氣液增壓泵的施工與應用

周杰（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

氣液增壓泵的施工與應用

周杰（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

隨著現代工業技術日新月異的快速提高，對各種增壓設備的應用也日趨普遍，增壓泵是一種利用大面積活塞的低氣壓產生小面積活塞的高液壓或氣壓的加壓方式，具有廣泛的適應性和可靠性（見圖1）。

增壓泵；輸出壓力高；范圍廣；靈活；安全；自動保壓；維護簡單

圖1 增壓泵

圖2 增壓泵原理圖

1 特點

（1）輸出壓力高 氣動液體管道增壓泵的最高工作壓力可達到700MPa，氣動氣體管道增壓泵的最高工作壓力可達到300 MPa。

（2）適用介質范圍廣 工作介質可為液壓油、水及大部分化學腐蝕液體，也可為壓縮空氣、氮氣、水蒸氣、天然氣等，而且可靠性高，免維護和壽命長。

（3）多種氣體驅動 壓縮空氣、氮氣、水蒸氣、天然氣等均可做為泵的驅動氣源。

（4）應用靈活 選用不同型號的泵，可獲得不同的壓力區域。

（5）易于調節 在泵的壓力范圍內，調節調壓閥從而調節驅動氣壓，輸出液壓或氣壓相應得到調整。

（6）自動保壓 無論何種原因造成保壓回路壓力下降，氣液增壓泵將自動啟動，補充泄露壓力，保持回路壓力恒定。

（7）操作安全 采用氣體驅動，無電弧及火花，可在危險場所使用。

（8）維護簡單 增壓泵零件及密封少，相同系列泵的所有“O”型圈、維修包易損部件可相互替換，使維護更簡單。

2 適用范圍

①適用于易燃易爆、空間狹小、無用電設施等各種惡劣的環境下施工。②應用范圍廣，工業領域用于高壓動力、高壓瓶充氣、將低壓氣體轉換成高壓氣體、利用高壓輸送流體等。凡是氣源壓力不夠高，無論是工業機械或測試裝置，均可采用增壓泵。

3 工藝原理

增壓泵主要由氣體增壓缸，控制主閥和相應管路組成。增壓系統工作原理如圖2所示。

當氣缸活塞移動到上死點，頂開閥1，由A1口來的低壓氣通過閥1進入N腔，氣體作用在主閥大端的力大于作用于主閥小端的力，推動主閥活塞向右移動，最后由A1口來的低壓氣通過主閥芯部的通路進入R腔，推動氣缸活塞向下移動，同時將T腔中的低壓空氣壓縮至高壓，通過閥4從B口排出，此時閥3關閥。當氣缸活塞移動至下死點時，頂開閥2，N腔通過閥2與大氣相遇，主閥活塞在M腔低壓氣作用下向左移動，使R腔通過C1口與大氣相通，此時閥4已關，T腔剩余氣體膨脹后閥3打開，低壓氣體或液體通過A2口進入T腔，氣缸活塞向上移動，開始第二個壓縮循環，如此往復運動，隨著輸出壓力的增高運動減慢，直至達到壓力平衡自動停止。如系統壓力失去平衡，增壓泵將自動啟動，再次進行加壓，使系統壓力達到平衡。

4 施工工藝

4.1 施工前準備

圖3

（1） 根據所應用的工程特點及要求進行增壓泵的選型。如圖3。某廠增壓泵選型說明（各廠家對型號的表示方式各不一樣，不影響使用）。（2） 根據所選增壓泵、工作環境、現場實際情況以及經濟分析選擇合適的驅動氣源壓力與輸入介質壓力。（3） 根據驅動氣源壓力及輸入介質壓力選擇合適的連接管道、控制閥門、裝置調壓閥及壓力表等附件。（4） 制定合理的安全措施，確保施工工藝安全可靠。

4.2 工藝流程與系統圖

圖4 系統圖

5 施工要點

（1）在使用增壓泵的過程中，最重要的參數是增壓比、驅動氣源壓力、輸入介質壓力，增壓比是出廠時就制定且無法改變的參數，因此在我們選定一臺增壓泵后，在額定區間要獲得不同的增壓情況只有通過改變驅動氣源壓力和輸入介質壓力來對其進行無級調節。

每一臺增壓泵出廠時因設計局限、使用材質、密封圈等各種原因，使每臺增壓泵在出廠時也限定了他們自身所能承受的驅動氣壓范圍和輸入介質壓力范圍（且驅動氣源壓力一般限制在10bar內），為了保證泵的使用壽命，建議驅動氣源壓力≤8bar。

由于影響經濟效益的因素除增壓泵本身價值、附件、驅動氣源等因素外，增壓時間也是非常關鍵的因素之一，而影響增壓時間的直接因素是輸出流量，輸出流量又直接受到驅動氣源壓力與輸入介質壓力的影響，輸出流量與驅動氣源壓力、輸入介質壓力的關系為：當輸入介質壓力高、驅動氣源壓力高、排氣壓力低時，增壓泵的排氣能力（輸出流量）大；反之，增壓泵的排氣能力（輸出流量）小。

經以上分析，在整個工藝流程中最關鍵的是調壓閥1與調壓閥2的調節（及為驅動氣源壓力和輸入介質壓力的確定），故在使用之前務必根據增壓泵特性曲線圖及現場氣源和輸入介質壓力范圍等參數，同時考慮經濟因素計算出合適的驅動氣源壓力與輸入介質壓力。

（2）下面舉例說明其操作過程的主要參數、選型及要點 如現有10m3系統需充入壓力為60bar氣體做壓力試驗，現場常用氣源為廠內供應7bar的壓縮空氣，此時我們可選STA10型增壓泵使用，驅動氣源壓力調節為6bar，輸入介質壓力調節為7bar即可獲得最佳使用效果。以下為操作分析：

是否滿足增壓泵設計要求—增壓泵選型—驅動氣源壓力確定—輸入介質壓力確定—工作時間計算

①是否滿足增壓泵設計要求。壓縮空氣壓力為7bar≤8bar（滿足驅動氣源壓力≤8bar），符合增壓泵設計要求。故可用壓縮空氣做為驅動氣源，由于只是做一般的壓力試驗，對氣源使用無過多要求，輸入氣源也可選用壓縮空氣。

②增壓泵選型。某廠生產的單作用單級增壓泵參數見表1。

系統需充入氣體壓力為60bar，根據表1可知，選用STA10型增壓泵即可。

③驅動氣源壓力確定。考慮到驅動氣源壓力越高對增壓泵使用壽命影響越大，故可通過調壓閥1將驅動氣源調節到PL=6bar，此時氣源即滿足使用條件（PB=10 PL=60bar），同時還能降低對增壓泵使用壽命的損耗。

④輸入介質壓力確定。STA10型增壓泵驅動氣源PL=6bar特性曲線圖，如圖5所示。

圖5 STA10型增壓泵驅動氣源PL=6bar特性曲線圖

根據特性曲線圖可知輸入氣源壓力PA越大，增壓泵輸出初始流量越大，工作時間越短，故可將輸入介質壓力定為PA=7bar（滿足PA≥5.5bar，故可以使輸出壓力PL達到60bar）。

⑤工作時間計算。根據以上分析，對增壓泵工作時間（T）的計算為：忽略預沖壓至7bar的時間，初始加壓輸出流量為S1=96L/min，當壓力達到60bar時輸出流量為S2=0L/min，總體積V=10m3。

T=2V/（S1+ S2）=2×10×1000/（96+0）≈208.33min

故利用STA10型增壓泵在驅動氣源壓力PL=6bar輸入介質壓力PA=7bar的條件下工作時間大約為：T≈208.33min，經濟、方便、快捷可行。如時間較長影響施工，我們可采用雙作用增壓泵或選用多臺增壓泵同時加壓。

假設上例需充入氣源壓力為220bar，不難根據以上分析選STA40型增壓泵即可，當驅動氣源壓力PL=6bar時，最大輸出氣源壓力為PB= 40PL=240bar≥220bar，符合條件。

根據STA40型增壓泵參數表分析（見表1），當輸入氣源壓力PA=7bar，最大輸出氣源壓力為

受加壓腔余隙的設計限制無法加壓至要求壓力。此時我們可通過增加輸入氣源壓力PA或使用雙級增壓泵：①增加輸入氣源壓力，使PA≥220×15/320bar=10.3125bar即可（可利用氮氣瓶加壓輸入氣源壓力）。②根據某廠生產的雙作用雙級增壓泵參數（見表2），可直接選用STT40型增壓泵。

6 效益分析

（1）經濟效益 ①相同系列泵的所有“O”型圈、維修包易損部件可相互替換，大大降低了維修成本。②增壓泵小巧靈活、組裝使用方便，適用各種空間狹小的環境，大大降低了機具使用成本。③增壓泵是一種活塞泵，工作時，增壓泵迅速往復工作，隨著輸出壓力的增高，泵的往復減慢直至停止，此時，泵輸出的壓力恒定，能量消耗最低，各部件停止運動。因為持續保壓不消耗任何能量，最大節能可達70%。

（2）社會效益 增壓泵為氣體驅動（一般低壓氣體均可），無需用電、無油耗，運行過程不產生任何廢氣、廢液和噪音，使用過程中安全可靠，可謂新一代的節能降耗、綠色環保產品，其社會效益尤為顯著。

（3）舉例分析 目前有一易燃易爆廠區有1000m米不同管徑管線（平均為DN200mm）含設備，需做氣密試驗，且試驗壓力為60bar，需保壓24小時，如發現漏點后需及時處理并補充壓力，再次進行試壓工作，試壓空間狹小，廠區內有最高壓力為8bar的壓縮空氣提供。

方案一：使用氮氣瓶加壓。①由于氮氣瓶搬運不方便，且空間狹小，廠區環境易燃易爆，危險性極高。②加壓時間長，資源消耗大，經濟效益差。③控制性差，如發現法蘭面螺栓未緊固造成泄漏，等泄壓緊固后再次加壓需再次搬運氮氣瓶補充壓力，極不方便。

方案二：采用增壓泵。①體積小，靈活方便，使用安全可靠。②根據以上應用分析選用STA10型增壓泵使用，驅動氣源壓力調節為6bar，輸入介質壓力調節為7bar即可獲得最佳使用效果，經濟效益高。如加壓時間過長可選用雙作用泵。③當發現法蘭面螺栓未緊固造成泄漏，等泄壓緊固后只需打開驅動氣源開關閥便可自動加壓到指定壓力，補充壓力方便，可控性好，耗能低。

7 機具設備

主要機具設備見表3。

8 質量管理

除了必須嚴格遵守國家、地方和企業制定的有關質量規定外，在施工中還應做到。凡不符合質量要求的設備、閥門、管道等材料不得使用。驅動氣源壓力進入增壓泵時不得超過10bar，否則將對增壓泵造成過度磨損，嚴重影響其使用壽命。使用過程中還應注意所有設備、閥門、管道及附件是否固定牢固，同時注意各壓力表的變化情況。

9 結語

徐州林德氣體6000m3/h制氫裝置項目是由天然氣裂解產生氫氣和蒸汽，蒸汽直接輸送給客戶使用，生產出的氫氣進入緩沖罐，一部分直接輸送給客戶使用，一部分由隔膜壓縮機加壓后產生20MPa的高壓氫氣輸送到DN15的高壓管線，然后由高壓管的各個分支將高壓氫氣裝入氫氣瓶（氫氣瓶一般沖壓到13MPa～15MPa）進行零售。同時多余的高壓氫氣將由減壓閥減壓再次輸入主管提供給客戶使用。在整個裝置中有90米DN15mm工作壓力為20MPa的高壓管道需要進行試壓工作，試驗壓力為22MPa。

經過分析與現場實際情況考察，該工程作業環境危險，禁止易燃易爆物品，且工作壓力高。利用氮氣瓶沖壓不但壓力不夠且造價高，利用大型壓縮機加壓危險性高，成本更高，最終選擇了利用增壓泵加壓進行管道試壓，在安全、節能、方便快捷的試壓模式下達到了良好的經濟效益和社會效益。

表1 單作用單級增壓泵參數（PL=驅動氣源壓力 PA=輸入介質壓力 PB=輸出介質壓力）

表2 雙作用雙級增壓泵參數

表3 主要機具設備一覽表