高压气体压缩机的排污系统设计分析

赵越凡　郭志飞　孙立涛

摘要：文章阐述了高压气体压缩机的排污系统设计，主要是以气动阀结构的高压空气压缩机的排污系统为研究的对象。通过对气动阀的工作过程进行了分析和描述，还对气动阀芯的受力方面进行了探究。从而提出了高压气体压缩机的排污系统设计方法。同时，还对高压气体压缩机在排污过程中的负荷变化特性进行了分析，并提出排污系统的重要作用以及相关零部件的设计。证明了高压气体压缩机的排污系统的可靠性与可行性。

关键词：高压;气体压缩机;排污系统;设计分析;研究

前言：高压气体压缩机排污系统的设计，是保障压缩机稳定工作的前提。因此，高压气体压缩机的排污系统设计，必须要满足对压缩机的冷却系统及后处理系统等方面进行正常的排污。而如果高压气体压缩机的排污系统不能够及时的进行排污，可能会导致压缩机所压缩的气体蕴含积碳，甚至会出现液击的问题，导致压缩机故障。所以，高压气体压缩机的排污系统研究，不仅需要加强对压缩机排污过程中压缩机负荷变化特性进行探索，还需要加强对其排污系统以及关键的零部件设计进行设计。从而使得高压气体压塑机的排污系统在正常的工作状态下，不仅保障压缩机的稳定工作，还可以实现其可行性、可靠性。

一、现阶段高压压缩机的几种排污方式

高压压缩机的排污方式通常有4种：第一，通过手动的方式截止阀进行排污;第二，当处于低压级时，利用疏水阀进行排污，当处于高压级时，可以利用手动截止阀的方式排污;第三、利用电磁阀进行排污;第四，当低压级时可以利用电磁阀进行压缩机排污，当处于高压级时可以利用气动阀进行排污。同时，压缩机的排污方式中，电磁阀排污的方式自动化程度相对较高。而气动阀排污方式相对比较稳定、可靠。因此多被用于高压环境当中。此外，高压时，国产的电磁阀性能并不稳定，所以在进行高压气体压缩机的排污系统设计方案中，会采用电磁阀与气动阀两者联合的形式进行排污，构建一种相对比较先进又易于实现排污的方法。

二、高壓气体压缩机的排污系统描述

首先，高压气体压缩机的排污系统设计，一般常规的排污系统其控制单元主要手动与自动两种方式。而手动的排污结构，相对比较简单，性能方面也相对比较可靠。但通常手动方式压缩机排污系统会涉及到气体的多级压缩，以及各级气体的排污。特别是在高压之下的气体，进行手动排污时，必然会存在一定的风险问题。比如说劳动程度过强等。其次，通过自动的方式促使压缩机自动排污。而该排污方式的结构，是对排污系统中电磁阀或者气动阀等结构应用的基础上，从一定程度上提高压缩机排污系统的安全性与自动化水平。然而，现阶段高压气体压缩机的排污系统设计，大部分都是采用这两种控制单元方式，通过不同方式的组合实现压缩机的排污，从而保障高压气体压缩机在正常工作过程中的稳定性。

例如：以某型号高压压缩机的排污系统为例。当高压压缩机处于前三级程度时，通过手动阀与电磁阀进行压缩机排污。那么，第IV级、第V级的排污方式则是手动阀和气动阀方式。不过，为了更好的促进高压压缩机排污出现喷溅现象，降低高压级排污产生的噪声，保护环境。一般就会将各级的排污物通过各自的排污管，利用集污器进行收集之后。最后，通过统一的方式利用总管将排污排放到相对安全的地方。同时，各级的自动排污阀前，会有串联备用的排污系统截止阀。当压缩机的排污系统正常工作时，该截止阀则就处于全开状态。当压缩机排污系统的自动阀出现失灵的现象，就可以通过手动的方式，推动排污系统的截止阀进行人工排污。具体见图表1。

三、高压气体压缩机的排污系统设计分析

由上图表1中所展示的高压压缩机的排污系统为例，当Ⅰ级、Ⅱ级排污时，可以利用电磁阀进行直接排污。当排污系统在Ⅲ级、Ⅳ级以及Ⅴ级时，就可以利用排污系统的气动阀和电磁阀实施排污。同时，还可以结合PLC控制系统，实现对压缩机排系统各级的排污阀的开启与关闭。当压缩机排污的时间间隔与各级排污阀开启的时间，均是通过季节的变化进行调整的。同时，也是实现排污系统的自动控制。因此，在进行压缩机排污系统设计过程应当注重对气动阀的设计。

（一）排污系统中气动阀的设计及其工作原理

首先，高压气体压缩机排污系统设计过程中，其主要零部件气动阀的结构设计，主要包含了起到气动阀的阀体、阀芯以及气动阀阀座和升程限制器、密封圈等连接件相互组成。其次，气动阀在工作过程当中，通过气动阀的阀芯对于其阀体的运动，可以实现控制阀门口的通断以及开度大小。并实现对介质方式、压缩机压力以及流量等方面的控制。具体见图表2所示。当高压气体P2通过压缩机排污系统中气动阀的阀座作用于气动阀阀芯的底部时，低压气体P1则会从气动阀的上端开始作用于气动阀的阀芯上部。当压缩机在正常状态下工作时，P1和P2两点的共同作用，会促使整个气动阀的阀体处于密封状态。但当电磁阀进行控制的低压级排污时，P1的作用力会大大降低。而此时的气动阀的阀芯会在压力P2的作用下，逐渐脱离气动阀的阀座，从而最终实现压缩机的排污。然而，当高压气体压缩机排污时，压力P1和P2就会随着压力逐渐降至排污背压Pb1。和Pb2。当压缩机排污结束之后，低压级的排污电磁阀就会快速闭合。但当压力P1增加时，在P1的作用下，气动阀的阀芯就会逐渐向气动阀的阀座方向进行运动，一直到整个气动阀的阀体实现密封为止。同时，当压力P2快速上升时，短时间中，PI和P2就会上升到正常的工作压力，从而完成高压气体压缩机的排污循环，最后，压缩机恢复到正常输气的工作状态。

（二）排污系统中气动阀力学分析及计算

压缩机排污系统中的气动阀在工作状态下，不仅需要充分考虑4个压力对气动阀阀芯的作用，同时还需要正确认识到气动阀的计算。F1为低压气体P1从气动阀的顶部作用于气动阀的阀芯顶端的作用力。F2为高压气体P2从气动阀额阀座作用于阀芯底部的作用力，G为气动阀的阀芯重力。当气动阀的阀芯向下时，控制气体的作用力计算方式则为F1= D02P1，向上时，高压气体压缩机的排污气体作用力则为F2= d20P2，当气动阀的阀芯与阀体两者之间的静摩擦力为Fm时，其方向是变化的。并且，与气动阀的阀芯运动处于相反。

如图表3中所示，

如果，压缩机处于低压级时，排污系统的电磁阀就会关闭，但是高压级时，排污系统的气动阀并未关闭。只有当p1接近或等于相队的压力时，高压气动阀才会关闭。因此，由此加减，高压气体压缩机排污系统设计过程中，对于电磁阀以及气动阀排污的过程通过分析可知，想要实现高压气体压缩机正常排气工作，实现压缩机正常排污。就需要气动阀保持密封性、以及开启或关闭等工作状态。而只有结合气动阀的工作压力以及相关结构参数之间的关系，才可以确定气动阀用于高压气体压缩机排污系统设计的合理性。

（三）压缩机排污系统的改进

当前现有的高压气体压缩机排污系统，主要分为三种，CZS型空气压缩机、CCS型空气压缩机以及LHC型空气压缩机等高压压缩机排污系统。第一，CZS型的压缩机，采用了串联电磁阀和气动阀构成排污系统。在压缩机同时排放或同时泄压时，对单的作用小、排量的空气压缩机组实用性相对简单。但当压缩机的压力过低时，高压级气动阀若是不能够及时打开，那么压缩机启动时就会出现延时、关闭等现象。第二，CCS型压缩机排污系统，采用了类似的串联电磁阀和气动阀，构成排污系统。然而，受压缩机排污系统气动阀的压力及引自机组本身低压级电磁阀的影响。在压缩机气动阀控制排污的时，一但低压部分电磁阀关闭不严，就会造成压缩机的排污气动阀滞后关闭，从而影响到高压段的排污。第三，LHC型压缩机排污系统，采用低压级电磁阀方式直接实施压缩机排污。而高压级通过采用单气路控制各级气动阀，其排污系统的电磁阀、气动阀结构，不仅克服了延时关闭问题和高压气动阀排污滞后情况，还达到有效排污的目的。不过，该排污系统一旦电磁阀、气动阀出现关闭不严的状况，就会导致系统无法在线维修。

具体情况如图表4所示，当出现任意一排污单元的压力时，其压缩机的排污系统可以分为4个时间段。而压缩机的排污时段，则为排污系统的排污阀开启状态，则压缩机实施排污。在压缩机中的液体没有排净时，压力也没有得到相应的降低。当压缩机压力泄压一段时段后，在进行排气，则可能会由于排污系统排污阀前后的压力差距过大，导致压力快速下降。当泄压之后，压缩机排污前后，压力差处于相对平衡的状态，而压力不再降低。恢复时段，压缩机的排污系统排污关闭之后，压缩机依然会运转工作，因此这时压力就会恢复到排污前的状态。

然而，现有的高压气体压缩机的排污系统的工艺，一般都是通过PLC自动控制程序所设定的定时排污时序。然而，如果仅考虑压缩机排污系统的排污阀开启与关闭的时间间隔，吹除时段时间过长，就会造成能量的过多消耗。并且，其压力上升降却取决于压缩机排污系统中排污单元的设计。排污阀通径越大，压力平衡点就越低，造成能量消耗过多的现象。因此，结合压缩机排污系统的排污压力大小，可以确定排污阀的通径，并进一步对PLC控制系统进行调整排污的时间与排污时间的间隔。并通过程序设计来实现气动阀的自动关系。如图表4中所展示的时间断，在不同的压力，自动选择压缩机排污系统排污的提前关闭。以此减少压缩机能量的损失，提高其的充气效率。此外，高压气体压缩机的排污系统设计，在线维修相对比较困难。因此，串联排污系统改为并联压缩机排污系统，改进后的压缩机排污系统，虽然管路制作相对更加复杂，成本有所提升，但可以更好的改善高压气体压缩机的排污情况。

四、排污系统设计的应用实例及运行参数

图表5 某高压气体压缩机的排污系统运行状况以及排污情况

以某高压气体压缩机的排污系统为例，当高压气体压缩机的排污系统处于正常工作状态时，其排污工作运行的参数如上图表5。当压力处于Ⅰ级、Ⅱ级以及Ⅲ级时，通过PLC控制系统的电磁阀就会进行排污。当高压压力处于Ⅳ级时，气动阀就会自动进行排污。同时，当压压缩机在正常排污过程中，通过相应参数进行排污，对其可靠性与耐久性实验，可以发现压缩机的排污效果均能达到高压活塞气体压缩机的相关要求。而现阶段，压缩机排污系統已经被广泛的应用在多个地方，因此，高压气体压缩机的排污系统设计能够实现正常工作。不过，在高压气体压缩机的排污系统设计方案中，排污系统中气动阀的设计应当满足与相应的条件。

结语：综上所述，传统的压缩机的排污系统，在排污时会频繁的负荷。并在加载时会导致机组的运行短期出现不稳定的现象。因此，压缩机的排污系统设计如果不合理，会导致充气的效率大大降低，而排污系统的故障还会对压缩系统造成巨大的影响。所以，高压气体压缩机的排污系统设计，对于抵押级排污电磁阀的选择方面要合理化。保障高压气动阀在工作时的可靠性，同时还需要考虑电磁阀与气动阀设计的合理性，以此来增加排污系统的灵敏性，从而到达排污的目的。

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作者简介：赵越凡（1988.6），男，汉族，河北邢台人，硕士，讲师，从事机械工程、智能制造研究。

郭志飞（1988-），男，汉族，河北邢台人，硕士，工程师，主要研究方向：机器视觉、计算机图形学。

孙立涛（1991.6），男汉族河北省邢台市人，硕士，助教，从事智能控制、科研信息化。