頻率最高的為液壓油泄漏導(dǎo)致余隙缸故障，延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)故障頻率最高的為執(zhí)行機(jī)構(gòu)填料泄漏。分析其原因，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓油系統(tǒng)與延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓油系統(tǒng)使用環(huán)境和壓力并無太大區(qū)別，故障率卻較高，主要是國產(chǎn)液壓油系統(tǒng)采用金屬卡套管連接，在卡套接頭防振防松方面可靠度不夠?qū)е?，從裝備的改進(jìn)提升是可以解決的。而延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)填料泄漏卻是其結(jié)構(gòu)決定的，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁干涉氣閥開啟的過程中，閥桿的動(dòng)作頻率較高，特別對于高壓缸來說，這種填料的泄漏問題很難有好的應(yīng)對方案。

4 2種氣量調(diào)節(jié)方式的對比

4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

余隙氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是采用普通的電液控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對余隙活塞行程進(jìn)行調(diào)節(jié)，一次調(diào)節(jié)后保持不動(dòng)，由于余隙缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過程中線速度低，磨損少，故障率較低；余隙調(diào)節(jié)不需改變原有氣閥；余隙調(diào)節(jié)的無用功耗主要表現(xiàn)在余隙腔內(nèi)余氣的反復(fù)膨脹和壓縮；由于余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能在蓋側(cè)安裝，對于雙作用氣缸，其流量調(diào)節(jié)范圍只能達(dá)到60%～100%的無級(jí)調(diào)節(jié)。

延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)通過控制壓縮過程中吸氣閥的關(guān)閉時(shí)刻，來控制進(jìn)氣量的大小，從而實(shí)現(xiàn)排氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)。該方式理論上可以實(shí)現(xiàn)氣量0～100%的無級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)際應(yīng)用中，過低負(fù)荷下可能會(huì)導(dǎo)致吸氣閥片不能關(guān)閉，變成全行程壓開[3]，通常規(guī)定操作范圍為30%～100%。由于壓開吸氣閥的時(shí)間有精確要求，其對控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求較高；由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)需隨氣閥的啟閉周期不斷執(zhí)行壓開和釋放，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相對頻繁，特別是對高壓操作條件下密封件較易磨損；延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)的無用功耗主要表現(xiàn)在氣體在進(jìn)入吸氣閥后一部分通過吸氣閥返回到入口管線造成的內(nèi)能增加。

4.2 2種氣量調(diào)節(jié)方式的對比

4.2.1 性能比較

表3給出了2種氣量調(diào)節(jié)方式的使用性能比較，在實(shí)際選用過程中還應(yīng)充分考慮2種氣量調(diào)節(jié)方式所適用的工況范圍以及其對機(jī)組本機(jī)運(yùn)行可靠性的影響，盡量選擇滿足生產(chǎn)需求、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠的調(diào)節(jié)方式。

4.2.2 投資費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性比較

早期由于延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)只有進(jìn)口廠家，其初始投資成本較高。以單級(jí)6列雙作用氣缸為例：排氣壓力6 MPa，配套電機(jī)功率3000 kW，機(jī)組不間斷連續(xù)運(yùn)行。單臺(tái)機(jī)組配置不同調(diào)節(jié)方式投資估算見表4。

從表4可見，延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)初始投資成本要遠(yuǎn)大于余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但是延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的成本不會(huì)隨著機(jī)組功率的增大而增加很多，只與氣閥數(shù)量及壓力等級(jí)有關(guān)；而余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)因需制作余隙缸，其投資成本與氣缸數(shù)量、氣缸大小及壓力等級(jí)有關(guān)。

表1 某石化6家煉油廠在用氣量調(diào)節(jié)裝置分布統(tǒng)計(jì)

表2 各氣量調(diào)節(jié)廠家產(chǎn)品在某石化六家煉油廠的故障次數(shù)分類統(tǒng)計(jì)

表3 2種氣量調(diào)節(jié)方式的使用性能比較

近年來，國內(nèi)已有部分廠家開始生產(chǎn)延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其初始投資成本已經(jīng)大幅降低，與余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)投資成本已相差無幾。

4.2.3 可靠性比較

（1）易損件比較

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要易損件為余隙活塞缸各密封件，由于其動(dòng)作線速度低，且操作頻次較低，易損件相對磨損量較小，理論壽命應(yīng)較長。延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要易損件為氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的填料和油路密封件，該部位動(dòng)作頻繁，線速度高，特別是對高壓缸來說，易損件壽命較短。

（2）液壓系統(tǒng)比較

從液壓系統(tǒng)來看，兩者液壓系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)相似。國產(chǎn)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)多采用卡套連接的金屬不銹鋼管作為液壓油管，延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)則較多采用高壓液壓油軟管連接。實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)來看，高壓軟管比金屬管卡套連接形式要更加可靠。

（3）電控系統(tǒng)比較

從電控系統(tǒng)來比較，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要增加的反饋單元為活塞位移傳感器，其主要作用是反饋余隙活塞的行程位置，作為調(diào)節(jié)反饋信號(hào)；延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要通過在飛輪上安裝的鍵相位來反饋活塞做功過程的上死點(diǎn)位置，進(jìn)而為延時(shí)關(guān)閉氣閥時(shí)間提供零點(diǎn)信號(hào)。理論上講，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電控單元更簡單，但實(shí)際應(yīng)用中，無論是余隙調(diào)節(jié)的位移探頭壞還是延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)的飛輪鍵相位信號(hào)丟失都將使調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法工作。

（4）受力分析比較

往復(fù)壓縮機(jī)的綜合活塞力由往復(fù)慣性力、摩擦力、蓋側(cè)和軸側(cè)的氣體力等部分組成，規(guī)定曲柄轉(zhuǎn)角θ的起止點(diǎn)為外止點(diǎn)，即外止點(diǎn)時(shí)θ=0°，任意轉(zhuǎn)角時(shí)活塞位移為Xi，根據(jù)公式[3]

壓縮過程中的氣體力

膨脹過程中的氣體力

表4 2種氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)初始投資成本估算（2010年數(shù)據(jù)）

圖4

圖5 K4101AB 2種調(diào)節(jié)方式進(jìn)氣量和效率曲線對比

往復(fù)慣性力為

摩擦力

式中 r——曲軸半徑

ω——旋轉(zhuǎn)角速度

n——轉(zhuǎn)速

λ——曲軸半徑與連桿長度比

ps——吸氣壓力

pd——排氣壓力

S——活塞行程

S0——余隙行程

Ni——列功率

ηm——機(jī)械效率

利用計(jì)算機(jī)建立模型，做出雙作用缸的正常情況下綜合活塞力如圖4（a）所示（圖中虛線部分）。

對延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)來說，軸側(cè)氣體力和蓋側(cè)氣體力的壓縮氣體力變化均延遲，對圖像調(diào)整延時(shí)20°關(guān)閉得到的圖形如圖4（a） 所示，圖4（a）中虛線表示原始?xì)怏w力，實(shí)線表示延時(shí)20°后變化的氣體力。從圖4（a） 可看出，延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)對綜合活塞力的影響是對稱的，不會(huì)改變反向角。

對余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于余隙缸安裝在蓋側(cè)，只改變了蓋側(cè)的余隙容積，對蓋側(cè)的余隙行程 做了適量修正增加后，得到的圖形如圖4（b） 所示，從圖中可以看出，由于蓋側(cè)膨脹壓力增加的減緩，綜合活塞力受到影響，由原來的0～10°負(fù)反向角增加到了0～20°的負(fù)反向角，反向角增加約了10°。

4.2.4 節(jié)能效果比較

某分公司柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)K4101AB兩臺(tái)機(jī)組為同一位號(hào)互為備用2臺(tái)機(jī)組，其A機(jī)采用延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)，B機(jī)采用余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。我們通過對2臺(tái)機(jī)組2019年9月份分別運(yùn)行一周的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行能效計(jì)算，得出結(jié)果如圖5。

從圖5和表5可以看出，K4101B（余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 的平均效率約為69.58%，要高于K4101A（延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)） 的66.97%。

計(jì)算過程：

表5

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n=375 r/min，活塞行程L=280 mm，兩級(jí)壓縮，進(jìn)氣量Vi，進(jìn)氣壓力pSi，進(jìn)氣溫度Tsi，排氣壓力pdi，排氣溫度Tdi，額定電流124.5A

（1）計(jì)算壓縮比[1]

計(jì)算壓縮比εi

算得一級(jí)壓縮比ε1和二級(jí)壓縮比ε2值。

（2）計(jì)算絕熱系數(shù)[1]

根據(jù)氣體組分和溫度，查各組分的絕熱指數(shù)。取出入口溫度中間值328K作為氣體平均溫度。查常用氣體絕熱指數(shù)表[3]（表5），得出各組分氣體在溫度328 K下的絕熱指數(shù)：

由公式1/（k-1）=yi/（ki-1） 求出k值為1.3557。

（3）計(jì)算?值[1]

（4）計(jì)算壓縮機(jī)的理論絕熱壓縮功率：

一級(jí)做功功率N1=P1V1?1

二級(jí)做功功率N2=P2V2?2

總的做功功率N=N1+N2

（5）計(jì)算電機(jī)功率

已知電機(jī)額定電壓Ua=6000 V，額定電流Ia=124.5 A，實(shí)際電壓A段電源Upa=6120 V，B段電源Upb=6200 V，實(shí)時(shí)電流Ip，功率因數(shù)cos?=0.9

電機(jī)輸入功率Ne

（6）計(jì)算綜合效率ηc

對綜合效率按按時(shí)間求平均

4.2.5 綜合比較（表6）。

表6 余隙氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)與延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)對比表

5 結(jié)論

綜合以上分析，可調(diào)的余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)和部分行程延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)2種調(diào)節(jié)方式經(jīng)過多年的發(fā)展目前均得到了廣泛應(yīng)用。兩者較成熟的方案均為采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的電控方案，均可實(shí)現(xiàn)無極氣量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)范圍來說，延時(shí)關(guān)閉氣閥要比余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍更寬。投資和使用維護(hù)成本方面，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)比延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)不論是投資還是維護(hù)成本均要低。可靠性方面，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在綜合活塞力的不平衡性，用戶在選擇時(shí)需對十字頭反向角進(jìn)行核算評(píng)估；延時(shí)關(guān)閉氣閥因執(zhí)行機(jī)構(gòu)高頻動(dòng)作，線速度高，其填料等易損件消耗周期比余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)要短。余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)目前多為國產(chǎn)系統(tǒng)，液壓油系統(tǒng)管線配置等方面的可靠性能提升還有較大空間可挖掘。節(jié)能效果方面，兩者都能實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果，通過實(shí)際應(yīng)用對比，余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能效果要略優(yōu)于延時(shí)關(guān)閉氣閥調(diào)節(jié)（本文僅以一臺(tái)套機(jī)組進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用對比，不具備代表性，僅做參考，具體能效還需進(jìn)一步深入跟蹤比較）。