往復(fù)活塞壓縮機(jī)壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)與余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)對比（二）

李書璞，顧興坤，劉 燕

（1.山東東明石化集團(tuán)有限公司，山東 東明 274500；2.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

大型往復(fù)活塞壓縮機(jī)能耗巨大，是流程行業(yè)節(jié)能減排的重要研究對象。流量調(diào)節(jié)技術(shù)的改進(jìn)是壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行和節(jié)能減排的有效途徑[1]。目前，國際壓縮機(jī)行業(yè)普遍執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是API 618—2007 “Reciprocating Compressors for the Petroleum，Chemical and Gas Industry Services”[2]。 按照 API 618—2007 的推薦，工藝壓縮機(jī)采用的流量調(diào)節(jié)方法主要有3大類，排氣節(jié)流旁通、變余隙容積（或稱補(bǔ)助容積調(diào)節(jié)）及進(jìn)氣閥卸荷。

這3類方法各自包括多種應(yīng)用技術(shù)，這些應(yīng)用技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)是進(jìn)氣閥卸荷類方法之一，余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)是變余隙容積類方法之一，它們分屬不同的類別，但都是目前常用的往復(fù)活塞壓縮機(jī)無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)。

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)源于國外，在國內(nèi)推廣應(yīng)用過程中，出于語言理解和習(xí)慣方面的差異，逐漸形成了幾種不同的名稱，其中的壓開在某些時候稱為頂開，進(jìn)氣閥在某些時候稱為吸氣閥。奧地利賀爾碧格公司生產(chǎn)的HydroCOM往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在中國有廣泛應(yīng)用，自 2002-07在國內(nèi)首次安裝試用[3]到 2019年的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為449套[4]，是此類技術(shù)產(chǎn)品在中國市場的典型代表。

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵核心部件——執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)裝置）的國內(nèi)首個專利技術(shù)是武漢理工大學(xué)發(fā)明的[5]，2009-12在中國石化荊門分公司制氫裝置機(jī)-1/3壓縮機(jī)（型號為2D20-23.4/4-27-BX）上得到應(yīng)用[6-7]，這 也 是 此技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)的首臺套試用。此后十余年來，該技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)得到了持續(xù)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用，截止2020年底預(yù)估的國內(nèi)應(yīng)用總量約200臺。

往復(fù)活塞壓縮機(jī)無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品的選型、應(yīng)用和質(zhì)量評估需要綜合考慮多方面的影響因素。為此，筆者收集、翻閱了大量的文獻(xiàn)資料，走訪和咨詢了部分技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、制造企業(yè)及使用單位，獲取了技術(shù)與產(chǎn)品相關(guān)各方的動態(tài)信息。文中在此基礎(chǔ)上，從作用原理、工藝路線、調(diào)節(jié)范圍、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及壓縮機(jī)改造部位等方面對部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)展開對比與分析。

1 2種技術(shù)作用原理比較與分析

不同的研究者基于各自的理解對部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)與補(bǔ)助容積調(diào)節(jié)的作用原理進(jìn)行了描述，以文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]為代表的 3種表述見表1。

表1 文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]代表的 3種作用原理

由表 1可知，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]出版時間雖間隔12 a，但它們對2種技術(shù)作用原理的闡述基本一致。文獻(xiàn)[1]發(fā)表于2011年，在2種技術(shù)作用原理闡述上雖然與文獻(xiàn)[8-9]的文字內(nèi)容有所不同，但其表述的調(diào)節(jié)壓縮機(jī)流量、節(jié)能降耗的核心機(jī)理是相通的。相比而言，文獻(xiàn)[1]的闡述更直觀、易懂。由表1還可知，2種技術(shù)對壓縮機(jī)的改造部位不一樣，其作用原理也不同。文獻(xiàn)[1]給出了基于技術(shù)作用原理的指示功圖，見圖1～圖3。結(jié)合表1和圖1～圖3可知，2種技術(shù)均是以減少壓縮機(jī)氣缸內(nèi)被壓縮有效介質(zhì)的量 （此處的量有的采用體積單位，有的可能采用質(zhì)量單位）為基準(zhǔn)、以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排氣量并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗為最終目的。

圖1 壓縮機(jī)實(shí)際工作循環(huán)指示功圖

圖2 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)指示功圖

圖3 變余隙調(diào)節(jié)過程的指示功圖

2 2種技術(shù)工藝路線比較與分析

2.1 壓縮機(jī)改造內(nèi)容

流量調(diào)節(jié)技術(shù)在往復(fù)活塞壓縮機(jī)上的應(yīng)用主要是對在用壓縮機(jī)的改造。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)改造壓縮機(jī)的位置和作用原理不同，這決定了改造壓縮機(jī)的工藝路線不會相同。綜合文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]的技術(shù)內(nèi)容，從工藝路線角度統(tǒng)計(jì)和對比壓縮機(jī)應(yīng)用2種技術(shù)過程中實(shí)施的改造要點(diǎn)，見表2。

表2 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)工藝路線對比

從表2可見，2種技術(shù)的改造部位、技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、改造內(nèi)容、操控模式及系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)等有著顯著不同，技術(shù)改造屬于2個完全不相同的工藝路線。改造過程中所涉及的制造復(fù)雜程度、制造成本、價格及易損件等均不同。

2.2 壓縮機(jī)改造結(jié)果

以2列且每列氣缸上帶2個進(jìn)氣閥的往復(fù)活塞壓縮機(jī)為例，來比較2種流量調(diào)節(jié)技術(shù)在不同工藝路線下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。兩列往復(fù)活塞壓縮機(jī)的部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)工藝流程圖見圖4[4,10]，余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)工藝流程圖見圖5[11-12]，2種流量調(diào)節(jié)技術(shù)在不同工藝路線下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較見表3。表3的結(jié)果若用于每列氣缸上帶4個進(jìn)氣閥的往復(fù)活塞壓縮機(jī)時，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的多項(xiàng)數(shù)據(jù)均須相應(yīng)放大到2倍，而余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)則與壓縮機(jī)進(jìn)氣閥數(shù)量無直接關(guān)系。

圖4 兩列往復(fù)活塞壓縮機(jī)（每列2個進(jìn)氣閥）部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)工藝流程圖

圖5 兩列往復(fù)活塞壓縮機(jī)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)工藝流程圖

表3 2種技術(shù)不同工藝路線下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

從表3可見，由于工藝路線不同，其技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配置內(nèi)容有很大的不同。表3僅是2列且每列氣缸上帶2個進(jìn)氣閥的往復(fù)活塞壓縮機(jī)采用2種技術(shù)產(chǎn)品的配置內(nèi)容對比，但足以看出部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造壓縮機(jī)的部位較多，配置內(nèi)容較復(fù)雜，控制系統(tǒng)邏輯也較復(fù)雜。如果每列氣缸上是4個進(jìn)氣閥，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置中從進(jìn)氣閥至48 V直流電源的11項(xiàng)內(nèi)容的數(shù)據(jù)數(shù)值就都要再乘以2，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制邏輯將會更復(fù)雜。

從表3的系統(tǒng)配置還可以看出，余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)是一種有別于連通可變補(bǔ)助余隙容積或部分行程連通補(bǔ)助余隙容積概念的新型的技術(shù)工藝路線產(chǎn)品。它徹底消除了可變補(bǔ)助容積設(shè)備存在的很多缺陷和不足[13-25]，而且改造壓縮機(jī)的部位較少，只涉及壓縮機(jī)氣缸蓋的改造，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制系統(tǒng)邏輯也簡單、系統(tǒng)電機(jī)功率小、間歇性運(yùn)行且自身能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3 2種技術(shù)調(diào)節(jié)范圍對比與分析

3.1 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在上世紀(jì)末之前，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié)范圍主要有2種定義，有文獻(xiàn)給出的調(diào)節(jié)范圍是0～100%[26-31]，也有文獻(xiàn)給出的調(diào)節(jié)范圍是30%～100%[32-41]。出現(xiàn)這種情況，主要是當(dāng)時國內(nèi)科研院所的實(shí)驗(yàn)條件有限所致。

本世紀(jì)初，我國壓縮機(jī)領(lǐng)域著名專家郁永章在2000年出版的著作 《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊》[8]中給出了明確定義,用于第一級與末級或用于調(diào)節(jié)需控制某級間壓力的后級，60%～100%連續(xù)調(diào)節(jié)；多級壓縮時，當(dāng)各級都有容積流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并且各級協(xié)調(diào)操作，可以使各級的級間壓力不改變，且容積流量可以在30%～100%進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)；容積流量低于30%時，只能在0～30%實(shí)現(xiàn)間斷調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[8]闡述的部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié)范圍的準(zhǔn)確性在應(yīng)用實(shí)踐中得到了廣泛驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[3]交流了國內(nèi)第一套HydroCOM往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用過程中的氣量調(diào)節(jié)范圍調(diào)整經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)踐中他們進(jìn)行了氣量調(diào)節(jié)范圍的修改，①延長了機(jī)組啟動后空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時間。原設(shè)計(jì)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后HydroCOM系統(tǒng)如果正常，則馬上自動將負(fù)荷從0升至30%?，F(xiàn)改為300 s后再自動加負(fù)荷。②0到30%自動加負(fù)荷時間由5 s延長到30 s，保證機(jī)組平穩(wěn)加負(fù)荷，避免了對機(jī)組造成過大沖擊。

文獻(xiàn)[42]介紹了第三柴油加氫裝置新氫機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用過程中出現(xiàn)的問題和解決辦法。新氫機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用之初，壓縮機(jī)最低負(fù)荷設(shè)定為20%，但在試運(yùn)行時出現(xiàn)了進(jìn)氣閥溫升過快的現(xiàn)象，溫升速率達(dá)到了20℃/min。經(jīng)過調(diào)試，將正常操作工況下壓縮機(jī)的負(fù)荷確定為一般不低于40%，將最低負(fù)荷值相應(yīng)修改為30%，并在操作規(guī)程中標(biāo)明，嚴(yán)禁新氫機(jī)在30%負(fù)荷以下長時間運(yùn)行[42]。

文獻(xiàn)[43]交流了氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在4M40壓縮機(jī)上改造的成功經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)自2013-11初投用以來，狀態(tài)良好，壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也更加平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī) 30%～100%負(fù)荷無級調(diào)節(jié)[43]。

文獻(xiàn)[44]統(tǒng)計(jì)了22套部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用案例，得出了該方式理論上可以實(shí)現(xiàn)氣量0～100%的無級調(diào)節(jié)，實(shí)際應(yīng)用中，過低負(fù)荷下可能會導(dǎo)致進(jìn)氣閥片不能關(guān)閉，變成全行程壓開，通常規(guī)定操作范圍為30%～100%的結(jié)論。

按照賀爾碧格公司編寫的技術(shù)資料，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)氣量理論上0～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)（實(shí)際因壓縮機(jī)而異，一般在20%～100%）[10]，實(shí)現(xiàn) 30%～100%負(fù)荷自動狀態(tài)下的氣量無級調(diào)節(jié)。賀爾碧格公司還建議，壓縮機(jī)在最低負(fù)荷（一般在 30%左右）以上長期運(yùn)行[45]。

3.2 余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié)范圍的確定同樣是在爭議或分歧中不斷得到發(fā)展和完善的。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]均將可變補(bǔ)助容積劃分為連通可變補(bǔ)助余隙容積和部分行程連通補(bǔ)助余隙容積，但劃分后給出的調(diào)節(jié)范圍有差異。按照文獻(xiàn)[8]，連通可變補(bǔ)助余隙容積的調(diào)節(jié)范圍是0～100%，可用于大型工藝用壓縮機(jī)；部分行程連通補(bǔ)助余隙容積的調(diào)節(jié)范圍是60%～100%，用于大型壓縮機(jī)。按照文獻(xiàn)[9]，連通可變補(bǔ)助余隙容積與部分行程連通補(bǔ)助余隙容積的調(diào)節(jié)范圍是一樣的，均為 60%～100%。

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)范圍也與可變補(bǔ)助容積設(shè)備有較大不同，現(xiàn)無論是從理論上推導(dǎo)、還是實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐驗(yàn)證，均已證明其調(diào)節(jié)雙作用往復(fù)活塞壓縮機(jī)排氣量的范圍在50%～100%是科學(xué)、合理的，既能實(shí)現(xiàn)，又能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[46]中的余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)在55%～75%，電動機(jī)功耗由原來的646 kW降至370 kW左右，節(jié)電效益可觀。文獻(xiàn)[47]中的余隙無級調(diào)節(jié)范圍為，壓縮機(jī)排氣量在50%～100%額定負(fù)荷內(nèi)連續(xù)可調(diào)。文獻(xiàn)[48]認(rèn)為，余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程DCS操作，操作簡單，氣量調(diào)節(jié)靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。文獻(xiàn)[49]證實(shí)，壓縮機(jī)排氣量能夠在較大范圍內(nèi)無級連續(xù)調(diào)節(jié)，無級調(diào)節(jié)范圍達(dá)到了50%～100%，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)排氣量與壓縮機(jī)功耗的正比例關(guān)系。

4 結(jié)語

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展和應(yīng)用較好的2種氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)，它們在作用原理、工藝路線及調(diào)節(jié)范圍等方面各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)改造內(nèi)容和控制系統(tǒng)等方面要簡單些，優(yōu)于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)。在調(diào)節(jié)范圍方面，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)較余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)寬一些，但絕大多數(shù)的在用往復(fù)活塞壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)之初，一般不會將生產(chǎn)所需負(fù)荷設(shè)計(jì)到低于額定負(fù)荷的60%以下，因此，余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)完全能滿足在用往復(fù)活塞壓縮機(jī)的節(jié)能改造要求。美國西南研究院對變余隙調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為它是未來很有潛力的技術(shù)研究方向之一，但在調(diào)節(jié)的幅度較大時,會改變壓縮機(jī)的受力情況，應(yīng)注意校核[50]。