往復活塞壓縮機壓開進氣閥調節與余隙無級調節氣量技術對比（一）

徐文廣，顧興坤，王宗明

（1.中國石油化工股份有限公司 濟南分公司，山東 濟南 250101；2.山東易陽石化節能裝備有限公司，山東 濟南 250101；3.中國石油大學 （華東）新能源學院，山東 青島 266580）

往復活塞壓縮機被廣泛用于石油、化工、冶金、機械、礦山、國防、交通和農業等領域，是生產中的關鍵設備，但耗能很高。由于生產條件及工藝參數的波動，很多往復式壓縮機存在一定的余隙容積利用率低、無用功耗大的問題，具有較大的節能潛力［1］。國家《“十三五”節能減排綜合工作方案》要求，到2020年，國內萬元生產總值能耗應比2015年降低15%［2］，但一些企業仍然沒有達標。對往復活塞壓縮機進行節能改造，降低或消除無用功耗，提高裝置的整體效益，已是眾多生產單位亟需解決的問題。

在眾多的往復活塞壓縮機氣量調節技術中，壓開進氣閥調節和余隙無級調節氣量技術在近十多年來得到較為廣泛的應用。這2種調節技術均歷經了幾十年的認識、發展，再認識、再發展的研發過程，在作用原理、調節范圍、安裝位置、控制方式、結構形式以及設備使用壽命等方面得到了不斷創新。部分行程壓開進氣閥調節技術和余隙無級調節氣量技術均可實現往復活塞壓縮機排氣量的連續無級調節，又能最大化地節能降耗。

對這2種調節技術的發展歷程、現階段應用狀況等方面進行對比與分析的文獻較少，大多數生產單位對2種技術的認識和理解不深，不知如何選擇適合裝置的氣量調節技術，沒有達到兼顧氣量調節和節能降耗最大化的目的。為此，筆者收集、查閱了大量的文獻資料，并咨詢了一些使用單位，對2種調節技術進行較為全面的對比與分析，以供相關人員參考。

1 2種氣量調節技術發展歷程

1.1 余隙無級調節氣量技術

通過加裝補助余隙容積裝置（圖1，即余隙調節）或壓開進氣閥裝置可以調節往復活塞壓縮機排氣量，降低壓縮機功耗，達到節能的目的。

圖1 連通補助余隙容積調節裝置

在國外，補助余隙容積裝置自上世紀中期就已經開始得到了應用［3-4］。早期的補助余隙容積裝置為手動控制，到目前為止，進口的大多數往復活塞壓縮機上依然配置有手動余隙容積調節裝置［5］。美國的Dresser-Rand Company于1996年在美國申請了《Self-contained，Clearance-volume Adjustment Means for a Gas Compressor》專利技術［6］（1997 年獲得批準），其調節范圍設計在60%～100%，該技術在美國有實質性應用，見圖2。2014年，Dresser-Rand Company在與中國某企業的技術協議中說明，其余隙容積調節范圍設計在55%～100%，但至今在中國沒有該公司余隙容積調節技術的應用報道。

圖2 Dresser-Rand Company余隙容積調節裝置美國應用現場

自上世紀至本世紀10年代，國內技術人員基本上都是從國內外技術資料或進口壓縮機配置介紹資料上接觸和認識固定補助容積裝置或連通補助余隙容積裝置的。國內生產的壓縮機上配置固定補助容積裝置的較少，配置連通補助余隙容積裝置的更少，即便設置了此類裝置，也大多棄之不用。因此，目前仍有很多技術人員對余隙容積調節裝置的認識還局限于以往對固定補助容積裝置或連通補助余隙容積裝置的認識，即裝置結構復雜、笨重、調節困難、調節范圍窄、調節精度低且易損件多等［8-15］。

自2009年以來，補助余隙容積技術在國內得到迅速發展［16-21］，技術名稱隨之稱為余隙調節或余隙無級調節。余隙無級調節裝置已同電儀液壓控制系統相結合，實現了自動實時的無級調節，控制精度較高。國內余隙無級調節裝置應用現場見圖3。現階段，余隙無級調節技術不但實現了無級調節和伺服控制，而且調節范圍在50%～100%，具有系統結構簡單、易損件較少及自身運行功耗低等特點。根據國際科技文獻查新情況，國內余隙無級調節技術在世界范圍內已是領先水平［22-26］，也徹底改變了以往對補助余隙容積技術的認識。

1.2 壓開進氣閥調節技術

壓開進氣閥調節技術的應用在國外始于上世紀中期，從起初的手動調控，逐步發展到氣動調控、電動（電磁）調控及隔膜驅動等控制方式。該技術的發展在國外沒有停止或間斷過，發展速度遠超補助余隙容積技術發展速度。1995年奧地利Hoerbiger公司成功開發出部分行程壓開進氣閥調節系統 HydroCOM［27］（圖 4），該技術于 1997 年開始在歐洲得到推廣應用［28］。

圖4 Hoerbiger公司部分行程壓開進氣閥調節系統HydroCOM

部分行程壓開進氣閥調節技術的主要特點是應用液壓加PLC控制技術［29］實現了無級調節，且無級調節范圍在30%～100%。2002年，國內第一套部分行程壓開進氣閥調節裝置應用于中國石化天津分公司的新氫壓縮機（4M50-26/20-195-BX）上，該調節系統自動化程度較高，并帶有電控液壓執行機構［30］。此后，部分行程壓開進氣閥調節技術產品在國內有很多成功應用，直至目前仍有較好的應用業績。

在國內，浙江大學化工機械研究所與其他單位合作開發了全量程無級氣量調節系統，并成功應用于多種型號的往復活塞壓縮機上［31］。

2 2種氣量調節技術特點

國內較早文獻《活塞式壓縮機設計》［32］中介紹了17種往復活塞壓縮機的氣量調節方法，其中作用于氣缸腔內的氣量調節方法又分為完全壓開進氣閥、部分行程壓開進氣閥、加入固定補助容積、加入可變補助容積和部分行程中連通補助容積這5種方式。部分行程壓開進氣閥和加入可變補助容積調節方式是目前常用的2種氣量調節方法，不同年代文獻概括的這2種調節技術的特點見表 1［33-36］。

表1 2種氣量調節技術特點對比

近三十余年來，2種氣量調節技術都在實際應用中得到不斷優化和改進，但部分行程壓開進氣閥調節技術比余隙調節技術發展更快［33-36］。

部分行程壓開進氣閥調節技術氣量調節范圍從0～100%，發展到目前理論和實踐公認的30%～100%。多級壓縮時，各級都需配置容積流量調節機構，容積流量調節機構協調運行可以使各級的級間壓力不變，且容積流量在30%～100%進行連續調節。容積流量低于30%時，只能在0%～30%實現間斷調節［35-36］。部分行程壓開進氣閥調節的控制方式，從起初的手動調控，逐步發展到氣動調控、電動（電磁）調控及隔膜驅動，直至現代化的液壓加PLC調控。經過幾十年的理論分析與實踐，普遍認為壓開進氣閥調節方法的優點是氣量調節范圍較大、節能效果好，但其結構復雜、進氣閥有氣體阻力損失且閥片易損壞，不適用于高轉速的機型。

經過不斷發展，可變補助容積調節技術又分為連通可變補助余隙容積和部分行程連通補助余隙容積2種調節方式。連通可變補助余隙容積連續調節的范圍由0%～100%修正為60%～100%。部分行程連通補助余隙容積連續調節范圍為60%～100%［35-36］，但調節裝置更復雜。普遍認為連通補助余隙容積調節技術的經濟性較好，尤其適用于大、中型工藝壓縮機。但有部分學者認為可變補助余隙容積裝置笨重、復雜且可靠性較差［33-36］。

3 2種氣量調節技術發展現狀

受進口部分行程壓開進氣閥調節系統HydroCOM產品價格、技術保密性、進氣閥等配件價格以及供貨周期等因素的限制［37-39］，國內一些高校、科研院所和企業開啟了部分行程壓開進氣閥調節技術的國產化研發工作。國家發展和改革委員會 2018-01發布［40］，國內首套國產化往復壓縮機氣量無級調節系統是2013年在中國石化廣州分公司芳烴聯合裝置氫壓機C511A（型號為 2D80-95.2/13-27.5-BX）上應用的 HRCS 系 統［41-44］。

除HydroCOM和HRCS這2種部分行程壓開進氣閥調節技術外，已在往復活塞壓縮機上得到實踐應用的部分行程壓開進氣閥調節技術還有FluxToFlow 無級流量調節系統［45］、ISC 無級氣量調節系統［46］和 Didro COM 氣量無級調節系統［47］，這3種部分行程壓開進氣閥調節技術的氣量調節下限設置為30%或40%。

對于余隙調節技術，人們也給出了較高評價，認為與旁路調節方式相比，變余隙調節技術的節能效果非常明顯。美國西南研究院對這類調節方法進行了調研，認為它是未來很有潛力的發展方向之一［48］。

筆者在實際調研中已很少看到活塞壓縮機上安裝固定補助容積設備的情況，而可變補助容積設備多見于進口的壓縮機組中，且大多數只調節一級氣缸余隙容積。但因其調節操作需壓縮機停機后才能完成，而且調節精度低，故用戶大都放棄使用該設備。

余隙無級調節氣量技術在近十余年內發展比較迅速，特別是中國石化荊門分公司2009年利用武漢理工大學專利技術，在制氫裝置機-1/3壓縮機（型號為 2D20-23.4/4-27-BX）上開發的余隙無級氣量調節系統［17，19］，是國內真正意義上的首套電液控制余隙無級調節氣量系統。自此，余隙無級調節氣量技術引起了一些高校和科研院所的普遍關注。最近幾年，余隙無級調節氣量技術的專利申請數量和論文發表數量，都遠超部分行程壓開進氣閥調節技術的專利申請數量和論文發表數量。眾多高校、科研院所和企業等已研發了多種不同結構形式的余隙無級調節氣量產品，但真正具有實用性的仍較少。

部分行程壓開進氣閥調節技術與余隙無級調節氣量技術的現狀對比見表2，主要改造內容見表 3［25-26，49-53］。

表2 2種氣量調節技術現狀對比

表3 2種氣量調節技術主要改造內容對比

從表2和表3可以看出，2種氣量調節技術均為連續無級調節技術，均采用液壓加PLC加電磁閥控制模式，均通過減少壓縮機氣缸入口容積流量來達到調節排氣量、節能降耗的目的。但2種氣量調節技術在作用原理、工藝路線、調節范圍、設備構造、改造部位、改造內容、安裝施工、操控性、自身能耗、運行維護費用及性價比等方面有較大差異。因此，對2種氣量調節技術進行更深入的對比和探討是十分必要的。

4 結語

往復活塞壓縮機部分行程壓開進氣閥調節技術和余隙無級調節氣量技術均已歷經五十多年的發展，從認識到發展，從再認識到再發展，通過不斷克服各自在理論、認識及結構等方面的不足，才發展成為目前應用較廣泛的氣量無級調節技術。2種氣量調節技術在壓縮機改造部位、改造內容及調節范圍等方面存在不同，具有各自的優、缺點，但均可實現壓縮機容積流量的連續無級調節，均能達到節能降耗的目的，調節范圍上也均可滿足用戶節能改造的需求。用戶可根據實際情況選擇最適宜的氣量調節方法。