劉海洋，馬瑞紅，劉守信，牟憲城

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)往復(fù)有限公司，遼寧沈陽 110869）

1 引言

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)自從19世紀(jì)誕生以來，廣泛用于石油、化工、礦山、電力、食品、醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域，在國家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)具有高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性好，運(yùn)行可靠，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，各優(yōu)點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)，往往彼此矛盾?？傮w設(shè)計(jì)階段要考慮周到、適當(dāng)，權(quán)衡利弊，突出重點(diǎn)、兼顧其它，選出符合使用要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。如果方案選型不當(dāng)，會(huì)給壓縮機(jī)帶來“先天不足”的缺陷，后期想要彌補(bǔ)缺陷，就非常困難。因此，壓縮機(jī)方案選型至關(guān)重要。

遼寧某石化公司的40萬t/a環(huán)烷基潤滑油高壓加氫裝置根據(jù)工藝流程要求，需要將工藝介質(zhì)（循環(huán)氫）壓力從18.3 MPa（G）提升至20.1 MPa（G）。用戶經(jīng)過充分地分析、研究各類壓縮機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，最終決定配套2臺循環(huán)氫往復(fù)壓縮機(jī)。該循環(huán)氫壓縮機(jī)具有進(jìn)氣壓力高、缸徑小、壓縮比小的特點(diǎn)。按照常規(guī)設(shè)計(jì)選型，采用雙作用氣缸的壓縮機(jī)，機(jī)組反向角較小。當(dāng)反向角為零或者較小時(shí)，十字頭銷只能承載一個(gè)方向的活塞力，使十字頭銷和小頭瓦之間不能形成正常油膜潤滑，導(dǎo)致小頭瓦局部溫度過高，從而造成嚴(yán)重磨損或者燒研。

2 方案選型

根據(jù)本臺壓縮機(jī)組的工藝流程、介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行熱、動(dòng)力計(jì)算，并搜集國內(nèi)外相近機(jī)器的資料，進(jìn)行充分地分析比較，提出以下兩種比較適合的方案：

2.1 方案一

壓縮機(jī)氣缸采用軸側(cè)單作用，氣缸蓋側(cè)工作腔始終與壓縮機(jī)進(jìn)氣腔連通。經(jīng)過熱、動(dòng)力計(jì)算，確定壓縮機(jī)組為2D50機(jī)型，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 單作用氣缸示意圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是軸側(cè)單作用，只有軸側(cè)密封填料一處外泄漏點(diǎn)，相比較泄漏量較少。但有以下缺點(diǎn)：

（1）該機(jī)組進(jìn)氣壓力高，缸徑小。高壓氣體作用在活塞兩側(cè)，由于活塞兩側(cè)受力面積差1個(gè)活塞桿的截面積。如圖1所示，活塞與蓋側(cè)氣缸組成的封閉空間壓力為壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力q1，作用到活塞的面積S1=πd12/4，氣體作用到活塞上的力

壓縮機(jī)啟動(dòng)前，活塞與軸側(cè)氣缸組成的封閉空間壓力同樣為壓縮機(jī)進(jìn)氣q1，作用到活塞的面積氣體作用到活塞上的力F2=q1π

為了成功啟動(dòng)電機(jī)，需要在電機(jī)啟動(dòng)的操作流程中做一些特殊調(diào)整。首先，將壓縮機(jī)的出、入口閥門關(guān)閉，以壓縮機(jī)為小單元，將壓縮機(jī)從工藝流程中隔斷出來。其次，降低壓縮機(jī)氣缸的吸入壓力q1，從而減小氣體合力F對曲軸的阻力矩。再次，打開“一回一”回路調(diào)節(jié)閥門，實(shí)現(xiàn)機(jī)組零負(fù)荷。然后啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)后，緩慢打開壓縮機(jī)的出、入口閥門，將壓縮機(jī)切入工藝系統(tǒng)中，使壓縮機(jī)入口的壓力達(dá)到額定工況的入口壓力，最后，通過緩慢關(guān)閉“一回一”回路，實(shí)現(xiàn)機(jī)組加載，正常運(yùn)行。因此，壓縮機(jī)啟機(jī)的條件相對苛刻、操作“一回一”回路相對麻煩。

（2）由于壓縮機(jī)需要在低進(jìn)氣壓力條件下啟機(jī)。當(dāng)機(jī)組臨時(shí)停機(jī)時(shí)，機(jī)組內(nèi)部充滿高壓工藝介質(zhì)，想要再次啟機(jī)，必須將機(jī)組內(nèi)部的高壓介質(zhì)釋放火炬燃燒。對使用單位來說是一種極大的浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)造成環(huán)境污染。

（3）機(jī)組額定工況運(yùn)行時(shí)，采用“一回一”回路實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)零負(fù)荷時(shí)，兩列的反向角分別為21°和24°，反向角相對較小，十字頭銷始終承載一個(gè)方向的活塞力，使十字頭銷和小頭瓦之間不能形成正常油膜潤滑，容易導(dǎo)致小頭瓦局部溫度過高，從而造成嚴(yán)重磨損或者燒研。因此，不能長時(shí)間在該工況下運(yùn)行。

（4）額定工況時(shí)進(jìn)氣壓力18.3 MPa（G），經(jīng)核算，機(jī)組壓開氣缸吸氣閥，機(jī)組沒有反向角，十字頭銷無法得到潤滑。因此，此額定工況下，機(jī)組無法配置卸荷器實(shí)現(xiàn)“0”“100%”兩檔氣量調(diào)節(jié)。

（5）因氣缸為軸側(cè)單作用結(jié)構(gòu)，氣缸蓋側(cè)工作腔與壓縮機(jī)的進(jìn)氣腔連通，氣缸蓋側(cè)若產(chǎn)生積液將無法被氣體帶走或排出，積存在氣缸蓋側(cè)腔內(nèi)，積液過多會(huì)產(chǎn)生活塞液擊的危害。因此，需定期排放氣缸蓋側(cè)的積液或者增設(shè)一個(gè)積液的收集罐。收集罐通高壓氣體，無形中也是增加了一種風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 方案二

壓縮機(jī)的活塞部件設(shè)計(jì)成帶尾桿的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱、動(dòng)力計(jì)算，確定壓縮機(jī)組為2D40，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

該方案相對于軸側(cè)單作用的機(jī)型，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）活塞桿貫穿整個(gè)氣缸，軸側(cè)和蓋側(cè)所受的氣體力作用面積相等。如圖2所示，活塞與蓋側(cè)氣缸組成的封閉空間壓力為壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力q1，作用到活塞的面積，氣體作用到活塞上的力

圖2 活塞帶尾桿結(jié)構(gòu)示意圖

活塞與軸側(cè)氣缸組成的封閉空間壓力同樣為壓縮機(jī)進(jìn)氣q1，作用到活塞的面積氣體作用到活塞上的力

壓縮機(jī)啟動(dòng)前，氣缸內(nèi)氣體對活塞作用的合力F=F1-F2=0。壓縮機(jī)啟機(jī)時(shí)活塞兩側(cè)的氣體作用力可以完全抵消，因此，活塞部件帶尾桿結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)可以在入口高壓力的情況下，打開“一回一”回路或者壓開氣缸吸氣閥直接啟機(jī)。操作流程比較簡單。

（2）額定工況時(shí)，機(jī)組壓開氣缸吸氣閥，兩列的反向角均在100°以上。因此，機(jī)組可以配置氣缸卸荷器，實(shí)現(xiàn)“0”、“50%”、“100%”三檔氣量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)零負(fù)荷運(yùn)行和氣量調(diào)節(jié)。操作比較簡單。

（3）活塞帶尾桿結(jié)構(gòu)，氣缸軸側(cè)、蓋側(cè)均做吸氣、壓縮、排氣工作，因此不會(huì)產(chǎn)生積液，無需定期排液或增設(shè)高壓的積液收集罐。

活塞帶尾桿結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由其結(jié)構(gòu)特性決定了自身也存在缺點(diǎn)：

（1）活塞桿貫穿整個(gè)氣缸，在氣缸的蓋側(cè)需增設(shè)一組密封填料。相對于軸側(cè)單作用的機(jī)組，氣缸蓋側(cè)多一處外泄漏點(diǎn)，泄漏量相對增加。

（2）帶尾桿結(jié)構(gòu)活塞的活塞桿相對于正?；钊麠U要長，活塞桿尾端（氣缸蓋側(cè)）的桿跳動(dòng)可能會(huì)大一些。當(dāng)然，活塞桿跳動(dòng)與設(shè)備的制造、加工和安裝精度等因素也有關(guān)系。

（3）若活塞桿尾端跳動(dòng)大，安裝在活塞桿尾端（氣缸蓋側(cè)）的密封填料也會(huì)相對于氣缸軸側(cè)密封填料的磨損會(huì)嚴(yán)重一些。

2.3 兩種方案對比

兩種方案計(jì)算參數(shù)對比詳見表1。

表1 壓縮機(jī)參數(shù)對比表

API618中6.10.4.6條規(guī)定“只有經(jīng)采購方的書面認(rèn)可才能使用貫穿活塞桿”，因此，活塞帶尾桿（即貫穿活塞桿）結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)的方案需征得使用單位書面認(rèn)可后方可選用。軸側(cè)單作用和活塞帶尾桿這2種壓縮機(jī)方案，各有利弊，最終用戶權(quán)衡利弊，選擇了貫穿桿這種方案。

3 結(jié)論

通過方案設(shè)計(jì)的對比可知，壓力高、缸徑小、壓縮比小的壓縮機(jī)組在方案選型時(shí)，選用活塞部件帶尾桿的設(shè)計(jì)方案更有優(yōu)勢。采用這種方案的壓縮機(jī)機(jī)型更小，機(jī)組成本低，氣缸缸徑更小，機(jī)組的受力更小，反向角更大，機(jī)組運(yùn)行的可靠性更高。

該機(jī)組在2019年投產(chǎn)運(yùn)行以來，運(yùn)行平穩(wěn)，性能良好，獲得使用單位的好評?，F(xiàn)場的實(shí)際使用證明，該壓縮機(jī)的方案選型是正確的，機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)合格，操作方便，為用戶帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。