往復式壓縮機能效優化分析

楊 菁

(中石化洛陽工程有限公司 設備室，河南 洛陽 )

往復式壓縮機能效優化分析

楊 菁

(中石化洛陽工程有限公司 設備室，河南 洛陽 )

節能減排是目前世界上最熱門的話題，本文根據往復式壓縮機組設計經驗，分析了往復機的能效轉化過程，提出了降低機組能耗的一些措施，對往復式壓縮機的設計有一定借鑒作用。

往復式壓縮機；能耗；優化

往復式壓縮機是一種容積式壓縮機，它依靠改變工作腔容積來提高氣體壓力。這類壓縮機具有裝盛氣體的氣缸及壓縮氣體的活塞，氣缸上裝有控制進、排氣的閥門。當活塞作往復運動時，氣缸容積周期性地變化，在氣閥的配合下，實現氣體的吸進、壓縮、排出和膨脹過程。

往復式壓縮機在石油化工企業應用十分廣泛。

其主要優點：

(1)適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達到所需壓力；

(2)熱效率高；

(3)適應性強，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響；

(4)對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工較容易，造價也較低廉。

缺點：

(1)轉速不高，機器大而重；

(2)結構復雜，易損件多，維修量大；

(3)排氣不連續，造成氣流脈動；

(4)運轉時有較大的振動。

1 能量轉化分析

1.1 級的實際工作循環

被壓縮氣體進入工作腔內完成一次氣體壓縮稱為一級。每一級由進氣、壓縮、排氣和膨脹過程組成，完成一次這樣的過程稱為一個工作循環，如圖1所示。

1-2為進氣過程，活塞從外止點到內止點運動，吸氣閥打開，氣體進入氣缸，當活塞運動到內止點時，吸氣結束。由于要克服進氣閥及氣體通道的阻力損失，因此氣缸內的吸入壓力要低于管道中的壓力。

2-3為壓縮過程，活塞自內止點向外止點運動，氣體受到壓縮，并隨著工作腔容積的不斷減小壓力不斷提高，直到壓力達到排出壓力。

3-4為排氣過程，氣體繼續被壓縮，直到能打開排氣閥，開始排氣，活塞到達外止點，排氣結束。由于氣體排出氣缸要克服排氣閥及氣體通道的阻力損失，因此氣缸內的排出壓力要高于管道中的壓力。

4-1為膨脹過程。排氣終了剩余在余隙容積中的高壓氣體在吸氣過程中繼續膨脹，直至能打開吸氣閥為止。

圖1 級的實際循環指示圖

1.2 級的能量損失

往復式壓縮機是將原動機的機械能轉換為靜壓能與動能的機械。氣體進出氣缸經過濾清器、氣閥、氣缸、冷卻器、油氣分離器、管道等一系列阻力元件，從而產生流動阻力損失。

從原動機獲得的能量，即軸功率，其中一部分有用的能量使氣體的壓力得以提高，而另一部分則是損失的能量，它是必須付出的代價。

1.2.1 氣閥損失

氣閥是控制氣體進出氣缸的部件，是易損部件之一。氣閥的好壞直接影響壓縮機的排氣量、功率消耗及機器運行的可靠性。活塞上下往復運動一次，吸、排氣閥各啟閉一次。

影響氣閥損失的因素有：①氣閥流通面積。流通面積越小，流速越大，阻力損失相應增大；②彈簧力。彈簧力過強會引起閥片在閥座和升程限制器中振動，使流通面積時大時小，導致氣缸內氣體壓力波動；彈簧力過弱會導致氣閥關閉延遲，如圖2所示。③氣閥的磨損。主要表現在氣閥啟閉過程中，在氣體撞擊力作用下，閥片、閥座和升程限制器的相互磨損，閥片和導向塊接觸處的磨擦磨損及閥片和彈簧間的接觸磨損等。這些磨損均會造成摩擦能量損失。

設計過程中，可以采用特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)替代傳統的金屬制作閥片。聚醚醚酮樹脂是一種新型特種高分子材料，也被稱為超耐熱性熱可塑性樹脂，是一種結晶性、不透明、淺茶灰色的芳香族系超耐熱性塑脂[1]。

與金屬閥片相比，PEEK閥片可設計成較大的升程，增加流通面積，從而降低氣閥功耗，提高氣閥效率；塑料與金屬的密封面貼合密封性能良好；通流特性較好，因氣流摩擦引起的能量損耗降低。氣閥能耗降低可達10%～15%，使排出氣體的溫度下降，能有效降低壓縮機的能耗。

圖2 氣閥起閉工作過程及彈簧力不當的工作曲線

1.2.2 泄漏損失

(1)氣閥泄漏：氣體得不到充分壓縮就排出，吸氣時又漏到氣缸中如此反復循環，影響了下一級的吸收，本級吸收的新鮮氣體就減少。

(2)活塞環泄漏：如活塞環斷裂、磨損過大時，壓縮時氣體會漏到吸氣端或平衡缸，吸氣時又漏回來，影響排氣量。

(3)填料泄漏：填料磨損過大時，高壓氣體就會從填料處大量泄漏到大氣中。

2.2.3 機械損失

機械損失：軸承、密封、聯軸器的機械摩擦損失。

2 氣量調節方式與能耗關系

現今新設計的煉油企業生產彈性很大，往復機使用過程中，往往要滿足不同工況的氣量要求，當工藝過程所需氣量小于壓縮機實際排氣量時，就需要對壓縮機的排氣量進行調節，以使壓縮機的排氣量適應耗氣量的要求。因而采用何種方式進行氣量調節，就成為一個需要認真考慮的問題。

氣量調節方式的選擇，不僅要考慮到設備一次性投資的多少，還要考慮到長周期運行能耗的高低和成本的大小，在保證設備安全運轉的前提下，盡量降低能耗是工程設計的首要任務。

2.1 氣量調節原理

氣量調節的理論基礎是容積流量公式：

(1)

只要改變式(1)中任何一個量，容積流量即可改變。但是，氣缸直徑無法改變；在曲柄連桿驅動的壓縮機中，行程也不能變；所以，實際上只有各系數和轉速可以改變，并且除溫度系數因經濟性差不采用外，其它都可用來調節氣量。

2.2 常用調節方式對比

2.2．1 轉速調節

內燃機和汽輪機驅動的壓縮機，因為原動機的轉速可以連續地改變，所以可比較方便地實現連續的排氣量調節，并且壓縮機上不需設專門的調節機構。其缺點是受原動機本身性能的限制，低于額定轉速時，效率低；轉速低時進氣速度降低，氣閥工作可能會出現不正常；對潤滑、振動影響大。

2.2．2 旁路調節

將排出的氣體通過旁路管線和旁通閥全部或部分返回進氣管，實現容積流量調節。圖3所示的是末級排氣返回一級人口的方案，也是目前較為廣泛采用的一種旁路調節方式[2]。

圖3 氣量旁路調節流程示意圖

2.2．3 余隙容積調節

氣缸設置補助余隙裝置，連通余隙改變相對余隙和容積效率來調節氣量。

補助容積有不變與可變兩種。不變容積，只能調節到某一固定值，范圍在氣量的85%～100%內確定，此法工程上采用較多；可變容積可分級調節，但調節過程較復雜，工程上采用較少。

2.2．4 壓開進氣閥調節

利用一個壓開裝置，把進氣閥強制地壓開，使進氣閥全部地或部分地喪失正常工作能力，也即使壓縮機吸進的氣體，因進氣閥片不能自動關閉而在壓縮和排氣行程又重新回到進氣管，借以達到調節氣量的目的。

2.2．5 常用調節方式的性能比較

常用調節方式的性能比較見表1。

表1 常用調節方式的性能比較

在工程設計中，常用的是賀爾碧格公司的HydroCOM 全行程氣量無級調節系統。HydroCOM系統參考了大型柴油發動機中噴射部件的技術，并結合智能控制技術，通過液壓傳動裝置使壓縮機在壓縮過程中，進氣閥成為受控氣閥，即通過延遲關閉進氣閥的方式，使氣缸中的部分氣體返回進氣腔，從而實現在部分行程壓開進氣閥的氣量調節方式。

圖4 HydroCOM系統省功P-V圖

如圖4所示，當氣缸進氣終了時，進氣閥的閥片在執行機構作用下仍被卸荷器強制地保持開啟狀態，壓縮過程并不沿原壓縮曲線由位置C到位置D，而是先由位置C到達位置Cr，此時原本吸人氣缸中的部分氣體經被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮；待活塞運動到特定的位置Cr(對應所要求的氣量)時，執行機構使頂開進氣閥片的強制外力消失，進氣閥片回落到閥座上而關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置Cr到達位置Dr。這樣就能實現只對實際需要的氣量進行壓縮，能最大限度地節省能源。其調節范圍較廣，一般可做到10-100%的無級調節氣量，從而使機組的操作工況真正可以根據工藝變換實時自動調節[3]。

氣量無級調節系統一次性投資較大，但氣量無級調節系統的節能非常明顯，特別是對工藝系統波動大及裝置部分負荷(尤其是80%負荷以下)時節能效果明顯。

3 其他節能措施

(1)進氣壓力提高，則原動機能耗降低。采用高效的過濾器、生產操作上定期除灰使過濾器的阻力控制在設計范圍內是壓縮機節能的重要途徑。

(2)壓縮機的機械效率提高，則能耗降低。但壓縮機的機械效率主要是由壓縮機的設計、制造、安裝決定的，當壓縮機處于正常運行時，該參數變化不大。

(3)壓縮機的等溫效率提高，則能耗降低。壓縮機的等溫效率與操作條件有著非常密切的關系。所以在操作中重點是確保氣體在級間冷卻器得到充分冷卻，使壓縮機盡量趨近于等溫壓縮，有效提高壓縮機的等溫效率，降低壓縮機能耗。

4 結束語

設計中，選用聚醚醚酮(PEEK)制作閥片，并根據裝置的工藝操作要求，選擇合適的氣量調節方法，對裝置的節能降耗及提高壓縮機的運行可靠性有著深遠的意義。

[1] 王永恒. 聚醚醚酮(PEEK)及在往復壓縮機中的應用[J]. 甘肅科技，2009(8)：59 - 61.

[2] 郁永章．容積式壓縮機技術手冊[M]．北京：機械工業出版社，2000.

[3] 孟玉青，郝 燁，龐洪強. HydroCOM氣量調節系統在加氫裂化新氫壓縮機上的應用[J].工程技術與產業經濟，2010(8)：38 - 39.

(本文文獻格式：楊 菁.往復式壓縮機能效優化分析[J].山東化工，2016，45(08)：96-98.)

浙江“豐利”再次被認定為浙江省知名商號

日前，浙江省工商行政管理局浙工商企〔2015〕3號，發布了《關于延續認定315件企業商號為浙江省知名商號的通知》，國家高新技術企業浙江豐利粉碎設備有限公司的"豐利"企業商號榜上有名，再次被認定為浙江省知名商號，有效期6年。

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2016-03-10

楊 菁(1969—)，女，天津寧河人，工程師，主要從事設備機械設計。

TQ051.21

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1008-021X(2016)08-0096-03