合成氨壓縮機中的平衡段

東南電化股份有限公司 范建軍

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合成氨壓縮機中的平衡段

東南電化股份有限公司 范建軍

簡要闡述合成氨壓縮機中平衡段的由來、作用和優缺點，及其內在泄漏對壓縮機整體效率的影響。

合成氨壓縮機 平衡段 泄漏 處理

1 概述

隨著多種4萬噸/年合成氨壓縮機的面市，6列布置的6M50機型越來越多，但大多數現行的尿素流程壓縮機都采用7級設計，由于對稱平衡式壓縮機結構只能安排偶數列氣缸，于是圍繞著如何在6列機身中布置出7個氣缸的要求，串聯式和倒級差式的氣缸結構被多家壓縮機廠家所采用。本文僅從各種氣缸結構泄漏量的分析來比較其合理性。

2 氣缸的泄漏系數

壓縮機帶上平衡段就會增加泄漏量，這幾乎已形成了一種思維的定勢。其實，壓縮機氣缸內的密封件都存在著一定的泄漏，它包括活塞環、填料和氣閥。而平衡段的泄漏實質上就是活塞環的泄漏。本文將對各種氣缸形式中活塞環和填料的泄漏量進行比較，而對不受氣缸形式影響的氣閥不作討論。

在一個標準的雙作用氣缸中，除氣閥以外，泄漏量最大的是活塞環：

活塞環的泄漏量=0.003×(1+log?P)×100%

填料的泄漏量=0.0005×logPd×100%

式中，?P=Pd–Ps，Pd——排氣壓力，Ps——吸氣壓力。

以一個吸氣壓力Ps=26Bar，排氣壓力Pd=54Bar的雙作用氣缸為例，其活塞環的泄漏量為0.734%，填料的泄漏量為0.087%。

若該級的軸功率為530kW，則

活塞環的泄漏功耗=530×0.734%=3.890kW

填料的泄漏功耗=530×0.087%=0.461kW

活塞環的泄漏量取決于其兩端的壓差。

2.1 平衡段泄漏問題的由來

早期的合成氨壓縮機，如H223，由于受制造能力的限制，只能在4列的往復式結構中布置出6個氣缸，因此不得不采用圖1所示的級差式結構。將高壓側的兩列氣缸布置成4個單作用的氣缸組合，3級和5級組成3-5級差氣缸，4級和6級則組成4-6級差氣缸。由于一組氣缸蓋側和軸側的直徑不同，中間必定形成環形臺階，利用這一環形面積又可以巧妙地通過接入不同的壓力來做成平衡段調整活塞力。但遺憾的是H223各段級間壓力接入平衡段后都會使活塞力大大超標，只有接入一級入口壓力時才能將活塞桿受力平衡在22噸以下。這使級差式結構的泄漏量達到了最大。

圖1 級差式氣缸

表1 H223各級吸排氣壓力和指示功率

在4~6級差氣缸的平衡段處接入1級的入口壓力后，6級活塞環兩側的壓差等同于6級的排氣壓力，氣體便直接通過該活塞環漏向平衡段而回流一級，泄漏量達到最大。其中

6級活塞環泄漏量=0.003×(1+log319.98)×100%=1.05%

氣源從大氣壓經1至6級壓縮到321Bar，壓縮機共做功2248kW，故6級活塞環泄漏所消耗功=0.0105×2248=23.56 kW。

4級活塞環泄漏量=0.003×(1+log46.48)×100%=0.8%。

氣源從大氣壓經1至4級壓縮到47.5Bar，壓縮機共做功1585kW，故4級活塞環泄漏所消耗功=0.008×1585=12.77kW。

同樣，3~5級氣缸也將平衡段接入了1級入口，氣源從大氣壓經1至5級壓縮到130Bar，壓縮機共做功1922kW，經1至3級壓縮到22Bar，壓縮機做功1247kW，故得：

5級活塞環泄漏所消耗功=17.92kW；

3級活塞環泄漏所消耗功=8.62kW。

兩個平衡段合計因活塞環泄漏而耗功62.87kW，占整機指示功率的2.8%。若將3至6級全改成雙作用氣缸而取消平衡段，不但可以提高H223壓縮機的輸氣量，還可減少活塞環的泄漏近50kW。

2.2 串聯式雙作用氣缸（葫蘆串型）

隨著壓縮機技術的發展，6列機身的壓縮機6M25、6M32在制造工藝上已不存在問題，普遍以雙作用氣缸來取代H223的級差式氣缸，產量也由H223的2萬噸/年發展到6M25的2.5萬噸/年合成氨。

但在雙加壓尿素流程中，壓縮機被要求設計成7級壓縮，這樣原來的6列機身又不夠用了，做成7列則勢必會提高壓縮機的成本，且第4、第5級的功率只占其余各級的一半，單獨設計成一列顯得不夠經濟，若將其合并在一列中則是最理想的方案。可供選擇的方案有兩個，其一是將兩個雙作用的4、5級氣缸串聯組成一列（如圖2所示），其二是將兩個單作用4、5級氣缸進行倒級差組合（如圖3所示），蓋側設置一個4級單作用氣缸，軸側設置一個5級單作用氣缸，最內側5級缸徑與活塞桿直徑表面間的環形面積設置一個平衡段，接到4級入口壓力。

圖2 串聯式雙作用氣缸

圖3 倒級差式氣缸

2.3 倒級差結構的泄漏量

盡管倒級差結構存在平衡段，但其泄漏量較之H223平衡段的泄漏量已大幅降低，圖3結構中五級排氣壓力在50Bar左右，其外側活塞環漏向四級氣缸的吸氣壓力，內側活塞環也漏向平衡段的四級吸氣壓力，其中

5-4級差活塞環泄漏量=0.003×(1+ log 35.23)×100%=0.76%

平衡段活塞環泄漏量=0.003×(1+ log 35.23)×100%=0.76%

其4-5級倒級差的泄漏功率：

5-4級差活塞環泄漏功耗=0.0076×(619.16+466.13)=8.25kW

平衡段活塞環泄漏功耗=0.0076×(619.16+466.13)=8.25kW

泄漏功耗總量=16.5 kW

相比串聯式雙作用氣缸4級和5級的泄漏量：

4級活塞環泄漏量=0.58，4級活塞環泄漏功耗=2.12kW；

5級活塞環泄漏量=0.74，5級活塞環泄漏功耗=3.95kW；

4級、5級活塞環泄漏功耗總量=6.07 kW。

扣除串聯式雙作用結構中4、5級間多出的一套填料的泄漏量，4-5級間填料的泄漏量=0.08%；4-5級間填料的泄漏功耗=0.72kW。

倒級差結構比串聯式雙作用結構多耗功：16.5-6.07-0.72= 9.71kW；占總指示功率比重=9.71÷4868.85×100%=0.2%。

顯然，因為倒級差結構將4-5級氣缸的平衡段壓力提高到了4級入口，使平衡段活塞環兩端的壓差比H223平衡段接1級入口時減小了近90%，故其0.2%的泄漏功耗較H223的2.8%也有明顯減少。

2.4 兩種氣缸結構的泄漏量比較

較之串聯式雙作用氣缸，倒級差結構泄漏量高出9.71kW，但只占總功率的0.2%，且倒級差氣缸的結構要比串聯式雙作用結構簡單，日常維護時拆卸安裝方便，因此，倒級差式氣缸也具有很大的市場。

表2 4、5級采用雙作用氣缸串聯結構的泄漏量

表3 4、5級采用單作用氣缸倒級差布局的泄漏量

2.5 為高壓平衡式結構正名

合成氨壓縮機最后一級的排氣壓力通常要壓到320Bar，此時的體積流量已經很小，由于活塞桿面積相對氣缸面積已經大到不容忽視了，因此氣缸蓋軸兩側的面積差變大，活塞力很難平衡，采用蓋側單作用的高壓平衡式結構作高壓氣缸已是非常多見。所謂的高壓平衡式結構，那只是一種氣缸的50%卸荷方式，只是因為其名稱中帶有平衡二字而給人以泄漏量大的印象。其實，高壓平衡式結構的活塞環泄漏量比普通的雙作用氣缸還低。

高壓平衡式結構來源于往復壓縮機的排氣閥卸荷方式，一般認為，往復式壓縮機的流量控制比較困難，在功能配置較完整的控制系統中，壓縮機可以通過打通吸氣閥（如圖4所示）或排氣閥的方法，使氣缸內的壓力始終等同于氣缸吸氣口或排氣口的壓力，以致氣閥無法建立前后壓差而自動開閉閥片，氣缸因排氣口無氣體流出而卸荷。通過單獨控制一側的氣閥通道使雙作用氣缸僅完成單作用氣缸的排氣能力，或短時不作用。

圖4 吸氣閥卸荷式流量控制

早在上世紀80年代后期，在設計開發MH型6列6級12500噸合成氨壓縮機時，第一次遇到了單列高壓小氣缸的活塞力平衡問題，由于第6級（最后一級）氣缸直徑較小，蓋、軸側活塞面積因活塞桿的存在而產生較大的面積差，這樣在工作壓力較高時會使活塞力的推拉值差變大，反向角變小。為此，設計者借鑒了氣缸的排氣閥卸荷原理，使軸側的氣缸容積與排氣口連通，氣缸由雙作用轉變成了單作用形式（如圖5所示），因此加大了氣缸直徑，改善了推拉活塞力的平衡，反向角也明顯增大。又由于軸側的活塞桿占去了部分面積，即便軸側接入本級的排氣壓力也能使活塞力得到平衡。

圖5 高壓平衡式氣缸

由于將其命名為“排氣閥卸荷式氣缸”不如“高壓平衡式氣缸”容易，使其一直背上了泄漏量大的罪名。其泄漏量可按下式計算：

活塞環的泄漏量=0.003×(1+log?P)×100%

?P為本級吸排氣壓差，它顯然和普通雙作用氣缸的活塞環泄漏量計算相同。由于其排氣行程的最終壓力和活塞環另一側的壓力相等，故實際泄漏量會比雙作用氣缸更小。

3 結論

平衡段起源于早期蘇聯引進的G型和P型壓縮機，隨著機加工能力的不斷提高，現代多列平衡式壓縮機已經成為主流，但中國特殊的合成氨流程還是需要用到級差式氣缸和平衡段結構。不斷研究開發泄漏量小、活塞力均衡且安裝方便的級差式氣缸，有利于提高壓縮機的可靠性和性價比，各種優秀的級差式氣缸結構將成為中國合成氨壓縮機的特色。