往复式压缩机健康能效监测评估与节能研究

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(1.山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253024；2.北京化工大学故障诊断与自愈工程研究中心，北京 100029)

往复式压缩机是中、小型氮肥企业应用比较广泛的关键动力机械，其运行效率的高低对生产成本影响较大。长期以来，企业“消防式”、“小车不倒尽管推”的设备管理模式，造成往复式压缩机耗电量大、低效运行，超温、超压、打气量低等现象普遍存在。压缩机是氮肥企业的耗电“大户”，约占装置总能耗的15%～25%。针对往复式压缩机开展能效可监测性研究和评估，对于企业的节能减排、贯彻科学发展观、提高经济效益具有重要的作用。

1 往复式压缩机效率评估理论依据

要确定往复式压缩机压缩过程的等熵效率，需测量压缩机吸入和排出介质的总焓(h)、总压力(p)、温度 (T)和熵(s)，然后得到等熵效率ηs：

(1)

若测得压缩机进口的稳态质量流m(或者体积流量)，考虑到机械效率ηm，则轴功率N的计算为：

(2)

压缩机的理论功率消耗Ptheor则按照下式计算：

Ptheor=m[h(p排，s吸)-h(p吸，T吸)]

(3)

其中，压缩介质的h(p排，s吸)，h(p排，T排)，h(p吸，T吸)可以通过查压缩介质的焓、熵特性参数表格获取。根据压缩介质的气体成分数据并建立对应的温(T)-熵(s)和压(p)-焓(h)特征参数数据库，可以实现往复式压缩机效率的实时监测。一般情况下，往复式压缩机自动化、信息化程度不高，在线监测评估设施投资较大，而采用离线检测和评估则比较可行。

2 往复式压缩机健康能效监测数据来源

往复式压缩机健康监测就是以状态监测系统为手段，预测、诊断故障或故障发生趋势，定期或实时给出健康诊断报告。能效监测就是通过工艺过程数据和压缩机输送介质的物性参数等数据计算分析压缩机的等熵效率，并诊断分析压缩机效率低的原因。如图1所示，往复式压缩机健康能效管理系统数据来源于效率监测模块和健康监测模块。电力监测系统获取电压、电流、功率因数或有功功率数据；生产执行管理系统(MES)获取温度、压力、流量数据；实验室信息管理系统(LIMS)获取密度、介质组分或化学成分；状态监测系统获取位移、速度、加速度和声发射动态数据，等等。通过对多来源数据特征信息进行分析和提取、计算装备系统状态和工况参数之间的非线性关系，可以探测、分析产生设备故障的原因以及故障发展的趋势。

图1 往复式压缩机健康能效管理数据来源

3 案例分析

某公司4M32-180/155型CO2压缩机正常工况下存在“一回一”和“三回一”阀打回流的现象，受其委托，我们对该压缩机开展了健康能效评估。

3.1 压缩机基本参数

转速 333 r/min

活塞行程 380 mm

打气量 180 m3/min

活塞杆直径 100 mm

抽气系数μ(Ⅰ～Ⅴ段) 1

气缸直径 Ⅰ段1 100 mm，Ⅱ段680 mm，Ⅲ段400 mm，Ⅳ段310 mm，Ⅴ段170 mm

各段气缸气阀数量(进/排气阀) Ⅰ段4/4(双)，Ⅱ段2/2(双)，Ⅲ段2/2(双)，Ⅳ段2/2(单)，Ⅴ段1/1(单)

进气组成 CO2约100%(H2、N2、CO、CH4、O2、Ar、H2S均为微量)

3.2 压缩机能效评估

3.2.1排气压力校核(表1、表2)

表1 现场进排气压力采集数据 kgf/cm2

表2 设计条件下进排气压力理论计算值 kgf/cm2

对比表1、表2可看出，压缩机的Ⅳ段、Ⅱ段压力偏高。实践表明，该型号压缩机经常发生Ⅳ段、Ⅱ段超压现象，有时不得不减量运行。

3.2.2排气温度校核(表3、表4)

表3 现场进排气温度采集数据 ℃

表4 设计条件下进排气温度理论计算值 ℃

对比表3、表4可看出，压缩机的Ⅲ段、Ⅱ段温度偏高。实践表明，该型号压缩机经常发生Ⅲ段、Ⅱ段超温现象。

3.2.3指示功率校核(表5)

3.3 压缩机在役再设计

3.3.1优化气缸设计(表6)

由表6可见，Ⅳ段气缸实际直径偏小；而Ⅱ段气缸实际直径偏大。压缩机的在役再设计措施为：①Ⅳ段气缸直径从310 mm扩径至330 mm；②Ⅱ段气缸在盖侧增加10±0.5 mm余隙容积，增加后盖侧容积变为19±0.5 mm。

表5 压缩机指示功率 kW

注：Ⅰ段吸气压力1.35 kgf/cm2、排气压力3.55 kgf/cm2(开一回一阀)。

表6 压缩机气缸优化设计表 m

3.3.2气缸直径优化后各段排气压力

由表2可见(气缸直径优化后各段进排气压力与设计条件下进排气压力理论计算值完全吻合)，压缩机气缸直径优化后，Ⅳ段、Ⅱ段超压现象消失，各段进排气压力都在设计范围内，解决了压缩机因Ⅳ段、Ⅱ段超压而加不上量的问题。

3.3.3气缸直径优化后各段进排气温度

由表4可见(气缸直径优化后各段进排气温度与设计条件下进排气温度理论计算值完全吻合)，改造后压缩机Ⅲ段、Ⅱ段超温现象得到解决。

3.3.4压缩机指示功率

往复式压缩机常用的气量调节方式有无级气量调节装置、余隙气量调节装置等，前者投资较大，后者余隙调节范围受到一定限制。经过综合分析，为了节省投资，我们采用了余隙气量调节装置，即在压缩机一段进口增加余隙气量调节装置。Ⅰ段吸气压力1.15 kgf/cm2、排气压力3.55 kgf/cm2的情况下，改造后压缩机的指示功率见表7。

表7 压缩机气缸直径优化后指示功率计算值 kW

4 结 语

通过对4M32-180/155型CO2压缩机开展健康与能效监测评估和在役再设计优化，投资12万元即完成Ⅳ段缸扩缸、Ⅱ段缸增加余隙容积、Ⅰ段缸增加余隙气量调节装置，彻底解决了压缩机Ⅳ段、Ⅱ段超压现象和Ⅲ段、Ⅱ段超温现象，保证了压缩机的长周期安全稳定运行，同时实现了节电302.34 kW·h/h(折合123.5万元/a)，取得了良好的经济效益。