无级流量调节系统对往复压缩机级间压力的影响及控制

周天旭

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

往复式压缩机在炼油、 化工、 制冷等工业领域中有着广泛的应用， 且通常都是装置中的核心设备。在炼油化工装置中， 往复式压缩机通常根据工艺流程中所需的最大流量和最大压比进行选型。但在实际运行过程中， 工作流量往往与设计流量存在较大偏差。传统的旁路流量调节方式会造成大量的能量浪费。以5 000 kW轴功率的往复压缩机为例， 若长期负荷为80%， 且通过旁路调节流量的方式， 理论上一年浪费的电费以百万计。针对大型往复压缩机， 较为先进的流量调节系统为部分顶开吸气阀无级流量调节系统， 其通过精确控制吸气阀的关闭时间， 使得气缸内的气体在压缩前通过强制开启的吸气阀返回至吸气腔中， 从而达到流量控制的效果。理论上， 这种无级流量调节系统可使往复机的实耗功率与负荷成正比，极大地降低能耗。目前， 已有部分研究表明， 无级流量调节系统对往复压缩机的反向角、 转矩等存在一定的影响【1-2】， 但尚未有研究表明其对往复压缩机级间压力具有影响作用。本文主要利用热力学复算公式研究了理论及实际应用情况下无级流量调节系统对级间压力的影响及控制。

1 理论影响分析

往复压缩机的热力学复算即针对主要结构尺寸和进、排气压力已知的压缩机，求取其级间压力的数值、级间压比、容积流量、最大活塞力及功率等，以核算压缩机是否适用于新的工况。

热力学复算步骤主要分为【3】：

1) 计算往复压缩机各级假想工作容积

(1)

j——下标，代表级数；

Vsj——每级气缸行程容积，m3；

λ0——压力系数、温度系数及泄漏系数之积，单位为1，可认为复算过程中不变；

T1——第一级气缸入口温度，℃；

Tj——每级气缸入口温度，℃。

对于双作用气缸

(2)

式中：s——气缸行程，mm；

Dj——每级气缸直径，mm；

d——活塞杆直径，mm。

2) 复算级间压力

(3)

式中：Pj——级间压力，MPa；

Zj——气体压缩系数，单位为1；

λvj——容积系数。

(4)

式中：αj——气缸相对余隙，%；

εj——每级气缸的压比；

m——气体膨胀系数，单位为1。

3) 验算准确度

(5)

式中：Vj——验算过程中气缸的计算吸气量，m3。

根据式(1)～式(5)计算各级进气量中最大值Vmax和最小值Vmin，当Vmin/Vmax>0.98时，可认为往复压缩机达到新的平衡状态，此时级间压力为平衡后的压力。

当配备了无级流量调节系统后，可通过热力学复算的方式对级间压力进行研究。由无级流量调节系统的工作原理可知，其流量控制的方式是通过控制吸气阀的主动开启，使未压缩的气体回流至吸气腔中，以实现预设负荷，而这一过程可近似等价为减小了气缸的行程容积。若每级气缸负荷为βj，则流量调节后的每级行程容积可等价为βjVsj。

将βjVsj代入式(3)，可得式(6)：

(6)

由式(6)可知，若每级气缸的负荷调节比例完全相同，即βj均相同，则式(6)完全等价于式(3)。另外，由上述公式可知，无级流量调节系统对其余参数(如容积系数等)均无影响。因此，理论上，若每级气缸的负荷调节比例完全相同，即每级气缸的吸气量与该级满负荷吸气量的比值均一致时，部分顶开吸气阀无级流量调节系统对往复压缩机级间压力没有影响，配置流量调节系统后，其级间压力应与原值一致。

然而，现场调研发现，往复压缩机配置无级流量调节系统后，实际级间压力情况与理论不同，偏离原值，甚至随着流量调节负荷的不同也会出现变化。通过分析现场案例发现，无级流量调节系统对级间压力影响的主要原因为控制精度问题。

2 实例验证

以国内某渣油加氢装置的四列三级新氢压缩机为例对上述分析进行验证。压缩机部分设计参数见表1。

表1 设计参数

将上述设计参数代入式(1)～式(6)中，分析不同极端偏差组合下实际级间压力变化的趋势。表2列举了90%±5%的偏差组合，表3计算了不同偏差组合下的级间压力值及变化率。为使结果显示更为直观，将级间压力变化率以柱状图的方式示意于图1中。

表2 偏差组合 单位：%

表3 级间压力变化率

图1 级间压力变化率

由表3和图1可知，当各级气缸实际负荷比例不同时，级间压力相比原值均会发生变化。由图1可看出，级间压力变化率随着各级缸负荷不同，呈现出一定的规律。具体为：

1) 当首级气缸负荷值不同于后面级气缸的负荷，且后面级负荷比例近似时，各级间压力均发生较大变化；

2) 当中间级气缸负荷值不同于前、后级气缸的负荷，且前、后级负荷比例近似时，中间级的邻近前级间压力发生较大变化，后级间压力变化较小；

3) 当末级气缸负荷值不同于前级气缸的负荷，且前级负荷比例近似时，邻近前级间压力发生较大变化；

4) 当各级气缸负荷值均不相同时，首级气缸负荷变化对后级的级间压力均造成影响。

以上变化规律，其内在原理较为简单。根据理想气体状态方程，当级间气体的温度和体积不变时，级间气体的压力正比于气体的摩尔质量。具体为，当后级气缸负荷比例低于前级的比例时，后级气缸将回流更多的气体至级间，使级间的气体摩尔质量增加，进而导致级间压力增大，如组合5中的一二级间压力变化。

因流量调节系统精度问题，各级流量调节比例不同在所难免。实际操作中，可根据上述规律进行调节。例如，当发现级间压力增大时，可适当提高后级的负荷，使级间压力恢复正常。针对以上问题，流量调节系统厂家多提供两种控制方案：手动调节和自动调节。手动调节是指，手动设定各级气缸的负荷比例。当发现级间压力偏离时，可手动调节各级比例以实现级间压力的正常化。自动调节是指，设定首级气缸的负荷比例以及各级间压力值，系统将自动设定后级气缸的负荷比例,以实现规定的负荷比例和级间压力。

以上仅从理论上分析了各级气缸调节负荷不同时级间压力的变化规律。但实际操作中，往复压缩机级间压力的变化受到多种因素的影响，需综合分析，不能单一而论。

3 结语

理论上，若各级气缸流量负荷比例完全一致时，无级流量调节系统对级间压力没有影响。但实际情况下，由于控制精度等问题，各级气缸负荷比例不可能完全相同，导致级间压力发生变化。实际操作中，无级流量调节系统可通过自动或手动的方式调节各级气缸负荷比例，以使级间压力保持在设定值范围内。