陳 超，張貴軍，劉文利

(1. 中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101； 2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

往復(fù)壓縮機(jī)在煉化領(lǐng)域使用廣泛,諸多因素導(dǎo)致機(jī)組需減量操作【1】,這就需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。往復(fù)壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)的方法主要有：旁路回流調(diào)節(jié)、可變余隙調(diào)節(jié)、完全頂開吸氣閥調(diào)節(jié)以及部分頂開吸氣閥調(diào)節(jié)(即無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng))。

旁路回流調(diào)節(jié)不省功，僅適用于短期使用；可變余隙調(diào)節(jié)可適用于調(diào)節(jié)范圍不大的工況，但其不適用于改造工況，且占地較大；完全頂開吸氣閥的調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，投資較少，適用廣泛，但只能定量調(diào)節(jié)；部分頂開吸氣閥的調(diào)節(jié)方式可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍廣，但投資較大。

眾所周知，往復(fù)壓縮機(jī)是變轉(zhuǎn)矩的機(jī)器。轉(zhuǎn)矩的變化引起曲軸角速度的變化，使曲軸一會(huì)兒加速一會(huì)兒減速，降低曲軸壽命，引起機(jī)組振動(dòng)。為了限制曲軸的轉(zhuǎn)速變化，API 618規(guī)定：旋轉(zhuǎn)不均勻度δ不應(yīng)大于1.5%。

往復(fù)壓縮機(jī)往往使用飛輪矩GD2來(lái)平衡轉(zhuǎn)速的變化。式(1)為飛輪矩GD2的計(jì)算公式。

(1)

式中：GD2——飛輪矩，kg·m2；

L——一轉(zhuǎn)中能量變化值，J；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

δ——旋轉(zhuǎn)不均勻度，無(wú)量綱。

對(duì)于給定的壓縮機(jī)，飛輪矩GD2和轉(zhuǎn)速n已確定，因此L與δ成正比變化，而L的變化是由轉(zhuǎn)矩的變化而決定的。關(guān)于L的計(jì)算往復(fù)壓縮機(jī)教材均有介紹【2】，在此不再贅述。

無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)反向角的影響已有學(xué)者研究【3】，但對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響卻鮮有研究。本文選取煉化領(lǐng)域常用的2D系列和4M系列機(jī)型作為樣本，主要討論無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。

1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響

壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要來(lái)源于連桿力和旋轉(zhuǎn)摩擦力，其中連桿力占絕大部分，而連桿力來(lái)源于綜合活塞力。綜合活塞力的計(jì)算相關(guān)教材均有詳解。值得注意的是壓縮機(jī)的總轉(zhuǎn)矩是每一列疊加的結(jié)果，疊加時(shí)需要注意每一列的相位角的不同。國(guó)內(nèi)的2D機(jī)型，絕大部分是對(duì)動(dòng)式，兩列相位角相差180°，4M機(jī)型各列相位角從軸向看相差90°(具體可見制造廠的曲軸詳圖)，合理布置相位角可平衡機(jī)組轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

圖1～圖8分別表示了不同機(jī)型不同負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，以及平均轉(zhuǎn)矩變化及L的波動(dòng)情況。

圖1 2D25機(jī)型不同負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

圖2 2D25機(jī)型不同負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

圖3 2D80機(jī)型不同負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

從圖1和圖3可以看出：2D機(jī)型壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)荷的減小，轉(zhuǎn)矩的最大值逐漸下降，而轉(zhuǎn)矩的負(fù)值逐漸出現(xiàn)并緩慢增加，同時(shí)其轉(zhuǎn)矩的正負(fù)交變頻率也在增加。這是因?yàn)椴糠猪旈_吸氣閥后，原來(lái)的壓縮過(guò)程變成了回流加壓縮過(guò)程，造成了氣體力的交變變化，使得曲軸承受的交變力矩的頻率增加，對(duì)曲軸的疲勞壽命不利。

圖4 2D80機(jī)型不同負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

從圖2和圖4可以看出：2D機(jī)型壓縮機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)荷的降低逐漸降低，同時(shí)一轉(zhuǎn)中的能量變化L逐漸降低；負(fù)荷降低到50%以下時(shí)，L下降到滿負(fù)荷的50%左右，δ也隨之下降50%左右，這對(duì)限制曲軸的轉(zhuǎn)速變化是有利的。

圖5 4M16機(jī)型不同負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

圖6 4M16機(jī)型不同負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

從圖5和圖7可以看出：滿負(fù)荷情況下，4M機(jī)型的轉(zhuǎn)矩相對(duì)2D機(jī)型來(lái)說(shuō)脈動(dòng)較小，這是由于4M機(jī)型可以通過(guò)列的組合及相位角的搭配使得切向力趨于平均。但是，隨著氣量的逐漸減少，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值緩慢下降，而轉(zhuǎn)矩的變化幅度卻急劇增加，氣量降低到40%以下時(shí)，轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了負(fù)值，使得曲軸開始承受正負(fù)交變的切向力，降低了曲軸的疲勞壽命。以上現(xiàn)象的主要原因是部分頂開吸氣閥后，原來(lái)的壓縮過(guò)程變成了回流加壓縮過(guò)程，破壞了原有綜合力的均勻性。

圖7 4M80機(jī)型不同負(fù)荷下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

從圖6和圖8可以看出：4M機(jī)型壓縮機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)荷的降低逐漸降低，而L的變化率的整體趨勢(shì)卻是逐漸升高的，而且滿負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)矩越平均的機(jī)器，降低負(fù)荷后，L的變化率越大。對(duì)于給定機(jī)型，L和δ的變化成正比，L上升過(guò)大會(huì)使得δ也大幅升高，在GD2余量較小的情況下，可能導(dǎo)致δ超過(guò)API 618中關(guān)于δ不應(yīng)大于1.5%的要求。

圖8 4M80機(jī)型不同負(fù)荷下平均轉(zhuǎn)矩與L的變化率

2 結(jié)語(yǔ)

煉化企業(yè)設(shè)置無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，不僅應(yīng)校核反向角，判斷其是否過(guò)小，還應(yīng)校核壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩，避免因其變化過(guò)大而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不均勻度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，這對(duì)4M機(jī)型來(lái)說(shuō)尤為重要。