一種應用于井口氣回收的壓縮機節能裝置

呂倩航++王亦凡++王剛++盧玉姣

摘 要針對天然氣在試氣、試采過程中及尚未布設網管的情況下放空燃燒造成浪費和污染的問題，提出一種雙作用往復式壓縮機的余隙自動調節技術，設計開發用于井口氣回收的壓縮機節能裝置，運用電液調節技術實現對氣量自動實時的控制，突破了傳統氣量調節技術的調節范圍小、能耗大的難點。本裝置對現有的往復式壓縮機進行創新設計，將原有的缸蓋部分改為可調余隙執行機構，通過上位機、PLC組成的控制系統控制余隙缸活塞的直線運動，從而實現余隙容積、壓縮機氣量的調節，達到回收天然氣和壓縮機節能目的。

【關鍵詞】井口 氣壓縮機 余隙 節能

在天然氣采集過程中，由于初期測試、管路不完善等原因，將剛采得的天然氣直接放空燃燒，該過程造成巨大的能源浪費與環境污染。經過調研發現，目前回收天然氣常采用的方法為運用移動撬裝式井口氣回收裝置進行回收。但由于井口氣的氣量、溫度、壓力等參數變化范圍大，壓縮機可調節性差，導致壓縮機能耗大、工作效率低且易發生壓縮機部件損壞現象，造成巨大的經濟損失。

1 節能裝置整體設計

應用于井口氣回收的壓縮機節能裝置主要由余隙執行機構、液壓系統和控制系統等組成。余隙執行機構以一種伺服活塞缸式的具有余隙調節功能的壓縮機缸蓋，取代傳統壓縮機缸蓋，通過改變余隙活塞的位置實現余隙部分容積的變化?？刂葡到y包括PLC、上位機等，通過控制液壓系統中M型電磁閥的導通方向及導通時間進而完成余隙活塞的運動。

活塞壓縮機氣缸都存在余隙容積，由于氣體的膨脹使氣缸工作容積部分失去進氣作用，所以要盡可能往少控制的指標。下式為活塞壓縮機實際氣體指示功率計算公式：

由計算公式可以看出，氣缸余隙容積與指示功率是成反比，余隙容積增加，排氣量降低，指示功率隨之減少。

1.1 節能裝置節能原理分析

如圖1為壓縮機工作氣體示功圖。圖中，橫坐標V表示氣缸容積變化，縱坐標P表示氣缸壓力變化，P1、P2分別是進、排氣壓力。在圖中，1-2-3-4表示存在余隙容積時全排氣量的循環圖。其中3-4過程為余隙部分氣體膨脹過程，4-1過程為壓縮機吸氣過程，1-2過程為氣體壓縮過程，2-3過程為壓縮機排氣過程。通過四個過程P-V所圍成的面積為壓縮機指示功。

若增加余隙容積到，此時功率循環圖為1-2-3-4。氣體的膨脹過程增長，氣體對壓縮機活塞做功，減輕了曲軸連桿的負載；進氣量由全進氣量相應的線段長度4-1減少到線段長度4-1，進氣量減少，入口壓力得以提高；壓縮過程按1-2進行，壓縮過程活塞力的增加速率小于余隙容積為時的速率，提高壓縮機運行的平穩性，減少震動和噪聲；排氣量由相應的全排氣量線段2-3減少到線段2-3。

當井口氣氣量、來氣壓力等參數發生變化時，我們通過分析改變余隙部分的容積進行不同工況條件下的壓縮機調節。

1.2 余隙調節執行機構

余隙調節執行機構由余隙缸、余隙活塞、液壓缸磁致伸縮位移傳感等組成，它取代原有的缸蓋、余隙閥及氣動執行機構，通過電磁閥控制液壓伺服活塞的運動，進而帶動可調余隙活塞的運動，改變余隙容積。當接入氣缸工作腔的余隙容積增大時，入口壓力提高，余隙缸與壓縮機氣缸相通，使氣量調節范圍可達55%～100%，由于余隙缸的直徑僅略小于氣缸直徑，直接與氣缸相通，所以進出余隙缸的氣體幾乎沒有阻力損失。

1.3 電液控制系統

電液控制系統包括控制系統和液壓油站，壓縮機啟動時，余隙執行機構復位，對上位機輸入來氣量、氣體壓力、溫度等參量，上位機計算余隙執行機構移動位移，進而計算出電磁閥導通方向及時間，PLC與上位機通信，將控制信號發送給電磁閥，電磁閥執行動作實現余隙活塞的直線運動，同時磁致伸縮位移傳感器反饋位移量給上位機，為后續通訊提供控制依據。

1.4 液壓動力系統

液壓控制模塊由電機、液壓泵、溢流閥、華德M型三位四通電磁閥、壓力表等組成，液壓泵將電機提供的機械能轉換成壓力能。溢流閥在回路中功能為溢流調壓，使泵油的一部分進入液壓缸工作，而多余的油經溢流閥流回油箱。

1.5 控制系統

控制系統由上位機和PLC控制系統組成，其中上位機用于擬定壓縮機進氣壓力，并根據算法計算余隙調節量、功率后，與PLC通信，控制電磁閥動作。同時上位機可根據所擬定的進氣壓力及PLC反饋的余隙調節活塞的位置繪制相關曲線圖，便于直觀地反映調節過程。

2 總結

針對油氣田油氣回收中的壓縮機節能問題，本項目提出的一種雙作用往復式壓縮機的余隙自動調節技術，運用電液調節技術實現對氣量自動實時的控制，調節精度高，突破了傳統氣量調節技術的調節范圍小、能耗大的難點；實現壓縮機氣量在55%-100%范圍內的無級調節。較現有壓縮機，對井口氣氣量變化適應性強，降低了壓縮機部件的故障率，經濟效益良好。

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作者單位

武漢理工大學機電工程學院 湖北省武漢市 430070