往復壓縮機進氣閥氣量無級調節技術現狀及展望

摘 要：往復壓縮機供氣與需求不匹配是導致能耗高的主要原因，進氣閥氣量無級調節技術是解決該問題的有效手段，其實現方式包括直線網狀部分行程頂開式調節系統和旋轉杯狀全程可控式調節系統。直線網狀部分行程頂開式調節系統可以實現對壓縮氣量的精準連續調節，本質為液壓傳動控制，但存在通流面積小、阻力損失大、撞擊嚴重、執行系統復雜及故障點多等缺陷。旋轉杯狀全程可控式調節系統是一種新型氣量無級調節技術，其本質為機電一體化，原理是通過伺服電機對杯狀閥進行精準調控，具有通流面積大、阻力損失小、開閥無摩擦、關閥摩擦行程小及運動部件無撞擊等優點。對２種調節系統的理論、結構、控制系統、能效進行了全面的綜述，指出旋轉杯狀全程可控式調節系統是未來的發展方向，應從旋轉杯狀全程可控式調節系統的理論研究、結構優化、材料研制及智能系統開發等方面開展深入研究。

關 鍵 詞：進氣閥氣量無級調節；直線網狀閥；旋轉杯狀閥；部分行程頂開式調節；全程可控式調節；能效分析

中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６４６－０８

往復壓縮機廣泛應用于石油石化、電力造紙、冶金化工等行業，是過程工業的關鍵設備。中國工程院重點咨詢研究項目“中國高耗能裝備運行現狀及節能對策研究”［１］指出，壓縮機運行存在２個主要問題：故障頻繁發生和長期偏離設計工況低效運行，上述問題是需要迫切解決的重大工程問題。２０２４年國務院常務會議審議通過《碳排放權交易管理暫行條例（草案）》，標志工業企業進入碳市場迫在眉睫，對壓縮機的穩定、高效運行提出了更高要求。往復壓縮機易損件較多，其中氣閥故障占往復壓縮機故障率的６０％，因氣閥故障引起停機次數占總停機次數的８５％以上［２］，造成氣閥故障頻發的主要原因是自力式（以彈性力和氣體力的合力作為閥片運動的驅動力）工作原理使氣閥長期處于高頻撞擊的工作狀態，嚴重影響氣閥的使用壽命與壓縮機生產效率。造成往復壓縮機高能耗的主要原因是供氣與需求不匹配，文獻［３］給出了不匹配的程度，工藝需求一般只使用壓縮氣量的６０％ ～８５％。供氣與需求不匹配的調節方式有多種，包括旁路回流調節、進氣節流調節和余隙調節等，這些調節方式存在調節范圍窄、精度低及節能效果差等問題?，F在主流的調節方式是進氣閥氣量無級調節，無級調節是在調節范圍內能夠實現平穩、連續的氣量調節過程。進氣閥氣量無級調節技術的實現方式包括直線網狀部分行程頂開式調節系統和旋轉杯狀全程可控式調節系統。

１ 直線網狀部分行程頂開式調節系統現狀

直線網狀部分行程頂開式調節系統由ＢＡＵＥＲ［４］提出，包括電液驅動系統和控制系統，本質是液壓傳動控制，如圖１所示。該系統的調節過程為：電液驅動系統控制壓叉頂開進氣閥，使進氣閥在壓縮階段繼續維持開啟狀態，氣缸內的氣體被活塞推回至進氣腔，待缸內氣量與工藝需求氣量匹配時，液壓油撤回，壓叉被復位彈簧彈回，進氣閥關閉。該系統可根據工藝生產需要進行供給氣量調節，可使往復壓縮機在任意負荷條件下連續工作，減少了實際做功，有效降低了能耗。

研究人員針對直線網狀部分行程頂開式調節系統開展了大量研究工作，主要集中在理論、結構、控制及應用等方面。

針對直線網狀部分行程頂開式調節系統的理論研究，吳榮仁等［５－６］提出了頂開力控制方法，當作用于氣閥上的氣體力足以克服頂開力大小時，進氣閥開始關閉，通過改變頂開力大小，實現氣量的定量調節，但是該方法的調節范圍是５０％ ～１００％，調節范圍小，精度差。ＷＨＩＴＥ［７］提出了頂開時間控制方法，通過控制器主動控制進氣閥的頂開時間，實現壓縮氣量的調節，調節范圍是０～１００％，調節范圍大，精度高，為直線網狀部分行程頂開式調節系統的開發奠定了理論基礎。ＨＯＮＧ等［８］建立了氣量調節狀態下往復壓縮機的熱力學循環模型，得到了壓縮階段氣閥開啟時間與缸內容積的關系，但該模型將進氣閥看作一組小孔，忽略了進氣閥開關過程的影響。ＪＩＮ等［９］基于ＬＫ氣體狀態方程建立了氣閥動力學模型，并修正了熱力學循環模型。張春等［１０］基于計算流體動力學，提出了一種氣量調節工況下對壓縮機內部流場進行瞬態數值仿真的方法，并利用該方法對氣缸內氣體動態壓力、平均溫度、質量及氣閥閥片的運動規律和氣閥流域氣流速度變化進行了研究。孫旭等［１１］基于滿負荷工作原理建立了氣量調節工況下的單級往復壓縮機工作循環模型，模擬了當氣閥不同時，頂開間隙對應不同通流面積時的氣體流動過程，獲得了壓縮機氣缸動態壓力變化規律。

針對直線網狀部分行程頂開式調節系統的性能參數優化問題，ＪＩＡＮＧ、ＳＵＮ等［１２－１４］采用非支配排序遺傳算法對復位彈簧剛度、進油壓力及回油壓力等關鍵參數進行多目標優化，優化后壓叉在滿載時的運動特性得到了改善，降低了液壓油引射器的沖擊能量和壓叉的復位速度，壓縮機流量誤差小于５％，提高了調節系統的綜合工作性能。ＷＡＮＧ等［１５］分析了液壓推力、壓叉位移及壓叉撤回速度對缸內壓力的影響，并對３種參數進行優化，從而獲得相對合理的參數值。ＺＨＡＯ等［１６］測試了在不同液壓推力和復位彈簧條件下的動態響應性能，并指出液壓推力對調節系統動態性能的穩定性和可靠性影響更大。

針對直線網狀部分行程頂開式調節系統的控制系統優化問題，洪槐斌［１７］基于高維逆向解耦、神經網絡及模糊控制等方法，提出了解決調節系統強耦合、非線性、時滯問題的方案，提高了調節系統的動態響應能力和魯棒性。ＬＩＵ等［１８］為了在調節系統退化時恢復其性能和精度，建立了以負荷預測和系統退化率為基礎的控制參數補償優化方法，而且為避免過補償，還建立了自適應優化補償方法，可根據退化率自適應調整控制參數的補償量，該方法可使系統在調節性能出現下降后及時恢復正常。江志農等［１９］提出了一種參數自適應優化補償調控方法，可解決由于驅動部件性能的參數變化而導致氣量調節控制失穩的問題，增強了調節系統的穩定性。

針對直線網狀部分行程頂開式調節系統的市場應用問題，奧地利Ｈｏｅｒｂｉｇｅｒ公司開發了ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統［２０］，在世界范圍內該系統已經成功應用了近千套，在我國應用有上百套。美國Ｄｒｅｓｓｅｒ-Ｒａｎｄ公司開發了無限無極控制（ＩＳＣ）流量調節系統［２１］，該系統與ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統工作方式相同，不同的是必須與同公司特制的蘑菇閥和電液驅動系統配套使用［２２］。Ｃｏｚｚａｎｉ公司開發了ＦｌｕｘＴｏＦｌｏｗ流量調節系統，該系統通過輸出至執行器的電流大小和持續時間來控制進氣閥的開啟時間［２３］。浙江大學化工機械研究所開發了一套基于液壓分配器的全量程氣量無級調節系統，該系統采用旋轉套筒式液壓分配器對各級執行器進行液壓油分配，通過２臺步進電機控制液壓分配器和壓縮機同步工作以及液壓推力的持續時間［２４］，其結構較為復雜，現場安裝和后期維護難度較高。另外，臺州環天機械開發了ＨＲＣＳ系統［２５－２６］，中海油大榭石化和洛陽設計院共同開發了ＤｉｄｒｏＣｏｍ系統［２７］，２個系統采用國產化元件替代ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統的電磁閥、電控板等部分關鍵元件，在滿足工藝需求的基礎上降低了生產成本。

綜上所述，研究者們從不同方面做了大量研究工作，促進了直線網狀部分行程頂開式調節系統的發展，但是該技術在原理和結構上仍存在問題。例如插入在閥座流道槽中的壓叉減小了氣閥的通流面積和流量系數，增大了氣體的阻力損失，減少了壓縮機的進氣量，且該技術只是對進氣閥的開啟過程進行控制，這種半程控制使得進氣閥仍處于撞擊開啟、撞擊制動的工作狀態，縮短了進氣閥和調節系統的使用壽命。該技術沒有改變傳統氣閥的自力式結構，自力閥具有的通流面積小、流量系數小、阻力損失大、開關閥時間偏離理論、氣閥全開時間短、閥片撞擊嚴重、穩定性差及工作壽命短等本質性缺陷依舊存在，最終效果并不理想。

２ 旋轉杯狀全程可控式調節系統現狀

鑒于直線網狀部分行程頂開式調節系統尚存在多種缺陷，研究人員提出了旋轉進氣閥氣量調節方法。唐斌等［２８］提出了一種具有圓盤形閥片的旋轉進氣閥，閥片由步進電機直接驅動，提高了系統的穩定性。鞠傳龍等［２９］提出了一種橢圓球面旋塞式進氣閥，采用撓性偏心轉擺閥芯，減小了氣閥的運動磨損。該氣閥可對運動規律進行精確控制，實現最佳開啟、關閉動作點以及最佳擺轉軌跡，從而完成對壓縮氣量的調節。李大成等［３０－３１］在端面旋轉控制圓盤形氣閥上設計了一個調節口，并建立了全程控制自適應調控系統，該系統可對壓縮機負荷進行連續無級調節。上述進氣閥采用旋轉驅動方式取代了自力式位移驅動方式，使進氣閥不再處于撞擊開啟、撞擊制動的工作狀態，延長了進氣閥及調節系統的使用壽命；采用驅動器直接驅動氣閥，取消了復雜的液壓驅動系統，維護簡單方便。但是圓盤形進氣閥存在通流面積小、密封性差的問題；旋塞式進氣閥存在旋轉角度大、壓縮機轉速低的問題。

ＣＵＩ等［３２－３３］設計了全自動多功能氣閥性能測試實驗裝置，該實驗裝置可對現有氣閥的性能指標進行定量測試，對閥片進行動態性能分析。在深入研究自力式氣閥以及直線網狀部分行程頂開式調節系統本質性缺陷的基礎上，以理論示功圖為目標開發了多種全程可控式氣閥結構［３４－３７］，其中旋轉杯狀全程可控式進氣閥如圖２所示。旋轉杯狀全程可控式進氣閥由閥桿、閥座、閥芯、伺服電機及輔助安裝部件構成，通過設定電機的旋轉角度和控制程序直接驅動閥桿和閥芯進行周期性的旋轉運動，閥座與閥芯壁面上的梯形流道重疊或交錯，實現氣閥的開啟與關閉，其本質是基于機電一體化實現氣量的無級調節。旋轉杯狀全程可控式進氣閥的伺服電機具有強大的控制功能，使進氣閥的運動規律不受氣體力影響，閥芯可以在理論時間開啟和關閉，開、關時間可達到５～１０ｍｓ，全開時間超過壓縮機進氣時間的７０％；相同安裝尺寸的旋轉杯狀進氣閥有效通流面積超過自力閥的２倍，阻力損失顯著下降。旋轉杯狀全程可控式調節系統可以根據壓縮機下游用氣量準確調整關閥時間，實現了壓縮氣量的無級調節，平均節能量超過２０％。

旋轉杯狀全程可控式調節系統解決了往復壓縮機供氣與需求不匹配問題，克服了自力式氣閥受力和運動不可控、撞擊力大及通流面積小等本質性缺陷，具有運動全程可控、開閥無摩擦、關閥摩擦行程小、運動部件無撞擊、通流面積大、阻力損失小、使用壽命長、開關閥速度快、調節范圍廣、調節精度高及實測示功圖接近理論示功圖等優勢。

３ 進氣閥氣量無級調節技術能效對比分析

理論示功圖為往復壓縮機在理想狀態下的循環過程，理想狀態是指壓縮機進排氣過程中不存在壓力損失，壓力保持恒定；氣體與外界不發生能量交換；缸內不存在余隙容積，全部氣體均能排出，如圖３所示。理論示功圖是往復壓縮機設計優化追求的目標，按照理論示功圖進行循環，工作效率為１００％。

往復壓縮機的實際示功圖如圖４所示，與理論示功圖的區別為：壓縮機存在余隙容積，高壓氣體不能全部排出氣缸，曲線３—４為余隙氣體膨脹過程，較大的余隙容積會減少壓縮機吸氣量，影響壓縮機能效；進排氣過程存在能耗，主要原因是自力閥的開關閥時間偏離理論、通流面積小、阻力損失大；壓縮機供氣與需求不匹配造成了能耗損失，壓縮機按照１００％負荷進行工作循環，循環曲線為４—１—２—３—４，但工藝需求一般只使用負荷的６０％ ～８５％，曲線１—５—６—２—１圍成的陰影面積為壓縮機浪費的壓縮功，這部分壓縮氣體沒有用于下游工藝。

直線網狀氣閥部分行程頂開式調節系統和旋轉杯狀氣閥全程可控式調節系統均能根據工藝需求進行氣量調節，節約因氣量不匹配消耗的壓縮功，具體過程為：進氣閥在壓縮階段繼續維持開啟狀態，缸內氣體被活塞推回至進氣腔，缸內容積不斷減少，壓力緩慢上升，循環曲線由點１向左移動至點５；缸內氣量滿足工藝需求時進氣閥關閉，缸內氣體開始壓縮，壓力快速上升，曲線由點５移動至點６，而工作負荷越小，點５和點６越向左移動。但直線網狀部分行程頂開式調節系統不能改變氣閥的自力式結構，進氣閥的開關閥時間仍然由氣體力與彈性力決定，所以該系統進排氣過程的能耗損失仍有降低空間。

旋轉杯狀全程可控式調節系統不僅可以節約壓縮功，還能夠降低進排氣過程中的能耗，示功圖如圖５所示。旋轉杯狀全程可控式調節系統采用旋轉杯狀閥代替了自力閥，通流面積增大，阻力損失減小，進氣過程的能耗降低，進氣曲線更平滑，更貼近理論壓力線；該系統采用了開關閥時間控制算法，可控制進氣閥在理論特征點準時開關；該系統還可以將排氣閥改造為旋轉杯狀閥，并精準控制排氣閥的開關時間，降低排氣過程的能耗。

本文采用３ＬＷ５８型往復壓縮機作為實驗裝置，進行旋轉杯狀全程可控式進氣閥的示功圖測試，并將該氣閥的實測示功圖與直線網狀自力式進氣閥的實測示功圖進行對比分析。

圖６為往復壓縮機示功圖測試實驗裝置，實驗采用動態壓力變送器檢測壓縮機氣缸內壓力，采用上止點傳感器檢測活塞抵達止點的時刻，上止點信號和動態壓力信號由ＮＩ６２１０數據采集卡采集。壓縮機連續２個上止點信號可計算壓縮機的運行周期，通過壓縮機周期、氣缸直徑及曲柄半徑等參數可計算得到壓縮機在各個時間點的容積，表達式為

式中：Ｘ為活塞位移；ｒ為曲柄半徑；θ為曲柄轉角，θ＝２πｔ／Ｔ，Ｔ為壓縮機運行周期；λ為曲柄半徑與連桿長度之比；Ｖ為氣缸容積；Ｄ為氣缸直徑；Ｖｙ為余隙容積。

基于ＮＩ６２１０多功能數據采集卡構建數據采集系統，可自動測錄分析示功圖，并可實現壓縮機溫度、排氣量、功率及壓比等常規性能參數的檢測。壓縮機示功圖檢測控制系統如圖７所示。

實驗分為２種情況，分別為一級氣缸兩側全部為直線網狀自力式進氣閥和２側各替換１臺旋轉杯狀全程可控式進氣閥。在壓縮機穩定運行時，采集２種情況的缸內壓力數據，并采用描點法將壓力采集結果繪圖，得到的實測示功圖如圖８所示。從圖８中可以看出，應用旋轉杯狀全程可控式進氣閥后，往復壓縮機進氣曲線更平滑，更貼近理論壓力線，進氣過程的能耗更小，可證明旋轉杯狀全程可控式進氣閥的節能效果更優。

４ 結論與展望

綜上所述，直線網狀部分行程頂開式調節系統和旋轉杯狀全程可控式調節系統是實現壓縮機供氣與需求相匹配的２種氣量調節方式，均能起到良好的節能效果。但是前者存在通流面積小、阻力損失大、撞擊嚴重、執行系統復雜及故障點多的缺陷；后者不僅可以進行氣量調節，還能節約進排氣過程的能耗，同時具有通流面積大、阻力損失小、使用壽命長、開閥無摩擦、關閥摩擦行程小、運動部件無撞擊、開關閥速度快、調節范圍廣、調節精度高及實測示功圖接近理論示功圖等優勢，所以旋轉杯狀全程可控式調節系統是未來的發展方向，具體應開展以下研究：

１）進行氣體動理論、熱力學理論、旋轉運動控制理論及無級調節控制理論等研究；

２）基于上述理論，構建旋轉杯狀閥結構模型、氣閥運動模型、控制模型、氣體動力學模型和往復壓縮機熱力學循環模型；

３）建立關于通流面積、阻力系數、流量系數、馬赫數、轉動慣量及旋轉運動時間等性能表征參數的理論公式；

４）基于旋轉杯狀全程可控式調節系統，優化往復壓縮機氣閥安裝腔結構、氣體管路結構、冷卻結構和氣缸結構；

５）研發具備高強度、高耐腐蝕性、強潤滑性及耐摩擦的工程材料；

６）開發旋轉杯狀全程可控式多級氣量無級調節系統和智能控制系統。

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（ＷＡＮＧＤＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ＨＯＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏｔａｒｙｃｕｐｐｅｄｄｅｌｉｖｅｒｙｖａｌｖｅｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：２０２３１０５９３４２３８［Ｐ］．２０２３－０８－１５．）

（責任編輯：楊 樹 英文審校：尹淑英）

特邀專家 王德喜，沈陽工業大學環境與化學工程學院院長，博士生導師，二級教授。榮獲中央組織部“萬人計劃”科技創業領軍人才、科技部“國家創新人才推進計劃”科技創新創業人才、國務院政府特殊津貼、“興遼英才計劃”產業高端人才、“興遼英才計劃”科技創業領軍人才、遼寧省五一勞動獎章、遼寧省優秀科技工作者、遼寧省勞模、遼寧省創業帶動就業先進個人、遼寧省優秀共產黨員、遼寧省首批事業單位專技人員“雙創”先進典型等榮譽稱號。任全國科技創新創業領軍人才聯盟理事、遼寧省機械工程學會環保工程分會理事長。主要從事壓縮機、永磁電機、三廢治理、資源綜合利用、鎂質新材料研發、生產及高端裝備制造等方面研究。致力于節能降碳環保產業、新材料產業領域的應用技術研究和產業前沿技術科技成果轉化，開發適應國家“雙碳戰略”的節能減排技術及產品，構建科技、教育、產業與區域協同創新發展示范區，建立“企業＋高校＋地方政府”深度融合的科技成果產業化新模式。