無級氣量調節系統對往復壓縮機轉矩的影響分析

陳 超，張貴軍，劉文利

(1. 中國石化工程建設有限公司，北京 100101； 2. 沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

往復壓縮機在煉化領域使用廣泛,諸多因素導致機組需減量操作【1】,這就需要對壓縮機進行流量調節。往復壓縮機流量調節的方法主要有：旁路回流調節、可變余隙調節、完全頂開吸氣閥調節以及部分頂開吸氣閥調節(即無級氣量調節系統)。

旁路回流調節不省功，僅適用于短期使用；可變余隙調節可適用于調節范圍不大的工況，但其不適用于改造工況，且占地較大；完全頂開吸氣閥的調節方法簡單，投資較少，適用廣泛，但只能定量調節；部分頂開吸氣閥的調節方式可實現無級調節，調節范圍廣，但投資較大。

眾所周知，往復壓縮機是變轉矩的機器。轉矩的變化引起曲軸角速度的變化，使曲軸一會兒加速一會兒減速，降低曲軸壽命，引起機組振動。為了限制曲軸的轉速變化，API 618規定：旋轉不均勻度δ不應大于1.5%。

往復壓縮機往往使用飛輪矩GD2來平衡轉速的變化。式(1)為飛輪矩GD2的計算公式。

(1)

式中：GD2——飛輪矩，kg·m2；

L——一轉中能量變化值，J；

n——轉速，r/min；

δ——旋轉不均勻度，無量綱。

對于給定的壓縮機，飛輪矩GD2和轉速n已確定，因此L與δ成正比變化，而L的變化是由轉矩的變化而決定的。關于L的計算往復壓縮機教材均有介紹【2】，在此不再贅述。

無級氣量調節系統對往復壓縮機反向角的影響已有學者研究【3】，但對往復壓縮機轉矩的影響卻鮮有研究。本文選取煉化領域常用的2D系列和4M系列機型作為樣本，主要討論無級氣量調節系統對往復壓縮機轉矩的影響。

1 無級氣量調節系統對壓縮機轉矩的影響

壓縮機的轉矩主要來源于連桿力和旋轉摩擦力，其中連桿力占絕大部分，而連桿力來源于綜合活塞力。綜合活塞力的計算相關教材均有詳解。值得注意的是壓縮機的總轉矩是每一列疊加的結果，疊加時需要注意每一列的相位角的不同。國內的2D機型，絕大部分是對動式，兩列相位角相差180°，4M機型各列相位角從軸向看相差90°(具體可見制造廠的曲軸詳圖)，合理布置相位角可平衡機組轉矩的脈動。

圖1～圖8分別表示了不同機型不同負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化情況，以及平均轉矩變化及L的波動情況。

圖1 2D25機型不同負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化

圖2 2D25機型不同負荷下平均轉矩與L的變化率

圖3 2D80機型不同負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化

從圖1和圖3可以看出：2D機型壓縮機的轉矩隨著負荷的減小，轉矩的最大值逐漸下降，而轉矩的負值逐漸出現并緩慢增加，同時其轉矩的正負交變頻率也在增加。這是因為部分頂開吸氣閥后，原來的壓縮過程變成了回流加壓縮過程，造成了氣體力的交變變化，使得曲軸承受的交變力矩的頻率增加，對曲軸的疲勞壽命不利。

圖4 2D80機型不同負荷下平均轉矩與L的變化率

從圖2和圖4可以看出：2D機型壓縮機的平均轉矩隨著負荷的降低逐漸降低，同時一轉中的能量變化L逐漸降低；負荷降低到50%以下時，L下降到滿負荷的50%左右，δ也隨之下降50%左右，這對限制曲軸的轉速變化是有利的。

圖5 4M16機型不同負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化

圖6 4M16機型不同負荷下平均轉矩與L的變化率

從圖5和圖7可以看出：滿負荷情況下，4M機型的轉矩相對2D機型來說脈動較小，這是由于4M機型可以通過列的組合及相位角的搭配使得切向力趨于平均。但是，隨著氣量的逐漸減少，壓縮機轉矩的最大值緩慢下降，而轉矩的變化幅度卻急劇增加，氣量降低到40%以下時，轉矩出現了負值，使得曲軸開始承受正負交變的切向力，降低了曲軸的疲勞壽命。以上現象的主要原因是部分頂開吸氣閥后，原來的壓縮過程變成了回流加壓縮過程，破壞了原有綜合力的均勻性。

圖7 4M80機型不同負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化

從圖6和圖8可以看出：4M機型壓縮機的平均轉矩隨著負荷的降低逐漸降低，而L的變化率的整體趨勢卻是逐漸升高的，而且滿負荷時轉矩越平均的機器，降低負荷后，L的變化率越大。對于給定機型，L和δ的變化成正比，L上升過大會使得δ也大幅升高，在GD2余量較小的情況下，可能導致δ超過API 618中關于δ不應大于1.5%的要求。

圖8 4M80機型不同負荷下平均轉矩與L的變化率

2 結語

煉化企業設置無級氣量調節系統時，不僅應校核反向角，判斷其是否過小，還應校核壓縮機轉矩，避免因其變化過大而導致旋轉不均勻度超過標準規定值，這對4M機型來說尤為重要。