李建新，王喜武

（國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)作為石油化工領(lǐng)域的“通用機(jī)械”，將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，提升氣體壓力和氣體輸送而被廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。往復(fù)式壓縮機(jī)具有輸送氣量相對(duì)較小、排氣壓力高、出口脈動(dòng)大等固有屬性，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大后設(shè)備更是趨向于大型化，因此近年來(lái)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的研究更加專注于運(yùn)行控制、故障診斷、節(jié)能降耗等方面。

往復(fù)式壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)有多種方式，目前國(guó)內(nèi)外常用的方式有旁路調(diào)節(jié)、可變余隙調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)、全行程頂開(kāi)吸氣閥和部分行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)等。經(jīng)過(guò)眾多專家學(xué)者研究證明，部分行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)方式具有效率高、可靠性高、能耗低、調(diào)節(jié)范圍廣、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，也被稱為無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)。

針對(duì)煤液化裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)而言，每臺(tái)機(jī)組的額定流量為70 713 m3/h，而裝置系統(tǒng)需要的循環(huán)氫氣流量為95 000 m3/h，需要一臺(tái)機(jī)組全部并入運(yùn)行，另一臺(tái)機(jī)組只需要34%的流量并入系統(tǒng)，其余66%的流量需要旁路調(diào)節(jié)，造成巨大的電能浪費(fèi)。從節(jié)能降耗角度出發(fā)，引進(jìn)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化操作。

1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)主要發(fā)展歷程

壓縮機(jī)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)在國(guó)外研發(fā)起步較早，1972 年，美國(guó)英格索蘭公司（Ingersoll-Rand）開(kāi)發(fā)的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用氣動(dòng)液壓控制，可保持吸氣閥打開(kāi)，根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行卸載，但在工業(yè)中沒(méi)有得到充分應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代后期，美國(guó)德萊賽蘭（Dresser-Rand）在氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)上開(kāi)始采用電子控制裝置，并得到了成功應(yīng)用。奧地利賀爾碧格（Hoerbiger）公司在氣閥方面進(jìn)行深入探索，1995 年開(kāi)發(fā)出了HydroCOM 系統(tǒng)并申請(qǐng)了專利，節(jié)能效果突出，1997 年首次推入市場(chǎng)應(yīng)用。2012 年在德國(guó)展示了新一代無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)eHydroCOM，工作原理與HydroCOM 相同，區(qū)別在于舍棄了液壓系統(tǒng)和液壓元件，使用電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代液壓系統(tǒng)，僅有數(shù)據(jù)和電力線纜與控制柜連接，此系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。但因價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用受到很大限制，同時(shí)也激起了國(guó)內(nèi)的研發(fā)步伐。

在國(guó)內(nèi)，多家研究機(jī)構(gòu)研究將在壓縮機(jī)氣閥的流量控制改為無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中浙江大學(xué)進(jìn)行了比較深入的研究，不斷改進(jìn)控制吸氣閥的工作時(shí)間占比，最終達(dá)到無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)的目的。也有不少的研究機(jī)構(gòu)成功借鑒了國(guó)外運(yùn)行成熟的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)不斷的升級(jí)改造，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)，如無(wú)錫康茨壓縮機(jī)配件與系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的DidroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)與分擋調(diào)節(jié)相結(jié)合的集成化控制方案填補(bǔ)了進(jìn)口系統(tǒng)的空白，保留原有壓縮機(jī)全行程頂開(kāi)吸氣閥的分檔控制器，為無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)故障期間（HPU 液壓油站正常）壓縮機(jī)正常啟停護(hù)航，智能人機(jī)信息交換界面使得各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)潔高效，該系統(tǒng)在煤制油技術(shù)上已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法

2.1 旁路調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)是將壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣體通過(guò)排氣管線、冷卻器、分液罐、調(diào)節(jié)閥等返回至壓縮機(jī)入口的一種調(diào)節(jié)方法。雖然能有效調(diào)節(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)所需的氣量，但都是壓縮機(jī)耗能做功之后的高壓氣體返回來(lái)實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥承受較高的差壓，閥組件的磨損、振動(dòng)、噪聲是此種調(diào)節(jié)方式的弊端。

2.2 可變余隙調(diào)節(jié)

在壓縮機(jī)的氣缸上，除固定余隙容積外，另外設(shè)有一定的空腔，調(diào)節(jié)時(shí)接入氣缸工作腔，使余隙容積増大，容積系數(shù)減小，排氣量降低，這就是余隙腔調(diào)節(jié)的工作原理。按照補(bǔ)助容積接入的方式不同，又分為連續(xù)的、分級(jí)的以及間斷的調(diào)節(jié)，多用于大型工藝壓縮機(jī)。這種調(diào)節(jié)方式的主要缺點(diǎn)是：通常是手動(dòng)調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度慢，一般需與其他調(diào)節(jié)方式配合使用?？烧{(diào)余隙調(diào)節(jié)只對(duì)氣缸蓋側(cè)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍一般為60%～100%，調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較窄，系統(tǒng)的可靠性較差，易損件多，難于維護(hù)。

2.3 變頻調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)即通過(guò)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)排氣量。這種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是氣量連續(xù)、功率消耗小、壓縮機(jī)各級(jí)壓力比保持不變、壓縮機(jī)不需設(shè)專門的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等；但它僅廣泛使用在驅(qū)動(dòng)機(jī)為內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)的壓縮機(jī)上，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)為電機(jī)，則需要配置變頻器。由于大功率、高壓變頻器價(jià)格昂貴，而且需要大量的維護(hù)、維修工作，因此，目前在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式壓縮機(jī)上很少采用該方法。此外，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可能會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的工作產(chǎn)生不良影響，如氣閥顫振、部件磨損大、振動(dòng)増加、潤(rùn)滑不充分等，限制了該方法的應(yīng)用。

2.4 全部行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)

全部行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)是在壓縮機(jī)活塞運(yùn)行的全部行程中，吸氣閥始終處于強(qiáng)制頂開(kāi)狀態(tài)，氣體從壓縮機(jī)吸氣閥吸入壓縮后又從吸氣閥排出的過(guò)程。對(duì)于雙作用式壓縮機(jī)而言，再加上固定余隙的配合調(diào)節(jié)，根據(jù)電磁閥控制的儀表風(fēng)作用在吸氣閥上卸荷器的設(shè)計(jì)布置，多數(shù)可以分為0%、25%、50%、75%、100%等分擋控制的有級(jí)調(diào)節(jié)方式。該調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)跨度大，只適用于粗調(diào)節(jié)，最適合用于大型往復(fù)式壓縮機(jī)開(kāi)停機(jī)，保證壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)從空載逐步加載、停機(jī)時(shí)由滿載逐步降至空載的一個(gè)控制過(guò)程，壓縮機(jī)正常運(yùn)行期間并不參與氣量控制。

2.5 部分行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)

部分行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)是在吸氣閥上安裝液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使吸氣閥延遲關(guān)閉并控制關(guān)閉時(shí)間，從而獲得不同的排氣量，它能夠?qū)崿F(xiàn)0～100%全量程的無(wú)級(jí)、連續(xù)調(diào)節(jié)。此種調(diào)節(jié)只壓縮實(shí)際需要的氣體，利用回流省功的原理，使壓縮機(jī)指示功消耗與實(shí)際容量流量成正比，具有調(diào)節(jié)效率高、氣量調(diào)節(jié)連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種節(jié)能效果顯著的氣量調(diào)節(jié)方式。由于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、可靠性，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等有非常高的要求，因此研發(fā)難度大。

3 煤液化技術(shù)應(yīng)用的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)原理與系統(tǒng)組成

3.1 調(diào)節(jié)原理

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理是將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為活塞桿的往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)?；钊麠U帶動(dòng)活塞在氣缸中同樣實(shí)現(xiàn)往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)，使得氣缸的兩側(cè)形成容積交替變化的雙作用式做功單元。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周中氣缸內(nèi)部?jī)蓚?cè)分別形成膨脹、吸氣、壓縮、排氣4 個(gè)階段。

在無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)過(guò)程中，壓縮階段吸氣閥被執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)制打開(kāi)，延遲關(guān)閉時(shí)間，一定量的氣體便會(huì)回流到壓縮機(jī)入口，實(shí)際形成了膨脹、吸氣、回流、壓縮、排氣5 個(gè)階段，這部分回流氣體理論上未經(jīng)壓縮所以沒(méi)有溫升、也沒(méi)有消耗電機(jī)的電能，這就是無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能原理（圖1）。在某一個(gè)精確定義的時(shí)間點(diǎn)，卸荷器復(fù)位后吸氣閥關(guān)閉，只有保留在氣缸內(nèi)的氣體參與壓縮過(guò)程，在滿足工藝氣量要求的同時(shí)節(jié)約電能。

圖1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)原理

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由五大部分組成，分別為HPU 液壓油站、ECU 機(jī)柜、液壓執(zhí)行器、分檔調(diào)節(jié)器和專用氣閥。

在無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)嵌入分擋調(diào)節(jié)器，也就是保留了壓縮機(jī)原有的全部行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)方式，主要是考慮無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障期間（HPU 液壓油站正常），可以通過(guò)分擋調(diào)節(jié)器進(jìn)行壓縮機(jī)的零負(fù)荷啟動(dòng)、逐步加載運(yùn)行和停機(jī)過(guò)程中逐步降載至零負(fù)荷停機(jī)而專門設(shè)置的調(diào)節(jié)方式。如果缺少分擋調(diào)節(jié)器，無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障期間，壓縮機(jī)無(wú)法進(jìn)行正常啟停，只能帶載啟停，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓縮機(jī)動(dòng)力部件都有很大的沖擊力，甚至可能造成機(jī)組主要?jiǎng)恿Σ考p壞。

3.2.1 HPU 液壓油站

HPU 液壓油站主要用于為活塞壓縮機(jī)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供液壓能源，工作原理如圖2 所示。

圖2 HPU 液壓油站工作原理

3.2.2 ECU 機(jī)柜

ECU 機(jī)柜提供DidroCOM 系統(tǒng)內(nèi)部和用戶DCS控制系統(tǒng)的信號(hào)交換處理功能，是連接DidroCOM和用戶DCS 系統(tǒng)的橋梁。主要包含24 VDC 電源模塊、接口控制單元、壓縮機(jī)活塞相位信號(hào)、高壓油站相關(guān)參數(shù)信號(hào)等，通過(guò)PLC 程序控制，RS-485 總 線控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中高頻電磁閥動(dòng)作頻次，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)目的。

3.2.3 液壓執(zhí)行器

液壓執(zhí)行器是一組通過(guò)卸荷器對(duì)氣閥進(jìn)行控制的部件總和，由HPU 液壓油站提供實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作功能所需的機(jī)械動(dòng)力，ECU 進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、提供電源。

液壓執(zhí)行器裝置為高速數(shù)字控制閥總成，結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、動(dòng)作準(zhǔn)確、重復(fù)性好、抗污染能力強(qiáng)、內(nèi)泄漏小、可靠性高，最顯著的特點(diǎn)是能夠直接接受數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓柱塞直線運(yùn)動(dòng)的高速控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的高速啟閉控制。

工作原理：壓力油從進(jìn)油口管接頭組件流入，經(jīng)單向閥流入活塞中，當(dāng)無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，控制口與進(jìn)油口連通，通過(guò)柱塞推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，線圈通電，控制口與進(jìn)油口斷開(kāi)、控制口與出油口連通，在負(fù)載反力的作用下控制口油液從出油口排出，活塞桿回位；線圈斷電，控制口與進(jìn)油口連通、控制口與出油口斷開(kāi)，液壓油由進(jìn)油口進(jìn)入控制口、柱塞推動(dòng)氣閥卸荷器、閥片運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖3 液壓執(zhí)行器

3.2.4 分擋調(diào)節(jié)器

對(duì)于無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)講，HPU 液壓油站輸出的高壓進(jìn)油管線可以用一根總管供油，再分支到各個(gè)液壓執(zhí)行器直接提供動(dòng)力源即可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)。根據(jù)壓縮機(jī)的特殊工藝要求，在每一分支高壓進(jìn)油管線上安裝電磁閥，再對(duì)每一分支電磁閥進(jìn)行編程控制，使之達(dá)到壓縮機(jī)原有的全部行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)方式，即為分擋調(diào)節(jié)器。

分檔調(diào)節(jié)器分為停用狀態(tài)和投用狀態(tài)。停用狀態(tài)即電磁閥處于失電常開(kāi)狀態(tài)，確保各個(gè)分支高壓進(jìn)油暢通，該狀態(tài)為無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用狀態(tài)；投用狀態(tài)即為電磁閥得電關(guān)閉狀態(tài)，確保各個(gè)分支高壓進(jìn)油切斷，該狀態(tài)為全部行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)的應(yīng)用狀態(tài)。其中控制權(quán)限為分擋控制優(yōu)先于無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)控制。

3.2.5 專用氣閥

無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)配合使用的氣閥為專用氣閥，與傳統(tǒng)的全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用的氣閥有著本質(zhì)的不同。

（1）氣閥的動(dòng)作頻率不同。全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用的氣閥根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速及輸送氣體的差壓進(jìn)行自然狀態(tài)的啟閉動(dòng)作，對(duì)于閥片彈簧、卸荷器彈簧的動(dòng)作靈敏程度沒(méi)有苛刻的要求；對(duì)于專用氣閥而言，因?yàn)閷?duì)氣量的控制要求，因此要對(duì)氣閥的啟閉動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，要求氣閥的閥片啟閉動(dòng)作靈敏、彈簧部件精準(zhǔn)可靠。

（2）氣閥的通量不同。全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用的氣閥為平面閥，氣體流通阻力大、通量??；專用氣閥采用最新研發(fā)的型面網(wǎng)狀閥，氣體流通阻力較小、通量大（圖4）。

圖4 型面網(wǎng)狀閥

（3）氣閥的結(jié)構(gòu)形式不同。原始設(shè)計(jì)的吸氣閥為全行程調(diào)節(jié)式吸氣閥，專用氣閥為部分行程調(diào)節(jié)式吸氣閥，從卸荷器頂桿部分有著本質(zhì)的區(qū)別；原始設(shè)計(jì)的排氣閥為開(kāi)式氣閥，氣體通量大、設(shè)計(jì)強(qiáng)度相對(duì)較低、安全性相對(duì)較差；專用氣閥因采用網(wǎng)狀弧面氣閥，同比氣體通量大，所以升級(jí)為閉式氣閥，安全性大幅度提高。

（4）氣閥承受的壓力沖擊不同。主要體現(xiàn)在吸氣閥上，全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用的氣閥在活塞進(jìn)行壓縮沖程時(shí)承受的關(guān)閉壓差相對(duì)緩慢；專用氣閥在同期承受的關(guān)閉壓差相對(duì)急促，沖擊力相對(duì)較大，所以對(duì)吸氣閥各部位的密封提出相對(duì)苛刻的要求。

通過(guò)上述分析，無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在初期調(diào)試過(guò)程中，遇到的吸氣閥溫度始終偏高的問(wèn)題得以解決。

通過(guò)全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用的氣閥與專用吸氣閥各個(gè)密封部位設(shè)置對(duì)比可知，無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)專用氣閥對(duì)每個(gè)密封部位的要求非?？量?，全行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所用氣閥的密封抵擋不住專用氣閥所受的壓力沖擊，這就是初期調(diào)試期間吸氣閥溫度偏高的原因。

4 煤液化技術(shù)應(yīng)用無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)節(jié)能效果分析

煤液化技術(shù)應(yīng)用的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)節(jié)能效果分析見(jiàn)表1，平均每月節(jié)約費(fèi)用約18 萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。

表1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)與全負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

概述往復(fù)式壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的發(fā)展歷史，通過(guò)分析目前的往復(fù)式壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方式，最終煤液化技術(shù)選用最適合工藝生產(chǎn)的部分行程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)（即無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)）方式。從理論論述到實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，充分證實(shí)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)節(jié)能效果在煤液化技術(shù)上的應(yīng)用成效顯著。