50%卸荷工況對往復(fù)式壓縮機的影響分析

曾躍波，連小松，徐延學(xué)

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108）

往復(fù)式壓縮機是石油化工行業(yè)最常用的壓縮機之一，其容積流量往往是按照裝置負(fù)荷的最大值設(shè)計，且按照API 618 還應(yīng)有3%的富裕量。一旦壓縮機被設(shè)計生產(chǎn)出來，它的吸氣量基本是固定的，為了適應(yīng)低負(fù)荷下運行，往復(fù)式壓縮機可使用多種流量調(diào)節(jié)方式[1-6]。在所有的流量調(diào)節(jié)方式中，全部頂開吸氣閥的卸荷調(diào)節(jié)是最常使用的流量調(diào)節(jié)方式，它有省功、調(diào)節(jié)設(shè)備簡單、造價低等優(yōu)點，但是其缺點也十分明顯，對于絕大部分壓縮機來說，只能實現(xiàn)0%，50%，100%三檔調(diào)節(jié)，而且基本不允許長時間0%負(fù)荷調(diào)節(jié)，0%負(fù)荷調(diào)節(jié)僅在切機時使用，且50%調(diào)節(jié)為特定比例調(diào)節(jié)，還需配合回流調(diào)節(jié)等其他流量調(diào)節(jié)方式[7]。

50%卸荷為蓋側(cè)卸荷，軸側(cè)保持滿負(fù)荷操作，本文主要研究50%卸荷工況對往復(fù)式壓縮機級間壓力、反向角以及曲軸轉(zhuǎn)矩的影響[8]。

1 50%卸荷工況對級間壓力的影響

常見的往復(fù)式壓縮機的氣缸由蓋側(cè)和軸側(cè)構(gòu)成，因為軸側(cè)存在活塞桿的原因，導(dǎo)致一個壓縮周期內(nèi)蓋側(cè)吸入的氣體比軸側(cè)吸入的氣體的體積要小。而50%卸荷工況僅卸荷軸側(cè)，導(dǎo)致卸荷后的吸氣量小于100%負(fù)荷時的50%，而對于多級壓縮機的后幾級來說，活塞桿體積占據(jù)氣缸的體積越來越大，導(dǎo)致這幾級吸氣量更小于100%負(fù)荷吸氣量的50%。

往復(fù)壓縮機的熱力學(xué)復(fù)算就是要試算出一個級間壓力分配[9-10]，使得每一級氣缸的吸氣質(zhì)量流量相等，然而這種試算過程很復(fù)雜，尤其是對于多級壓縮的壓縮機，經(jīng)常要試算十幾次[11]。而通過HYSYS 專有的往復(fù)壓縮機模型[12]，可以很好地模擬這種卸荷工況。以某加氫裝置的四級壓縮機為例，圖1 表示了四級壓縮機的壓縮流程，而圖2 分別表示了卸荷前和卸荷后的各級壓力變化及流量變化情況。

圖1 四級壓縮機流程圖Fig.1 Four stage compressor flow scheme

通過分析圖2 可以看出，由于活塞桿的影響，50%卸荷后，級間壓力均上升，且第三級出口的壓力上升最多，即此級的壓比上升最大，而最后一級的壓比下降。同時，從流量可以看出，50%卸荷后的流量比100%負(fù)荷時流量的50%要小。以上規(guī)律適用于所有卸荷工況的壓縮機。

圖2 卸荷前后的壓力及流量變化Fig.2 Pressure and flow rate contrast before and after unloading

這就要求我們在設(shè)計壓縮機時，要充分考慮卸荷工況對級間壓力的影響，并適當(dāng)提高級間安全閥的定壓，防止因卸荷導(dǎo)致的級間安全閥起跳。

2 50%卸荷工況對反向角的影響

壓縮過程分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程。而蓋側(cè)卸荷時，蓋側(cè)的壓力就是吸氣壓力，且一直保持不變。圖3a、b 圖分別表示卸荷前后某一級的受力情況。圖3 中的氣體力疊加曲線最后一部分為直線，對比圖3a、b 圖可以發(fā)現(xiàn)，圖3a 中的氣體力疊加曲線的最后一段直線數(shù)值的絕對值比較大，而圖3b 中相應(yīng)一段直線數(shù)值的絕對值卻小很多，這是因為，此段直線代表著軸側(cè)的吸氣過程，軸側(cè)吸氣時軸側(cè)和蓋側(cè)的壓力相等，此時氣體力兩側(cè)疊加僅等于吸氣壓力乘以活塞桿截面積，而活塞桿截面積相對于氣缸截面積比較小，造成了此段直線數(shù)值上的下降。

通過分析綜合活塞力曲線，可以分析出此級的反向角，從圖3 中可以看出，此級的反向角卸荷前大約為180°，而卸荷后為90°反向角變小了。其實并非50%卸荷后該級的反向角均會減小，某些情況下反向角還會增加，如圖4 所示。根據(jù)經(jīng)驗，如果該級反向角在100%工況比較小時，50%卸荷工況下的反向角大概率會增加。

圖3 卸荷前后的某一級的受力曲線（反向角減小工況）Fig.3 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal decrease situation）

圖4 卸荷前后的某一級的受力曲線（反向角增大工況）Fig.4 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal increase situation）

因為卸荷工況時的反向角存在變化，這就要求壓縮機設(shè)計時，要分析卸荷工況下的反向角變化，防止因為反向角過小引起十字頭銷潤滑不暢導(dǎo)致十字頭銷損壞的發(fā)生。

3 50%卸荷工況對壓縮機扭矩的影響

50%卸荷工況影響了每一級的氣體力，從而影響了該級的綜合活塞力，有可能使得綜合活塞力增大，也可能減小。而綜合活塞力的變化又能影響連桿力從而使得本級的切向力發(fā)生變化，每級切向力疊加得到曲軸的負(fù)載扭矩，從而導(dǎo)致了曲軸負(fù)載扭矩的變 化。

圖5 表示了卸荷前后，某臺壓縮機負(fù)載扭矩的變化情況，從圖中可以看出，整體的負(fù)載扭矩變小了，波動率似乎沒有變化，但是從理論上講，卸荷后有可能使得負(fù)載扭矩變大或者波動率變大。而負(fù)載扭矩變大或扭矩波動值變大，有可能導(dǎo)致壓縮機旋轉(zhuǎn)不均勻度超過API618 的標(biāo)準(zhǔn)值，或?qū)е码姍C電流脈動超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。這就要求我們在壓縮機設(shè)計時，要充分考慮卸荷工況對往復(fù)壓縮機扭矩值的影響。

圖5 卸荷前后的某壓縮機的扭矩曲線Fig.5 Crankshaft torque curve before and after unloading

4 結(jié)束語

卸荷工況下，每級氣量的非均勻性減小導(dǎo)致了級間壓力的變化，同時卸荷工況引起了受力的變化，從而引起了反向角以及扭矩的變化。因此無論壓縮機的設(shè)計計算還是校核計算，均應(yīng)該考慮卸荷工況的影響。