往復(fù)壓縮機(jī)抗堵塞環(huán)狀閥的性能試驗(yàn)與應(yīng)用研究

潘樹林，吳 雙，王玉鵬，歐勝芳

（1.湖南人文科技學(xué)院，湖南婁底 417000；2.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司，山東東營 257000；3.浙江浙歐氣閥制造有限公司，浙江溫州 325006）

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是量大面廣而同時能耗又高的機(jī)械，是化肥、化工、石化、冶金等行業(yè)所需的關(guān)鍵設(shè)備。氣閥是控制氣體進(jìn)出氣缸的關(guān)鍵部件，是重要的易損件，對壓縮機(jī)的效率、可靠性和平穩(wěn)運(yùn)行影響極大［1-2］。通常情況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的工作介質(zhì)較干凈，因此不需要考慮氣閥的抗堵塞性能。但在一些化工、化肥及石化等領(lǐng)域，進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體中含有較多的粉塵、焦油、硫、苯、萘以及膠狀催化劑等雜質(zhì)［3-5］，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式壓縮機(jī)氣閥易堵塞，氣閥堵塞后，壓縮機(jī)的排氣量下降，排氣溫度上升，能耗增加，同時需要頻繁停車以清洗更換氣閥，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)與效益。

常見壓縮機(jī)氣閥有環(huán)狀閥、氣墊閥、網(wǎng)狀閥、菌狀閥及簧片閥等。由于環(huán)狀閥具有良好的氣密性，堵塞部位較少，堵塞后易于清洗，因此環(huán)狀閥相比其它結(jié)構(gòu)型式壓縮機(jī)氣閥具有較好的抗堵塞性能［6］。在工作介質(zhì)含較多雜質(zhì)的壓縮機(jī)中，傳統(tǒng)環(huán)狀閥清洗更換周期較其他結(jié)構(gòu)型式氣閥長，但仍然遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)要求。

為大幅提升傳統(tǒng)環(huán)狀閥的抗堵塞性能，本文對傳統(tǒng)環(huán)狀閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)環(huán)狀閥易堵塞的部位開設(shè)環(huán)形凹槽與弧形凹槽，得到抗堵塞環(huán)狀閥。接下來，對氣閥進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了弧形凹槽的開設(shè)能提升氣閥有效通流面積。最后，把抗堵塞環(huán)狀閥應(yīng)用于工作介質(zhì)含較多雜質(zhì)的壓縮機(jī)中，通過對比試驗(yàn)，全面分析了抗堵塞環(huán)狀閥的性能。

1 壓縮機(jī)抗堵塞環(huán)狀閥結(jié)構(gòu)

環(huán)狀閥是一種結(jié)構(gòu)簡單同時又得到廣泛應(yīng)用的氣閥［1］，由閥座、閥片、彈簧及升程限制器等組成。環(huán)狀閥流道包括閥座、升程限制器及閥隙3個部分，由于升程直接影響閥片與閥座及升程限制器的撞擊速度，為保證氣閥的可靠性，環(huán)狀閥升程受到嚴(yán)格限制［7］，因此環(huán)狀閥各流道中，閥隙通流面積往往最小。傳統(tǒng)環(huán)狀閥應(yīng)用于工作介質(zhì)含較多雜質(zhì)的壓縮機(jī)中時，雜質(zhì)粘附在閥片表面、升程限制器與環(huán)狀閥片接觸的環(huán)形表面以及徑向筋表面，使得氣閥升程與閥隙通流面積迅速下降，為延長氣閥清洗更換周期，需要對傳統(tǒng)環(huán)狀閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后得到的抗堵塞環(huán)狀閥與傳統(tǒng)環(huán)狀閥結(jié)構(gòu)類似，其不同之處在于：采用圖1所示升程限制器。升程限制器與環(huán)狀閥片接觸的環(huán)形表面上開設(shè)有環(huán)形凹槽，升程限制器未設(shè)導(dǎo)向凸臺的徑向筋表面開設(shè)有弧形凹槽［8］。傳統(tǒng)壓縮機(jī)環(huán)狀閥升程限制器相應(yīng)部位均不開設(shè)環(huán)形凹槽與弧形凹槽。

圖1 抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器Fig.1 Lift limiter of the anti-clogging ring valve

把抗堵塞環(huán)狀閥應(yīng)用于易堵塞的壓縮機(jī)中，分析氣閥堵塞情況。圖2示出S4M32（X）A-207/24焦?fàn)t氣壓縮機(jī)一級抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器，該氣閥長周期運(yùn)行后，升程限制器環(huán)形凹槽與弧形凹槽內(nèi)積聚有粉塵、苯、萘及焦油等雜質(zhì)。從圖2可以看出，抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器開設(shè)的環(huán)形凹槽容納了進(jìn)入升程限制器與閥片之間區(qū)域的雜質(zhì)，閥片不易被這些雜質(zhì)墊住，氣閥升程不會迅速下降。升程限制器開設(shè)環(huán)形凹槽后，氣閥全開狀態(tài)下，閥片與升程限制器的接觸面積大幅減小。當(dāng)閥片開始關(guān)閉時，受到焦油等粘性物質(zhì)的粘滯力也大幅下降，這有利于氣閥及時關(guān)閉。

圖2 長周期運(yùn)行后的抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器Fig.2 Lift limiter of the anti-clogging ring valve after long-term operation

圖1中抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器開設(shè)的弧形凹槽周向貫通徑向筋表面，徑向槽寬與升程限制器流道寬度一致。從圖2可以看出，弧形凹槽可以容納進(jìn)入該區(qū)域的部分雜質(zhì)，避免對應(yīng)的閥隙氣流通道被迅速堵塞，從而延長堵塞周期?；⌒伟疾畚幢煌耆氯麜r，流過對應(yīng)部位閥隙的氣流先流入弧形凹槽，再進(jìn)入升程限制器主流道［9］，這樣一來，氣閥的有效通流面積還能得到增加，這可以通過后面的氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

通過上面分析可得，在升程限制器表面開設(shè)環(huán)形凹槽與弧形凹槽是提高氣閥抗堵塞性能的簡便有效方法。4M32（X）A-207/24焦?fàn)t氣壓縮機(jī)一級氣閥采用傳統(tǒng)環(huán)狀閥時，連續(xù)運(yùn)行22 d后一級排氣壓力下降約5%，此時停車清洗更換氣閥。采用抗堵塞環(huán)狀閥后，相同情況下，連續(xù)運(yùn)行95 d后才停車清洗更換氣閥。

抗堵塞環(huán)狀閥相對于傳統(tǒng)環(huán)狀閥而言，氣閥抗堵塞性能得到大幅提升，但需注意的是：抗堵塞環(huán)狀閥升程限制器開設(shè)環(huán)形凹槽與弧形凹槽后，強(qiáng)度下降，必須對其進(jìn)行應(yīng)力分析，以確保升程限制器不發(fā)生破裂。對開式氣閥而言，升程限制器破裂后，掉入氣缸，易導(dǎo)致重大事故。

2 壓縮機(jī)抗堵塞環(huán)狀閥吹風(fēng)試驗(yàn)

由于氣閥的有效通流面積直接影響氣閥的功耗、運(yùn)動規(guī)律、氣缸內(nèi)氣體壓力以及流過氣閥的流量，因此壓縮機(jī)氣閥分析設(shè)計(jì)時，必須考慮氣閥的有效通流面積［1］。抗堵塞環(huán)狀閥在升程限制器未設(shè)導(dǎo)向凸臺的徑向筋表面開設(shè)弧形凹槽，這改變了氣閥內(nèi)流場與流動阻力損失。以下通過抗堵塞環(huán)狀閥與傳統(tǒng)環(huán)狀閥的對比吹風(fēng)試驗(yàn)，分析弧形凹槽對壓縮機(jī)氣閥流量系數(shù)與有效通流面積的影響。

氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)裝置通過自主研制，如圖3所示［10］。羅茨鼓風(fēng)機(jī)采用JTS-100三葉低噪聲羅茨鼓風(fēng)機(jī)，電機(jī)為變頻調(diào)速電機(jī)，通過變頻器調(diào)速。氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)時，先從低速到高速，再從高速至低速，測量不同流量下氣閥的流量系數(shù)，取平均值。

圖3 氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)裝置Fig.3 Blowing test device for air valves

為研究方便，先對傳統(tǒng)環(huán)狀閥進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，得到不同升程下傳統(tǒng)環(huán)狀閥的流量系數(shù)與有效通流面積。隨后，在該氣閥上開設(shè)弧形凹槽，弧形凹槽周向貫通徑向筋表面，徑向槽寬與升程限制器流道寬度一致，槽深為5 mm。接下來，對開設(shè)有弧形凹槽的抗堵塞環(huán)狀閥進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，得到不同升程下抗堵塞環(huán)狀閥的流量系數(shù)與有效通流面積。當(dāng)傳統(tǒng)環(huán)狀閥與抗堵塞環(huán)狀閥升程相同時，兩者具有相同的閥隙通流面積，要比較兩者的有效通流面積，只需比較兩者的流量系數(shù)即可。氣閥流量系數(shù)計(jì)算公式如下［1］：

式中 αv——?dú)忾y流量系數(shù)；

α0——孔板流量系數(shù)；

A0——孔板節(jié)流孔面積，m2；

Av——?dú)忾y閥隙通流面積，m2；

Δp0——孔板前后壓差，MPa；

Δpv——?dú)忾y前后壓差，MPa；

p0——孔板前氣體壓力，MPa；

Tv——?dú)忾y前氣體溫度，K；

pv——?dú)忾y前氣體壓力，MPa；

T0——孔板前氣體溫度，K。

試驗(yàn)用氣閥為開式氣閥，其主要參數(shù)如表1所示。通過吹風(fēng)試驗(yàn)得到傳統(tǒng)環(huán)狀閥和抗堵塞環(huán)狀閥的流量系數(shù)，結(jié)果對比見表2［9］。

表1 試驗(yàn)氣閥主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the air valve for test

表2 氣閥流量系數(shù)對比Tab.2 Comparison of the flow coefficients of the valves

通過上述氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)，所得結(jié)論及其分析如下。（1）在升程限制器未設(shè)導(dǎo)向凸臺的徑向筋表面開設(shè)弧形凹槽有利于提高氣閥流量系數(shù)。相同閥隙通流面積時，抗堵塞環(huán)狀閥的有效通流面積比傳統(tǒng)環(huán)狀閥大。其原因是：抗堵塞環(huán)狀閥弧形凹槽可以作為流道，流過徑向筋對應(yīng)部位閥隙的氣流先流入弧形凹槽，再進(jìn)入升程限制器主流道，從而使得氣閥的有效通流面積增加。（2）隨著氣閥升程減小，氣閥流量系數(shù)增加值增大。其原因是：當(dāng)氣閥升程較低時，升程限制器主流道內(nèi)流速較低，氣流從徑向筋對應(yīng)部位閥隙流入弧形凹槽后進(jìn)入升程限制器主流道的阻力損失小，因而氣閥流量系數(shù)增加值較大。反之，氣閥流量系數(shù)增加值較小。

流量相同時，氣閥壓力損失與有效通流面積的平方成反比，氣閥的功耗與壓力損失成正比，提升氣閥的有效通流面積能有效降低氣閥的功耗。

3 壓縮機(jī)抗堵塞環(huán)狀閥應(yīng)用及分析

我國煤化工行業(yè)企業(yè)數(shù)量眾多，規(guī)模較大，有大量的氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)、水煤氣壓縮機(jī)以及焦?fàn)t氣壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備，進(jìn)入這些壓縮機(jī)的工作介質(zhì)中往往含有較多雜質(zhì)。把抗堵塞環(huán)狀閥應(yīng)用于這些壓縮機(jī)中，通過對比試驗(yàn)分析抗堵塞環(huán)狀閥的綜合性能。

6M40-305/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)是煤化工行業(yè)企業(yè)合成氨裝置中常見機(jī)型，壓縮機(jī)軸功率為4 700 kW，單機(jī)年產(chǎn)合成氨4萬噸。因原料氣中粉塵、煤焦油、硫等含量高，該壓縮機(jī)一級氣閥容易堵塞。6M40壓縮機(jī)隨機(jī)配備的一級氣閥是傳統(tǒng)環(huán)狀閥，改造為抗堵塞環(huán)狀閥后，一級氣閥的清洗次數(shù)由原來平均1個月8次下降到平均1個月1.5次，一級氣閥報廢數(shù)量由原來平均1個月9.75件下降到平均1個月0.5件［4］。

氣閥對壓縮機(jī)的排氣量也有著重要影響［11］，吸氣閥節(jié)流產(chǎn)生功耗，使得壓縮機(jī)溫度系數(shù)與排氣量下降［12-14］。實(shí)際運(yùn)行中的壓縮機(jī)排氣量可以通過壓縮機(jī)后的流量計(jì)測得，也可由相關(guān)產(chǎn)品的班產(chǎn)量、日產(chǎn)量計(jì)算得來。對多級壓縮機(jī)而言，后面各級工作正常且進(jìn)氣溫度不變的情況下，一級壓比的變化直接反映壓縮機(jī)排氣量的變化。氣閥改造前后排氣量的相對變化量可通過式（2）計(jì)算得到［15］。

式中 δQ——排氣量的相對變化量；

ε2——?dú)忾y改造后一級壓比；

ε1——?dú)忾y改造前一級壓比。

6M40壓縮機(jī)一級氣閥改造前，當(dāng)壓縮機(jī)一級平均進(jìn)氣壓力為23.5 kPa（G）時，一級平均排氣壓力為0.228 MPa（G）。采用抗堵塞環(huán)狀閥后，當(dāng)壓縮機(jī)一級平均進(jìn)氣壓力為23.3 kPa（G）時，一級平均排氣壓力提高到0.25 MPa（G）［4］。當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1 MPa，由式（2）可知，采用抗堵塞環(huán)狀閥后，該壓縮機(jī)的排氣量提升了6.88%。

壓縮機(jī)氣閥堵塞或有效通流面積下降后，氣閥功耗增大，壓縮機(jī)排氣溫度上升。近似把大型壓縮機(jī)工作過程當(dāng)做絕熱過程，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，壓縮機(jī)的指示功等于工作介質(zhì)的焓增。對理想氣體而言，焓的變化與溫度的變化成正比。氣閥改造前后單位質(zhì)量工作介質(zhì)指示功的相對變化量計(jì)算公式如下：

式中 δW—— 單位質(zhì)量工作介質(zhì)指示功的相對變化量；

Δt2——?dú)忾y改造后排氣與吸氣溫差，℃；

Δt1——?dú)忾y改造前排氣與吸氣溫差，℃。

6M40壓縮機(jī)一級氣閥改造前，當(dāng)壓縮機(jī)一級平均進(jìn)氣溫度為31.67 ℃時，一級平均排氣溫度為165.8 ℃。采用抗堵塞環(huán)狀閥后，當(dāng)壓縮機(jī)一級平均進(jìn)氣溫度為31.1 ℃時，一級平均排氣溫度為 154.7 ℃［4］。由式（3）可知，采用抗堵塞環(huán)狀閥后，該壓縮機(jī)一級單位質(zhì)量工作介質(zhì)指示功下降了7.85%。

抗堵塞環(huán)狀閥目前已應(yīng)用于一系列工作介質(zhì)含較多雜質(zhì)的氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)、半水煤氣壓縮機(jī)以及焦?fàn)t氣壓縮機(jī)等氣閥改造中，一系列對比試驗(yàn)結(jié)果表明，抗堵塞環(huán)狀閥能大幅延長壓縮機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，同時能不同程度地提升壓縮機(jī)排氣量以及降低壓縮機(jī)功耗。

4 結(jié)論

（1）氣閥結(jié)構(gòu)分析表明，在升程限制器表面開設(shè)環(huán)形凹槽與弧形凹槽是提高氣閥抗堵塞性能的簡便有效方法。

（2）氣閥吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果表明，開設(shè)弧形凹槽能增大氣閥有效通流面積，且隨著氣閥升程減小，氣閥流量系數(shù)增加值增大。

（3）抗堵塞環(huán)狀閥應(yīng)用于工作介質(zhì)含較多雜質(zhì)的煤化工領(lǐng)域6M40-305/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)中，與傳統(tǒng)環(huán)狀閥相比，一級氣閥的清洗次數(shù)由原來平均1個月8次下降到平均1個月1.5次，壓縮機(jī)的排氣量提升了6.88%，壓縮機(jī)一級單位質(zhì)量工作介質(zhì)指示功下降了7.85%。抗堵塞環(huán)狀閥的應(yīng)用表明，抗堵塞環(huán)狀閥能延長壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期、提升壓縮機(jī)排氣量以及降低壓縮機(jī)功耗。