高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙越凡　郭志飛　孫立濤

摘要：文章闡述了高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是以氣動閥結(jié)構(gòu)的高壓空氣壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)為研究的對象。通過對氣動閥的工作過程進(jìn)行了分析和描述，還對氣動閥芯的受力方面進(jìn)行了探究。從而提出了高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，還對高壓氣體壓縮機(jī)在排污過程中的負(fù)荷變化特性進(jìn)行了分析，并提出排污系統(tǒng)的重要作用以及相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)。證明了高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)的可靠性與可行性。

關(guān)鍵詞：高壓;氣體壓縮機(jī);排污系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析;研究

前言：高壓氣體壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是保障壓縮機(jī)穩(wěn)定工作的前提。因此，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須要滿足對壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)等方面進(jìn)行正常的排污。而如果高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)不能夠及時(shí)的進(jìn)行排污，可能會導(dǎo)致壓縮機(jī)所壓縮的氣體蘊(yùn)含積碳，甚至?xí)霈F(xiàn)液擊的問題，導(dǎo)致壓縮機(jī)故障。所以，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)研究，不僅需要加強(qiáng)對壓縮機(jī)排污過程中壓縮機(jī)負(fù)荷變化特性進(jìn)行探索，還需要加強(qiáng)對其排污系統(tǒng)以及關(guān)鍵的零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從而使得高壓氣體壓塑機(jī)的排污系統(tǒng)在正常的工作狀態(tài)下，不僅保障壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作，還可以實(shí)現(xiàn)其可行性、可靠性。

一、現(xiàn)階段高壓壓縮機(jī)的幾種排污方式

高壓壓縮機(jī)的排污方式通常有4種：第一，通過手動的方式截止閥進(jìn)行排污;第二，當(dāng)處于低壓級時(shí)，利用疏水閥進(jìn)行排污，當(dāng)處于高壓級時(shí)，可以利用手動截止閥的方式排污;第三、利用電磁閥進(jìn)行排污;第四，當(dāng)?shù)蛪杭墪r(shí)可以利用電磁閥進(jìn)行壓縮機(jī)排污，當(dāng)處于高壓級時(shí)可以利用氣動閥進(jìn)行排污。同時(shí)，壓縮機(jī)的排污方式中，電磁閥排污的方式自動化程度相對較高。而氣動閥排污方式相對比較穩(wěn)定、可靠。因此多被用于高壓環(huán)境當(dāng)中。此外，高壓時(shí)，國產(chǎn)的電磁閥性能并不穩(wěn)定，所以在進(jìn)行高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，會采用電磁閥與氣動閥兩者聯(lián)合的形式進(jìn)行排污，構(gòu)建一種相對比較先進(jìn)又易于實(shí)現(xiàn)排污的方法。

二、高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)描述

首先，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般常規(guī)的排污系統(tǒng)其控制單元主要手動與自動兩種方式。而手動的排污結(jié)構(gòu)，相對比較簡單，性能方面也相對比較可靠。但通常手動方式壓縮機(jī)排污系統(tǒng)會涉及到氣體的多級壓縮，以及各級氣體的排污。特別是在高壓之下的氣體，進(jìn)行手動排污時(shí)，必然會存在一定的風(fēng)險(xiǎn)問題。比如說勞動程度過強(qiáng)等。其次，通過自動的方式促使壓縮機(jī)自動排污。而該排污方式的結(jié)構(gòu)，是對排污系統(tǒng)中電磁閥或者氣動閥等結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從一定程度上提高壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的安全性與自動化水平。然而，現(xiàn)階段高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大部分都是采用這兩種控制單元方式，通過不同方式的組合實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的排污，從而保障高壓氣體壓縮機(jī)在正常工作過程中的穩(wěn)定性。

例如：以某型號高壓壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)為例。當(dāng)高壓壓縮機(jī)處于前三級程度時(shí)，通過手動閥與電磁閥進(jìn)行壓縮機(jī)排污。那么，第IV級、第V級的排污方式則是手動閥和氣動閥方式。不過，為了更好的促進(jìn)高壓壓縮機(jī)排污出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，降低高壓級排污產(chǎn)生的噪聲，保護(hù)環(huán)境。一般就會將各級的排污物通過各自的排污管，利用集污器進(jìn)行收集之后。最后，通過統(tǒng)一的方式利用總管將排污排放到相對安全的地方。同時(shí)，各級的自動排污閥前，會有串聯(lián)備用的排污系統(tǒng)截止閥。當(dāng)壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)正常工作時(shí)，該截止閥則就處于全開狀態(tài)。當(dāng)壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的自動閥出現(xiàn)失靈的現(xiàn)象，就可以通過手動的方式，推動排污系統(tǒng)的截止閥進(jìn)行人工排污。具體見圖表1。

三、高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

由上圖表1中所展示的高壓壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)為例，當(dāng)Ⅰ級、Ⅱ級排污時(shí)，可以利用電磁閥進(jìn)行直接排污。當(dāng)排污系統(tǒng)在Ⅲ級、Ⅳ級以及Ⅴ級時(shí)，就可以利用排污系統(tǒng)的氣動閥和電磁閥實(shí)施排污。同時(shí)，還可以結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)排系統(tǒng)各級的排污閥的開啟與關(guān)閉。當(dāng)壓縮機(jī)排污的時(shí)間間隔與各級排污閥開啟的時(shí)間，均是通過季節(jié)的變化進(jìn)行調(diào)整的。同時(shí)，也是實(shí)現(xiàn)排污系統(tǒng)的自動控制。因此，在進(jìn)行壓縮機(jī)排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程應(yīng)當(dāng)注重對氣動閥的設(shè)計(jì)。

（一）排污系統(tǒng)中氣動閥的設(shè)計(jì)及其工作原理

首先，高壓氣體壓縮機(jī)排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，其主要零部件氣動閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包含了起到氣動閥的閥體、閥芯以及氣動閥閥座和升程限制器、密封圈等連接件相互組成。其次，氣動閥在工作過程當(dāng)中，通過氣動閥的閥芯對于其閥體的運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)控制閥門口的通斷以及開度大小。并實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)方式、壓縮機(jī)壓力以及流量等方面的控制。具體見圖表2所示。當(dāng)高壓氣體P2通過壓縮機(jī)排污系統(tǒng)中氣動閥的閥座作用于氣動閥閥芯的底部時(shí)，低壓氣體P1則會從氣動閥的上端開始作用于氣動閥的閥芯上部。當(dāng)壓縮機(jī)在正常狀態(tài)下工作時(shí)，P1和P2兩點(diǎn)的共同作用，會促使整個(gè)氣動閥的閥體處于密封狀態(tài)。但當(dāng)電磁閥進(jìn)行控制的低壓級排污時(shí)，P1的作用力會大大降低。而此時(shí)的氣動閥的閥芯會在壓力P2的作用下，逐漸脫離氣動閥的閥座，從而最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的排污。然而，當(dāng)高壓氣體壓縮機(jī)排污時(shí)，壓力P1和P2就會隨著壓力逐漸降至排污背壓Pb1。和Pb2。當(dāng)壓縮機(jī)排污結(jié)束之后，低壓級的排污電磁閥就會快速閉合。但當(dāng)壓力P1增加時(shí)，在P1的作用下，氣動閥的閥芯就會逐漸向氣動閥的閥座方向進(jìn)行運(yùn)動，一直到整個(gè)氣動閥的閥體實(shí)現(xiàn)密封為止。同時(shí)，當(dāng)壓力P2快速上升時(shí)，短時(shí)間中，PI和P2就會上升到正常的工作壓力，從而完成高壓氣體壓縮機(jī)的排污循環(huán)，最后，壓縮機(jī)恢復(fù)到正常輸氣的工作狀態(tài)。

（二）排污系統(tǒng)中氣動閥力學(xué)分析及計(jì)算

壓縮機(jī)排污系統(tǒng)中的氣動閥在工作狀態(tài)下，不僅需要充分考慮4個(gè)壓力對氣動閥閥芯的作用，同時(shí)還需要正確認(rèn)識到氣動閥的計(jì)算。F1為低壓氣體P1從氣動閥的頂部作用于氣動閥的閥芯頂端的作用力。F2為高壓氣體P2從氣動閥額閥座作用于閥芯底部的作用力，G為氣動閥的閥芯重力。當(dāng)氣動閥的閥芯向下時(shí)，控制氣體的作用力計(jì)算方式則為F1= D02P1，向上時(shí)，高壓氣體壓縮機(jī)的排污氣體作用力則為F2= d20P2，當(dāng)氣動閥的閥芯與閥體兩者之間的靜摩擦力為Fm時(shí)，其方向是變化的。并且，與氣動閥的閥芯運(yùn)動處于相反。

如圖表3中所示，

如果，壓縮機(jī)處于低壓級時(shí)，排污系統(tǒng)的電磁閥就會關(guān)閉，但是高壓級時(shí)，排污系統(tǒng)的氣動閥并未關(guān)閉。只有當(dāng)p1接近或等于相隊(duì)的壓力時(shí)，高壓氣動閥才會關(guān)閉。因此，由此加減，高壓氣體壓縮機(jī)排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對于電磁閥以及氣動閥排污的過程通過分析可知，想要實(shí)現(xiàn)高壓氣體壓縮機(jī)正常排氣工作，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)正常排污。就需要?dú)鈩娱y保持密封性、以及開啟或關(guān)閉等工作狀態(tài)。而只有結(jié)合氣動閥的工作壓力以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，才可以確定氣動閥用于高壓氣體壓縮機(jī)排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

（三）壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的改進(jìn)

當(dāng)前現(xiàn)有的高壓氣體壓縮機(jī)排污系統(tǒng)，主要分為三種，CZS型空氣壓縮機(jī)、CCS型空氣壓縮機(jī)以及LHC型空氣壓縮機(jī)等高壓壓縮機(jī)排污系統(tǒng)。第一，CZS型的壓縮機(jī)，采用了串聯(lián)電磁閥和氣動閥構(gòu)成排污系統(tǒng)。在壓縮機(jī)同時(shí)排放或同時(shí)泄壓時(shí)，對單的作用小、排量的空氣壓縮機(jī)組實(shí)用性相對簡單。但當(dāng)壓縮機(jī)的壓力過低時(shí)，高壓級氣動閥若是不能夠及時(shí)打開，那么壓縮機(jī)啟動時(shí)就會出現(xiàn)延時(shí)、關(guān)閉等現(xiàn)象。第二，CCS型壓縮機(jī)排污系統(tǒng)，采用了類似的串聯(lián)電磁閥和氣動閥，構(gòu)成排污系統(tǒng)。然而，受壓縮機(jī)排污系統(tǒng)氣動閥的壓力及引自機(jī)組本身低壓級電磁閥的影響。在壓縮機(jī)氣動閥控制排污的時(shí)，一但低壓部分電磁閥關(guān)閉不嚴(yán)，就會造成壓縮機(jī)的排污氣動閥滯后關(guān)閉，從而影響到高壓段的排污。第三，LHC型壓縮機(jī)排污系統(tǒng)，采用低壓級電磁閥方式直接實(shí)施壓縮機(jī)排污。而高壓級通過采用單氣路控制各級氣動閥，其排污系統(tǒng)的電磁閥、氣動閥結(jié)構(gòu)，不僅克服了延時(shí)關(guān)閉問題和高壓氣動閥排污滯后情況，還達(dá)到有效排污的目的。不過，該排污系統(tǒng)一旦電磁閥、氣動閥出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)的狀況，就會導(dǎo)致系統(tǒng)無法在線維修。

具體情況如圖表4所示，當(dāng)出現(xiàn)任意一排污單元的壓力時(shí)，其壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)可以分為4個(gè)時(shí)間段。而壓縮機(jī)的排污時(shí)段，則為排污系統(tǒng)的排污閥開啟狀態(tài)，則壓縮機(jī)實(shí)施排污。在壓縮機(jī)中的液體沒有排凈時(shí)，壓力也沒有得到相應(yīng)的降低。當(dāng)壓縮機(jī)壓力泄壓一段時(shí)段后，在進(jìn)行排氣，則可能會由于排污系統(tǒng)排污閥前后的壓力差距過大，導(dǎo)致壓力快速下降。當(dāng)泄壓之后，壓縮機(jī)排污前后，壓力差處于相對平衡的狀態(tài)，而壓力不再降低?；謴?fù)時(shí)段，壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)排污關(guān)閉之后，壓縮機(jī)依然會運(yùn)轉(zhuǎn)工作，因此這時(shí)壓力就會恢復(fù)到排污前的狀態(tài)。

然而，現(xiàn)有的高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)的工藝，一般都是通過PLC自動控制程序所設(shè)定的定時(shí)排污時(shí)序。然而，如果僅考慮壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的排污閥開啟與關(guān)閉的時(shí)間間隔，吹除時(shí)段時(shí)間過長，就會造成能量的過多消耗。并且，其壓力上升降卻取決于壓縮機(jī)排污系統(tǒng)中排污單元的設(shè)計(jì)。排污閥通徑越大，壓力平衡點(diǎn)就越低，造成能量消耗過多的現(xiàn)象。因此，結(jié)合壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的排污壓力大小，可以確定排污閥的通徑，并進(jìn)一步對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整排污的時(shí)間與排污時(shí)間的間隔。并通過程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)氣動閥的自動關(guān)系。如圖表4中所展示的時(shí)間斷，在不同的壓力，自動選擇壓縮機(jī)排污系統(tǒng)排污的提前關(guān)閉。以此減少壓縮機(jī)能量的損失，提高其的充氣效率。此外，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在線維修相對比較困難。因此，串聯(lián)排污系統(tǒng)改為并聯(lián)壓縮機(jī)排污系統(tǒng)，改進(jìn)后的壓縮機(jī)排污系統(tǒng)，雖然管路制作相對更加復(fù)雜，成本有所提升，但可以更好的改善高壓氣體壓縮機(jī)的排污情況。

四、排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例及運(yùn)行參數(shù)

圖表5 某高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)運(yùn)行狀況以及排污情況

以某高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)為例，當(dāng)高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其排污工作運(yùn)行的參數(shù)如上圖表5。當(dāng)壓力處于Ⅰ級、Ⅱ級以及Ⅲ級時(shí)，通過PLC控制系統(tǒng)的電磁閥就會進(jìn)行排污。當(dāng)高壓壓力處于Ⅳ級時(shí)，氣動閥就會自動進(jìn)行排污。同時(shí)，當(dāng)壓壓縮機(jī)在正常排污過程中，通過相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行排污，對其可靠性與耐久性實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的排污效果均能達(dá)到高壓活塞氣體壓縮機(jī)的相關(guān)要求。而現(xiàn)階段，壓縮機(jī)排污系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在多個(gè)地方，因此，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作。不過，在高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，排污系統(tǒng)中氣動閥的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足與相應(yīng)的條件。

結(jié)語：綜上所述，傳統(tǒng)的壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)，在排污時(shí)會頻繁的負(fù)荷。并在加載時(shí)會導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行短期出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果不合理，會導(dǎo)致充氣的效率大大降低，而排污系統(tǒng)的故障還會對壓縮系統(tǒng)造成巨大的影響。所以，高壓氣體壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對于抵押級排污電磁閥的選擇方面要合理化。保障高壓氣動閥在工作時(shí)的可靠性，同時(shí)還需要考慮電磁閥與氣動閥設(shè)計(jì)的合理性，以此來增加排污系統(tǒng)的靈敏性，從而到達(dá)排污的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]金麗瓊，毛京兵，邢志勝，等.基于氣動閥的高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)分析[J].中國設(shè)備工程，2019（6）：126-128.

[2]李斌飛，白永祥.空氣壓縮機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（14）：107-111.

[3]馮玉龍，李楊.基于PLC和MCGS工控組態(tài)軟件的空氣壓縮機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（13）：111-114.

[4]皇甫玉龍.空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2021，36（2）：196-198.

[5]劉自發(fā)，金寶，吳俊祖. VSP 空壓機(jī) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械，2021（2）：15-16.

[6]張帥.空氣壓縮機(jī)自動控制技術(shù)的分析及研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（下），2020，18（11）：376.

作者簡介：趙越凡（1988.6），男，漢族，河北邢臺人，碩士，講師，從事機(jī)械工程、智能制造研究。

郭志飛（1988-），男，漢族，河北邢臺人，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。

孫立濤（1991.6），男漢族河北省邢臺市人，碩士，助教，從事智能控制、科研信息化。