往复活塞压缩机压开进气阀调节与余隙无级调节气量技术对比（一）

徐文广，顾兴坤，王宗明

（1.中国石油化工股份有限公司 济南分公司，山东 济南 250101；2.山东易阳石化节能装备有限公司，山东 济南 250101；3.中国石油大学 （华东）新能源学院，山东 青岛 266580）

往复活塞压缩机被广泛用于石油、化工、冶金、机械、矿山、国防、交通和农业等领域，是生产中的关键设备，但耗能很高。由于生产条件及工艺参数的波动，很多往复式压缩机存在一定的余隙容积利用率低、无用功耗大的问题，具有较大的节能潜力［1］。国家《“十三五”节能减排综合工作方案》要求，到2020年，国内万元生产总值能耗应比2015年降低15%［2］，但一些企业仍然没有达标。对往复活塞压缩机进行节能改造，降低或消除无用功耗，提高装置的整体效益，已是众多生产单位亟需解决的问题。

在众多的往复活塞压缩机气量调节技术中，压开进气阀调节和余隙无级调节气量技术在近十多年来得到较为广泛的应用。这2种调节技术均历经了几十年的认识、发展，再认识、再发展的研发过程，在作用原理、调节范围、安装位置、控制方式、结构形式以及设备使用寿命等方面得到了不断创新。部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量技术均可实现往复活塞压缩机排气量的连续无级调节，又能最大化地节能降耗。

对这2种调节技术的发展历程、现阶段应用状况等方面进行对比与分析的文献较少，大多数生产单位对2种技术的认识和理解不深，不知如何选择适合装置的气量调节技术，没有达到兼顾气量调节和节能降耗最大化的目的。为此，笔者收集、查阅了大量的文献资料，并咨询了一些使用单位，对2种调节技术进行较为全面的对比与分析，以供相关人员参考。

1 2种气量调节技术发展历程

1.1 余隙无级调节气量技术

通过加装补助余隙容积装置（图1，即余隙调节）或压开进气阀装置可以调节往复活塞压缩机排气量，降低压缩机功耗，达到节能的目的。

图1 连通补助余隙容积调节装置

在国外，补助余隙容积装置自上世纪中期就已经开始得到了应用［3-4］。早期的补助余隙容积装置为手动控制，到目前为止，进口的大多数往复活塞压缩机上依然配置有手动余隙容积调节装置［5］。美国的Dresser-Rand Company于1996年在美国申请了《Self-contained，Clearance-volume Adjustment Means for a Gas Compressor》专利技术［6］（1997 年获得批准），其调节范围设计在60%～100%，该技术在美国有实质性应用，见图2。2014年，Dresser-Rand Company在与中国某企业的技术协议中说明，其余隙容积调节范围设计在55%～100%，但至今在中国没有该公司余隙容积调节技术的应用报道。

图2 Dresser-Rand Company余隙容积调节装置美国应用现场

自上世纪至本世纪10年代，国内技术人员基本上都是从国内外技术资料或进口压缩机配置介绍资料上接触和认识固定补助容积装置或连通补助余隙容积装置的。国内生产的压缩机上配置固定补助容积装置的较少，配置连通补助余隙容积装置的更少，即便设置了此类装置，也大多弃之不用。因此，目前仍有很多技术人员对余隙容积调节装置的认识还局限于以往对固定补助容积装置或连通补助余隙容积装置的认识，即装置结构复杂、笨重、调节困难、调节范围窄、调节精度低且易损件多等［8-15］。

自2009年以来，补助余隙容积技术在国内得到迅速发展［16-21］，技术名称随之称为余隙调节或余隙无级调节。余隙无级调节装置已同电仪液压控制系统相结合，实现了自动实时的无级调节，控制精度较高。国内余隙无级调节装置应用现场见图3。现阶段，余隙无级调节技术不但实现了无级调节和伺服控制，而且调节范围在50%～100%，具有系统结构简单、易损件较少及自身运行功耗低等特点。根据国际科技文献查新情况，国内余隙无级调节技术在世界范围内已是领先水平［22-26］，也彻底改变了以往对补助余隙容积技术的认识。

1.2 压开进气阀调节技术

压开进气阀调节技术的应用在国外始于上世纪中期，从起初的手动调控，逐步发展到气动调控、电动（电磁）调控及隔膜驱动等控制方式。该技术的发展在国外没有停止或间断过，发展速度远超补助余隙容积技术发展速度。1995年奥地利Hoerbiger公司成功开发出部分行程压开进气阀调节系统 HydroCOM［27］（图 4），该技术于 1997 年开始在欧洲得到推广应用［28］。

图4 Hoerbiger公司部分行程压开进气阀调节系统HydroCOM

部分行程压开进气阀调节技术的主要特点是应用液压加PLC控制技术［29］实现了无级调节，且无级调节范围在30%～100%。2002年，国内第一套部分行程压开进气阀调节装置应用于中国石化天津分公司的新氢压缩机（4M50-26/20-195-BX）上，该调节系统自动化程度较高，并带有电控液压执行机构［30］。此后，部分行程压开进气阀调节技术产品在国内有很多成功应用，直至目前仍有较好的应用业绩。

在国内，浙江大学化工机械研究所与其他单位合作开发了全量程无级气量调节系统，并成功应用于多种型号的往复活塞压缩机上［31］。

2 2种气量调节技术特点

国内较早文献《活塞式压缩机设计》［32］中介绍了17种往复活塞压缩机的气量调节方法，其中作用于气缸腔内的气量调节方法又分为完全压开进气阀、部分行程压开进气阀、加入固定补助容积、加入可变补助容积和部分行程中连通补助容积这5种方式。部分行程压开进气阀和加入可变补助容积调节方式是目前常用的2种气量调节方法，不同年代文献概括的这2种调节技术的特点见表 1［33-36］。

表1 2种气量调节技术特点对比

近三十余年来，2种气量调节技术都在实际应用中得到不断优化和改进，但部分行程压开进气阀调节技术比余隙调节技术发展更快［33-36］。

部分行程压开进气阀调节技术气量调节范围从0～100%，发展到目前理论和实践公认的30%～100%。多级压缩时，各级都需配置容积流量调节机构，容积流量调节机构协调运行可以使各级的级间压力不变，且容积流量在30%～100%进行连续调节。容积流量低于30%时，只能在0%～30%实现间断调节［35-36］。部分行程压开进气阀调节的控制方式，从起初的手动调控，逐步发展到气动调控、电动（电磁）调控及隔膜驱动，直至现代化的液压加PLC调控。经过几十年的理论分析与实践，普遍认为压开进气阀调节方法的优点是气量调节范围较大、节能效果好，但其结构复杂、进气阀有气体阻力损失且阀片易损坏，不适用于高转速的机型。

经过不断发展，可变补助容积调节技术又分为连通可变补助余隙容积和部分行程连通补助余隙容积2种调节方式。连通可变补助余隙容积连续调节的范围由0%～100%修正为60%～100%。部分行程连通补助余隙容积连续调节范围为60%～100%［35-36］，但调节装置更复杂。普遍认为连通补助余隙容积调节技术的经济性较好，尤其适用于大、中型工艺压缩机。但有部分学者认为可变补助余隙容积装置笨重、复杂且可靠性较差［33-36］。

3 2种气量调节技术发展现状

受进口部分行程压开进气阀调节系统HydroCOM产品价格、技术保密性、进气阀等配件价格以及供货周期等因素的限制［37-39］，国内一些高校、科研院所和企业开启了部分行程压开进气阀调节技术的国产化研发工作。国家发展和改革委员会 2018-01发布［40］，国内首套国产化往复压缩机气量无级调节系统是2013年在中国石化广州分公司芳烃联合装置氢压机C511A（型号为 2D80-95.2/13-27.5-BX）上应用的 HRCS 系 统［41-44］。

除HydroCOM和HRCS这2种部分行程压开进气阀调节技术外，已在往复活塞压缩机上得到实践应用的部分行程压开进气阀调节技术还有FluxToFlow 无级流量调节系统［45］、ISC 无级气量调节系统［46］和 Didro COM 气量无级调节系统［47］，这3种部分行程压开进气阀调节技术的气量调节下限设置为30%或40%。

对于余隙调节技术，人们也给出了较高评价，认为与旁路调节方式相比，变余隙调节技术的节能效果非常明显。美国西南研究院对这类调节方法进行了调研，认为它是未来很有潜力的发展方向之一［48］。

笔者在实际调研中已很少看到活塞压缩机上安装固定补助容积设备的情况，而可变补助容积设备多见于进口的压缩机组中，且大多数只调节一级气缸余隙容积。但因其调节操作需压缩机停机后才能完成，而且调节精度低，故用户大都放弃使用该设备。

余隙无级调节气量技术在近十余年内发展比较迅速，特别是中国石化荆门分公司2009年利用武汉理工大学专利技术，在制氢装置机-1/3压缩机（型号为 2D20-23.4/4-27-BX）上开发的余隙无级气量调节系统［17，19］，是国内真正意义上的首套电液控制余隙无级调节气量系统。自此，余隙无级调节气量技术引起了一些高校和科研院所的普遍关注。最近几年，余隙无级调节气量技术的专利申请数量和论文发表数量，都远超部分行程压开进气阀调节技术的专利申请数量和论文发表数量。众多高校、科研院所和企业等已研发了多种不同结构形式的余隙无级调节气量产品，但真正具有实用性的仍较少。

部分行程压开进气阀调节技术与余隙无级调节气量技术的现状对比见表2，主要改造内容见表 3［25-26，49-53］。

表2 2种气量调节技术现状对比

表3 2种气量调节技术主要改造内容对比

从表2和表3可以看出，2种气量调节技术均为连续无级调节技术，均采用液压加PLC加电磁阀控制模式，均通过减少压缩机气缸入口容积流量来达到调节排气量、节能降耗的目的。但2种气量调节技术在作用原理、工艺路线、调节范围、设备构造、改造部位、改造内容、安装施工、操控性、自身能耗、运行维护费用及性价比等方面有较大差异。因此，对2种气量调节技术进行更深入的对比和探讨是十分必要的。

4 结语

往复活塞压缩机部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量技术均已历经五十多年的发展，从认识到发展，从再认识到再发展，通过不断克服各自在理论、认识及结构等方面的不足，才发展成为目前应用较广泛的气量无级调节技术。2种气量调节技术在压缩机改造部位、改造内容及调节范围等方面存在不同，具有各自的优、缺点，但均可实现压缩机容积流量的连续无级调节，均能达到节能降耗的目的，调节范围上也均可满足用户节能改造的需求。用户可根据实际情况选择最适宜的气量调节方法。