氣體參數對往復式壓縮機功率的影響

武紅勝 呂剛（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

氣體參數對往復式壓縮機功率的影響

武紅勝 呂剛（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

壓縮機是石化行業中常用的關鍵設備之一，也是電能消耗高的設備。文中以往復式壓縮機為例，重點分析了壓縮機入口氣體壓力、出口氣體壓力及出口氣體溫度對壓縮機功率的影響，為選取相匹配的設備，達到降低成本、節能降耗的目的提供了依據。

往復式壓縮機 功率 壓力 溫度

壓縮機在眾多行業中是必不可少的關鍵設備，因其用途廣泛而被稱為“通用機械”。按其原理可分為：往復式（活塞式）壓縮機、回轉式（旋轉式）壓縮機、渦輪式（水環式、透平）壓縮機、軸流式壓縮機、噴射式壓縮機及螺桿壓縮機等，其中應用最為廣泛的是往復式（活塞式）壓縮機。

1 往復式壓縮機的工作原理

往復式壓縮機主要由工作部件（氣缸、氣閥、活塞組件及填料等）、驅動機構（曲軸、連桿及活塞）、機身及輔助系統構成，見圖1。

圖1 往復式活塞壓縮機簡圖

當驅動機構帶動活塞做往復運動時，由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積內便發生周期性變化。活塞從氣缸蓋處（外止點）開始向右運動，氣缸內的工作容積逐漸增大，這時外界氣體沿進氣管推開進氣閥進入氣缸，直到活塞達到最右位置（內止點）時工作容積為最大，這時進氣閥開始關閉。然后活塞開始向左運動，氣缸內工作容積縮小，氣體壓力逐漸升高，當氣缸內壓力達到并略微高于排氣壓力時，氣體把排氣閥打開，并進入排氣管，直到活塞運動到最左位置時，排氣閥關閉。當活塞再次向右運動，上述過程重復出現。曲軸旋轉一周，活塞往復運動一次，氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環。

2 往復式壓縮機的性能參數

2.1 壓縮機的排氣壓力

往復式壓縮機的排氣壓力是由背壓（排氣系統壓力）決定的。壓縮機銘牌上的壓力是指設計時的目標工作壓力（額定壓力），而實際運轉時排氣壓力取決于排氣系統。如果生產工藝系統中操作失調，壓縮機的排氣量大于系統的實際需求量，則背壓升高，于是壓縮機排氣壓力也隨之升高。反之，如果壓縮機排氣量供不應求，則排氣壓力下降。只有在氣量供需保持相等時，排氣壓力才能穩定。因此壓縮機常附設氣量調節系統，使氣量的供需協調，這樣才能保持壓縮機的壓力穩定，操作平穩。

2.2 壓縮機的排氣溫度

氣體受到壓縮時，氣體的溫度會升高，壓縮后氣體的溫度為：

式中：P1——進氣壓力；

P2——排氣壓力；m ——多變指數。

對往復式壓縮機，m值一般是從實測氣缸示功圖上獲得，或者通過驗算壓縮機的操作數據而得；對離心式壓縮機，m值也是通過測量級的進、出口氣體壓力和溫度而求得。這樣所得到的m值只是平均意義上的近似值。把壓縮過程看作近似的絕熱過程，m可用絕熱指數代替。壓縮比越大或氣缸冷卻效果越差，則排氣溫度越高，然而壓縮機的排氣溫度是有限制的。

對于帶潤滑油的空氣壓縮機，排氣溫度過高會使潤滑油黏度降低、潤滑效果變差，并使潤滑油分解出的揮發組分在氣閥、管道中形成“積碳”。積碳在高溫下氧化可能產生爆炸，造成嚴重事故，所以一般將往復式壓縮機排氣溫度控制在160～180℃，比潤滑油的閃點低30～35℃。

壓縮機的排氣溫度是檢查機器是否正常運轉的一個敏感參數。如果在運轉中出現排氣異常高溫，必須認真對待。如果不是因工況變化，或冷卻不良，則可能是氣閥、填料函或活塞環這些易損件出現故障所致，應及時處理。

2.3 壓縮機的功率

（1）指示功率：雙作用壓縮機指示功率為兩工作室功率之和，多級壓縮機指示功率為各級指示功率之和。指示功率實際上就是壓縮機活塞作用于氣體的功率，屬于內部功。

（2）軸功率：驅動機（電動機）傳給壓縮機主軸的功率，它除了提供內部功率外還要克服活塞與氣缸、活塞桿與填料函、十字頭與滑道、連桿與十字頭銷及曲柄銷、主軸與軸承等摩擦副之間的機械摩擦損失。如果主軸同時要驅動油泵、注油器或風扇等，這些設備也要耗一些軸功率。

2.4 壓縮機的效率

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（1）壓縮機的指示效率：壓縮機的理論壓縮循環功（或功率）與實際壓縮循環指示功（或指示功率）之比，由它可大致看出壓縮機的能量損耗（主要是氣閥阻力）以及實際壓縮和膨脹過程與理論過程的差異等。根據作為對比項的理論壓縮循環的不同，指示效率可分為等溫指示效率和等熵指示效率。

（2）壓縮機的等溫指示效率：等溫壓縮循環的理論功率與軸功率之比。

（3）壓縮機的等熵指示效率：等熵壓縮循環的理論功率與軸功率之比。

壓縮機的等溫效率和等熵效率不僅反映了壓縮機缸內的壓縮循環功率，還同時考慮了運動構件的機械摩擦損失的影響。大多數壓縮機的多變指數接近于等熵指數，故常用等熵效率來表示。

3 影響往復式壓縮機功率的因素

壓縮機功率主要受壓縮機入口氣體壓力與壓縮后氣體溫度的影響。

3.1 壓縮機入口氣體壓力

圖2 壓縮機的功率隨一級入口壓力的變化曲線

3.2 壓縮機一級出口壓力

對于二級壓縮的往復式壓縮機來說，一級出口壓力即為二級入口壓力，一級出口壓力的變化會影響一級壓縮機的功率，同時也會影響二級壓縮機的功率。在其他條件不變的情況下，增加一級出口壓力，會使一級壓縮機的功率增加、二級壓縮機的功率減少。

圖3為一級壓縮機的功率隨一級出口壓力的變化曲線，一級出口壓力升高，氣體具有的壓縮能提高，使一級壓縮機對氣體做功增加，同時一級壓縮機的功率也增加。

圖3 一級壓縮機功率隨一級出口壓力的變化曲線

圖4為二級壓縮機功率隨一級出口壓力的變化曲線，一級出口壓力升高，使進入二級壓縮機的氣體具有的初始壓縮能增加，因此，二級壓縮機對氣體所做的功減少，二級壓縮機的功率也減少。

圖4 二級壓縮機功率隨一級出口壓力的變化曲線

圖5為整個往復式壓縮機功率隨一級出口壓力的變化曲線。

3.3 壓縮機二級出口壓力

二級出口壓力越高，說明壓縮機釋放的能量越多，對氣體所做的功就越多，則壓縮機的功率也就越高，見圖6。對于多級往復式壓縮機來說，在其他條件不變的情況下，改變二級出口壓力，只會影響二級壓縮機的功率，不會影響一級壓縮機的功率。

圖5壓縮機隨一級出口壓力的變化曲線

圖6 壓縮機的功率隨二級出口壓力的變化曲線

3.4 級間冷凝器的出口溫度

氣體被壓縮，體積減小，溫度升高。因此，需要冷凝設備來給氣體降溫。級間冷凝器是多級往復式壓縮機必備的冷卻設備，冷凝物質主要是水，目的是降低二級壓縮機入口氣體的溫度，以此來保護壓縮機。圖7是壓縮機功率隨級間冷凝器出口溫度的變化曲線，當級間冷凝器出口溫度降低時，壓縮機的功率會隨之增加，但影響不大。

圖7壓縮機功率隨級間冷凝器出口溫度的變化曲線

4 結論

壓縮機的主要作用就是對氣體做功，使氣體具有壓縮能，以輸送氣體或者為化學反應創造必要的條件。

壓縮機的入口、出口氣體壓力的大小，直接影響壓縮機的功率，對于多級往復式壓縮機來說，前一級壓縮機的出口氣體壓力和級間冷凝器的出口溫度影響下一級壓縮機的功率。入口氣體壓力越高，壓縮機對其所做的功越少，壓縮機的功率就越低；壓縮機出口溫度越高，壓縮機所消耗的功率逐漸降低，但是溫度對壓縮機的功率影響不大。

[1]錢錫俊,陳弘.泵和壓縮機[M].東營：中國石油大學出版社，2007.

The Effect of Gas Parameters on Reciprocating Compressor

Wu Hongsheng and Lü Gang

Reciprocating Compressor，Power，Pressure，Temperature

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.010

2010-11-20）

武紅勝，助理工程師，畢業于中國一汽星光職工大學，現在大慶油田有限責任公司天然氣分公司生產準備大隊從事安全、節能管理工作。

Reciprocating compressor is one of the key equipment in petrochemical industry,and also has the most energy consumption.As an example,reciprocating compressor is analysised including the influence of the inlet gas pressure,outlet gas pressure and temperature on the compressor power,which provide the base of selecting matched equipment,reducing cost,and saving energy,and decreasing energy consumption.