往复活塞式压缩机余隙无级调节气量节能技术的应用进展

顾兴坤，曲延鹏，刘 燕

(1.山东易阳石化节能装备有限公司，山东 济南 250101；2.山东大学机械工程学院，山东 济南 250062)

1 引言

压缩机是一种通过压缩气体提高气体压力的机械设备，产品和技术广泛应用于石油、天然气、化工、冶金、电力、交通、电子、船舶、纺织、食品、医药、城市基础设施建设、国防等很多领域，在国民经济的发展中发挥着重要作用[1]，其中，往复活塞式压缩机在多领域生产中应用较为广泛，属于高耗能的关键设备；这主要是由于生产工艺的波动导致与初始设计参数不符，造成很多往复活塞式压缩机存在能源利用效率低、无用功耗大等问题。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中要求“十四五”期间“生产生活方式绿色转型成效显著，能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%，主要污染物排放总量持续减少”，并在“持续改善环境质量”方面“坚持节能优先方针，深化工业、建筑、交通等领域和公共机构节能”[2]。因此，对往复活塞式压缩机进行节能改造，降低或消除无用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我国在“十四五”期间急需深化解决的问题之一。

往复活塞式压缩机余隙无级调节气量节能技术近年来得到了较好发展和应用，但是很多领域的设备管理等技术或科技人员对它的认识依然还停留在21世纪10年代之前，认为其结构笨重、调节范围小、调节精度低、响应速度慢、可靠性较差、易损件多、难以维护、手动调节困难且须压缩机停机后才能调节等[3-15]。这些十几年前余隙调节技术的缺陷和不足，在最近几年的一些科技论文中依然频繁出现，这些片面甚至错误的认知将严重影响或说严重阻碍余隙无级调节技术的进步、发展和应用。

现已推广使用近十余年的余隙无级调节气量技术，具有结构简单、便于安装，调节范围适宜、实现了伺服无级调节，多种操控模式、参数设置灵活，调节精度高、调节响应速度适中，易损件少、使用寿命长、基本免维护、安全可靠性高，节能效率高、能最大化地实现压缩机的节能降耗等诸多优点[16-25]。

对往复活塞式压缩机余隙无级调节气量节能技术的发展进行探讨和分析，目的就是客观、公正、详实地把余隙调节技术的发展历程、发展现状、现技术应用特性等研究结果呈现给广大设备管理等技术人员和专家学者，期望共同分享先进节能技术的最新成果，并能有助于余隙无级调节气量节能技术的推广和应用，有助于该技术进一步的发展和创新，有助于提高往复活塞式压缩机的能源利用效率，能为我国降低二氧化碳排放目标的实现添砖加瓦。

2 技术发展历史

往复活塞式压缩机的气量调节方法有很多种，在1974年之前，国内使用的可独立进行气量调节的装置就有13种、某两种独立调节装置又可组合成4种综合调节装置；其中，作用于气缸腔内的5种调节装置中的“固定补助余隙容积调节装置”和“可变补助余隙容积调节装置”均为余隙调节装置，它们在较早的时候就已被采用[26]。

当时的固定补助余隙调节装置和可变补助余隙调节装置，虽具有较好的经济性和节能降耗的特点，但有一些不足之处，比如结构较复杂、笨重、调节精度低和调节比较困难(需压缩机处于停运状态方可手动调节)，以致于配置了这种装置的压缩机用户，让这些装置经常处于闲置状态。

我们查阅了2012年及之前的国内著名的一些文献[27-30]，国内余隙调节技术在1974年之后的近三十多年的时间内无创新性发展的信息披露。

在国外，自上世纪中期就已广泛应用固定或可变补助余隙容积装置[31]，至今，我国进口的往复活塞式压缩机上大多数配置只调节一级气缸的手动可变余隙容积装置，气量调节范围一般在80%～100%[32]，如图1。

图1 进口压缩机配置的可调余隙装置

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[33]，其调节气量范围设计在60%～100%，这也是我们已知的国际上具有里程碑意义的首套液压式无级可调容积式余隙腔专利技术，该技术产品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，介绍其HVVCP的气量调节范围设计在55%～100%[34]，但至今在中国没有查询到对该公司HVVCP产品的应用报道。

图2 Dresser-Rand Company液压式无级可调容积式余隙腔装置在美国的应用实例

目前，国内制造的往复活塞式压缩机上配置固定余隙装置已很少见，配置诸如图3所示手动可调余隙装置的还有，这可能与客户应用现场条件或环境要求有关、也可能与新技术产品推广力度不够有关，但手动可调余隙装置已不是当今气量调节应用的主流。

2009年12月，国内将可变补助余隙容积装置创新性地“升级”为电液式余隙无级调节系统，该系统的首台套成功得到应用，并取得良好节能效果[35，36]。对于余隙调节气量技术的发展，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[37]。

3 技术发展现状

国产电液式余隙无级调节系统在近五年多的时间内得到较快发展，全国范围内关于余隙无级调节的专利技术已超过五十多件，关于余隙无级调节技术应用的论文也超过了五十多篇，现在每年都有关于余隙无级调节技术的专利申请及技术应用论文的发表、而且都给出了较高评价。

国产余隙无级调节装置已同电仪+PLC+液压控制系统相结合，实现了远程自动实时的无级伺服调控，控制精度较高、达到2‰～3‰。国内余隙无级调节装置的核心设备——执行机构，其特点是：结构简单、易损件少、拆装便捷、控制精度高、无高速运动部件、基本免维护、维修简便、维修速度快(不足一天)、使用寿命长、安全可靠性高、压缩机输出气量稳定、节能效率较高、性价比高，等[17-25]，参见图3。

图3 国产余隙无级调节气量节能系统执行机构示意图

当前，国产余隙无级调节技术不但解决了无级调节和伺服级控制的技术问题，而且其调节范围从理论上推导和计算来讲：对双作用压缩机来讲，可达50%～100%；对单作用压缩机来讲，为0%～100%[38-40]；因此，该技术的气量调节范围比较适宜，能满足绝大多数往复活塞式压缩机节能改造的要求，因为压缩机后续生产工艺极少能按照低于60%额定负荷运行去设计压缩机，这也就确保了压缩机在低于60%额定负荷长周期运行的可能性大大降低。客户的现场实际应用也验证了前述推算[39，40]。

截止2020年底，国内余隙无级调节气量节能技术已推广应用了11年，利用该技术节能改造的往复活塞式压缩机约200台左右。据反映，客户只要使用过该技术产品，3年内就会发现该技术产品以上的诸多优点。经实地考察，了解到中国石化集团某分公司从2013年至2020年的七年间，利用该技术已累计节能改造了9台往复活塞式压缩机，取得了较好的经济和社会效益，深受客户称赞，见表1。这也足以印证了该技术的过硬特点之处。

表1 中国石化集团某分公司往复活塞式压缩机余隙无级调节气量节能技术改造情况

余隙无级调节气量节能技术在2009～2020年间的11年发展过程中，该技术产品也出现过：执行机构活塞杆断裂、余隙活塞脱落、油缸筒或余隙缸筒胀裂、缸筒镀层损坏、装配或安装螺栓蹦断、控制箱爆燃、控制油管线或卡套接头崩开、密封组件使用寿命未达到技术协议要求使用年限，等的严重事故，给使用客户造成了不小的经济损失和精神伤害，也产生了对该技术还不成熟的怀疑，甚至出现了对该技术完全否定的态度。但从前述事故现象看，这主要是制造商的产品质量所致，不应质疑该技术。

在具体的客户应用实践中，有的余隙无级调节系统执行机构较长，这主要是因为压缩机的压缩比较小所致，而且大都是一级两列往复活塞式压缩机出现的情况。对于这种情况，只要其安装和检修空间足够，采用余隙无级调节技术仍具有实施的必要性。

4 技术特性

余隙无级调节气量节能技术在十余年的创新发展的过程中，不断消除“固定补助余隙容积调节”和“可变补助余隙容积调节”技术的缺点和缺陷，特别是以往那种靠压缩机停机后人工手动才能完成负荷调节操作的状况被彻底改变，不但实现了负荷的无级伺服调节，而且调节精度高、安全可靠性高、稳定性高，等。这一调控技术的突破，受益于现代科学技术的发展，它采用了液压电磁阀控制技术+电气仪表控制技术+PLC+人机对话平台等的综合控制技术，通过调节余隙活塞位移，实现补助余隙容积的改变，进而达到改变压缩机气缸入口容积流量的变化，并最终实现压缩机排气量的调节和最大化节能降耗的目的。余隙无级调节气量节能技术的部分特性指标，见表2。

现阶段余隙无级调节气量节能技术除了表2中的一些特性指标外，某些论文给出了余隙无级调节技术另外的一些特性指标：“能实现压缩机平稳开启、平稳切换和停机，同时可实现较短时间内不停机即可实现维修控制系统”[41-43]；“随着压缩功的降低，压缩机曲轴、连杆机构等零部件的受力也将大大降低，噪声也会随之降低；压缩机振动减小；设备运行更加稳定可靠”[44-47]。

表2 余隙无级调节气量节能技术特性指标

随着余隙无级调节技术的深入研究和发展，某些特性指标将会得到进一步理论推导和实践验证。

5 结语

余隙无级调节气量节能技术只有在不断创新发展的过程中不断自我革新，才能适应时代和社会发展的要求；对往复活塞式压缩机余隙无级调节气量节能技术的发展进行研究，可以佐证余隙无级调节技术已不是人们很早以前了解的那个笨重、易损件多、调节困难等的技术，而且还佐证了新技术产品的诸多优异特性对节能改造后的压缩机具有较好优化和保护。余隙无级调节技术具有的高安全可靠性、高性价比和高的压缩机能源利用效率及能实现最大化压缩机节能降耗，将更有利于增加客户的经济和社会效益，同时，也有利于国家降低二氧化碳排放目标的实现。