往復(fù)壓縮機(jī)流量調(diào)控工況下排氣閥泄漏仿真研究

孫 旭，劉曉明，李 磊，王 瑤，張 春

（1.北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450；4.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)具有進(jìn)排氣壓力覆蓋范圍廣、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在石化、鋼鐵、冶金、機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用［1-3］。當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)工藝要求的氣量低于額定排氣量時(shí)，排氣量需要通過附加裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，來滿足實(shí)際工藝要求的流量［4-7］。

正常工況下，氣閥高頻地開啟與關(guān)閉，閥片、彈簧等零部件易發(fā)生疲勞磨損，并且面臨著介質(zhì)侵蝕、各種應(yīng)力作用的復(fù)雜工作環(huán)境。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障開展了大量研究，主要圍繞氣閥模型、故障識(shí)別及診斷開展了大量研究。林槑等［8］闡述了氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的部分理論、計(jì)算和測(cè)試方法。MAHMOOD等［9］提出一種基于曲柄轉(zhuǎn)角的往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)氣閥故障的零維數(shù)值計(jì)算方法。ELHAJ等［10］通過數(shù)值模擬對(duì)氣閥泄漏和氣閥彈簧損壞等進(jìn)行仿真研究。

目前，針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)工況下氣閥故障研究較少，流量調(diào)節(jié)工況下氣閥故障對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及效率影響分析較少。王蒙等建立數(shù)學(xué)模型對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)工況下進(jìn)行吸氣閥故障模擬與診斷［11］，但并未對(duì)壓縮機(jī)熱力學(xué)性能及效率進(jìn)行分析。流量調(diào)節(jié)工況下，當(dāng)排氣閥產(chǎn)生明顯泄漏后，不僅沒有氣體排出，而且排氣管道的高溫氣體會(huì)回流至吸氣口，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和工作效率，因此本文基于往復(fù)壓縮機(jī)的CFD模型對(duì)流量調(diào)控工況下排氣閥泄漏對(duì)壓縮機(jī)的影響進(jìn)行分析，為流量調(diào)控工況下壓縮機(jī)安全運(yùn)行奠定理論基礎(chǔ)。

1 往復(fù)壓縮機(jī)無級(jí)流量調(diào)控原理

往復(fù)壓縮機(jī)無級(jí)流量調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，系統(tǒng)利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制進(jìn)氣閥閥片在壓縮過程保持開啟狀態(tài)，部分氣體未經(jīng)壓縮回流至吸氣管道，由于回流氣體沒有經(jīng)過壓縮，因此可節(jié)約大量的氣體指示功率，即大量的電能。通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開吸氣閥的時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)0～100%的無級(jí)調(diào)節(jié)。

當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)安裝流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移與閥片位移如圖1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在壓縮機(jī)壓縮過程之前完成頂出（θ1～θ2），執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓力作用下始終保持頂開狀態(tài)（θ2～θ3），當(dāng)氣量滿足要求時(shí)，施加給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓力撤銷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及吸氣閥閥片關(guān)閉（θ3～θ4），實(shí)現(xiàn)流量的無級(jí)調(diào)節(jié)，降低了壓縮機(jī)工作在非滿負(fù)荷狀態(tài)下的能耗?；亓鲿r(shí)間（θ's4～θ4）決定了氣量調(diào)節(jié)工況的負(fù)荷。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移與閥片位移示意Fig.1 Schematic diagram of displacement of actuator and valve plate

2 往復(fù)壓縮機(jī)排氣閥泄漏CFD模型

2.1 邊界條件與初值條件

邊界條件與初始條件是流體控制方程組有正確解的前提。針對(duì)瞬態(tài)問題，初始條件要根據(jù)實(shí)際工作條件確定，以免影響求解的合理性。邊界條件則是根據(jù)求解區(qū)域的邊界實(shí)際工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)工作參數(shù)設(shè)定初始條件和邊界條件，Ω1和Ω2-2的初始條件為吸氣溫度、吸氣壓力，Ω2-1和Ω3的初始條件為排氣溫度、排氣壓力，其具體值由溫度及壓力傳感器測(cè)量得到。

圖2 進(jìn)排氣閥、氣缸區(qū)域劃分Fig.2 Area division of suction and exhaust valve and cylinder

由計(jì)算域確定非定常流動(dòng)初場(chǎng)：

邊界條件：

式中 t——時(shí)間；

U——速度；

P——壓力；

T——溫度；

Ω——體積；

q——壁面熱流密度；

∑——表面；

∑inlet——吸氣閥上表面；

∑outlet——排氣閥出口面；

∑else——其余邊界為絕熱邊界；

q——熱流密度。

2.2 閥片運(yùn)動(dòng)方程

氣閥閥片受力方程：

式中 S——位移；

G——重力；

P1——閥片上表面壓力；

P2——閥片下表面壓力；

F1——彈簧力；

F2——液壓力。

氣閥閥片反彈速度：

式中 Vrec——閥片反彈后速度；

CR——反彈系數(shù)，一般取0.2；

Vtem——閥片反彈前速度。

2.3 排氣閥泄漏處理

為探究排氣閥閥片泄漏面積增大對(duì)壓縮機(jī)熱力學(xué)性能的影響。首先建立氣閥閥片斷裂模型及泄漏流域網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 斷裂排氣閥閥片模型Fig.3 Model of broken exhaust valve plate

氣閥閥片泄漏通流面積占比Ra：

本文引入Ra作為氣閥閥片斷裂程度的表征變量，Ra越大說明閥片斷裂越嚴(yán)重，排氣閥泄漏越嚴(yán)重。

3 CFD仿真結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行建模仿真，壓縮機(jī)吸、排氣閥結(jié)構(gòu)型式均為網(wǎng)狀閥。壓縮機(jī)與氣閥部分結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 壓縮機(jī)與氣閥部分結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structural dimensions of compressor and valve

試驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)為雙作用壓縮機(jī)，并且進(jìn)排氣氣缸軸線完全對(duì)稱，因此取一側(cè)氣缸的一半構(gòu)建CFD模型，如圖4所示。

圖4 往復(fù)壓縮機(jī)CFD模型Fig.4 CFD model of reciprocating compressor

在本小結(jié)中，通過設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同撤回角度，撤回角度依次為 180°，225°，250°，275°，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的變化，負(fù)荷依次為100%，76%，60%，34%。通過設(shè)計(jì)泄漏面積占比，泄漏面積AF分別為0，23.5，47.0，70.5 mm2實(shí)現(xiàn)泄漏占比 Ra 的變化，Ra依次為0，2.20%，3.36%，4.52%。分別模擬了不同負(fù)荷、不同Ra下的氣閥運(yùn)動(dòng)、壓縮機(jī)功耗、溫度等性能變化。

3.1 壓縮機(jī)功耗

壓縮機(jī)在不同負(fù)荷不同排氣閥泄漏占比的情況下，機(jī)組示功如圖5所示，以100%和76%負(fù)荷為例進(jìn)行分析，隨著排氣閥泄漏面積的增加，膨脹階段缸內(nèi)氣體動(dòng)態(tài)壓力下降逐漸滯后，壓縮階段壓力上升逐漸提前。當(dāng)泄漏面積持續(xù)增大，壓縮機(jī)將無法正常吸氣。壓縮機(jī)在同一負(fù)荷下排氣閥出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏面積增大，吸氣過程和回流過程缸內(nèi)壓力更高。

圖5 不同負(fù)荷不同泄漏工況下機(jī)組示功Fig.5 Indicator diagram of compressor unit under different load and leakage conditions

雖然隨著泄漏面積增大，排氣過程逐步提前，但是在膨脹過程中，由于泄漏的原因，吸氣量減少較多，實(shí)際排氣量在減少。由表2可以看出，隨著泄漏量的增加，壓縮機(jī)指示功在增加。

表2 不同負(fù)荷耦合排氣閥泄漏工況下壓縮機(jī)指示功Tab.2 Indicator diagram of compressor under the coupled conditions of different loads and exhaust valve leakage J

3.2 壓縮機(jī)氣缸氣體質(zhì)量

不同排氣閥泄漏，不同負(fù)荷工況下氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看到，隨著排氣閥閥片泄漏面積的增大，氣體從排氣端流入氣缸，膨脹階段缸內(nèi)氣體質(zhì)量增加，在相同的氣缸容積下，由于排氣管道高壓氣體泄漏至氣缸，吸氣壓力上升，導(dǎo)致吸氣量的下降。由表3可以看到，當(dāng)泄漏量增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)總質(zhì)量減少，壓縮階段缸內(nèi)氣體也會(huì)明顯增加，可以看到在氣調(diào)工況下當(dāng)排氣閥產(chǎn)生明顯泄漏（Ra=3.36%）后，不僅沒有氣體排出，甚至出現(xiàn)排氣端的氣體在吸氣閥被強(qiáng)制頂開的期間內(nèi)回流至吸氣端的現(xiàn)象。即氣調(diào)工況下的排氣閥泄漏故障危害極大。

表3 壓縮機(jī)單周期單缸吸氣質(zhì)量Tab.3 Suction mass of single cycle single cylinder of compressor （×10-2 kg）

圖6 不同負(fù)荷耦合泄漏工況下氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量變化規(guī)律Fig.6 Variation rule of gas mass in cylinder under the coupled conditions of different loads and exhaust valve leakage

4 結(jié)論

（1）隨著泄漏面積增大，排氣過程逐步提前，但是由于泄漏的原因，排氣管道的高壓氣體回流至壓縮機(jī)氣缸，導(dǎo)致吸氣壓力上升，壓縮機(jī)指示功在增加。

（2）隨著排氣閥閥片泄漏面積的增大，膨脹階段缸內(nèi)氣體質(zhì)量增加，當(dāng)排氣閥產(chǎn)生明顯泄漏（Ra=3.36%）后，不僅沒有氣體排出，甚至出現(xiàn)排氣端的氣體在吸氣閥被強(qiáng)制頂開的期間內(nèi)回流至吸氣端的現(xiàn)象，即氣調(diào)工況下的排氣閥泄漏故障危害極大。

（3）本文考慮了排氣閥泄漏對(duì)壓縮機(jī)氣缸壓力及氣缸氣體質(zhì)量的影響，后續(xù)可改進(jìn)往復(fù)壓縮機(jī)CFD模型，考慮對(duì)氣缸溫度的影響，使壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估更加全面。