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（二）

李书璞，顾兴坤，刘 燕

（1.山东东明石化集团有限公司，山东 东明 274500；2.山东易阳石化节能装备有限公司，山东 济南 250101；3.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061）

大型往复活塞压缩机能耗巨大，是流程行业节能减排的重要研究对象。流量调节技术的改进是压缩机节能运行和节能减排的有效途径[1]。目前，国际压缩机行业普遍执行的技术标准是API 618—2007 “Reciprocating Compressors for the Petroleum，Chemical and Gas Industry Services”[2]。 按照 API 618—2007 的推荐，工艺压缩机采用的流量调节方法主要有3大类，排气节流旁通、变余隙容积（或称补助容积调节）及进气阀卸荷。

这3类方法各自包括多种应用技术，这些应用技术可以单独使用，也可以组合使用。部分行程压开进气阀调节技术是进气阀卸荷类方法之一，余隙无级调节气量节能技术是变余隙容积类方法之一，它们分属不同的类别，但都是目前常用的往复活塞压缩机无级调节气量节能技术。

部分行程压开进气阀调节技术源于国外，在国内推广应用过程中，出于语言理解和习惯方面的差异，逐渐形成了几种不同的名称，其中的压开在某些时候称为顶开，进气阀在某些时候称为吸气阀。奥地利贺尔碧格公司生产的HydroCOM往复式压缩机气量无级调节系统在中国有广泛应用，自 2002-07在国内首次安装试用[3]到 2019年的应用统计数据为449套[4]，是此类技术产品在中国市场的典型代表。

余隙无级调节气量节能技术的关键核心部件——执行机构（调节装置）的国内首个专利技术是武汉理工大学发明的[5]，2009-12在中国石化荆门分公司制氢装置机-1/3压缩机（型号为2D20-23.4/4-27-BX）上得到应用[6-7]，这 也 是 此技术产品在国内的首台套试用。此后十余年来，该技术产品在国内得到了持续的研发、推广和应用，截止2020年底预估的国内应用总量约200台。

往复活塞压缩机无级调节气量节能技术产品的选型、应用和质量评估需要综合考虑多方面的影响因素。为此，笔者收集、翻阅了大量的文献资料，走访和咨询了部分技术研发机构、制造企业及使用单位，获取了技术与产品相关各方的动态信息。文中在此基础上，从作用原理、工艺路线、调节范围、结构特点及压缩机改造部位等方面对部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量节能技术展开对比与分析。

1 2种技术作用原理比较与分析

不同的研究者基于各自的理解对部分行程压开进气阀调节与补助容积调节的作用原理进行了描述，以文献[1]、文献[8]、文献[9]为代表的 3种表述见表1。

表1 文献[1]、文献[8]、文献[9]代表的 3种作用原理

由表 1可知，文献[8]和文献[9]出版时间虽间隔12 a，但它们对2种技术作用原理的阐述基本一致。文献[1]发表于2011年，在2种技术作用原理阐述上虽然与文献[8-9]的文字内容有所不同，但其表述的调节压缩机流量、节能降耗的核心机理是相通的。相比而言，文献[1]的阐述更直观、易懂。由表1还可知，2种技术对压缩机的改造部位不一样，其作用原理也不同。文献[1]给出了基于技术作用原理的指示功图，见图1～图3。结合表1和图1～图3可知，2种技术均是以减少压缩机气缸内被压缩有效介质的量 （此处的量有的采用体积单位，有的可能采用质量单位）为基准、以调节压缩机排气量并实现节能降耗为最终目的。

图1 压缩机实际工作循环指示功图

图2 部分行程压开进气阀调节指示功图

图3 变余隙调节过程的指示功图

2 2种技术工艺路线比较与分析

2.1 压缩机改造内容

流量调节技术在往复活塞压缩机上的应用主要是对在用压缩机的改造。部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量节能技术改造压缩机的位置和作用原理不同，这决定了改造压缩机的工艺路线不会相同。综合文献[4]、文献[10]、文献[11]、文献[12]的技术内容，从工艺路线角度统计和对比压缩机应用2种技术过程中实施的改造要点，见表2。

表2 部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量节能技术工艺路线对比

从表2可见，2种技术的改造部位、技术产品结构形式、改造内容、操控模式及系统运行特点等有着显著不同，技术改造属于2个完全不相同的工艺路线。改造过程中所涉及的制造复杂程度、制造成本、价格及易损件等均不同。

2.2 压缩机改造结果

以2列且每列气缸上带2个进气阀的往复活塞压缩机为例，来比较2种流量调节技术在不同工艺路线下的产品结构。两列往复活塞压缩机的部分行程压开进气阀调节系统工艺流程图见图4[4,10]，余隙无级调节气量节能系统工艺流程图见图5[11-12]，2种流量调节技术在不同工艺路线下的产品结构比较见表3。表3的结果若用于每列气缸上带4个进气阀的往复活塞压缩机时，部分行程压开进气阀调节系统的多项数据均须相应放大到2倍，而余隙无级调节气量节能系统则与压缩机进气阀数量无直接关系。

图4 两列往复活塞压缩机（每列2个进气阀）部分行程压开进气阀调节系统工艺流程图

图5 两列往复活塞压缩机余隙无级调节气量节能系统工艺流程图

表3 2种技术不同工艺路线下的产品结构

从表3可见，由于工艺路线不同，其技术产品结构的配置内容有很大的不同。表3仅是2列且每列气缸上带2个进气阀的往复活塞压缩机采用2种技术产品的配置内容对比，但足以看出部分行程压开进气阀调节系统改造压缩机的部位较多，配置内容较复杂，控制系统逻辑也较复杂。如果每列气缸上是4个进气阀，部分行程压开进气阀调节系统配置中从进气阀至48 V直流电源的11项内容的数据数值就都要再乘以2，部分行程压开进气阀调节系统的控制逻辑将会更复杂。

从表3的系统配置还可以看出，余隙无级调节气量节能系统是一种有别于连通可变补助余隙容积或部分行程连通补助余隙容积概念的新型的技术工艺路线产品。它彻底消除了可变补助容积设备存在的很多缺陷和不足[13-25]，而且改造压缩机的部位较少，只涉及压缩机气缸盖的改造，具有结构简单、控制系统逻辑也简单、系统电机功率小、间歇性运行且自身能耗低等优点。

3 2种技术调节范围对比与分析

3.1 部分行程压开进气阀调节系统

在上世纪末之前，部分行程压开进气阀调节系统的压缩机排气量调节范围主要有2种定义，有文献给出的调节范围是0～100%[26-31]，也有文献给出的调节范围是30%～100%[32-41]。出现这种情况，主要是当时国内科研院所的实验条件有限所致。

本世纪初，我国压缩机领域著名专家郁永章在2000年出版的著作 《容积式压缩机技术手册》[8]中给出了明确定义,用于第一级与末级或用于调节需控制某级间压力的后级，60%～100%连续调节；多级压缩时，当各级都有容积流量调节机构，并且各级协调操作，可以使各级的级间压力不改变，且容积流量可以在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。文献[8]阐述的部分行程压开进气阀调节系统的压缩机排气量调节范围的准确性在应用实践中得到了广泛验证。

文献[3]交流了国内第一套HydroCOM往复式压缩机气量无级调节系统，即部分行程压开进气阀调节系统应用过程中的气量调节范围调整经验。在实践中他们进行了气量调节范围的修改，①延长了机组启动后空负荷运转时间。原设计主电机运转后HydroCOM系统如果正常，则马上自动将负荷从0升至30%。现改为300 s后再自动加负荷。②0到30%自动加负荷时间由5 s延长到30 s，保证机组平稳加负荷，避免了对机组造成过大冲击。

文献[42]介绍了第三柴油加氢装置新氢机无级气量调节系统投用过程中出现的问题和解决办法。新氢机无级气量调节系统投用之初，压缩机最低负荷设定为20%，但在试运行时出现了进气阀温升过快的现象，温升速率达到了20℃/min。经过调试，将正常操作工况下压缩机的负荷确定为一般不低于40%，将最低负荷值相应修改为30%，并在操作规程中标明，严禁新氢机在30%负荷以下长时间运行[42]。

文献[43]交流了气量无级调节系统在4M40压缩机上改造的成功经验。该系统自2013-11初投用以来，状态良好，压缩机运行状态也更加平稳，可实现压缩机 30%～100%负荷无级调节[43]。

文献[44]统计了22套部分行程压开进气阀调节系统应用案例，得出了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进气阀片不能关闭，变成全行程压开，通常规定操作范围为30%～100%的结论。

按照贺尔碧格公司编写的技术资料，部分行程压开进气阀调节系统可以实现气量理论上0～100%的连续调节（实际因压缩机而异，一般在20%～100%）[10]，实现 30%～100%负荷自动状态下的气量无级调节。贺尔碧格公司还建议，压缩机在最低负荷（一般在 30%左右）以上长期运行[45]。

3.2 余隙调节系统

余隙调节系统的压缩机排气量调节范围的确定同样是在争议或分歧中不断得到发展和完善的。文献[8]和文献[9]均将可变补助容积划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，但划分后给出的调节范围有差异。按照文献[8]，连通可变补助余隙容积的调节范围是0～100%，可用于大型工艺用压缩机；部分行程连通补助余隙容积的调节范围是60%～100%，用于大型压缩机。按照文献[9]，连通可变补助余隙容积与部分行程连通补助余隙容积的调节范围是一样的，均为 60%～100%。

余隙无级调节气量节能系统的气量调节范围也与可变补助容积设备有较大不同，现无论是从理论上推导、还是实际应用的实践验证，均已证明其调节双作用往复活塞压缩机排气量的范围在50%～100%是科学、合理的，既能实现，又能稳定可靠运行。文献[46]中的余隙无级调节系统投用后，压缩机负荷调节在55%～75%，电动机功耗由原来的646 kW降至370 kW左右，节电效益可观。文献[47]中的余隙无级调节范围为，压缩机排气量在50%～100%额定负荷内连续可调。文献[48]认为，余隙无级调节系统采用远程DCS操作，操作简单，气量调节灵活，系统稳定可靠。文献[49]证实，压缩机排气量能够在较大范围内无级连续调节，无级调节范围达到了50%～100%，实现了压缩机排气量与压缩机功耗的正比例关系。

4 结语

部分行程压开进气阀调节技术和余隙无级调节气量节能技术是当前发展和应用较好的2种气量无级调节技术，它们在作用原理、工艺路线及调节范围等方面各有优点和缺点。余隙无级调节气量节能技术在产品结构、压缩机改造内容和控制系统等方面要简单些，优于部分行程压开进气阀调节技术。在调节范围方面，部分行程压开进气阀调节技术较余隙无级调节气量节能技术宽一些，但绝大多数的在用往复活塞压缩机在设计之初，一般不会将生产所需负荷设计到低于额定负荷的60%以下，因此，余隙无级调节气量节能技术完全能满足在用往复活塞压缩机的节能改造要求。美国西南研究院对变余隙调节方法进行了调研，认为它是未来很有潜力的技术研究方向之一，但在调节的幅度较大时,会改变压缩机的受力情况，应注意校核[50]。