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（三）

顾兴坤，谢朴贵，曲延鹏

(1.山东易阳石化节能装备有限公司，山东 济南 250101；2.中国石化 青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266500；3.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250062）

在国家大力推广低碳绿色技术的当下，对能耗较大的往复活塞压缩机进行节能改造已是大势所趋，部分行程压开进气阀无级调节技术（某些文献中也称为无级气量调节技术）和余隙无级调节气量节能技术（某些文献中也称为余隙无级调节技术），是当前往复活塞压缩机节能改造应用较多的两大技术[1]。这2种技术均采用液压+PLC电仪控制技术实现技术产品功能的控制，均以减少压缩机入口进气量为目的，通过减少压缩机进气量实现压缩机排气量的无级调节，并在调节范围内达到节能降耗目的[2-3]。但2种技术作用原理有本质不同，因此技术特性也不同，在自身运行能耗、节能效果、易损件和维修周期等方面也存在差异。

部分行程压开进气阀无级调节技术和余隙无级调节气量节能技术的发展已有半个多世纪，目前已发展到与现代化控制技术相结合，但有关2种技术的特性、自身运行能耗、节能效果、易损件及维修周期等方面对比的文献却极少，尤其在选择何种节能技术以及是否能够达到节能改造的最优化目的方面缺乏相关信息。笔者结合2种技术发展多年来形成的最新理论和十多年的技术应用实践，对2种技术进行对比和分析，整理各自的特点、优势和不足，以便相关人员对其进一步的了解、分析和研究，也有利于技术的发展和推广。

1 2种调节技术特性

1.1 工作原理

1.1.1 部分行程压开进气阀调节

当气缸进气接近终了时，进气阀片被强制保持在开启位置。压缩过程的部分行程中，气体从气缸中经被压开的进气阀流回进气管而不被压缩。待活塞运动到预定位置时，压开进气阀片的强制动作消失，进气阀片回落到阀座上，进气阀处于关闭状态，气缸内剩余的气体开始被压缩，达到设定排气压力后从排气阀排出，容积流量减少。通过对进气阀关闭早晚的时间控制，达到容积流量连续调节的目的[4]。部分行程压开进气阀调节的气体指示功图见图 1[1]，压缩机实际工作循环的气体指示功图（全流量或称100%负荷状态）见图 2[1]。图1和图2中，p 为压力，pd为排气压力，ps为进气压力，V为容积，V0为初始余隙容积，Vh为行程容积，数字1～4代表全流量工作循环进气结束点、排气开始点、排气结束点、吸气开始点，数字1′和2′代表部分行程压开进气阀工作循环中进气阀关闭点和排气开始点，字母a～d代表实际工作循环的进气结束点、排气开始点、排气结束点、吸气开始点，字母e～g代表全行程压开进气阀工作循环的进气开始点、进气压力最低点、排气压力最高点。从图1和图2可以看出，部分行程压开进气阀调节系统节省的功主要是压缩阶段因进气量减少而节省的压缩功。

图1 部分行程压开进气阀调节气体指示功图

图2 压缩机实际工作循环气体指示功图

1.1.2 余隙无级调节

余隙无级调节时，气缸工作腔与补助余隙容积腔相通，增加了余隙容积，因而余隙容积系数减小，容积流量降低[4]。通过调节余隙容积的大小，可以对一定范围内的容积流量进行无级调节[5]。余隙无级调节过程的气体指示功图见图 3[1]，图 3中字母b′和d′代表余隙无级调节工作循环中排气开始点和吸气开始点。比较图3与图2可以看出，余隙无级调节系统节省的功既有压缩过程因进气量减少而节省的压缩功，又有来自膨胀过程因余隙腔内气体膨胀未被消耗的功。

图3 余隙无级调节过程气体指示功图

1.2 技术特性对比

对比图1与图3看出，①在压缩机进气过程中，部分行程压开进气阀调节技术气体指示功图是一条不平缓的带弯曲线，说明气缸一开始进气时存在波动、而后平缓。余隙无级调节技术的整个进气过程较平缓。②在介质压缩过程中，采用部分行程压开进气阀调节技术的介质压力先缓慢上升、而后突然陡升。采用余隙无级调节技术的介质压力在整个压缩过程中均为平缓升高。③在压缩机排气过程中，采用部分行程压开进气阀调节技术的介质压力有一个突然下降的拐点，而后平缓下降至介质膨胀的初始压力。采用余隙无级调节技术的介质压力平缓下降。④在压缩介质膨胀过程中，采用部分行程压开进气阀调节技术的压缩介质膨胀速度要快于余隙无级调节技术的，采用余隙无级调节技术的介质膨胀过程依然比较平缓。

基于以上分析，在气体介质的一个工作循环中，余隙无级调节过程均平缓、稳定，对压缩机各运动部件及自身系统的部件均有利。图1～图3可以说明，余隙无级调节的一些技术特性要优于部分行程压开进气阀调节的技术特性。

2 2种调节技术自身运行能耗

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在往复活塞压缩机的节能改造中都有较好的表现，但很多业主主要关注了压缩机系统自身节能量标定考核，而对2种调节技术系统自身运行能耗关注较少，甚至不予考核。笔者认为，这是不科学、也不合理的认识和表现[6-8]。

2种调节技术产品的耗电设备技术参数统计和对比见表1[2，3，5，9-10]。

表1 2种调节技术产品耗电设备技术参数统计及对比

从表1可见，部分行程压开进气阀调节技术产品的自身能耗相当大，约为余隙无级调节气量节能技术最大功率（3 kW）电机能耗的3～6倍，这是由其产品的结构型式所决定的，很难改进。余隙无级调节气量节能技术自身能耗具有较大优势。

3 2种调节技术节能效果

评价某种技术的节能效果时，不但要评价该技术产生的节能效果，还要评价技术产品自身能源消耗情况，这才符合国家相关标准要求[6-8]。因此，应以如下公式为基准，对某技术的节能效果（即节能量E）进行标定和计算：

式中，E1为压缩机改造前满负荷下的耗能量，E2为压缩机节能改造后运行负荷下的耗能量，E3为技术产品自身耗能量。

由于部分行程压开进气阀调节技术的特性，其进气阀的开启总有一定的滞后，此刻气缸的介质压力低于进气管道内的介质压力，还需克服气阀弹簧力、阀片的惯性以及气体流动阻力，因此产生了进气阀功效损失（俗称阀损），也增加了压缩机的功耗[11-12]，进而使该技术的节能效果受到影响。部分行程压开进气阀调节技术气阀功效损失构成见图4，示功图上的气阀功效损失见图5[13]。

图4 部分行程压开进气阀调节技术气阀功效损失构成

图5 部分行程压开进气阀调节技术示功图上的气阀功效损失

余隙无级调节气量节能技术改造的是压缩机盖侧的气缸盖，而且其执行机构余隙腔缸筒内径与气缸盖处气缸内径基本一致，气体进出余隙腔基本无气体流动阻力损失。采用余隙无级调节气量节能技术改造的压缩机，依然使用以前的普通进气阀和排气阀，这些普通进气阀与部分行程压开进气阀调节技术的进气阀的结构型式和功能截然不同，普通进气阀无需气体回流功能，其存在的阀损几乎可以忽略不计。因此，余隙无级调节气量节能技术的气体流动阻力、阀损完全可以忽略不计。

根据前述技术特性和自身运行能耗的分析不难看出，对同一台往复活塞压缩机，在同一可调节负荷下，余隙无级调节气量节能技术的节能效果要优于部分行程压开进气阀调节技术的节能效果。这一结论也得到了技术使用单位对技术产品的考核标定印证[14]。

4 2种调节技术易损件及维护周期

4.1 部分行程压开进气阀无级调节技术

部分行程压开进气阀调节系统的核心设备主要是气阀（包含进气阀和排气阀）、卸荷器及执行机构[15-20]，见图6和图7[21-22]。气阀是往复式压缩机最关键的零部件，也是故障率最高的部件，它对压缩机运行的经济性和可靠性有着关键影响，因气阀原因引起的压缩机故障停车时间占压缩机整个停车时间的 40%～90%[23-26]，因气阀原因导致的压缩机故障约占故障总数的36%[27-31]。这主要是由于气阀、卸荷器和执行机构与压缩机活塞一样均属于高速运动部件，需时刻与压缩机活塞保持在同一频率下运行，每天24 h内均处于高速运动状态中，势必会因部件之间相互摩擦、损耗等结构性机械损伤而造成气阀、卸荷器和执行机构故障。气阀、卸荷器和执行机构是由少则几个、多则几十个的高速运动部件组成，这就加大了气阀、卸荷器和执行机构等发生故障的频次。而任何一个运动部件的损坏，都会导致整个系统不能正常工作，进而影响压缩机的节能效果。

图6 部分行程压开进气阀调节系统核心设备组成

图7 部分行程压开进气阀调节系统执行机构组成

从部分行程压开进气阀调节系统核心设备的运行特点、故障可能的概率和程度及其核心设备结构看，气阀、卸荷器和执行机构均属于易损件，如果把气阀、卸荷器和执行机构称之为大易损件，那么其各自结构内的零部件可称为小易损件。

为确保部分行程压开进气阀调节系统能够长周期稳定运行，技术厂家一般会向使用单位提出严格的维护周期建议和维护方案[32]。近几年通过新技术、新材料的研发[33]，已经将气阀、卸荷器以及执行机构等的小维护周期从8 000 h提升到12 000～16 000 h（最多2 a），大维护周期一般控制在 24 000～32 000 h（最多 5 a）[32]。

4.2 余隙无级调节气量节能技术

余隙无级调节系统的核心设备是余隙调节执行机构，由液压缸、余隙缸、冷却水套、安装螺栓、密封组件和传感器组等组成，见图8和图9。余隙调节执行机构的易损件是其内部的密封组件[3，5，34-36]，它没有高速运动的部件和电气等易损部件[37-40]。

图8 余隙无级调节气量节能系统执行机构

图9 余隙无级调节气量节能系统执行机构剖视图

根据笔者调研和从用户处得到的信息，只要余隙调节执行机构的密封组件材质和型号等选择得当，并选择品牌制造商产品，其使用寿命有的可超过5 a。这主要是因为余隙调节较稳定，一般几个月或1 a内只调节1次，其它工作时间内只要稳定在某一余隙负荷下即可。余隙负荷调节的频次完全取决于后续生产工艺的要求，若后续生产装置长时间运行在某一工艺负荷下，余隙负荷也就会稳定在相对应的某一负荷下，无需再调节，所以余隙调节执行机构的易损件——密封组件也就长时间不运行，在一定时间内无摩擦、无损耗，使用寿命和维护周期均会很长[41-46]。

4.3 对比

对于2种技术的液压油站系统、PLC控制系统及其安装施工材料等，只要选择的材料符合压缩机设备现场要求，并选择品牌制造商供货，其易损件的使用寿命自然会长一些，2种技术的子系统易损件无明显差别。

基于以上分析可以看出，部分行程压开进气阀调节技术产品制造要求较高、易损件较多且易损件的使用寿命较短，故其易损件的维修成本较高。而余隙无级调节气量节能技术产品，特别是其执行机构虽然结构显得笨重，但其制造精度要求要低于部分行程压开进气阀调节技术对气阀、卸荷器及其执行机构的制造精度要求，易损件较少，易损件使用寿命较长，易损件维修成本也较低[47-51]。

5 结语

通过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在技术特性、自身运行能耗、节能效果、易损件和维修周期方面的对比与分析可知，作为当前发展较成熟和应用较多的2种气量无级调节技术，其各有优点和缺点。运用技术发展理论和技术实践应用相结合的原则，并结合大量的文献分析证明，由于2种技术原理和特性的不同，余隙无级调节气量节能技术在自身运行能耗、节能效果、易损件和维修周期方面均优于部分行程压开进气阀调节技术，并得到了某些技术使用单位的考核标定印证。依据国家有关标准，给出了技术节能效果标定考核的建议和节能量计算公式，以期某些技术使用单位采用科学、合理的方法完善节能技术的考核标定。