往復(fù)活塞壓縮機余隙調(diào)節(jié)應(yīng)用

劉驥(江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 氣量調(diào)節(jié)方式

目前，由于往復(fù)活塞壓縮機在石油、化工行業(yè)的使用越來越多，使用要求也越來越高。由于一些新建裝置的特殊要求，新增加的往復(fù)活塞壓縮機還需要滿足不同工況條件下的流量要求，或者應(yīng)該考慮到新裝置生產(chǎn)一段時間后，生產(chǎn)條件發(fā)生微小改變后所引起的流量變化較大的要求，這就需要對往復(fù)活塞壓縮機的容積流量進(jìn)行調(diào)節(jié)從而能夠滿足新的要求[1]。

1.1 余隙容積調(diào)節(jié)的方式

目前常用的調(diào)節(jié)方式多種多樣，各有其優(yōu)缺點。如何在壓縮機中成功應(yīng)用并且能夠高效合理的控制壓縮機的余隙容積是目前需要考慮的重要問題?；び猛镜耐鶑?fù)式壓縮機一般是根據(jù)化工需要來進(jìn)行選擇。活塞機的工作過程就是活塞到最低位置(稱活塞的下止點)時，汽缸吸滿蒸氣。而活塞轉(zhuǎn)而向上，這時吸、排汽門都關(guān)閉，汽缸容積縮小，蒸氣被壓縮，一直壓縮到排汽壓力為止。當(dāng)壓力達(dá)到一定值(大于排汽管內(nèi)壓力)時，排汽閥開啟，活塞繼續(xù)上移，蒸氣排出，一直到活塞上移到最高位置(這位置稱活塞的上止點)時，排汽結(jié)束。這樣就要求需要給活塞機流出較大的富余量。但是有時候需要根據(jù)實際生產(chǎn)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)貧饬空{(diào)節(jié)。最為理想的就是對壓縮機進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，使得能夠按照理想的氣量要求進(jìn)行工作。

1.2 進(jìn)、排氣管連通調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)是化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的一種調(diào)節(jié)方式。主要是通過管路中的旁通閥將機組排出的多余的氣量經(jīng)管道回流到機組的入口，以滿足生產(chǎn)的負(fù)荷要求。在這種調(diào)節(jié)中，排氣管的旁通管路和旁通閥門與進(jìn)氣管相連接。調(diào)節(jié)時只要打開旁路閥，排出的氣體便又回到進(jìn)氣管路中[2]。壓縮機滿負(fù)荷工作，生產(chǎn)裝置不需要多余的氣體經(jīng)旁路返回壓縮機入口，這種調(diào)節(jié)方式具有調(diào)節(jié)方式最簡單、能夠進(jìn)行連續(xù)的氣量調(diào)節(jié)、同時不改變壓縮機各級的壓縮比、能夠保證機組平穩(wěn)運行。

1.3 全行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)是通過外在的執(zhí)行機構(gòu)給吸氣閥一個外力使吸氣閥強制被壓開并保持在壓開的狀態(tài)，使壓縮機吸入的氣體全部經(jīng)吸氣閥返回到入口，此種調(diào)節(jié)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、調(diào)節(jié)過程中氣體只需要克服氣閥開啟和關(guān)閉的阻力所造成的低功耗。也是一種被廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)方式[3]。該方式的缺點是只能夠?qū)饬窟M(jìn)行0%、25%、50%、75%、100%的階梯調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍有限僅限于粗調(diào)節(jié)并不能做到精確調(diào)節(jié)、同時長時間的頂開吸氣閥容易造成吸氣溫度過高。

1.4 部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)也叫無級氣量調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)方式依靠的是額外的執(zhí)行機構(gòu)，目前國內(nèi)多采用液壓執(zhí)行機構(gòu)，在壓縮機吸氣的過程中打開吸氣閥，在氣體壓縮的過程中適時的撤銷所施加的強制外力造成吸氣閥的延時關(guān)閉，使得一部分氣體返回至壓縮機的入口沒有參與壓縮過程。通過對吸氣閥關(guān)閉的時間的控制使得機組實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的負(fù)荷的無級調(diào)節(jié)。該方法節(jié)能效果顯著、理論上能夠?qū)崿F(xiàn)氣量的0%～100%全量程的連續(xù)調(diào)節(jié)[4]。

2 余隙容積調(diào)節(jié)的原理

現(xiàn)如今的往復(fù)式壓塑機通常在幾個常見的構(gòu)件存在這一定的余隙容積：(1)當(dāng)一個運行的活塞完成一整個排氣過程時，壓縮機的活塞端面與氣缸內(nèi)壁之間的間隙V01；(2)活塞機內(nèi)的氣缸平面與活塞環(huán)到端面之間的間隙V02；(3)壓縮機內(nèi)部氣閥門到氣缸之間的通道內(nèi)間隙V03，因為氣閥門在壓縮機上的排至方式不同，會影響到容積的值；(4)氣閥本身所具有的容積V04，如閥座的通道、彈簧孔等(通道容積所占比例最大，環(huán)形間隙其值甚微)壓縮機的余隙容積，有的是結(jié)構(gòu)上的需要，有的是難以避免的[5]。當(dāng)氣缸行程容積Vh一定時，余隙容積Vc值越大，相對余隙容積α也越大，λV就越小，即降低了排氣量。

如果壓縮機的余隙連續(xù)可調(diào)，則壓縮機的排氣量和能耗也連續(xù)可調(diào)。

3 余隙無級調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 余隙無級調(diào)節(jié)裝置

壓縮機的無級調(diào)節(jié)是建立在當(dāng)前的固定調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上的，能夠在一定的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定的改變，同時將活塞機內(nèi)部的控制余隙的閥門取消，讓余隙的空氣能夠直接連通外部的氣缸[6]。壓縮機的余隙無級調(diào)節(jié)是專門為往復(fù)式壓縮機開發(fā)的數(shù)字式電液控制風(fēng)量無級間隙調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過由可編程控制器(PLC)、電磁換向閥、位移傳感器和伺服缸組成的電液位置控制系統(tǒng)，根據(jù)主要控制變量或手動給定的參數(shù)，使間隙活塞根據(jù)輸入信號線性移動，從而實現(xiàn)對各缸間隙容積變化的良好控制。

3.2 余隙容積的計算和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵是確定增設(shè)余隙容積的大小，所以改變壓縮機的排氣量是通過調(diào)整缸蓋側(cè)余隙容積，進(jìn)而可確定可調(diào)余隙活塞的直徑和行程。對于多級壓縮機而言，一級氣缸余隙容積對壓縮機的排氣量和功耗起決定作用，一級氣缸余隙容積減少時，排氣量和功耗都增大。后級的余隙容積對排氣量影響較小，主要用于調(diào)節(jié)壓縮比。當(dāng)一級氣缸余隙容積減少時，如果二級氣缸余隙容積不跟隨變化，則一級壓比增大，二級壓力比減小，會使一級排氣溫度升高。同理，當(dāng)一級氣缸余隙容積增大時，如果二級氣缸容積不跟隨變化，會使二級壓力比升高，二級排氣溫度升高。因此，余隙無級調(diào)節(jié)排氣量時各級要均衡調(diào)節(jié)。

4 余隙容積變化后對壓縮機主要參數(shù)及其性能影響分析

余隙容積變化時，壓縮機的容積效率、排氣系數(shù)及氣體活塞力等參數(shù)會隨之變化。

4.1 容積效率ηv

容積效率就是實際排氣量與氣缸行程容積之比。排氣量降低，容積效率也隨之降低，氣缸容積利用率降低。

4.2 排氣系數(shù)λ

式中：(3)知λV、λP、λT和λ1分別為余隙容積數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)。

很明顯，減少額定排氣量主要是通過減少排氣系數(shù)中的余隙容積系數(shù)而來，但λV的變化，對λP、λT和λ1也會有影響[7]。

4.2.1 λP的變化

氣缸蓋側(cè)增設(shè)補充余隙容積后，余隙容積的增加和進(jìn)、氣量的減少，進(jìn)、排氣的阻力損失和氣閥的壓力損失都會相應(yīng)有所降低，進(jìn)、出口氣閥處壓力脈動也會變小，這些都會使壓力系數(shù)有所增加。

4.2.2 λT的變化

余隙容積增大后，隨著排氣量降低，氣缸內(nèi)氣體熱和摩擦熱被氣體帶走的量會有所減少，進(jìn)氣溫升會升高，所以溫度系數(shù)會變小。

4.2.3 λ1的變化

泄漏系數(shù)λ1是表示氣閥、活塞環(huán)、填料及其管道、附屬設(shè)備等因密封不嚴(yán)而產(chǎn)生的氣體泄漏對排氣量的影響。顯然，余隙容積的增加只會影響到氣閥和活塞環(huán)的泄漏量的變化。如圖1余隙容積由Vc增至Vc′后，壓縮曲線由1-2變成1-2′，膨脹曲線由3-4變成3-4′，可見壓縮過程中，平均壓力有所降低，而膨脹過程中平均壓力有所增加，氣閥和活塞環(huán)的泄漏量隨著差壓變大而增加，對雙作用缸來說，在壓縮和膨脹過程中，余隙容積增加都會使活塞兩側(cè)差壓略有降低，而氣閥大都是由等同數(shù)進(jìn)、出口氣閥組成，所以活塞環(huán)泄漏有所降低，氣閥泄漏變化可視為不變。因此，泄漏系數(shù)λl因余隙容積變大，會有所變大。

圖1 附加余隙容積時的示功圖

4.3 軸功率變化

余隙容積增加使經(jīng)過氣閥氣量減少和平均流速降低，進(jìn)出口氣閥壓損隨之降低。不同排氣量和出口壓力壓縮機，隨著余隙容積的增加，排氣量和軸功率都會減小，軸功率降低的百分比略等于排氣量減少的百分比。各級壓比不變，排氣溫度也不變。但氣體和綜合活塞力及反向角隨余隙變化而變化，特別是潤滑油改質(zhì)新氫壓縮機第四級缸在100%負(fù)荷時反向角為58°，80%負(fù)荷時為26°，60%負(fù)荷時無反向角，即反向角為0，這就說明在排氣壓力較高，活塞桿與氣缸直徑相差不大時，余隙容積增大會較大改變活塞桿受力和受力方向。這級氣缸就不能用可變余隙調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)氣量。

5 結(jié)語

文章通過研究往復(fù)式活塞壓縮機的余隙容積，得出相應(yīng)的容積大小對于活塞壓縮機的影響，余隙容積過大會使壓縮機的生產(chǎn)能力和效率急劇下降。因此，在保證壓縮機安全運行的前提下，余隙容積應(yīng)盡可能小，但余隙容積過小會增加活塞與答氣缸端蓋相碰撞的危險性，所以決定余隙容積的大小還應(yīng)該首先考慮到安全運行的要求。文章基于此得出相應(yīng)的壓縮機余隙調(diào)節(jié)方法，能夠較好地控制壓縮機余隙的容積。