東南電化股份有限公司 范建軍

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合成氨壓縮機中的平衡段

東南電化股份有限公司 范建軍

簡要闡述合成氨壓縮機中平衡段的由來、作用和優(yōu)缺點，及其內(nèi)在泄漏對壓縮機整體效率的影響。

合成氨壓縮機 平衡段 泄漏 處理

1 概述

隨著多種4萬噸/年合成氨壓縮機的面市，6列布置的6M50機型越來越多，但大多數(shù)現(xiàn)行的尿素流程壓縮機都采用7級設(shè)計，由于對稱平衡式壓縮機結(jié)構(gòu)只能安排偶數(shù)列氣缸，于是圍繞著如何在6列機身中布置出7個氣缸的要求，串聯(lián)式和倒級差式的氣缸結(jié)構(gòu)被多家壓縮機廠家所采用。本文僅從各種氣缸結(jié)構(gòu)泄漏量的分析來比較其合理性。

2 氣缸的泄漏系數(shù)

壓縮機帶上平衡段就會增加泄漏量，這幾乎已形成了一種思維的定勢。其實，壓縮機氣缸內(nèi)的密封件都存在著一定的泄漏，它包括活塞環(huán)、填料和氣閥。而平衡段的泄漏實質(zhì)上就是活塞環(huán)的泄漏。本文將對各種氣缸形式中活塞環(huán)和填料的泄漏量進行比較，而對不受氣缸形式影響的氣閥不作討論。

在一個標準的雙作用氣缸中，除氣閥以外，泄漏量最大的是活塞環(huán)：

活塞環(huán)的泄漏量=0.003×(1+log?P)×100%

填料的泄漏量=0.0005×logPd×100%

式中，?P=Pd–Ps，Pd——排氣壓力，Ps——吸氣壓力。

以一個吸氣壓力Ps=26Bar，排氣壓力Pd=54Bar的雙作用氣缸為例，其活塞環(huán)的泄漏量為0.734%，填料的泄漏量為0.087%。

若該級的軸功率為530kW，則

活塞環(huán)的泄漏功耗=530×0.734%=3.890kW

填料的泄漏功耗=530×0.087%=0.461kW

活塞環(huán)的泄漏量取決于其兩端的壓差。

2.1 平衡段泄漏問題的由來

早期的合成氨壓縮機，如H223，由于受制造能力的限制，只能在4列的往復(fù)式結(jié)構(gòu)中布置出6個氣缸，因此不得不采用圖1所示的級差式結(jié)構(gòu)。將高壓側(cè)的兩列氣缸布置成4個單作用的氣缸組合，3級和5級組成3-5級差氣缸，4級和6級則組成4-6級差氣缸。由于一組氣缸蓋側(cè)和軸側(cè)的直徑不同，中間必定形成環(huán)形臺階，利用這一環(huán)形面積又可以巧妙地通過接入不同的壓力來做成平衡段調(diào)整活塞力。但遺憾的是H223各段級間壓力接入平衡段后都會使活塞力大大超標，只有接入一級入口壓力時才能將活塞桿受力平衡在22噸以下。這使級差式結(jié)構(gòu)的泄漏量達到了最大。

圖1 級差式氣缸

表1 H223各級吸排氣壓力和指示功率

在4~6級差氣缸的平衡段處接入1級的入口壓力后，6級活塞環(huán)兩側(cè)的壓差等同于6級的排氣壓力，氣體便直接通過該活塞環(huán)漏向平衡段而回流一級，泄漏量達到最大。其中

6級活塞環(huán)泄漏量=0.003×(1+log319.98)×100%=1.05%

氣源從大氣壓經(jīng)1至6級壓縮到321Bar，壓縮機共做功2248kW，故6級活塞環(huán)泄漏所消耗功=0.0105×2248=23.56 kW。

4級活塞環(huán)泄漏量=0.003×(1+log46.48)×100%=0.8%。

氣源從大氣壓經(jīng)1至4級壓縮到47.5Bar，壓縮機共做功1585kW，故4級活塞環(huán)泄漏所消耗功=0.008×1585=12.77kW。

同樣，3~5級氣缸也將平衡段接入了1級入口，氣源從大氣壓經(jīng)1至5級壓縮到130Bar，壓縮機共做功1922kW，經(jīng)1至3級壓縮到22Bar，壓縮機做功1247kW，故得：

5級活塞環(huán)泄漏所消耗功=17.92kW；

3級活塞環(huán)泄漏所消耗功=8.62kW。

兩個平衡段合計因活塞環(huán)泄漏而耗功62.87kW，占整機指示功率的2.8%。若將3至6級全改成雙作用氣缸而取消平衡段，不但可以提高H223壓縮機的輸氣量，還可減少活塞環(huán)的泄漏近50kW。

2.2 串聯(lián)式雙作用氣缸（葫蘆串型）

隨著壓縮機技術(shù)的發(fā)展，6列機身的壓縮機6M25、6M32在制造工藝上已不存在問題，普遍以雙作用氣缸來取代H223的級差式氣缸，產(chǎn)量也由H223的2萬噸/年發(fā)展到6M25的2.5萬噸/年合成氨。

但在雙加壓尿素流程中，壓縮機被要求設(shè)計成7級壓縮，這樣原來的6列機身又不夠用了，做成7列則勢必會提高壓縮機的成本，且第4、第5級的功率只占其余各級的一半，單獨設(shè)計成一列顯得不夠經(jīng)濟，若將其合并在一列中則是最理想的方案?？晒┻x擇的方案有兩個，其一是將兩個雙作用的4、5級氣缸串聯(lián)組成一列（如圖2所示），其二是將兩個單作用4、5級氣缸進行倒級差組合（如圖3所示），蓋側(cè)設(shè)置一個4級單作用氣缸，軸側(cè)設(shè)置一個5級單作用氣缸，最內(nèi)側(cè)5級缸徑與活塞桿直徑表面間的環(huán)形面積設(shè)置一個平衡段，接到4級入口壓力。

圖2 串聯(lián)式雙作用氣缸

圖3 倒級差式氣缸

2.3 倒級差結(jié)構(gòu)的泄漏量

盡管倒級差結(jié)構(gòu)存在平衡段，但其泄漏量較之H223平衡段的泄漏量已大幅降低，圖3結(jié)構(gòu)中五級排氣壓力在50Bar左右，其外側(cè)活塞環(huán)漏向四級氣缸的吸氣壓力，內(nèi)側(cè)活塞環(huán)也漏向平衡段的四級吸氣壓力，其中

5-4級差活塞環(huán)泄漏量=0.003×(1+ log 35.23)×100%=0.76%

平衡段活塞環(huán)泄漏量=0.003×(1+ log 35.23)×100%=0.76%

其4-5級倒級差的泄漏功率：

5-4級差活塞環(huán)泄漏功耗=0.0076×(619.16+466.13)=8.25kW

平衡段活塞環(huán)泄漏功耗=0.0076×(619.16+466.13)=8.25kW

泄漏功耗總量=16.5 kW

相比串聯(lián)式雙作用氣缸4級和5級的泄漏量：

4級活塞環(huán)泄漏量=0.58，4級活塞環(huán)泄漏功耗=2.12kW；

5級活塞環(huán)泄漏量=0.74，5級活塞環(huán)泄漏功耗=3.95kW；

4級、5級活塞環(huán)泄漏功耗總量=6.07 kW。

扣除串聯(lián)式雙作用結(jié)構(gòu)中4、5級間多出的一套填料的泄漏量，4-5級間填料的泄漏量=0.08%；4-5級間填料的泄漏功耗=0.72kW。

倒級差結(jié)構(gòu)比串聯(lián)式雙作用結(jié)構(gòu)多耗功：16.5-6.07-0.72= 9.71kW；占總指示功率比重=9.71÷4868.85×100%=0.2%。

顯然，因為倒級差結(jié)構(gòu)將4-5級氣缸的平衡段壓力提高到了4級入口，使平衡段活塞環(huán)兩端的壓差比H223平衡段接1級入口時減小了近90%，故其0.2%的泄漏功耗較H223的2.8%也有明顯減少。

2.4 兩種氣缸結(jié)構(gòu)的泄漏量比較

較之串聯(lián)式雙作用氣缸，倒級差結(jié)構(gòu)泄漏量高出9.71kW，但只占總功率的0.2%，且倒級差氣缸的結(jié)構(gòu)要比串聯(lián)式雙作用結(jié)構(gòu)簡單，日常維護時拆卸安裝方便，因此，倒級差式氣缸也具有很大的市場。

表2 4、5級采用雙作用氣缸串聯(lián)結(jié)構(gòu)的泄漏量

表3 4、5級采用單作用氣缸倒級差布局的泄漏量

2.5 為高壓平衡式結(jié)構(gòu)正名

合成氨壓縮機最后一級的排氣壓力通常要壓到320Bar，此時的體積流量已經(jīng)很小，由于活塞桿面積相對氣缸面積已經(jīng)大到不容忽視了，因此氣缸蓋軸兩側(cè)的面積差變大，活塞力很難平衡，采用蓋側(cè)單作用的高壓平衡式結(jié)構(gòu)作高壓氣缸已是非常多見。所謂的高壓平衡式結(jié)構(gòu)，那只是一種氣缸的50%卸荷方式，只是因為其名稱中帶有平衡二字而給人以泄漏量大的印象。其實，高壓平衡式結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)泄漏量比普通的雙作用氣缸還低。

高壓平衡式結(jié)構(gòu)來源于往復(fù)壓縮機的排氣閥卸荷方式，一般認為，往復(fù)式壓縮機的流量控制比較困難，在功能配置較完整的控制系統(tǒng)中，壓縮機可以通過打通吸氣閥（如圖4所示）或排氣閥的方法，使氣缸內(nèi)的壓力始終等同于氣缸吸氣口或排氣口的壓力，以致氣閥無法建立前后壓差而自動開閉閥片，氣缸因排氣口無氣體流出而卸荷。通過單獨控制一側(cè)的氣閥通道使雙作用氣缸僅完成單作用氣缸的排氣能力，或短時不作用。

圖4 吸氣閥卸荷式流量控制

早在上世紀80年代后期，在設(shè)計開發(fā)MH型6列6級12500噸合成氨壓縮機時，第一次遇到了單列高壓小氣缸的活塞力平衡問題，由于第6級（最后一級）氣缸直徑較小，蓋、軸側(cè)活塞面積因活塞桿的存在而產(chǎn)生較大的面積差，這樣在工作壓力較高時會使活塞力的推拉值差變大，反向角變小。為此，設(shè)計者借鑒了氣缸的排氣閥卸荷原理，使軸側(cè)的氣缸容積與排氣口連通，氣缸由雙作用轉(zhuǎn)變成了單作用形式（如圖5所示），因此加大了氣缸直徑，改善了推拉活塞力的平衡，反向角也明顯增大。又由于軸側(cè)的活塞桿占去了部分面積，即便軸側(cè)接入本級的排氣壓力也能使活塞力得到平衡。

圖5 高壓平衡式氣缸

由于將其命名為“排氣閥卸荷式氣缸”不如“高壓平衡式氣缸”容易，使其一直背上了泄漏量大的罪名。其泄漏量可按下式計算：

活塞環(huán)的泄漏量=0.003×(1+log?P)×100%

?P為本級吸排氣壓差，它顯然和普通雙作用氣缸的活塞環(huán)泄漏量計算相同。由于其排氣行程的最終壓力和活塞環(huán)另一側(cè)的壓力相等，故實際泄漏量會比雙作用氣缸更小。

3 結(jié)論

平衡段起源于早期蘇聯(lián)引進的G型和P型壓縮機，隨著機加工能力的不斷提高，現(xiàn)代多列平衡式壓縮機已經(jīng)成為主流，但中國特殊的合成氨流程還是需要用到級差式氣缸和平衡段結(jié)構(gòu)。不斷研究開發(fā)泄漏量小、活塞力均衡且安裝方便的級差式氣缸，有利于提高壓縮機的可靠性和性價比，各種優(yōu)秀的級差式氣缸結(jié)構(gòu)將成為中國合成氨壓縮機的特色。