武紅勝 呂剛（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

氣體參數(shù)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)功率的影響

武紅勝 呂剛（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

壓縮機(jī)是石化行業(yè)中常用的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是電能消耗高的設(shè)備。文中以往復(fù)式壓縮機(jī)為例，重點(diǎn)分析了壓縮機(jī)入口氣體壓力、出口氣體壓力及出口氣體溫度對(duì)壓縮機(jī)功率的影響，為選取相匹配的設(shè)備，達(dá)到降低成本、節(jié)能降耗的目的提供了依據(jù)。

往復(fù)式壓縮機(jī) 功率 壓力 溫度

壓縮機(jī)在眾多行業(yè)中是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，因其用途廣泛而被稱為“通用機(jī)械”。按其原理可分為：往復(fù)式（活塞式）壓縮機(jī)、回轉(zhuǎn)式（旋轉(zhuǎn)式）壓縮機(jī)、渦輪式（水環(huán)式、透平）壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、噴射式壓縮機(jī)及螺桿壓縮機(jī)等，其中應(yīng)用最為廣泛的是往復(fù)式（活塞式）壓縮機(jī)。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)主要由工作部件（氣缸、氣閥、活塞組件及填料等）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（曲軸、連桿及活塞）、機(jī)身及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，見圖1。

圖1 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)簡圖

當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積內(nèi)便發(fā)生周期性變化?；钊麖臍飧咨w處（外止點(diǎn)）開始向右運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)外界氣體沿進(jìn)氣管推開進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，直到活塞達(dá)到最右位置（內(nèi)止點(diǎn)）時(shí)工作容積為最大，這時(shí)進(jìn)氣閥開始關(guān)閉。然后活塞開始向左運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力逐漸升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略微高于排氣壓力時(shí)，氣體把排氣閥打開，并進(jìn)入排氣管，直到活塞運(yùn)動(dòng)到最左位置時(shí)，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞再次向右運(yùn)動(dòng)，上述過程重復(fù)出現(xiàn)。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個(gè)工作循環(huán)。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)的性能參數(shù)

2.1 壓縮機(jī)的排氣壓力

往復(fù)式壓縮機(jī)的排氣壓力是由背壓（排氣系統(tǒng)壓力）決定的。壓縮機(jī)銘牌上的壓力是指設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)工作壓力（額定壓力），而實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)排氣壓力取決于排氣系統(tǒng)。如果生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中操作失調(diào)，壓縮機(jī)的排氣量大于系統(tǒng)的實(shí)際需求量，則背壓升高，于是壓縮機(jī)排氣壓力也隨之升高。反之，如果壓縮機(jī)排氣量供不應(yīng)求，則排氣壓力下降。只有在氣量供需保持相等時(shí)，排氣壓力才能穩(wěn)定。因此壓縮機(jī)常附設(shè)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使氣量的供需協(xié)調(diào)，這樣才能保持壓縮機(jī)的壓力穩(wěn)定，操作平穩(wěn)。

2.2 壓縮機(jī)的排氣溫度

氣體受到壓縮時(shí)，氣體的溫度會(huì)升高，壓縮后氣體的溫度為：

式中：P1——進(jìn)氣壓力；

P2——排氣壓力；m ——多變指數(shù)。

對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)，m值一般是從實(shí)測氣缸示功圖上獲得，或者通過驗(yàn)算壓縮機(jī)的操作數(shù)據(jù)而得；對(duì)離心式壓縮機(jī)，m值也是通過測量級(jí)的進(jìn)、出口氣體壓力和溫度而求得。這樣所得到的m值只是平均意義上的近似值。把壓縮過程看作近似的絕熱過程，m可用絕熱指數(shù)代替。壓縮比越大或氣缸冷卻效果越差，則排氣溫度越高，然而壓縮機(jī)的排氣溫度是有限制的。

對(duì)于帶潤滑油的空氣壓縮機(jī)，排氣溫度過高會(huì)使?jié)櫥宛ざ冉档?、潤滑效果變差，并使?jié)櫥头纸獬龅膿]發(fā)組分在氣閥、管道中形成“積碳”。積碳在高溫下氧化可能產(chǎn)生爆炸，造成嚴(yán)重事故，所以一般將往復(fù)式壓縮機(jī)排氣溫度控制在160～180℃，比潤滑油的閃點(diǎn)低30～35℃。

壓縮機(jī)的排氣溫度是檢查機(jī)器是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)敏感參數(shù)。如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)排氣異常高溫，必須認(rèn)真對(duì)待。如果不是因工況變化，或冷卻不良，則可能是氣閥、填料函或活塞環(huán)這些易損件出現(xiàn)故障所致，應(yīng)及時(shí)處理。

2.3 壓縮機(jī)的功率

（1）指示功率：雙作用壓縮機(jī)指示功率為兩工作室功率之和，多級(jí)壓縮機(jī)指示功率為各級(jí)指示功率之和。指示功率實(shí)際上就是壓縮機(jī)活塞作用于氣體的功率，屬于內(nèi)部功。

（2）軸功率：驅(qū)動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）傳給壓縮機(jī)主軸的功率，它除了提供內(nèi)部功率外還要克服活塞與氣缸、活塞桿與填料函、十字頭與滑道、連桿與十字頭銷及曲柄銷、主軸與軸承等摩擦副之間的機(jī)械摩擦損失。如果主軸同時(shí)要驅(qū)動(dòng)油泵、注油器或風(fēng)扇等，這些設(shè)備也要耗一些軸功率。

2.4 壓縮機(jī)的效率

悅管家從成立之初就帶著“‘服務(wù)+科技’改造服務(wù)行業(yè)”的強(qiáng)烈使命感，這與悅管家的高管團(tuán)隊(duì)過去曾管理過數(shù)萬名服務(wù)人員有關(guān)，CEO劉珺曾在銀泰、百盛擔(dān)任高管多年，其他高管也多來自于零售和電商行業(yè)，深刻理解服務(wù)結(jié)合科技之后產(chǎn)生的疊加效應(yīng)。如今，用科技為家庭和企業(yè)后勤服務(wù)賦能的悅管家，經(jīng)過三年的成長，成為新服務(wù)的標(biāo)桿，并向著更高的服務(wù)品質(zhì)開始升級(jí)。

（1）壓縮機(jī)的指示效率：壓縮機(jī)的理論壓縮循環(huán)功（或功率）與實(shí)際壓縮循環(huán)指示功（或指示功率）之比，由它可大致看出壓縮機(jī)的能量損耗（主要是氣閥阻力）以及實(shí)際壓縮和膨脹過程與理論過程的差異等。根據(jù)作為對(duì)比項(xiàng)的理論壓縮循環(huán)的不同，指示效率可分為等溫指示效率和等熵指示效率。

（2）壓縮機(jī)的等溫指示效率：等溫壓縮循環(huán)的理論功率與軸功率之比。

（3）壓縮機(jī)的等熵指示效率：等熵壓縮循環(huán)的理論功率與軸功率之比。

壓縮機(jī)的等溫效率和等熵效率不僅反映了壓縮機(jī)缸內(nèi)的壓縮循環(huán)功率，還同時(shí)考慮了運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的機(jī)械摩擦損失的影響。大多數(shù)壓縮機(jī)的多變指數(shù)接近于等熵指數(shù)，故常用等熵效率來表示。

3 影響往復(fù)式壓縮機(jī)功率的因素

壓縮機(jī)功率主要受壓縮機(jī)入口氣體壓力與壓縮后氣體溫度的影響。

3.1 壓縮機(jī)入口氣體壓力

圖2 壓縮機(jī)的功率隨一級(jí)入口壓力的變化曲線

3.2 壓縮機(jī)一級(jí)出口壓力

對(duì)于二級(jí)壓縮的往復(fù)式壓縮機(jī)來說，一級(jí)出口壓力即為二級(jí)入口壓力，一級(jí)出口壓力的變化會(huì)影響一級(jí)壓縮機(jī)的功率，同時(shí)也會(huì)影響二級(jí)壓縮機(jī)的功率。在其他條件不變的情況下，增加一級(jí)出口壓力，會(huì)使一級(jí)壓縮機(jī)的功率增加、二級(jí)壓縮機(jī)的功率減少。

圖3為一級(jí)壓縮機(jī)的功率隨一級(jí)出口壓力的變化曲線，一級(jí)出口壓力升高，氣體具有的壓縮能提高，使一級(jí)壓縮機(jī)對(duì)氣體做功增加，同時(shí)一級(jí)壓縮機(jī)的功率也增加。

圖3 一級(jí)壓縮機(jī)功率隨一級(jí)出口壓力的變化曲線

圖4為二級(jí)壓縮機(jī)功率隨一級(jí)出口壓力的變化曲線，一級(jí)出口壓力升高，使進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)的氣體具有的初始?jí)嚎s能增加，因此，二級(jí)壓縮機(jī)對(duì)氣體所做的功減少，二級(jí)壓縮機(jī)的功率也減少。

圖4 二級(jí)壓縮機(jī)功率隨一級(jí)出口壓力的變化曲線

圖5為整個(gè)往復(fù)式壓縮機(jī)功率隨一級(jí)出口壓力的變化曲線。

3.3 壓縮機(jī)二級(jí)出口壓力

二級(jí)出口壓力越高，說明壓縮機(jī)釋放的能量越多，對(duì)氣體所做的功就越多，則壓縮機(jī)的功率也就越高，見圖6。對(duì)于多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)來說，在其他條件不變的情況下，改變二級(jí)出口壓力，只會(huì)影響二級(jí)壓縮機(jī)的功率，不會(huì)影響一級(jí)壓縮機(jī)的功率。

圖5壓縮機(jī)隨一級(jí)出口壓力的變化曲線

圖6 壓縮機(jī)的功率隨二級(jí)出口壓力的變化曲線

3.4 級(jí)間冷凝器的出口溫度

氣體被壓縮，體積減小，溫度升高。因此，需要冷凝設(shè)備來給氣體降溫。級(jí)間冷凝器是多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)必備的冷卻設(shè)備，冷凝物質(zhì)主要是水，目的是降低二級(jí)壓縮機(jī)入口氣體的溫度，以此來保護(hù)壓縮機(jī)。圖7是壓縮機(jī)功率隨級(jí)間冷凝器出口溫度的變化曲線，當(dāng)級(jí)間冷凝器出口溫度降低時(shí)，壓縮機(jī)的功率會(huì)隨之增加，但影響不大。

圖7壓縮機(jī)功率隨級(jí)間冷凝器出口溫度的變化曲線

4 結(jié)論

壓縮機(jī)的主要作用就是對(duì)氣體做功，使氣體具有壓縮能，以輸送氣體或者為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造必要的條件。

壓縮機(jī)的入口、出口氣體壓力的大小，直接影響壓縮機(jī)的功率，對(duì)于多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)來說，前一級(jí)壓縮機(jī)的出口氣體壓力和級(jí)間冷凝器的出口溫度影響下一級(jí)壓縮機(jī)的功率。入口氣體壓力越高，壓縮機(jī)對(duì)其所做的功越少，壓縮機(jī)的功率就越低；壓縮機(jī)出口溫度越高，壓縮機(jī)所消耗的功率逐漸降低，但是溫度對(duì)壓縮機(jī)的功率影響不大。

[1]錢錫俊,陳弘.泵和壓縮機(jī)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2007.

The Effect of Gas Parameters on Reciprocating Compressor

Wu Hongsheng and Lü Gang

Reciprocating Compressor，Power，Pressure，Temperature

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.010

2010-11-20）

武紅勝，助理工程師，畢業(yè)于中國一汽星光職工大學(xué)，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司生產(chǎn)準(zhǔn)備大隊(duì)從事安全、節(jié)能管理工作。

Reciprocating compressor is one of the key equipment in petrochemical industry,and also has the most energy consumption.As an example,reciprocating compressor is analysised including the influence of the inlet gas pressure,outlet gas pressure and temperature on the compressor power,which provide the base of selecting matched equipment,reducing cost,and saving energy,and decreasing energy consumption.