往復(fù)活塞壓縮機(jī)壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)與余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)對(duì)比（一）

徐文廣，顧興坤，王宗明

（1.中國石油化工股份有限公司 濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中國石油大學(xué) （華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

往復(fù)活塞壓縮機(jī)被廣泛用于石油、化工、冶金、機(jī)械、礦山、國防、交通和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，但耗能很高。由于生產(chǎn)條件及工藝參數(shù)的波動(dòng)，很多往復(fù)式壓縮機(jī)存在一定的余隙容積利用率低、無用功耗大的問題，具有較大的節(jié)能潛力［1］。國家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求，到2020年，國內(nèi)萬元生產(chǎn)總值能耗應(yīng)比2015年降低15%［2］，但一些企業(yè)仍然沒有達(dá)標(biāo)。對(duì)往復(fù)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，降低或消除無用功耗，提高裝置的整體效益，已是眾多生產(chǎn)單位亟需解決的問題。

在眾多的往復(fù)活塞壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)中，壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)在近十多年來得到較為廣泛的應(yīng)用。這2種調(diào)節(jié)技術(shù)均歷經(jīng)了幾十年的認(rèn)識(shí)、發(fā)展，再認(rèn)識(shí)、再發(fā)展的研發(fā)過程，在作用原理、調(diào)節(jié)范圍、安裝位置、控制方式、結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)備使用壽命等方面得到了不斷創(chuàng)新。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)往復(fù)活塞壓縮機(jī)排氣量的連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)，又能最大化地節(jié)能降耗。

對(duì)這2種調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)階段應(yīng)用狀況等方面進(jìn)行對(duì)比與分析的文獻(xiàn)較少，大多數(shù)生產(chǎn)單位對(duì)2種技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解不深，不知如何選擇適合裝置的氣量調(diào)節(jié)技術(shù)，沒有達(dá)到兼顧氣量調(diào)節(jié)和節(jié)能降耗最大化的目的。為此，筆者收集、查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并咨詢了一些使用單位，對(duì)2種調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行較為全面的對(duì)比與分析，以供相關(guān)人員參考。

1 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)

通過加裝補(bǔ)助余隙容積裝置（圖1，即余隙調(diào)節(jié)）或壓開進(jìn)氣閥裝置可以調(diào)節(jié)往復(fù)活塞壓縮機(jī)排氣量，降低壓縮機(jī)功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 連通補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)裝置

在國外，補(bǔ)助余隙容積裝置自上世紀(jì)中期就已經(jīng)開始得到了應(yīng)用［3-4］。早期的補(bǔ)助余隙容積裝置為手動(dòng)控制，到目前為止，進(jìn)口的大多數(shù)往復(fù)活塞壓縮機(jī)上依然配置有手動(dòng)余隙容積調(diào)節(jié)裝置［5］。美國的Dresser-Rand Company于1996年在美國申請(qǐng)了《Self-contained，Clearance-volume Adjustment Means for a Gas Compressor》專利技術(shù)［6］（1997 年獲得批準(zhǔn)），其調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)在60%～100%，該技術(shù)在美國有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，見圖2。2014年，Dresser-Rand Company在與中國某企業(yè)的技術(shù)協(xié)議中說明，其余隙容積調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)在55%～100%，但至今在中國沒有該公司余隙容積調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道。

圖2 Dresser-Rand Company余隙容積調(diào)節(jié)裝置美國應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

自上世紀(jì)至本世紀(jì)10年代，國內(nèi)技術(shù)人員基本上都是從國內(nèi)外技術(shù)資料或進(jìn)口壓縮機(jī)配置介紹資料上接觸和認(rèn)識(shí)固定補(bǔ)助容積裝置或連通補(bǔ)助余隙容積裝置的。國內(nèi)生產(chǎn)的壓縮機(jī)上配置固定補(bǔ)助容積裝置的較少，配置連通補(bǔ)助余隙容積裝置的更少，即便設(shè)置了此類裝置，也大多棄之不用。因此，目前仍有很多技術(shù)人員對(duì)余隙容積調(diào)節(jié)裝置的認(rèn)識(shí)還局限于以往對(duì)固定補(bǔ)助容積裝置或連通補(bǔ)助余隙容積裝置的認(rèn)識(shí)，即裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、調(diào)節(jié)困難、調(diào)節(jié)范圍窄、調(diào)節(jié)精度低且易損件多等［8-15］。

自2009年以來，補(bǔ)助余隙容積技術(shù)在國內(nèi)得到迅速發(fā)展［16-21］，技術(shù)名稱隨之稱為余隙調(diào)節(jié)或余隙無級(jí)調(diào)節(jié)。余隙無級(jí)調(diào)節(jié)裝置已同電儀液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)的無級(jí)調(diào)節(jié)，控制精度較高。國內(nèi)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見圖3。現(xiàn)階段，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)節(jié)和伺服控制，而且調(diào)節(jié)范圍在50%～100%，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易損件較少及自身運(yùn)行功耗低等特點(diǎn)。根據(jù)國際科技文獻(xiàn)查新情況，國內(nèi)余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)在世界范圍內(nèi)已是領(lǐng)先水平［22-26］，也徹底改變了以往對(duì)補(bǔ)助余隙容積技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

1.2 壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)

壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用在國外始于上世紀(jì)中期，從起初的手動(dòng)調(diào)控，逐步發(fā)展到氣動(dòng)調(diào)控、電動(dòng)（電磁）調(diào)控及隔膜驅(qū)動(dòng)等控制方式。該技術(shù)的發(fā)展在國外沒有停止或間斷過，發(fā)展速度遠(yuǎn)超補(bǔ)助余隙容積技術(shù)發(fā)展速度。1995年奧地利Hoerbiger公司成功開發(fā)出部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng) HydroCOM［27］（圖 4），該技術(shù)于 1997 年開始在歐洲得到推廣應(yīng)用［28］。

圖4 Hoerbiger公司部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)HydroCOM

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的主要特點(diǎn)是應(yīng)用液壓加PLC控制技術(shù)［29］實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)節(jié)，且無級(jí)調(diào)節(jié)范圍在30%～100%。2002年，國內(nèi)第一套部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于中國石化天津分公司的新氫壓縮機(jī)（4M50-26/20-195-BX）上，該調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，并帶有電控液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)［30］。此后，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)有很多成功應(yīng)用，直至目前仍有較好的應(yīng)用業(yè)績。

在國內(nèi)，浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所與其他單位合作開發(fā)了全量程無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于多種型號(hào)的往復(fù)活塞壓縮機(jī)上［31］。

2 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)特點(diǎn)

國內(nèi)較早文獻(xiàn)《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》［32］中介紹了17種往復(fù)活塞壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方法，其中作用于氣缸腔內(nèi)的氣量調(diào)節(jié)方法又分為完全壓開進(jìn)氣閥、部分行程壓開進(jìn)氣閥、加入固定補(bǔ)助容積、加入可變補(bǔ)助容積和部分行程中連通補(bǔ)助容積這5種方式。部分行程壓開進(jìn)氣閥和加入可變補(bǔ)助容積調(diào)節(jié)方式是目前常用的2種氣量調(diào)節(jié)方法，不同年代文獻(xiàn)概括的這2種調(diào)節(jié)技術(shù)的特點(diǎn)見表 1［33-36］。

表1 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

近三十余年來，2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)都在實(shí)際應(yīng)用中得到不斷優(yōu)化和改進(jìn)，但部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)比余隙調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展更快［33-36］。

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)氣量調(diào)節(jié)范圍從0～100%，發(fā)展到目前理論和實(shí)踐公認(rèn)的30%～100%。多級(jí)壓縮時(shí)，各級(jí)都需配置容積流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，容積流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)行可以使各級(jí)的級(jí)間壓力不變，且容積流量在30%～100%進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。容積流量低于30%時(shí)，只能在0%～30%實(shí)現(xiàn)間斷調(diào)節(jié)［35-36］。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)的控制方式，從起初的手動(dòng)調(diào)控，逐步發(fā)展到氣動(dòng)調(diào)控、電動(dòng)（電磁）調(diào)控及隔膜驅(qū)動(dòng)，直至現(xiàn)代化的液壓加PLC調(diào)控。經(jīng)過幾十年的理論分析與實(shí)踐，普遍認(rèn)為壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)是氣量調(diào)節(jié)范圍較大、節(jié)能效果好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、進(jìn)氣閥有氣體阻力損失且閥片易損壞，不適用于高轉(zhuǎn)速的機(jī)型。

經(jīng)過不斷發(fā)展，可變補(bǔ)助容積調(diào)節(jié)技術(shù)又分為連通可變補(bǔ)助余隙容積和部分行程連通補(bǔ)助余隙容積2種調(diào)節(jié)方式。連通可變補(bǔ)助余隙容積連續(xù)調(diào)節(jié)的范圍由0%～100%修正為60%～100%。部分行程連通補(bǔ)助余隙容積連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為60%～100%［35-36］，但調(diào)節(jié)裝置更復(fù)雜。普遍認(rèn)為連通補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性較好，尤其適用于大、中型工藝壓縮機(jī)。但有部分學(xué)者認(rèn)為可變補(bǔ)助余隙容積裝置笨重、復(fù)雜且可靠性較差［33-36］。

3 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

受進(jìn)口部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)HydroCOM產(chǎn)品價(jià)格、技術(shù)保密性、進(jìn)氣閥等配件價(jià)格以及供貨周期等因素的限制［37-39］，國內(nèi)一些高校、科研院所和企業(yè)開啟了部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的國產(chǎn)化研發(fā)工作。國家發(fā)展和改革委員會(huì) 2018-01發(fā)布［40］，國內(nèi)首套國產(chǎn)化往復(fù)壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是2013年在中國石化廣州分公司芳烴聯(lián)合裝置氫壓機(jī)C511A（型號(hào)為 2D80-95.2/13-27.5-BX）上應(yīng)用的 HRCS 系 統(tǒng)［41-44］。

除HydroCOM和HRCS這2種部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)外，已在往復(fù)活塞壓縮機(jī)上得到實(shí)踐應(yīng)用的部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)還有FluxToFlow 無級(jí)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［45］、ISC 無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［46］和 Didro COM 氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［47］，這3種部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的氣量調(diào)節(jié)下限設(shè)置為30%或40%。

對(duì)于余隙調(diào)節(jié)技術(shù)，人們也給出了較高評(píng)價(jià)，認(rèn)為與旁路調(diào)節(jié)方式相比，變余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能效果非常明顯。美國西南研究院對(duì)這類調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為它是未來很有潛力的發(fā)展方向之一［48］。

筆者在實(shí)際調(diào)研中已很少看到活塞壓縮機(jī)上安裝固定補(bǔ)助容積設(shè)備的情況，而可變補(bǔ)助容積設(shè)備多見于進(jìn)口的壓縮機(jī)組中，且大多數(shù)只調(diào)節(jié)一級(jí)氣缸余隙容積。但因其調(diào)節(jié)操作需壓縮機(jī)停機(jī)后才能完成，而且調(diào)節(jié)精度低，故用戶大都放棄使用該設(shè)備。

余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)在近十余年內(nèi)發(fā)展比較迅速，特別是中國石化荊門分公司2009年利用武漢理工大學(xué)專利技術(shù)，在制氫裝置機(jī)-1/3壓縮機(jī)（型號(hào)為 2D20-23.4/4-27-BX）上開發(fā)的余隙無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［17，19］，是國內(nèi)真正意義上的首套電液控制余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)。自此，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)引起了一些高校和科研院所的普遍關(guān)注。最近幾年，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的專利申請(qǐng)數(shù)量和論文發(fā)表數(shù)量，都遠(yuǎn)超部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的專利申請(qǐng)數(shù)量和論文發(fā)表數(shù)量。眾多高校、科研院所和企業(yè)等已研發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)形式的余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量產(chǎn)品，但真正具有實(shí)用性的仍較少。

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)與余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的現(xiàn)狀對(duì)比見表2，主要改造內(nèi)容見表 3［25-26，49-53］。

表2 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比

表3 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)主要改造內(nèi)容對(duì)比

從表2和表3可以看出，2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)均為連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)，均采用液壓加PLC加電磁閥控制模式，均通過減少壓縮機(jī)氣缸入口容積流量來達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量、節(jié)能降耗的目的。但2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)在作用原理、工藝路線、調(diào)節(jié)范圍、設(shè)備構(gòu)造、改造部位、改造內(nèi)容、安裝施工、操控性、自身能耗、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及性價(jià)比等方面有較大差異。因此，對(duì)2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行更深入的對(duì)比和探討是十分必要的。

4 結(jié)語

往復(fù)活塞壓縮機(jī)部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)均已歷經(jīng)五十多年的發(fā)展，從認(rèn)識(shí)到發(fā)展，從再認(rèn)識(shí)到再發(fā)展，通過不斷克服各自在理論、認(rèn)識(shí)及結(jié)構(gòu)等方面的不足，才發(fā)展成為目前應(yīng)用較廣泛的氣量無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)。2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)在壓縮機(jī)改造部位、改造內(nèi)容及調(diào)節(jié)范圍等方面存在不同，具有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，但均可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)容積流量的連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)，均能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，調(diào)節(jié)范圍上也均可滿足用戶節(jié)能改造的需求。用戶可根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的氣量調(diào)節(jié)方法。