空氣壓縮站進氣保護裝置設計

摘要：空氣壓縮站的增壓機組由西屋電機驅動，是單層結構、單級吸氣、單級排氣的四級壓縮無油空氣的H型等溫式離心壓縮機。文章介紹了離心壓縮機組喘振保護原理，對現存問題進行了分析和論證，設計了一套額外保護方式，從而達到離心壓縮機組的順利運行。

關鍵詞：離心壓縮機；進氣保護裝置；喘振；保護方式；增壓機組；空氣壓縮站 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH457 文章編號：1009-2374（2016）24-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.012

1 概述

空氣壓縮站的增壓機組是IHI-壽力壓縮技術有限公司設計制造的離心式空氣壓縮機，型號為NK36-4，該型號機組由西屋電機驅動，單層結構、單級吸氣、單級排氣的四級壓縮無油空氣的H型等溫式離心壓縮機，額定流量為750Nm3/min，額定進口壓力為1.0MPa，額定出口壓力為5MPa。在增壓機組的調試過程中可謂是故障頻發，例如增壓機意外停機造成前端低壓離心機組喘振停機、四級軸振動過大、進氣空氣冷凝水含量大、供氣管道出口振動大等現象。本文將對增壓機意外停機造成低壓機組喘振停機的故障進行原因分析，闡述進氣保護裝置的詳細設計。

2 故障現象分析及保護設計

2.1 故障現象

增壓機的運行供氣需要一臺低壓離心壓縮機和兩臺螺桿壓縮機為其提供原料用氣，參考氣路系統原理圖如圖1，當增壓機組進入加載狀態后，原料用氣就全部送入增壓機組。在調試過程中，當增壓機組加載運行時發生意外停機故障，整個原料用氣的供給管道內的壓力迅速上升，引起低壓離心機組的系統壓力和第三級排氣壓力也迅速提高，造成低壓離心機組發生喘振停機。

2.2 故障原因分析

增壓離心機組在故障停車時候會自動關閉它本身的進氣閥門以保證增壓機組本身的安全。

在分析故障原因前，需要了解低壓離心機組喘振檢測和保護的原理。英格索蘭低壓離心機組的喘振檢測和保護主要依靠它的CMC控制系統完成，在機組達到喘振點前打開旁路閥，將一部分空氣排入大氣，使壓縮空氣系統獲得其要求的空氣，從而實現喘振防護。CMC控制系統內包含由喘振壓力變送器和電動機電流互感器組成的喘振檢測系統。當末級排氣壓力和電動機電流的不斷變化并且大于喘振敏感性設定點值時，CMC會感受到喘振。當控制器發現出現喘振時，空壓機將卸載?？刂破鲗匆欢ū壤黾优月烽y位置，使進氣閥達到最小負荷點（如果進氣閥未處于那個位置），然后按正常系統需求將空壓機重新加載至運行壓力。該過程將在10分鐘內最多重復3次。如果空壓機在10分鐘內喘振4次，空壓機將保持卸載直到運行人員按下復位按鈕。即使有防止喘振的CMC控制，喘振仍可能發生。當系統需求在大的容量范圍內快速變化時，為防止喘振，控制器對打開旁路閥的反應可能不夠快。CMC讀取排氣壓力、電動機安培以及大約20個其他的壓力和溫度輸入，然后控制進氣閥和旁路閥的位置。當控制器太慢而來不及反應時，就會出現機組喘振停機的現象。通過上述原理的分析和現場實際考察，得出了造成原料機的低壓離心機組喘振停機的原因是原料用氣供應管路上無防喘保護裝置。因為當原料用氣全部供給增壓機后，如果增壓機意外停機，整個供氣管路上僅有增壓機自帶的放空管路（管徑為DN80，而低壓離心機組的供氣管徑為DN400）可以排除很小部分氣體，導致原料用氣供氣管內壓力急速上升引起低壓機組喘振。

2.3 保護設計方案

為了解決上述故障，決定在增壓機的進氣放空閥旁并聯一個氣動控制的套筒導向型調節閥，調節閥由增壓機提供控制信號。當增壓機重故障信號觸發（即發生意外停機）時，增壓機將立刻給套筒導向型調節閥發送動作指令使套筒導向型調節閥迅速全部打開，將原料用氣的供給管道內的壓縮空氣排向消音塔，避免管道壓力飆升，起到保護低壓離心機組的作用。

新增套筒導向型調節閥的技術要求：（1）日常使用為常閉狀態，工作時充氣、閥門關閉，緊急情況動作時失氣并快速打開閥門，全關至全開的響應時間應盡可能短；（2）執行機構的供氣壓力為0.4～0.8MPa；（3）閥門的控制方式為開關量控制電磁閥的開關；（4）該閥門僅用于快速放氣，無需中間調節環節；（5）閥門公稱通徑DN200，閥前壓力為1.0MPa，閥后壓力為0.1MPa。閥門選定之后，就需要根據閥門的特性對閥門的控制回路進行設計安裝。調節閥的開啟控制信號由增壓機的重故障信號觸發。結合次閥門技術要求需要選擇閥門種類，主要在電磁閥和電動閥之間進行選擇。

電動閥與電磁閥的區別：電磁閥是電磁線圈通電后產生磁力吸引克服彈簧的壓力帶動閥芯動作，只能進行閥門的開關，無法精確調整閥門的開度。

電動閥是通過電動機驅動閥桿，帶動閥芯動作，電動閥又分開關型和調節型，閥門的行程機構靠電機進行拖動，所以其開閥和關閥都比較緩慢，可以精確地調節閥門各個行程位置。

電動閥和電磁閥的用途對比：電磁閥一般用于液體和氣體管路的開關由于其功率和體積因素，一般適用于小型管道的快速通斷。

電動閥一般安裝在液體、氣體和風系統管道主要進行模擬量調節，即需要不斷變化閥門在管道中的開度來控制管道中介質的流通量。

電磁閥通過線圈驅動，只能開或關，可以在很短的時間內完成閥門的全開全關。

電動閥的驅動一般是用電機，閥門電機驅動大概從全開到關需要20～30秒的時間。

所以通過對比基本可以選擇電磁閥門來進行管道內壓縮空氣的快速釋放，并且可以選擇電磁閥門中的氣動電磁閥門來進行保護裝置的設計。

氣動電磁閥有良好的適用性，大部分的工廠和車間都具備壓縮空氣源，移動壓縮機可存放在幾米開外的地點。可按需求任意的儲備大容量的壓縮空氣，而且其還可以實現無級調速的直線和回轉工作。氣動電磁閥設計和操作簡單，適用于各類的自動化操控系統。和液壓電磁閥相比，氣動電磁閥反應更快、動作更靈敏。調節控制方便，不但可以組成氣動控制回路，還可以和電動、液壓結合使用。氣動電磁閥價格適中，整套裝置的費用也不會很貴，而且氣動電磁閥使用壽命長，不需要經常維護保養，因此維護保養的費用也比較低。壓縮空氣在很大程度上不受高溫、高壓以及腐蝕的影響，氣動電磁閥這一個優點是其他電磁閥無法比擬的。

氣動電磁閥有著獨特的排放空間處置方法，可安裝在任意工廠車間內。在安全方面，氣動電磁閥即便在危險工況中工作也不會引起火災，如果電磁閥過載就會自動停止或打滑。

氣動電磁閥也存在著一些缺點，如假設工作壓力較低，就不會容易獲取較大的輸出和轉矩，所以氣動電磁閥不適應重載系統；有比較大的排氣噪音，因為空氣沒有潤滑功能，所以在氣路中會自動設置潤滑裝置；氣動電磁閥的信號傳遞速度僅限于聲速范圍，因此不適用于傳遞速度較高要求的工況；實現作業過程中遙控也十分困難，氣動電磁閥有出現泄漏的情況，如果達到一定量的外泄漏也是允許的。由于空氣有壓縮性，載荷變化時平穩性稍差。綜合對比，氣動電磁閥滿足設計要求，并且由于廠房本身可以提供氣源故最終選擇氣動電磁閥。最終選擇電磁閥為此導向閥門，并設計了電氣控制接線圖。

3 安裝調試及測試

3.1 電磁閥安裝步驟及注意事項

（1）在現有增壓機進氣管道選擇合適位置，將管道斷開，并焊接法蘭，將電磁閥門安裝，由于電磁閥門一般是單向工作的，不能反裝，所以按照閥門閥板上的氣流指示順序進行安裝；（2）電磁閥與管道垂直，線圈垂直向上；（3）引入一無縫鋼管接入其氣動入口，另根據需要將電磁閥門氣路壓力調整到0.6MPa；（4）此電磁閥的輸入電源為220V，通過說明書查閱可知其工作特性是通入220V工作電源后再引入氣源的同時能夠快速關閉閥門，其基本保護思路為通過一個繼電器，接入增壓機組的故障信號，一旦增壓機組發生故障需要停機的時候，故障信號會控制繼電器的通斷，來達到閥門快速打開的作用，即閥門在正常供氣環節中是通電保持關閉的狀態，一旦發生故障增壓機組停機，即增壓機組發出故障信號直接斷開了此氣動電磁閥門的工作電源，閥門迅速打開，從而達到了增壓機組進氣管道壓縮空氣卸載的問題。

3.2 電磁閥調試

電磁閥安裝完事后送電發現閥門無動作，檢查接線和原理圖沒有問題，再檢查電磁閥電源線部分，發現電磁閥的電源插頭（此電磁閥為220V供電）插頭彈簧片松動，導致電源接觸不良，所以才沒有閥門動作，后來緊固了閥門的電源螺絲，從而使其能夠正常通電。

在調試保護的時候發現原來設計是增壓機組的故障信號為常開點接入，然后手動給增壓機組故障信號閥門并沒有通斷，接著分析發現增壓機組的故障信號實際為常閉點，需要接入繼電器的常閉點才能達到通斷閥門電源的目的。調試成功后，修改了增壓機組氣動流程，加入了啟動增壓機組前必須送電磁閥門的工作電源，并且需要運行人員手動打開電磁閥的供氣管道來保證電磁閥門的正常工作，從而確保一旦增壓機組出現故障停機后關閉進入閥門，此保護電磁閥門會迅速打開卸掉管道壓力來保護低壓供氣機組的目的。

3.3 電磁閥試驗測試

在安裝完電磁閥后，手動通過增壓機組發出故障報警信號，此電磁閥迅速打開，時間在10秒之內，從而達到了設計需求，保證了增壓機組在故障停機關閉入口閥時，低壓供氣機組無法迅速卸除在管道上的壓力。增壓機進氣放空管道經過上述的保護調節閥的安裝后，在增壓機組出現意外停車的情況時，新增的套筒導向型調節閥能夠快速反應，避免了低壓離心機組發生喘振事故。

4 結語

本文介紹了空氣壓縮站增壓機添加進氣保護裝置原因，分析了低壓離心機出現喘振的原理，同時對進氣保護裝置的設計方案進行了詳細的介紹，并最終通過實際試驗對比解決了因機組保護裝置而引起的喘振問題，對增壓機的日后使用建立了良好的使用條件。

作者簡介：湯旭（1984-），男，遼寧人，沈陽發動機設計研究所能源動力保障中心技術組工程師，研究方向：自動化。

（責任編輯：黃銀芳）