往復式壓縮機容積系數對排氣量的影響分析

劉進文

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

引 言

往復式壓縮機是石油、化工、天然氣等工業行業的主要流體輸送機械之一，其工作原理是依靠活塞在氣缸內的往復運動與氣閥的開關動作相配合，使氣缸里的氣體依次實現膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程，不斷循環往復地將低壓氣體升壓并連續送出[1]。壓縮機的排氣量(也稱容積流量)在一定程度上表征了壓縮機的生產能力，對于選定了的壓縮機，容積系數是影響其排氣量的主要因素，通過分析和討論其對往復式壓縮機排氣量的影響，可以充分發揮機器潛能，提高壓縮機的工作效率。

1 壓縮機的結構和特點

一臺大型往復式壓縮機的結構大致可分為由工作腔部分、傳動部分、機身部分構成的主機和潤滑系統、冷卻系統、分離和凈化系統、調節系統、緩沖和減振系統、安全防護系統等附屬系統。其中的工作腔部分為包括氣缸、活塞、氣閥等構成有進排氣通道的封閉空間，是直接接觸氣體的部分；傳動部分是把電動機的旋轉運動轉化為活塞的往復運動的部分，包括曲軸、連桿和十字頭等，其中往復運動的活塞通過活塞桿與十字頭相連；機身部分是用來連接工作腔部分與傳動部分的零部件，包括曲軸箱、中體和中間接筒等，其上還可能安裝其他附屬裝置。往復式壓縮機的主要特點如下，工作腔的容積變化規律只取決于機構尺寸，所以機器的壓力與流量關系不大，工作穩定性好；氣體的吸入和排出依靠工作腔容積變化，與氣體性質關系不大，故機器適應性強且易于達到較高壓力；機器熱效率較高；但這種壓縮機結構比較復雜，其外形尺寸和重量也較大，易損件較多，氣流有脈動，易引起氣柱和管道振動，適用于中、低流量和壓力要求較高的場合。

2 壓縮機的容積系數與排氣量

單級往復式壓縮機的實際循環壓力指示圖如第57頁圖1所示，由于壓縮機的結構、制造、裝配、運轉等方面的需要，實際壓縮機的氣缸中某些部位留有一定的空間或間隙，將這部分空間或間隙稱為余隙容積。由于余隙容積Vc的存在，余隙容積Vc中殘存的高壓氣體首先進行降壓膨脹，當氣缸中的壓力降低到吸氣管路中的名義吸氣壓力p1時，氣缸中的氣體由Vc膨脹至Vc+ΔV的4點才開始吸氣如圖1所示。吸氣終了時，氣缸的實際吸氣容積為V1。由此可見，由于余隙容積Vc的存在，使氣缸的實際吸氣量V1比理論吸氣量Vs減少了ΔV，為了反映因余隙容積的存在而使氣缸行程容積Vs利用率降低的程度，引入容積系數λv[2]，容積系數λv為氣缸的實際吸氣量V1與理論吸氣量Vs的比，即λv=V1/Vs。壓縮機在單位時間內的實際排氣量qv(折算到進口壓力和溫度狀態)計算公式見式(1)。

qv=λvλpλTλLVSn

(1)

式中：λv、λp、λT、λL為容積系數、壓力系數、溫度系數、泄漏系數；VS為氣缸行程容積，m3；n為壓縮機轉速，r/min。

圖1 實際循環壓力指示圖

其中壓力系數與壓縮機進氣閥的彈簧力和進氣導壓管的壓力波動有關，壓力系數一般根據經驗選取，在氣閥的彈簧力設計正確時，壓力系數約為0.95～1;溫度系數的大小取決于壓縮機進氣過程中傳給氣體的熱量，它的選取一般根據氣體性質和壓縮機轉速、冷卻情況來選一定值，約為0.65～0.98；而泄漏系數與壓縮機的實際結構有關。對于已經選定了的壓縮機，在眾多系數中只有容積系數有較大的可調節范圍，若要調節排氣量則調節其容積系數是最可行的方法。

3 容積系數的影響因素

根據氣體狀態方程和過程方程可以推導出容積系數的表達式見式(2)。

(2)

式中：α為相對余隙容積，α=Vc/Vs；ε為壓力比，ε=p2/p1；m為膨脹過程指數，m=1.1～1.5。

由上式可知容積系數的大小取決于α、ε、m三個參數，而這三個參數的大小主要由液擊現象、氣缸結構、工況需要和過程不同等因數決定[3]。

3.1 相對余隙容積

當行程容積一定時，在壓力比和膨脹過程指數相同的情況下，余隙容積越大，容積系數就越小，即降低了排氣量，余隙容積大到一定程度時，高壓氣體膨脹會占據整個氣缸容積，此時的氣缸就不能有新的氣體吸入。余隙容積的存在實際是降低了氣缸的工作容積。

氣缸的余隙容積主要是由位于活塞與氣缸蓋間的間隙、氣缸與活塞之間的間隙在第一道活塞環前的部分、氣缸至氣閥通道、和因氣閥結構所形成的剩余容積所組成。適當的氣缸余隙容積可以避免活塞與缸蓋發生撞擊損壞，也可以起到緩沖作用，使氣閥開關平穩，便于檢修氣缸蓋及死點間隙，而且在氣體壓縮會有部分汽水冷凝及潤滑油存在時，不留余隙也會產生液擊現象，損壞機件。但余隙過大會使吸入氣體量減少，降低壓縮機的排氣量從而降低生產能力。所以，應控制余隙容積在合理在范圍。

3.2 壓力比

壓力比過大不僅會使壓縮機氣缸的容積系數減小，降低排氣量，還可能使氣缸的排氣溫度過高，影響設備的安全運行，所以一般單級壓力比不超過4。

圖2 壓力比對容積系數的影響

3.3 膨脹過程指數

如圖3所示，當其他條件相同時，膨脹過程指數m減小過程曲線會變緩，其膨脹占據的氣缸容積也會變大。膨脹指數的大小取決于氣體膨脹過程中傳給氣體熱量的多少，傳熱量越多，膨脹指數m值越小，反之則越大。一般膨脹指數比壓縮指數小，主要是因為膨脹過程單位容積氣體接觸到的氣缸面積比壓縮過程大，傳給氣體的熱量多[4]。所以氣缸冷卻良好的壓縮機能提高其容積系數，進而提高其排氣量。

4 結語

容積系數是影響往復式壓縮機排氣量的主要因素，通過減小氣缸余隙容積，選取合適的壓力比和給壓縮機氣缸進行良好的冷卻以獲得較大的膨脹指數，都能獲得較大的容積系數，從而增加排氣量，提高壓縮機的產能。反之，則會減少排氣量，降低壓縮機的工作效率，或者可能因不滿足工藝條件而引起生產工況的波動甚至引起事故的發生。