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        不同氣量調(diào)節(jié)方式在活塞式壓縮機上的應(yīng)用

        2017-11-11 08:15:19何月倫馬曉偉
        化工機械 2017年2期
        關(guān)鍵詞:氣閥卸荷柱塞

        何月倫 雷 濤 馬曉偉

        (中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司)

        不同氣量調(diào)節(jié)方式在活塞式壓縮機上的應(yīng)用

        何月倫 雷 濤 馬曉偉

        (中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司)

        主要分析了車間所屬裝置壓縮機采用的氣量調(diào)節(jié)方式的工作原理和工作過程,結(jié)合實際闡述了各種調(diào)節(jié)方式在能耗、投資、運行維護方面的優(yōu)缺點。

        活塞式壓縮機 氣量調(diào)節(jié) 能耗

        活塞式壓縮機通常根據(jù)工藝技術(shù)條件所需要的最大流量和最高壓力進行設(shè)計選型,并且考慮余量,在正常運行狀態(tài)下壓縮機組的容積流量基本保持穩(wěn)定,但實際生產(chǎn)中裝置加工負荷的變化、加工方案的調(diào)整往往要求壓縮機低于額定流量運行,這就需要對壓縮機排量進行調(diào)節(jié)。某車間所屬3套裝置的往復(fù)活塞式壓縮機采用了不同的氣量調(diào)節(jié)方式,各有特點,取得了令人滿意的應(yīng)用效果。筆者對所采用的各氣量調(diào)節(jié)方式進行了詳細論述。

        1 變轉(zhuǎn)速氣量調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用

        車間制氫裝置(氫壓縮機)采用變轉(zhuǎn)速方法調(diào)節(jié)氣量。由于雙作用活塞式壓縮機實際排氣量V=π(2D2-d2)SnIλ/4,其中n為曲軸轉(zhuǎn)速,因此改變壓縮機轉(zhuǎn)速n就能得到不同的排氣量。車間制氫裝置采用背壓式汽輪機作為原動機,使用機械液壓放大PG-PL型調(diào)速器調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速,從而改變從動的壓縮機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)壓縮機排量調(diào)節(jié)。汽輪機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示。汽輪機驅(qū)動往復(fù)壓縮機過程中,壓縮機曲軸回轉(zhuǎn)一周,曲軸上的載荷隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生改變,產(chǎn)生交變的載荷,當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速與汽輪機的轉(zhuǎn)速差異較大時,交變的載荷對減速器傳動副的沖擊很大,為減少這種損害,汽輪機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機系統(tǒng)中采用低速彈性減振聯(lián)軸器和大質(zhì)量的飛輪,通過增大飛輪質(zhì)量減少壓縮機旋轉(zhuǎn)的不均勻度、減小沖擊載荷,設(shè)置減振聯(lián)軸器可進一步保護減速器不被沖擊載荷損害。對于本裝置,流經(jīng)汽輪機的蒸汽作為工藝原料進入裝置反應(yīng)系統(tǒng),減少了裝置能源消耗。

        圖1 汽輪機驅(qū)動的往復(fù)式壓縮機系統(tǒng)組成簡圖

        采用變轉(zhuǎn)速氣量調(diào)節(jié)方式的往復(fù)活塞壓縮機,一般壓縮機轉(zhuǎn)速按汽輪機最大轉(zhuǎn)速設(shè)計,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后壓縮機各缸(級)活塞速度降低,活塞環(huán)、填料及十字頭滑板等零件單位時間內(nèi)受摩擦的距離縮短,磨損量相應(yīng)降低[1];同時,轉(zhuǎn)速降低,活塞環(huán)與氣缸鏡面的摩擦功耗降低,摩擦熱減小,經(jīng)氣缸冷卻水冷卻后,氣缸傳遞給缸內(nèi)氣體的熱量較少,氣體膨脹過程指數(shù)m大,容積系數(shù)λv值大,機組效率提高;機組總的摩擦功耗與轉(zhuǎn)速有近似正比的關(guān)系,轉(zhuǎn)速降低,機組功耗降低。具體對由汽輪機驅(qū)動的壓縮機,調(diào)速器調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速是連續(xù)的,因此壓縮機排量在不另外附加設(shè)備的情況下就能實現(xiàn)無級調(diào)節(jié);另一方面,通常情況下,壓縮機由汽輪機驅(qū)動時其功率與轉(zhuǎn)速的2.5~3.0次方成正比[2],通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)壓縮機排量,節(jié)能效果明顯。但受制于汽輪機、壓縮機自身情況,轉(zhuǎn)速有一個調(diào)節(jié)范圍,主要原因是:汽輪機徑向軸承采用橢圓軸承結(jié)構(gòu),用于承載油膜的最小厚度隨轉(zhuǎn)速減小而減小,當(dāng)最小油膜厚度過薄,可能引發(fā)軸頸與軸承內(nèi)表面間的干摩擦;當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時,壓縮機轉(zhuǎn)速波動值一般會增高,且和速度下降率的平方成正比關(guān)系,這樣振動可能過大,導(dǎo)致壓縮機及其基礎(chǔ)的損壞[3],這使壓縮機排氣量調(diào)節(jié)范圍受到限制。在車間實際生產(chǎn)中,為避免低轉(zhuǎn)速對機組的不利影響,汽輪機轉(zhuǎn)速一般控制在額定轉(zhuǎn)速以上運行,當(dāng)轉(zhuǎn)速低于4 000r/min時,飛輪支撐軸承振動、減振聯(lián)軸器受到的沖擊力有增大的趨勢。

        2 柱塞卸荷器調(diào)節(jié)法的應(yīng)用

        車間加氫精制裝置新氫壓縮機采用柱塞卸荷器為主要的氣量調(diào)節(jié)手段。柱塞卸荷器與指式卸荷器的卸荷原理相同,在壓縮機壓縮行程中氣缸與吸氣管路通過氣閥連通,使氣缸內(nèi)的氣體無法得到有效壓縮。為提高柱塞卸荷器調(diào)節(jié)法的適用性,柱塞卸荷器結(jié)合固定余隙容積調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)組合使用,對于新氫壓縮機的一列雙作用氣缸,采用柱塞卸荷器調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)排氣量0%~50%~100% 3檔的初步調(diào)節(jié),使用固定余隙調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)90%檔的初步調(diào)節(jié),在每檔之間使用旁路調(diào)節(jié)方式進行細調(diào),控制進入工藝系統(tǒng)的流量,氣量組合調(diào)節(jié)工藝流程如圖2所示。與柱塞卸荷器配套使用的是菌狀氣閥,菌狀閥由PEEK材料制成,與金屬閥相比,質(zhì)量輕、閥片沖擊力小、壽命長且閥片與閥座之間有良好的氣密性。壓縮機氣缸正常負荷工作時,柱塞在卸荷器驅(qū)動部件帶動下下移,插入位于氣閥中心的卸荷孔,使氣閥處于正常工作狀態(tài)。壓縮機氣缸需要卸荷時,柱塞上移,卸荷孔被打開,在壓縮階段氣體從缸內(nèi)由卸荷孔回到氣閥進口,達到卸荷的目的;在吸氣過程中,吸氣閥正常開啟,這時卸荷孔面積和氣閥流通面積都是有效流通面,減少了氣體進入氣缸時的壓力損失。對于軸側(cè)和蓋側(cè)各有多個進氣閥的氣缸采用柱塞卸荷,當(dāng)單個氣閥上的卸荷孔面積能夠滿足氣缸卸荷要求時,其他氣閥可以不設(shè)置卸荷器,減少了卸荷器數(shù)量和運行故障帶來的風(fēng)險和設(shè)備維修。但對于由多個菌狀閥組成的氣閥來說,任何一個菌狀閥出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致整個氣閥失效,增大了運行風(fēng)險,因此對菌狀閥的質(zhì)量也提出了更高的要求。壓縮機采用固定余隙容積調(diào)節(jié)法實現(xiàn)機組90%檔負荷,通過氣動閥控制固定余隙容積與氣缸的接通或隔離。氣缸吸氣階段,余隙腔中的高壓氣體會膨脹進入氣缸,推動活塞運動,減少活塞回程中壓縮另外一側(cè)氣體時消耗的功,對整個機組而言,采用余隙容積調(diào)節(jié)流量功耗基本不受損失[4]。旁路調(diào)節(jié)保持了氣量調(diào)節(jié)的連續(xù)性,但不經(jīng)濟,僅作為輔助小量調(diào)節(jié)。

        圖2 氣量組合調(diào)節(jié)工藝流程

        3 HydroCOM的應(yīng)用

        車間加氫改質(zhì)裝置新氫壓縮機采用HydroCOM(液壓驅(qū)動、計算機控制的壓縮機氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng))調(diào)節(jié)氣量。在往復(fù)式壓縮機中,普遍采用自動氣閥,即氣閥閥片的啟閉和壓縮機間沒有任何機械或運動上的聯(lián)系,僅與氣閥兩側(cè)的氣體壓差和氣閥本身設(shè)計參數(shù)有關(guān),而HydroCOM由電子測控系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成,可以在壓縮過程的任意時刻控制氣閥的啟閉,氣閥何時啟閉不再由氣閥兩側(cè)的壓差決定,使氣閥成為受控制的“主動閥”。這樣受控地延遲氣閥的關(guān)閉時間,使多余的未經(jīng)壓縮的氣體在活塞的推動下回到進氣管路,僅對需要的剩余氣體進行壓縮,并完成排氣過程。

        在HydroCOM控制下壓縮機的工作循環(huán)過程如圖3所示,1-1′即為多余氣體的回流過程,從圖中看到,回流過程使壓縮氣體量減少了(V1-V1′),而在調(diào)節(jié)工況下,壓縮機的比功率與正常工況時相比基本保持不變[5],因此節(jié)能效果明顯。在調(diào)節(jié)工況下,壓縮機活塞經(jīng)過下死點(BDC)后,吸氣閥在卸荷器的控制下延期關(guān)閉,延期時間由DCS的負荷信號在中間接口單元(CIU)內(nèi)轉(zhuǎn)換得到,延期結(jié)束時,液壓油缸與液壓油站的低壓回油管路連通,卸荷器與氣閥閥片在氣體力、閥片彈簧力、卸荷器復(fù)位彈簧力作用下向氣閥閥座側(cè)移動關(guān)閉氣閥。在使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,壓縮機吸氣閥運動規(guī)律發(fā)生了變化,經(jīng)分析:在氣閥打開時,氣閥碰撞升程限制器的速度大幅降低;而在氣閥關(guān)閉過程中,卸荷器復(fù)位速度遠小于氣閥閥片自動關(guān)閉時的速度,閥片與卸荷器同速運動[6],這樣在使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,閥片速度降低,氣閥使用壽命得到提高。同時,使用調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,由于氣閥被卸荷器強制打開,減少了進氣閥的功效損失,使得機組滿負荷時也能節(jié)能[7]。但是,在氣體回流過程中,氣閥相對壓力損失與頂開的吸氣閥個數(shù)成反比[8],因此應(yīng)用HydroCOM調(diào)節(jié)氣量時,一般情況下壓縮機每個氣閥都安裝有調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu),這增加了設(shè)備的投資和運行風(fēng)險。

        圖3 HydroCOM系統(tǒng)控制下壓縮機工作循環(huán)過程

        4 結(jié)束語

        車間裝置使用的壓縮機采用不同的氣量調(diào)節(jié)方式,各有特點,制氫裝置使用汽輪機驅(qū)動壓縮機,壓縮機轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)節(jié),氣量調(diào)節(jié)時節(jié)能效果明顯,但汽輪機系統(tǒng)復(fù)雜,操作難度大;加氫精制裝置壓縮機使用柱塞卸荷器,結(jié)合固定余隙容積和旁路進行氣量調(diào)節(jié),由于需要旁路作為細調(diào)手段,節(jié)能效果稍差,但簡單易行,投資小;加氫改質(zhì)裝置壓縮機使用HydroCOM,壓縮機僅壓縮裝置需要的氣量,節(jié)能效果顯著、操作簡單,但初期一次性投資較大。近年來,氣量調(diào)節(jié)方法在使用和研究上有了新進展,余隙調(diào)節(jié)裝置與控制系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)了可變余隙容積的自動實時控制,并投入工業(yè)應(yīng)用;大余隙容積、相位壓縮機等氣量調(diào)節(jié)新方法已得到研究開發(fā),有的完成了實際驗證。無疑,價格便宜、操作簡便、調(diào)節(jié)范圍廣的無級氣量調(diào)節(jié)技術(shù)會有更大的應(yīng)用市場。

        [1] 郁永章.活塞式壓縮機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982:113.

        [2] 余國琮.化工機械工程手冊(中卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:14~113.

        [3] (美)Hanlon P C,著,郝點,譯.壓縮機手冊[M].北京:中國石化出版社,2003:426.

        [4] 高慎琴.化工機器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1992:80.

        [5] 吳榮仁,牛衛(wèi)飛.活塞式壓縮機頂開吸氣閥調(diào)節(jié)排氣量的分析[J].流體機械,2003,31(7):12~15.

        [6] 唐斌,李連生,王樂.往復(fù)式壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)過程中進氣閥的動態(tài)研究[J].機械工程學(xué)報,2011,47(4):136~141.

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        何月倫(1975-),工程師,從事設(shè)備管理工作,hylksh@petrochina.com.cn。

        TQ051.21

        B

        0254-6094(2017)02-0221-03

        2016-03-29,

        2016-11-22)

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