往复压缩机两种气量调节方式的比较

陈青松，杨 杨，祝 进

（1.中韩（武汉） 石油化工有限公司，湖北武汉 430081；2.中国石化沧州炼化公司，河北沧州061000 3.中国石化安庆分公司，安徽安庆 246000）

1 引言

往复压缩机在炼油厂中广泛使用，其设计排气量一般是根据装置所需的最大流量或近期可能所需的扩容流量来选择，通常都具有一定的富裕量。由于工艺条件的变化，当实际耗气量小于压缩机的额定排气量时，需要对压缩机进行气量调节，以满足工艺需求。过去主要通过开返回线的方法来调节，该方法使压缩机做了大量的无用功，浪费很多能耗。近年来，各石化企业为节能增效，在往复压缩机上增上了大量的气量调节系统，气量调节系统的形式目前常用的有延时关闭气阀和余隙调节2种方式，对于这2种方式的优劣比较，目前没有具体定论。为了方便各企业选择更合适的气量调节系统，本文对此进行调查研究。

2 两种调节方式的工作原理

2.1 余隙调节系统调节基本原理

图1 存在余隙Vc 和Vc′的示意图和示功图

正常的往复活塞式压缩机存在一定余隙Vc，该余隙通常较小，正常余隙下往复机的理想气体示功图如图1（a）。图1中，横坐标V和纵坐标p分别表示气缸的体积和压力，1-2，2-3，3-4，4-1分别为压缩、排气、膨胀、吸气4个过程。

在图1（a） 中，由于余隙容积Vc的存在，工作活塞刚开始向右运动时，因留存在余隙容积Vc内的气体压力大于进气压力，吸气阀不能打开，直到活塞右行到位置4时，缸内气体体积由Vc膨胀到V4、压力由p2下降至p1时才开始进气。如果将余隙体积Vc增加到Vc′，余隙体积Vc′更大，使得膨胀过程更长，吸气和排气过程变短，压缩过程也相应变长，如图1（b） 所示，压缩机的排气量（2-3线） 和所需要的能耗（1-2-3-4所围的面积） 均减小[5]。可调余隙调节系统是将原压缩机气缸缸盖改为可调的余隙活塞缸，利用可调的余隙活塞缸调节余隙大小实现对气量的自动控制（图2）。

2.2 延时关闭气阀调节系统原理

延时关闭气阀调节系统是利用程序控制延迟吸气阀在压缩过程中的关闭时间来调节气量。其主要工作原理是通过液压执行机构作用在进气阀卸荷器上，通过计算机将压缩机运行过程中的状态信号反馈至液压执行机构的电子模块，来控制进气阀的启闭时间，可实现压缩机排气量30%～100%范围的无级调节[2]。其示功图如图3所示，当进气过程达到C点后，给定的阀位信号使得液压执行机构将吸气阀强制保持在开启状态，压缩过程由原压缩曲线C-D，改变为Cr-Dr，C-Cr为液压执行机构强制吸气阀开启的时间，该段体积的变化即为调节减少下来的气量，而图中斜线阴影部分C-Cr-Dr-D所围的面积即压缩机所减少的做功。

3 各企业使用情况统计

本次以某石化企业所在6家炼油厂为调查对象，对各企业往复压缩机使用气量调节方式进行统计，2种气量调节方式均有所推广。6家企业共计36台套机组在使用气量调节装置，延时关闭气阀调节市场占比仍占绝对优势（表1）。

图2 可调余隙的执行机构与压缩机配合安装示意图

图3 延时关闭气阀系统压缩机的一个工作循环过程

通过对2种气量调节方式历年发生的故障进行分类统计（表2），余隙调节系统故障频率最高的为液压油泄漏导致余隙缸故障，延时关闭气阀调节故障频率最高的为执行机构填料泄漏。分析其原因，余隙调节系统液压油系统与延时关闭气阀调节系统的液压油系统使用环境和压力并无太大区别，故障率却较高，主要是国产液压油系统采用金属卡套管连接，在卡套接头防振防松方面可靠度不够导致，从装备的改进提升是可以解决的。而延时关闭气阀调节的执行机构填料泄漏却是其结构决定的，在执行机构频繁干涉气阀开启的过程中，阀杆的动作频率较高，特别对于高压缸来说，这种填料的泄漏问题很难有好的应对方案。

4 2种气量调节方式的对比

4.1 结构特点比较

余隙气量调节系统是采用普通的电液控制和执行机构对余隙活塞行程进行调节，一次调节后保持不动，由于余隙缸执行机构调节过程中线速度低，磨损少，故障率较低；余隙调节不需改变原有气阀；余隙调节的无用功耗主要表现在余隙腔内余气的反复膨胀和压缩；由于余隙调节系统只能在盖侧安装，对于双作用气缸，其流量调节范围只能达到60%～100%的无级调节。

延时关闭气阀调节通过控制压缩过程中吸气阀的关闭时刻，来控制进气量的大小，从而实现排气量的连续调节。该方式理论上可以实现气量0～100%的无级调节，实际应用中，过低负荷下可能会导致吸气阀片不能关闭，变成全行程压开[3]，通常规定操作范围为30%～100%。由于压开吸气阀的时间有精确要求，其对控制系统和执行机构要求较高；由于执行机构需随气阀的启闭周期不断执行压开和释放，其执行机构运动相对频繁，特别是对高压操作条件下密封件较易磨损；延时关闭气阀调节的无用功耗主要表现在气体在进入吸气阀后一部分通过吸气阀返回到入口管线造成的内能增加。

4.2 2种气量调节方式的对比

4.2.1 性能比较

表3给出了2种气量调节方式的使用性能比较，在实际选用过程中还应充分考虑2种气量调节方式所适用的工况范围以及其对机组本机运行可靠性的影响，尽量选择满足生产需求、结构简单、运行可靠的调节方式。

4.2.2 投资费用经济性比较

早期由于延时关闭气阀调节系统只有进口厂家，其初始投资成本较高。以单级6列双作用气缸为例：排气压力6 MPa，配套电机功率3000 kW，机组不间断连续运行。单台机组配置不同调节方式投资估算见表4。

从表4可见，延时关闭气阀调节系统初始投资成本要远大于余隙调节系统。但是延时关闭气阀调节系统的成本不会随着机组功率的增大而增加很多，只与气阀数量及压力等级有关；而余隙调节系统因需制作余隙缸，其投资成本与气缸数量、气缸大小及压力等级有关。

表1 某石化6家炼油厂在用气量调节装置分布统计

表2 各气量调节厂家产品在某石化六家炼油厂的故障次数分类统计

表3 2种气量调节方式的使用性能比较

近年来，国内已有部分厂家开始生产延时关闭气阀调节系统，其初始投资成本已经大幅降低，与余隙调节系统投资成本已相差无几。

4.2.3 可靠性比较

（1）易损件比较

余隙调节系统主要易损件为余隙活塞缸各密封件，由于其动作线速度低，且操作频次较低，易损件相对磨损量较小，理论寿命应较长。延时关闭气阀调节系统的主要易损件为气阀执行机构中的填料和油路密封件，该部位动作频繁，线速度高，特别是对高压缸来说，易损件寿命较短。

（2）液压系统比较

从液压系统来看，两者液压系统基本结构相似。国产余隙调节系统多采用卡套连接的金属不锈钢管作为液压油管，延时关闭气阀调节则较多采用高压液压油软管连接。实际应用表现来看，高压软管比金属管卡套连接形式要更加可靠。

（3）电控系统比较

从电控系统来比较，余隙调节系统主要增加的反馈单元为活塞位移传感器，其主要作用是反馈余隙活塞的行程位置，作为调节反馈信号；延时关闭气阀调节系统主要通过在飞轮上安装的键相位来反馈活塞做功过程的上死点位置，进而为延时关闭气阀时间提供零点信号。理论上讲，余隙调节系统的电控单元更简单，但实际应用中，无论是余隙调节的位移探头坏还是延时关闭气阀调节的飞轮键相位信号丢失都将使调节系统无法工作。

（4）受力分析比较

往复压缩机的综合活塞力由往复惯性力、摩擦力、盖侧和轴侧的气体力等部分组成，规定曲柄转角θ的起止点为外止点，即外止点时θ=0°，任意转角时活塞位移为Xi，根据公式[3]

压缩过程中的气体力

膨胀过程中的气体力

表4 2种气量调节系统初始投资成本估算（2010年数据）

图4

图5 K4101AB 2种调节方式进气量和效率曲线对比

往复惯性力为

摩擦力

式中 r——曲轴半径

ω——旋转角速度

n——转速

λ——曲轴半径与连杆长度比

ps——吸气压力

pd——排气压力

S——活塞行程

S0——余隙行程

Ni——列功率

ηm——机械效率

利用计算机建立模型，做出双作用缸的正常情况下综合活塞力如图4（a）所示（图中虚线部分）。

对延时关闭气阀调节来说，轴侧气体力和盖侧气体力的压缩气体力变化均延迟，对图像调整延时20°关闭得到的图形如图4（a） 所示，图4（a）中虚线表示原始气体力，实线表示延时20°后变化的气体力。从图4（a） 可看出，延时关闭气阀调节对综合活塞力的影响是对称的，不会改变反向角。

对余隙调节系统，由于余隙缸安装在盖侧，只改变了盖侧的余隙容积，对盖侧的余隙行程 做了适量修正增加后，得到的图形如图4（b） 所示，从图中可以看出，由于盖侧膨胀压力增加的减缓，综合活塞力受到影响，由原来的0～10°负反向角增加到了0～20°的负反向角，反向角增加约了10°。

4.2.4 节能效果比较

某分公司柴油加氢装置新氢压缩机K4101AB两台机组为同一位号互为备用2台机组，其A机采用延时关闭气阀调节系统，B机采用余隙调节系统。我们通过对2台机组2019年9月份分别运行一周的数据采集进行能效计算，得出结果如图5。

从图5和表5可以看出，K4101B（余隙调节系统） 的平均效率约为69.58%，要高于K4101A（延时关闭气阀调节） 的66.97%。

计算过程：

表5

压缩机转速n=375 r/min，活塞行程L=280 mm，两级压缩，进气量Vi，进气压力pSi，进气温度Tsi，排气压力pdi，排气温度Tdi，额定电流124.5A

（1）计算压缩比[1]

计算压缩比εi

算得一级压缩比ε1和二级压缩比ε2值。

（2）计算绝热系数[1]

根据气体组分和温度，查各组分的绝热指数。取出入口温度中间值328K作为气体平均温度。查常用气体绝热指数表[3]（表5），得出各组分气体在温度328 K下的绝热指数：

由公式1/（k-1）=yi/（ki-1） 求出k值为1.3557。

（3）计算Ø值[1]

（4）计算压缩机的理论绝热压缩功率：

一级做功功率N1=P1V1Ø1

二级做功功率N2=P2V2Ø2

总的做功功率N=N1+N2

（5）计算电机功率

已知电机额定电压Ua=6000 V，额定电流Ia=124.5 A，实际电压A段电源Upa=6120 V，B段电源Upb=6200 V，实时电流Ip，功率因数cosØ=0.9

电机输入功率Ne

（6）计算综合效率ηc

对综合效率按按时间求平均

4.2.5 综合比较（表6）。

表6 余隙气量调节系统与延时关闭气阀调节系统特点对比表

5 结论

综合以上分析，可调的余隙调节系统和部分行程延时关闭气阀调节系统2种调节方式经过多年的发展目前均得到了广泛应用。两者较成熟的方案均为采用液压执行机构控制的电控方案，均可实现无极气量调节。调节范围来说，延时关闭气阀要比余隙调节系统的调节范围更宽。投资和使用维护成本方面，余隙调节系统比延时关闭气阀调节系统不论是投资还是维护成本均要低。可靠性方面，余隙调节系统存在综合活塞力的不平衡性，用户在选择时需对十字头反向角进行核算评估；延时关闭气阀因执行机构高频动作，线速度高，其填料等易损件消耗周期比余隙调节系统要短。余隙调节系统目前多为国产系统，液压油系统管线配置等方面的可靠性能提升还有较大空间可挖掘。节能效果方面，两者都能实现较好的节能效果，通过实际应用对比，余隙调节系统的节能效果要略优于延时关闭气阀调节（本文仅以一台套机组进行了实际应用对比，不具备代表性，仅做参考，具体能效还需进一步深入跟踪比较）。