往复压缩机启动扭矩研究与程序开发

王 刚，铁 博，马瑞红，张 彤

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869)

往复压缩机启动扭矩研究与程序开发

王 刚，铁 博，马瑞红，张 彤

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869)

往复压缩机启动扭矩对电机设计至关重要，直接关系到驱动电机能否正常启动。本文通过对顶开吸气阀时压缩机启动扭矩进行分析，研究启动扭矩特征和影响因素，并介绍压缩机启动扭矩计算程序开发和在产品设计中的应用。

API618；启动扭矩；往复压缩机

1 引言

往复压缩机启动扭矩是曲轴由静止状态加速到额定转速过程中，不同转速需要的对应扭矩。启动扭矩主要用来克服启动过程中运动机构和摩擦力，作用在活塞的气体力和气体流经气阀和管道的阻力损失。驱动电机的启动扭矩必须大于压缩机的启动阻力矩，压缩机组才能正常启动。API618-2007《石油、化工和气体工业设施用往复压缩机》对压缩机和驱动电机设计规定，电机的启动扭矩应超过被驱动设备转速从零到额定转速的启动扭矩要求。当电机电压降低到额定电压的80%时，只要压缩机处于空负荷状态，电机就应在规定时间内完成压缩机启动，通常启动时间规定为15 s，这要求电机应有足够的启动能力。同时还规定，为防止运动部件过度磨损或电机调速系统损坏，轴系转动惯量应使压缩机组在所有运行工况的转速波动减至最小。最大转速波动应限制在额定转速1.5%。并且，为防止用户电网电流波动过大造成变压器损坏或影响其它设备正常运行，同步电机驱动压缩机轴系转动惯量应足以限制所有规定负荷条件下电机电流变化不得超过全负荷电流的66%。对于异步电机驱动压缩机，电机电流变化不得超过全负荷电流的40%，负荷条件指压缩机所有运行工况，包括负荷逐级加载工况。这要求压缩机轴系应有足够转动惯量，但转动惯量增加会使启动扭矩转折点的转速降低，电机启动电流变大，时间延长，温升增加，这增加电机的设计成本。可见，往复压缩机启动扭矩对电机设计至关重要，直接影响到驱动电机能否顺利启动。本文通过对顶开吸气阀时往复压缩机启动扭矩进行计算和分析，研究压缩机启动扭矩特征和影响因素，最后编制启动扭矩计算程序并在产品设计中推广应用。

2 启动扭矩影响因素

往复压缩机启动扭矩主要与压缩机启动时负荷状态、空负荷方式和方案设计有关。

2.1 负荷状态

往复压缩机启动时负荷状态分为空负荷状态和满负荷状态。

空负荷状态：指压缩机吸、排气管道切断阀关闭，吸气阀阀片或旁通管路阀门全部打开。压缩机空负荷状态启动扭矩比满负荷状态启动扭矩要小很多，电机容易启动，因此压缩机操作规程和相关标准都规定压缩机要空负荷启动。

满负荷状态：指压缩机吸、排气管道阀门没有关闭，吸气阀没有卸荷且旁通管路阀门也没有打开，压缩气体直接进入排气管道。满负荷启动主要用于压缩机临时停车要求重启或回路调节阀出现故障时启动。这时压缩机启动扭矩特别大，必须对电机启动特性进行核算。

2.2 空负荷方式

根据压缩机组配置不同，空负荷可以通过顶开吸气阀和旁通管路连通实现。

顶开吸气阀：通过气缸卸荷器顶开吸气阀阀片，使阀片在压缩机启动过程中始终处于开启状态，活塞反向运动压缩气体时，气缸内吸入气体通过吸气阀重新回到进气管道，这时启动扭矩主要由气体流经气阀的阻力和运动机构的摩擦阻力产生。但是压缩机启动后进行负荷加载时，不同顶开吸气阀负荷加载方案需要的转动惯量是不同的，经常会发生部分负荷工况时机组要求的转动惯量超过满负荷工况时机组要求的转动惯量。因此，设计时要对不同负荷工况需要转动惯量进行复算，避免因转动惯量不足而影响机组运行。现在大型往复压缩机都配置顶开吸气阀装置进行压缩机启动和流量调节，本文主要介绍顶开吸气阀时压缩机启动扭矩的计算方法。

旁通管道连通：压缩机排气管与吸气管用旁通管道和旁通阀连通并且旁通阀全部打开，使气缸排出气体全部通过旁通管道返回到进气管，这时压缩机启动扭矩主要由气体流经气阀、管道的阻力和运动机构的摩擦阻力产生。采用旁通管道连通进行压缩启动时，必须要全流量回流。对于多级压缩机，要求每级排气管都与一级进气管道连通。但级数较少时，通常只带“末回一”旁通管道，用于压缩机启动和负荷调节，压缩机旁通管道配置图如下。

旁通管道连通进行负荷调节时操作简单，可靠性高。采用旁通管道连通启动压缩机时，如果仅考虑负荷调节而忽略机组启动要求时，旁通管道和阀门直径选择就会偏小，造成管道阻力损失过大而影响压缩机启动，或造成启动时气缸排气压力过高而超压。因此，压缩机设计时必须对旁通管道通径和气缸排气压力进行核算，防止气缸排气压力超压。

2.3 方案设计

压缩机启动扭矩与机组方案设计有关，气缸布置和气缸型式不同，压缩机的启动扭矩也会不同。当活塞杆直径较大或气缸单作用时，启动扭矩会很大。尤其是启动压力很高时，例如高压循环氢压缩机，启动扭矩非常大，常规设计电机无法满足启动要求，通常用增加电机功率的方法满足启动扭矩要求。

3 启动扭矩计算

压缩机启动扭矩计算以转速决定扭矩为基准，通过断开点、润滑状态转折点和额定转速点的转速与扭矩来描述，启动扭矩曲线通过这3点数值绘制。压缩机启动扭矩曲线的横坐标为启动转速与电机额定转速比，纵坐标为启动扭矩与电机额定扭矩比。

为了方便压缩机启动扭矩计算和曲线的绘制，断开点纵坐标值用A表示；转折点纵坐标和横坐标值分别用B和C表示；额定转速点纵坐标用D表示。

3.1 断开点

压缩机从静止状态开始转动点。这时压缩机还没有运转起来，转速为零，飞轮没有存储压缩机转动需要动能，启动扭矩必须由电机来提供。气体没有流动，启动扭矩只需要克服作用在活塞上的气体力和运动机构摩擦力。

当压缩机处于带全平衡气体力顶开吸气阀启动时，例如带贯穿活塞杆的双作用气缸，由于吸气压力的存在，活塞杆填料密封环压紧在活塞杆上造成附加阻力和运动件静摩擦力。

式中 M——启动扭矩

MA——电机额定扭矩

ηmec——机械效率

空负荷启动时，如果在吸气压力下气体力不能全部平衡时，启动扭矩还要加上一个由气体力产生的附加扭矩，计算公式为

式中 ΔA——活塞面积差，mm2

Δp——气体压差，MPa

S——行程，mm

PK——轴功率，kW

ω——角速度，rad/s

λ——连杆比

系数C2考虑作用在活塞上气体力所产生的最大阻力矩，这主要取决于压缩机气缸布置和曲轴的曲柄错角。实际计算中，通过计算机程序对上面 值进行叠加计算，求出最大扭矩出现位置和数值。

3.2 转折点

压缩机轴承从混合摩擦状态到液压润滑状态的转折点。这点扭矩是压缩机启动过程中需要的最小值，通过扭矩B和转速C进行描述。

转折点时，压缩机飞轮应有一定转速和动能，使曲轴保持连续旋转。根据试验，通常压缩机混合状态转折点发生在50～60 r/min，这时压缩机轴承处于运转温度下，气体仍然没有流动起来。因此

对于B值

对于C值：首先假定所有压缩机润滑状态转换时都发生在50 r/min时，这点为润滑状态转折点最小值，这样可以求出C一个最小值

式中 Nc——C点转速，r/min

NA——电机额定转速，r/min

同时，转折点时飞轮应有足够动能克服气缸内气体压力产生的扭矩幅，因此

式中 ωc——C点角转速，rad/s

J——转动惯量，kg·m2飞轮存储的能量指所有转动部件存储的能量，包括压缩机飞轮、电机转子、曲轴、连杆、十字头和活塞的旋转质量与往复活塞质量等。∑J为轴系全部零件的转动惯量。

式中 Mamp——扭矩幅，kN·m

p11——启动时一级吸气压力，MPa

dHE——盖侧活塞杆直径，mm

dCE——轴侧活塞杆直径，mm

S——行程，mm

这样可以求出C的第2个值

式中 NA——额定转速，r/min

计算出C1，C2值后，C值取为C1和C2最大值。

3.3 额定转速点

压缩机达到额定转速时的点，这时启动扭矩主要由运动机构摩擦力和气流阻力损失产生。由于气流损失难以确定，额定转速点的阻力损失用气体流动功率进行计算。因此，D点计算公式为

式中 PiK——指示功，kW

PK——轴功率，kW

顶开吸气阀时，压缩机启动功率很小，功率损失仅由气阀阻力损失决定，计算公式为

式中 Pi——指示功，kW

Vs——入口流量，m3/h

λre——容积效率

λs——容积系数

εi——气缸压比

ps——级吸气压力，MPa

nkre——实际压缩系数

由于气阀阻力损失较小，压比接近1，启动功率可简化为

式中 Δpsv——吸气侧压力损失，MPa

Δpdv——排气侧压力损失，MPa

VH——行程容积，m3/h

p11——启动时一级吸气压力，MPa

3.4 平均扭矩

按照上述方法求出压缩机启动扭矩点A，B，C和D点后，即可求出平均扭矩Mmed

3.5 启动扭矩曲线

启动扭矩曲线由经过上述各点的抛物线进行绘制，它直观的描述了压缩机启动过程中扭矩变化趋势和与电机启动扭矩的关系。压缩机空负荷启动扭矩曲线和满负荷扭矩曲线如图3、4。

往复压缩机启动扭矩曲线用于电机启动扭矩和启动时间有关的启动特性设计，当电机转速低于额定转速时，压缩机启动扭矩曲线不能与电机启动扭矩曲线相交，即电机启动扭矩必须大于压缩机启动扭矩，压缩机才能正常启动。因此，压缩机设计时，压缩机制造厂应将启动曲线提供给电机厂进行启动特性设计。

4 程序开发和应用

往复压缩机启动扭矩计算方法复杂，工作量大，手工计算容易出错，不能适应市场竞争快速设计和规范化设计要求。为了保证产品设计速度和设计质量，开发往复压缩机扭矩计算程序并在产品设计中推广使用。

启动扭矩计算程序开发环境为Microsoft Visual C++6.0，采用面向对象方法完成。根据压缩机启动方式不同，程序包括。

（1）顶开吸气阀启动扭矩计算模块；

（2）一个旁通管路连通启动扭矩计算模块；

（3）2个旁通管路连通启动扭矩计算模块；

（4）启动扭矩曲线绘制模块。

压缩机启动扭矩计算程序已经开发完成，并应用于产品设计。下面进行4M50原料气压缩机在顶开吸气阀、一个旁通管道连通和满负荷工况的启动扭矩计算，研究各种启动工况对压缩机启动扭矩的影响。

（1）4M50原料气压缩机为4列3级对称平衡型，转速371r/min，行程280 mm，流量27471 Nm3/h，压缩机设计参数见表1。

（2）计算输出结果，见图5、6。

（3）各负荷工况压缩机启动扭矩计算结果见表2。

计算结果表明：

（1）顶开吸气阀工况启动时，压缩机启动扭矩较小；

（2）旁通管道连通工况启动时，压缩机启动扭矩较大；

（3）满负荷状态启动压缩机时，压缩机启动扭矩特别大，超过电机堵转扭矩，通常无法启动。

5 结语

往复压缩机启动扭矩与压缩机启动时负荷状态、空负荷方式和压缩机的方案设计有关。顶开吸气阀启动时，压缩机启动扭矩较小；旁通管路连通启动时，压缩机启动扭矩较大；满负荷启动时，启动压缩机启动扭矩非常大，通常不能直接启动，电机需要特殊设计。设计时，压缩机制造厂应提供启动曲线进行驱动电机启动特性设计，编制压缩机启动扭矩计算程序并在产品设计中推广使用，对提高产品设计质量有重要作用。

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Research on the Startup Torque of Reciprocating Compressor and Its Program Development

WANG Gang,TIE Bo，MA Rui-hong，ZHANG Tong
（Shenyang Blower Works Growp Copporetim，Shenyang 110869，China）

The startup torque of reciprocating compressor is very important for design of motor,which is directly related with the normal startup of driven motor.Based on analyzing the startup torque when open the suction valve,the characteristics and affecting factors of startup valve are studied in this paper.Finally,the development of calculation program of the startup torque of reciprocating compressor and its application in the product design are also introduced.

API 618;startup torque;reciprocating compressor

TH457

A

1006-2971（2015）06-0022-05

王刚（1972-），男，高级工程师，现在沈阳鼓风机集团股份有限公司从事往复压缩机设计工作。

2015-09-21