無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)級(jí)間壓力的影響及控制

周天旭

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

往復(fù)式壓縮機(jī)在煉油、 化工、 制冷等工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用， 且通常都是裝置中的核心設(shè)備。在煉油化工裝置中， 往復(fù)式壓縮機(jī)通常根據(jù)工藝流程中所需的最大流量和最大壓比進(jìn)行選型。但在實(shí)際運(yùn)行過程中， 工作流量往往與設(shè)計(jì)流量存在較大偏差。傳統(tǒng)的旁路流量調(diào)節(jié)方式會(huì)造成大量的能量浪費(fèi)。以5 000 kW軸功率的往復(fù)壓縮機(jī)為例， 若長期負(fù)荷為80%， 且通過旁路調(diào)節(jié)流量的方式， 理論上一年浪費(fèi)的電費(fèi)以百萬計(jì)。針對(duì)大型往復(fù)壓縮機(jī)， 較為先進(jìn)的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)為部分頂開吸氣閥無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 其通過精確控制吸氣閥的關(guān)閉時(shí)間， 使得氣缸內(nèi)的氣體在壓縮前通過強(qiáng)制開啟的吸氣閥返回至吸氣腔中， 從而達(dá)到流量控制的效果。理論上， 這種無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可使往復(fù)機(jī)的實(shí)耗功率與負(fù)荷成正比，極大地降低能耗。目前， 已有部分研究表明， 無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的反向角、 轉(zhuǎn)矩等存在一定的影響【1-2】， 但尚未有研究表明其對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)級(jí)間壓力具有影響作用。本文主要利用熱力學(xué)復(fù)算公式研究了理論及實(shí)際應(yīng)用情況下無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)級(jí)間壓力的影響及控制。

1 理論影響分析

往復(fù)壓縮機(jī)的熱力學(xué)復(fù)算即針對(duì)主要結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)、排氣壓力已知的壓縮機(jī)，求取其級(jí)間壓力的數(shù)值、級(jí)間壓比、容積流量、最大活塞力及功率等，以核算壓縮機(jī)是否適用于新的工況。

熱力學(xué)復(fù)算步驟主要分為【3】：

1) 計(jì)算往復(fù)壓縮機(jī)各級(jí)假想工作容積

(1)

j——下標(biāo)，代表級(jí)數(shù)；

Vsj——每級(jí)氣缸行程容積，m3；

λ0——壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及泄漏系數(shù)之積，單位為1，可認(rèn)為復(fù)算過程中不變；

T1——第一級(jí)氣缸入口溫度，℃；

Tj——每級(jí)氣缸入口溫度，℃。

對(duì)于雙作用氣缸

(2)

式中：s——?dú)飧仔谐?，mm；

Dj——每級(jí)氣缸直徑，mm；

d——活塞桿直徑，mm。

2) 復(fù)算級(jí)間壓力

(3)

式中：Pj——級(jí)間壓力，MPa；

Zj——?dú)怏w壓縮系數(shù)，單位為1；

λvj——容積系數(shù)。

(4)

式中：αj——?dú)飧紫鄬?duì)余隙，%；

εj——每級(jí)氣缸的壓比；

m——?dú)怏w膨脹系數(shù)，單位為1。

3) 驗(yàn)算準(zhǔn)確度

(5)

式中：Vj——驗(yàn)算過程中氣缸的計(jì)算吸氣量，m3。

根據(jù)式(1)～式(5)計(jì)算各級(jí)進(jìn)氣量中最大值Vmax和最小值Vmin，當(dāng)Vmin/Vmax>0.98時(shí)，可認(rèn)為往復(fù)壓縮機(jī)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，此時(shí)級(jí)間壓力為平衡后的壓力。

當(dāng)配備了無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，可通過熱力學(xué)復(fù)算的方式對(duì)級(jí)間壓力進(jìn)行研究。由無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理可知，其流量控制的方式是通過控制吸氣閥的主動(dòng)開啟，使未壓縮的氣體回流至吸氣腔中，以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)負(fù)荷，而這一過程可近似等價(jià)為減小了氣缸的行程容積。若每級(jí)氣缸負(fù)荷為βj，則流量調(diào)節(jié)后的每級(jí)行程容積可等價(jià)為βjVsj。

將βjVsj代入式(3)，可得式(6)：

(6)

由式(6)可知，若每級(jí)氣缸的負(fù)荷調(diào)節(jié)比例完全相同，即βj均相同，則式(6)完全等價(jià)于式(3)。另外，由上述公式可知，無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)其余參數(shù)(如容積系數(shù)等)均無影響。因此，理論上，若每級(jí)氣缸的負(fù)荷調(diào)節(jié)比例完全相同，即每級(jí)氣缸的吸氣量與該級(jí)滿負(fù)荷吸氣量的比值均一致時(shí)，部分頂開吸氣閥無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)級(jí)間壓力沒有影響，配置流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，其級(jí)間壓力應(yīng)與原值一致。

然而，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，往復(fù)壓縮機(jī)配置無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，實(shí)際級(jí)間壓力情況與理論不同，偏離原值，甚至隨著流量調(diào)節(jié)負(fù)荷的不同也會(huì)出現(xiàn)變化。通過分析現(xiàn)場(chǎng)案例發(fā)現(xiàn)，無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)級(jí)間壓力影響的主要原因?yàn)榭刂凭葐栴}。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以國內(nèi)某渣油加氫裝置的四列三級(jí)新氫壓縮機(jī)為例對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證。壓縮機(jī)部分設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

將上述設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(1)～式(6)中，分析不同極端偏差組合下實(shí)際級(jí)間壓力變化的趨勢(shì)。表2列舉了90%±5%的偏差組合，表3計(jì)算了不同偏差組合下的級(jí)間壓力值及變化率。為使結(jié)果顯示更為直觀，將級(jí)間壓力變化率以柱狀圖的方式示意于圖1中。

表2 偏差組合 單位：%

表3 級(jí)間壓力變化率

圖1 級(jí)間壓力變化率

由表3和圖1可知，當(dāng)各級(jí)氣缸實(shí)際負(fù)荷比例不同時(shí)，級(jí)間壓力相比原值均會(huì)發(fā)生變化。由圖1可看出，級(jí)間壓力變化率隨著各級(jí)缸負(fù)荷不同，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。具體為：

1) 當(dāng)首級(jí)氣缸負(fù)荷值不同于后面級(jí)氣缸的負(fù)荷，且后面級(jí)負(fù)荷比例近似時(shí)，各級(jí)間壓力均發(fā)生較大變化；

2) 當(dāng)中間級(jí)氣缸負(fù)荷值不同于前、后級(jí)氣缸的負(fù)荷，且前、后級(jí)負(fù)荷比例近似時(shí)，中間級(jí)的鄰近前級(jí)間壓力發(fā)生較大變化，后級(jí)間壓力變化較小；

3) 當(dāng)末級(jí)氣缸負(fù)荷值不同于前級(jí)氣缸的負(fù)荷，且前級(jí)負(fù)荷比例近似時(shí)，鄰近前級(jí)間壓力發(fā)生較大變化；

4) 當(dāng)各級(jí)氣缸負(fù)荷值均不相同時(shí)，首級(jí)氣缸負(fù)荷變化對(duì)后級(jí)的級(jí)間壓力均造成影響。

以上變化規(guī)律，其內(nèi)在原理較為簡單。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，當(dāng)級(jí)間氣體的溫度和體積不變時(shí)，級(jí)間氣體的壓力正比于氣體的摩爾質(zhì)量。具體為，當(dāng)后級(jí)氣缸負(fù)荷比例低于前級(jí)的比例時(shí)，后級(jí)氣缸將回流更多的氣體至級(jí)間，使級(jí)間的氣體摩爾質(zhì)量增加，進(jìn)而導(dǎo)致級(jí)間壓力增大，如組合5中的一二級(jí)間壓力變化。

因流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)精度問題，各級(jí)流量調(diào)節(jié)比例不同在所難免。實(shí)際操作中，可根據(jù)上述規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)級(jí)間壓力增大時(shí)，可適當(dāng)提高后級(jí)的負(fù)荷，使級(jí)間壓力恢復(fù)正常。針對(duì)以上問題，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)廠家多提供兩種控制方案：手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)節(jié)是指，手動(dòng)設(shè)定各級(jí)氣缸的負(fù)荷比例。當(dāng)發(fā)現(xiàn)級(jí)間壓力偏離時(shí)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)各級(jí)比例以實(shí)現(xiàn)級(jí)間壓力的正常化。自動(dòng)調(diào)節(jié)是指，設(shè)定首級(jí)氣缸的負(fù)荷比例以及各級(jí)間壓力值，系統(tǒng)將自動(dòng)設(shè)定后級(jí)氣缸的負(fù)荷比例,以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的負(fù)荷比例和級(jí)間壓力。

以上僅從理論上分析了各級(jí)氣缸調(diào)節(jié)負(fù)荷不同時(shí)級(jí)間壓力的變化規(guī)律。但實(shí)際操作中，往復(fù)壓縮機(jī)級(jí)間壓力的變化受到多種因素的影響，需綜合分析，不能單一而論。

3 結(jié)語

理論上，若各級(jí)氣缸流量負(fù)荷比例完全一致時(shí)，無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)級(jí)間壓力沒有影響。但實(shí)際情況下，由于控制精度等問題，各級(jí)氣缸負(fù)荷比例不可能完全相同，導(dǎo)致級(jí)間壓力發(fā)生變化。實(shí)際操作中，無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過自動(dòng)或手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)各級(jí)氣缸負(fù)荷比例，以使級(jí)間壓力保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。