膜式氣缸選型對往復壓縮機運行影響的探討

張洪彬

（云南云天化石化有限公司，云南安寧 650300）

1 引言

往復壓縮機以其壓力適用范圍廣，排氣效率高、排氣量大等特點，被廣泛應用于我國石化、冶金、紡織等行業。在石化領域實際生產運行中由于生產需求、生產負荷調整，壓縮機不能長期處于滿負荷下運行，因此就需要通過對壓縮機的氣量調節來滿足生產需要的負荷。

目前往復壓縮機氣量調節方式主要有：轉速調節、旁路調節、全程頂開吸氣閥調節、余隙調節、無級氣量調節（部分行程壓開吸氣閥）。本文主要以全程頂開吸氣閥調節方式為基礎，探討其主要部件膜式氣缸形式選擇對壓縮機穩定性運行的影響。

2 全程頂開吸氣閥調節方式介紹

全程頂開吸氣閥調節氣量方式是通過在往復壓縮機吸氣閥閥蓋上安裝一外置膜式氣缸，通過頂桿和卸荷器強制將吸氣閥閥片頂開，并使其保持持續開啟狀態，壓縮機進氣口的氣體全部經強制頂開的吸氣閥返回到入口，這種調節方式的優點是：結構簡單、操作方便、調節過程中氣體只需要克服氣閥開啟和關閉的阻力所造成的低功耗，是一種被廣泛應用的調節方式。但是其缺點是只能夠對氣量進行0%、25%、50%、75%、100%階梯調節，調節范圍有限，僅限于粗調節并不能做到精確調節。

3 膜式氣缸工作原理

膜式氣缸在氣體力作用或彈簧力作用下，驅動頂桿運動，頂桿推動卸荷器，強制頂開氣閥閥片實現壓縮機卸載。

3.1 正作用式（氣體力驅動的膜式氣缸）

3.1.1 工作原理

氣體力驅動的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進氣閥配合使用，可以實現有風卸載，無風加載。即，當壓縮機要求卸荷時，儀表空氣（通常為低壓氮氣）被引入到膜片的上部，膜片克服回復彈簧的彈簧力帶動膜式氣缸頂桿向壓縮機氣缸側運動，壓向卸荷器，使進氣閥強制打開，實現卸荷。反之無儀表風時，膜片在回復彈簧的彈簧力的作用下帶動膜式氣缸頂桿回復到上止點，實現加載（圖1）。

圖1

3.1.2 結構特點

根據正作用膜式氣缸結構形式，其具有以下特點：

（1）膜片的在氣閥卸載時受力，氣閥正常加載期間處于不受力狀態，因此對于長期高負荷運行的壓縮機而言，其膜式氣缸的膜片具有更長的使用壽命，同時也降低了載氣的用量；

（2）膜腔進氣側為密封性良好的密閉空間，確保了卸載可靠性；

（3）膜腔進氣側為相對獨立空間，與介質氣不接觸，因此載氣直接用工廠空氣即可，滿足了介質純度要求高的特殊需求；

（4）從安全方面考慮，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車，該結構膜式氣缸無法實現緊急狀況卸載停車要求；

（5）從穩定性方面考慮，對于長期高負荷運行壓縮機而言，氣缸在運行過程中不論是膜片破裂或是載氣供應中斷，在彈簧力作用下，均不會對壓縮機穩定運行造成影響。

3.2 反作用式（彈簧力驅動的膜式氣缸）

3.2.1 工作原理

彈簧力驅動的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進氣閥配合使用，可以實現無風卸載，有風加載。即，當壓縮機要求卸荷時，儀表風（通常為低壓氮氣）至膜式氣缸的通路處于切斷狀態，膜片在彈簧力的作用下帶動膜式氣缸頂桿運動到下止點，壓向卸荷器，使進氣閥強制打開，實現卸荷。反之，有儀表風時，膜片克服回復彈簧的彈簧力帶動頂桿向上運動，遠離壓縮機氣缸側，到達上止點，實現加載（圖2）。

圖2

3.2.2 結構特點

根據反作用膜式氣缸結構形式，其具有以下特點：

（1）膜片的在氣閥加載時受力，因此對于長期高負荷運行的壓縮機而言，其膜式氣缸的膜片一直處于受力狀態，更容易破裂，同時也增加了載氣的用量；

（2）膜腔進氣側為填料密封結構，使用過程中若填料泄漏量過大，大量加載氣會通過填料密封處泄漏，導致氣閥加載不穩定，壓縮機能力不能完全釋放，嚴重時會造成壓縮機無法加載；

（3）膜腔進氣側與填料密封結構的頂桿為同一空間，若頂桿填料泄漏量大可能造成膜腔載氣與介質氣接觸，因此對特殊介質氣，需要選擇載氣與之適應，對純度要求高的介質氣，不適宜選擇該型膜式氣缸；

（4）從安全方面考慮，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車，該型膜式氣缸能直接通過彈簧力實現緊急狀況卸載停車；

（5）從穩定性方面考慮，對于長期高負荷運行壓縮機而言，氣缸在運行過程中一旦發生膜片破裂或是載氣供應中斷，在彈簧力作用下，均會導致壓縮機卸載，影響裝置穩定運行。

4 流量調節控制原理

以某聚丙烯裝置四列三級雙作用立式迷宮壓縮機為例，壓縮機流量調節方式為全程頂開吸氣閥調節，吸氣閥卸荷器用膜式氣缸形式為反作用式，可實現壓縮機50%、75%、100%三種負荷工況的相互切換，控制原理如下：

壓縮機進氣閥總計14只，其中7只吸氣閥配有反作用式膜式氣缸，分別為一級4只，二級2只，三級1只，各級配置比例均為50%，通過3只電磁閥控制膜式氣缸載氣的通路與斷路操作，實現50%、75%、100%三個負荷調節工況的相互切換。如表1所示。

表1 進氣閥卸荷器流量控制

失電：無氮氣通過電磁閥作用到卸荷器，卸荷器正常工作，進氣閥處于強制卸載狀態。

得電：氮氣通過電磁閥作用到卸荷器上，卸荷器不工作，進氣閥處于正常工作狀態。

聚丙烯裝置尾氣壓縮機根據裝置運行不同負荷控制需求，使用進氣閥卸荷器流量控制方式進行調節實現，除開停車、產品切換除外，正常情況下運行負荷均在75%～100%間切換操作。

5 膜式氣缸選型

根據膜式氣缸不同的結構形式及特點，結合聚丙烯尾氣壓縮機膜式氣缸電磁閥調節控制原理，做選型比對如表2。

表2 膜式氣缸比對表

通過以上比對可以看出，若壓縮機長期處于75%、100%負荷運行，從安全性和穩定性綜合考慮可以選擇：UV-5214-12（控制三級卸荷器）選用正作用膜式氣缸，UV-5214-13（控制一級3#4#、二級2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級1#2#、二級1#卸荷器）選用反作用膜式氣缸。

安全方面，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車的情況下，UV-5214-13（控制一級3#4#、二級2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級1#2#、二級1#卸荷器）選用的反作用膜式氣缸可通過彈簧力實現一二級氣缸卸載，三級氣缸由于一二級氣缸已經卸載，介質進入三級氣缸的流量大大降低，因此三級負荷也隨之降低，可以確保壓縮機安全平穩停車。

可靠性方面，由于三級壓力最高，對于反作用膜式氣缸來說，其膜片長期承受的氣體壓力也最大，因此最容易損壞，造成壓縮機運行不穩定，因此UV-5214-12（控制三級卸荷器）選用正作用膜式氣缸可以有效提高壓縮機運行穩定性，降低非計劃停車造成的損失。

由此可見在壓縮機長期處于高負荷運行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機不同級搭配使用，在確保安全性的同時可以獲得最優的穩定運行效果。

6 結語

通過對往復壓縮機全程頂開吸氣閥氣量調節方式的介紹，對其主要部件——膜式氣缸的兩種類型（正作用膜式氣缸和反作用膜式氣缸）分別進行工作原理、結構特點的介紹分析，對其使用過程中安全性、穩定性進行分別說明，同時結合聚丙烯裝置尾氣壓縮機膜式氣缸流量調節控制原理，得出不同形式膜式氣缸在不同運行負荷下其安全性、穩定性的優缺點，最終獲得在壓縮機長期處于高負荷運行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機不同級搭配使用，在確保安全性的同時可以獲得最優的穩定運行效果。