可變余隙調節系統對往復壓縮機轉矩的影響分析

2019-10-11 08:51:28張貴軍

壓縮機技術 2019年4期

陳超，張貴軍

（中國石化工程建設有限公司，北京100101）

1 可變余隙調節的原理

由于往復壓縮機存在壓比大，流量選擇范圍大的優點，在石化領域有著廣泛的應用。但是由于設計裕量、操作彈性的等原因，使得往復壓縮機組需要變流量調節。常用的流量調節系統有出口回流調節，完全頂開吸氣閥調節，可變余隙調節，以及部分頂開吸氣閥的無級氣量調節[1]。

因可變余隙調節裝置只能安裝在壓縮機的蓋側，對于化工行業常用的雙作用氣缸來說，其理論上的調節范圍是50%～100%之間，因此可變余隙調節系統適用于調節范圍不大的工況，因為需要在蓋側增加可變余隙調節設備，增加了占地，因此難以適用于改造及占地緊張的工況。

眾所周知，往復壓縮機一轉中氣缸的工作過程包括，膨脹，吸氣，壓縮和排氣4個階段。隨著余隙容積的增加，膨脹過程和壓縮過程的在曲軸一轉時間中的占比越來越大，吸排氣量越來越少，直到余隙增加到一定值時，蓋側氣缸只剩膨脹和壓縮過程，氣缸不再吸氣也不再排氣，從而達到了氣量調節的目的。

往復壓縮機排氣量的計算公式

式中Q——壓縮機的排氣量m3/min

n——壓縮機轉速，r/min

λV——容積系數，無量綱

λP——壓力系數，無量綱

λT——溫度系數，無量綱

λL——泄漏系數，無量綱

V——氣缸容積，m3

式（1）的幾個系數中，容積系數λV對排氣量的影響最大，其計算公式

式中α——相對余隙容積，無量綱

ε——壓比，無量綱

m——過程指數，無量綱隨著相對余隙容積的增加，λV逐漸減小，當相對余隙容積增加到一定值時，λV將趨近為零，氣缸將不再排氣。

由于往復壓縮機的氣體力、慣性力都呈現周期性變化，導致其轉矩也呈現周期性變化，由于轉矩等于角加速度乘以轉動慣量，對于給定的機組，其轉動慣量一定，轉矩變化就使得曲軸一會加速一會減速，使得曲軸壽命降低，引起機組振動。

API618中，為了限制曲軸的轉速變化，規定往復壓縮機旋轉不均勻度δ不應大于1.5%。往復壓縮機都會安裝飛輪，用飛輪矩GD2來使旋轉不均勻度達到API618的要求。式（3）表示了飛輪矩GD2的計算公式。

式中GD2——飛輪矩，kg·m2

L——一轉中能量變化值，J

n——平均轉速，r/min

δ——旋轉不均勻度，無量綱

對于給定的壓縮機，飛輪矩GD2和平均轉速n已確定，因此L與δ成正比例變化，而L的變化是由轉矩的變化而決定的，關于L的計算各大往復壓縮機教材均會介紹[2]，在此不再贅述。

流量調節系統對往復壓縮機轉矩影響的研究較少。筆者選取煉化領域常用的2D系列和4M系列機型作為樣本，計算得到不同余隙調節負荷下，轉矩的變化以及引起的L與δ的變化。

2 可變余隙調節系統對壓縮機轉矩的影響

要想計算曲軸的轉矩，就應該先計算切向力，而切向力大小取決于連桿力，而要計算連桿力就應先計算由氣體力、慣性力和往復摩擦力組成的綜合活塞力，其計算過程在各大教材均有詳解[2]。

因為往復壓縮機往往有多列組成，每一列之間存在著相位差，壓縮機的總轉矩是不同相位的每一列疊加的結果。煉化企業常用的往復壓縮機多為對動式的2D機型，兩列相位角相差180°；以及相位角相差90°的4M機型，每列之間的相位差可參考制造廠的曲軸制造詳圖。對于4M機型，合理安排每列之間的相位角會平抑平衡機組轉矩的波動。

圖1到圖8分別表示了不同機型不同余隙負荷下壓縮機轉矩隨曲軸轉角的變化情況，以及平均轉矩及L的變化波動情況。