曾躍波，連小松，徐延學(xué)

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108）

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油化工行業(yè)最常用的壓縮機(jī)之一，其容積流量往往是按照裝置負(fù)荷的最大值設(shè)計(jì)，且按照API 618 還應(yīng)有3%的富裕量。一旦壓縮機(jī)被設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)，它的吸氣量基本是固定的，為了適應(yīng)低負(fù)荷下運(yùn)行，往復(fù)式壓縮機(jī)可使用多種流量調(diào)節(jié)方式[1-6]。在所有的流量調(diào)節(jié)方式中，全部頂開(kāi)吸氣閥的卸荷調(diào)節(jié)是最常使用的流量調(diào)節(jié)方式，它有省功、調(diào)節(jié)設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也十分明顯，對(duì)于絕大部分壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，只能實(shí)現(xiàn)0%，50%，100%三檔調(diào)節(jié)，而且基本不允許長(zhǎng)時(shí)間0%負(fù)荷調(diào)節(jié)，0%負(fù)荷調(diào)節(jié)僅在切機(jī)時(shí)使用，且50%調(diào)節(jié)為特定比例調(diào)節(jié)，還需配合回流調(diào)節(jié)等其他流量調(diào)節(jié)方式[7]。

50%卸荷為蓋側(cè)卸荷，軸側(cè)保持滿(mǎn)負(fù)荷操作，本文主要研究50%卸荷工況對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)級(jí)間壓力、反向角以及曲軸轉(zhuǎn)矩的影響[8]。

1 50%卸荷工況對(duì)級(jí)間壓力的影響

常見(jiàn)的往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸由蓋側(cè)和軸側(cè)構(gòu)成，因?yàn)檩S側(cè)存在活塞桿的原因，導(dǎo)致一個(gè)壓縮周期內(nèi)蓋側(cè)吸入的氣體比軸側(cè)吸入的氣體的體積要小。而50%卸荷工況僅卸荷軸側(cè)，導(dǎo)致卸荷后的吸氣量小于100%負(fù)荷時(shí)的50%，而對(duì)于多級(jí)壓縮機(jī)的后幾級(jí)來(lái)說(shuō)，活塞桿體積占據(jù)氣缸的體積越來(lái)越大，導(dǎo)致這幾級(jí)吸氣量更小于100%負(fù)荷吸氣量的50%。

往復(fù)壓縮機(jī)的熱力學(xué)復(fù)算就是要試算出一個(gè)級(jí)間壓力分配[9-10]，使得每一級(jí)氣缸的吸氣質(zhì)量流量相等，然而這種試算過(guò)程很復(fù)雜，尤其是對(duì)于多級(jí)壓縮的壓縮機(jī)，經(jīng)常要試算十幾次[11]。而通過(guò)HYSYS 專(zhuān)有的往復(fù)壓縮機(jī)模型[12]，可以很好地模擬這種卸荷工況。以某加氫裝置的四級(jí)壓縮機(jī)為例，圖1 表示了四級(jí)壓縮機(jī)的壓縮流程，而圖2 分別表示了卸荷前和卸荷后的各級(jí)壓力變化及流量變化情況。

圖1 四級(jí)壓縮機(jī)流程圖Fig.1 Four stage compressor flow scheme

通過(guò)分析圖2 可以看出，由于活塞桿的影響，50%卸荷后，級(jí)間壓力均上升，且第三級(jí)出口的壓力上升最多，即此級(jí)的壓比上升最大，而最后一級(jí)的壓比下降。同時(shí)，從流量可以看出，50%卸荷后的流量比100%負(fù)荷時(shí)流量的50%要小。以上規(guī)律適用于所有卸荷工況的壓縮機(jī)。

圖2 卸荷前后的壓力及流量變化Fig.2 Pressure and flow rate contrast before and after unloading

這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)，要充分考慮卸荷工況對(duì)級(jí)間壓力的影響，并適當(dāng)提高級(jí)間安全閥的定壓，防止因卸荷導(dǎo)致的級(jí)間安全閥起跳。

2 50%卸荷工況對(duì)反向角的影響

壓縮過(guò)程分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個(gè)過(guò)程。而蓋側(cè)卸荷時(shí)，蓋側(cè)的壓力就是吸氣壓力，且一直保持不變。圖3a、b 圖分別表示卸荷前后某一級(jí)的受力情況。圖3 中的氣體力疊加曲線(xiàn)最后一部分為直線(xiàn)，對(duì)比圖3a、b 圖可以發(fā)現(xiàn)，圖3a 中的氣體力疊加曲線(xiàn)的最后一段直線(xiàn)數(shù)值的絕對(duì)值比較大，而圖3b 中相應(yīng)一段直線(xiàn)數(shù)值的絕對(duì)值卻小很多，這是因?yàn)椋硕沃本€(xiàn)代表著軸側(cè)的吸氣過(guò)程，軸側(cè)吸氣時(shí)軸側(cè)和蓋側(cè)的壓力相等，此時(shí)氣體力兩側(cè)疊加僅等于吸氣壓力乘以活塞桿截面積，而活塞桿截面積相對(duì)于氣缸截面積比較小，造成了此段直線(xiàn)數(shù)值上的下降。

通過(guò)分析綜合活塞力曲線(xiàn)，可以分析出此級(jí)的反向角，從圖3 中可以看出，此級(jí)的反向角卸荷前大約為180°，而卸荷后為90°反向角變小了。其實(shí)并非50%卸荷后該級(jí)的反向角均會(huì)減小，某些情況下反向角還會(huì)增加，如圖4 所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果該級(jí)反向角在100%工況比較小時(shí)，50%卸荷工況下的反向角大概率會(huì)增加。

圖3 卸荷前后的某一級(jí)的受力曲線(xiàn)（反向角減小工況）Fig.3 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal decrease situation）

圖4 卸荷前后的某一級(jí)的受力曲線(xiàn)（反向角增大工況）Fig.4 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal increase situation）

因?yàn)樾逗晒r時(shí)的反向角存在變化，這就要求壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要分析卸荷工況下的反向角變化，防止因?yàn)榉聪蚪沁^(guò)小引起十字頭銷(xiāo)潤(rùn)滑不暢導(dǎo)致十字頭銷(xiāo)損壞的發(fā)生。

3 50%卸荷工況對(duì)壓縮機(jī)扭矩的影響

50%卸荷工況影響了每一級(jí)的氣體力，從而影響了該級(jí)的綜合活塞力，有可能使得綜合活塞力增大，也可能減小。而綜合活塞力的變化又能影響連桿力從而使得本級(jí)的切向力發(fā)生變化，每級(jí)切向力疊加得到曲軸的負(fù)載扭矩，從而導(dǎo)致了曲軸負(fù)載扭矩的變 化。

圖5 表示了卸荷前后，某臺(tái)壓縮機(jī)負(fù)載扭矩的變化情況，從圖中可以看出，整體的負(fù)載扭矩變小了，波動(dòng)率似乎沒(méi)有變化，但是從理論上講，卸荷后有可能使得負(fù)載扭矩變大或者波動(dòng)率變大。而負(fù)載扭矩變大或扭矩波動(dòng)值變大，有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)不均勻度超過(guò)API618 的標(biāo)準(zhǔn)值，或?qū)е码姍C(jī)電流脈動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。這就要求我們?cè)趬嚎s機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮卸荷工況對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)扭矩值的影響。

圖5 卸荷前后的某壓縮機(jī)的扭矩曲線(xiàn)Fig.5 Crankshaft torque curve before and after unloading

4 結(jié)束語(yǔ)

卸荷工況下，每級(jí)氣量的非均勻性減小導(dǎo)致了級(jí)間壓力的變化，同時(shí)卸荷工況引起了受力的變化，從而引起了反向角以及扭矩的變化。因此無(wú)論壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算還是校核計(jì)算，均應(yīng)該考慮卸荷工況的影響。