楊長華，趙東升，薛成寶，馬海輝，余小玲，廖梓璜

(1.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408099；2.沈陽申元氣體壓縮機有限責任公司，遼寧 沈陽 110141；3.西安交通大學，陜西 西安 710049)

1 引言

大型往復式縮機的啟機過程較為復雜，而且發(fā)生的時間較短。在短時間內(nèi)壓縮機的轉(zhuǎn)速從零升到額定轉(zhuǎn)速；壓縮機的各級排氣壓力、溫度上升至穩(wěn)定運行狀態(tài)。在該過程中常常會發(fā)生電機啟動電流大、排氣溫度高、振動過大等啟機故障。由于啟機過程中機器動態(tài)工作過程復雜，這些故障原因很難確定，因此極有必要對壓縮機的啟機過程進行研究，明確各參數(shù)的變化規(guī)律。

對于啟機過程的研究，很多是針對小型制冷壓縮機展開[1～3]，包括啟動負載特性、電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩。這些研究對于多級高壓往復式壓縮機的研究具有借鑒意義。但由于級數(shù)多，系統(tǒng)復雜，高壓多級往復式的動態(tài)啟機過程的參數(shù)變化很難把控。在實際工程中，首先是進行合理的啟機邏輯設計[4]，保證順利啟機，若有故障也能及時發(fā)現(xiàn)，保護壓縮機。針對啟機中出現(xiàn)的故障，多是根據(jù)操作者的經(jīng)驗逐層摸排[5，6]，少有文獻對啟機過程中壓縮機的參數(shù)變化、電機扭矩等進行定量研究及分析。

基于上述現(xiàn)狀，本文對一臺高壓四級四列的往復式壓縮機的啟機過程進行實驗和深入分析，實驗測量了壓縮機的動態(tài)參數(shù)變化，并按文獻[7]的方法，獲得了壓縮機軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率。

2 實驗機組

本文研究對象為一臺高壓無油潤滑往復壓縮機，其結(jié)構(gòu)為四列四級對動平衡式，壓縮機采用空氣作為介質(zhì)，往復機的入口氣體為螺桿壓縮機增壓后的空氣與壓縮機末級排氣降壓后氣體的混合氣。額定入口壓力為0.7 MPa(G)。電機為變頻電機，轉(zhuǎn)速為0～720 r/min。壓縮機參數(shù)如表1所示。

表1 往復式壓縮機結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)

3 壓縮機啟機過程測試

實驗機組配有眾多測量儀表，能夠監(jiān)測壓縮機各級進、排氣壓力、各級進、排氣溫度、冷卻水壓、潤滑油壓，這些參數(shù)連入PLC控制系統(tǒng)，對壓縮機運行狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控、報警及聯(lián)鎖。

本次測試條件為：一級入口壓力為0.55 MPa，末級排氣壓力為14.4 MPa，壓縮機轉(zhuǎn)速設定為300 r/min。

3.1 進排氣壓力測試

為了研究壓縮機啟機過程中各級間壓力和溫度的變化，將各級進、排氣壓力和溫度測點設置于壓縮機各級進、排氣緩沖器上。動態(tài)壓力及溫度數(shù)據(jù)由PLC系統(tǒng)記錄。

3.2 扭矩測試

為了測試往復壓縮機啟機過程的軸系的扭矩變化，在壓縮機電機軸側(cè)粘貼應變片進行扭轉(zhuǎn)振動測試[7]，如圖3所示。測試傳感器采用電阻應變片，電阻值為350.8 Ω，靈敏度系數(shù)為2.11%，測量電路采用雙臂全橋，如圖1所示。

圖1 全橋測量電路

由材料力學知，當受扭矩作用時，軸表面有最大剪應力。軸表面的單元體為純剪應力狀態(tài)，在與軸線成45°的方向上有最大正應力和，其值為，相應的變形為和，當測得應變后，便可算出。測量時應變片沿與軸線成45°的方向粘貼。

由于4個電阻都沿與軸線方向成45°的方向粘貼于軸系表面，應變片在軸的扭轉(zhuǎn)過程中只受拉壓應力，不受切向應力，電阻值大小及電阻值在扭轉(zhuǎn)過程中的變化大小都相等，且1，3與2，4號電阻的大小變化相反，可得

U0=EKε

其中U0——輸出電壓

E——材料的彈性模量

K——應變片靈敏度

ε——應變

因此，根據(jù)輸出的電壓值得到構(gòu)件的應變值大小。

4 測試結(jié)果

往復壓縮機啟機過程包括從電機軸開始轉(zhuǎn)動到壓縮機達到規(guī)定轉(zhuǎn)速，各級壓力分別開始上升至穩(wěn)定的過程。本部分將分析啟機過程中各級壓力的變化、啟機過程扭矩的變化，并根據(jù)測試結(jié)果得到壓縮機軸系的扭振固有頻率以及壓縮機的機械效率。

4.1 啟機過程各級壓力的變化

通過導出PLC上的各級壓力的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)可視化處理，得到啟機過程各級壓力的變化，如圖5所示。

由圖2可知，在剛啟機的時候，系統(tǒng)的背壓低，壓縮機只需要對氣體略微壓縮就能克服管道的阻力，氣體貫穿各級氣缸、管道，進入四級排氣罐，在排氣罐內(nèi)聚集，此階段各級吸、排氣壓力大致相等。隨著排氣罐內(nèi)氣體越來越多，各級的排氣壓力，同步上升。直到一級排出的氣體容積基本被二級吸入，一級排氣壓力趨于穩(wěn)定，后面各級排氣壓力繼續(xù)上升；同理，當二級排出氣體基本被三級吸入，二級排氣壓力趨于穩(wěn)定，后兩級排氣壓力繼續(xù)上升。以此類推，直到各級排出的氣體容積完全被下一級吸入，各級的排氣壓力達到穩(wěn)定，壓縮機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。啟機至穩(wěn)定過程約為400 s。

圖2 啟機過程各級壓力的變化

4.2 啟機過程扭矩的變化

經(jīng)測試得到往復式壓縮機啟機過程中的動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖中可以看出，在啟機瞬間，扭矩出現(xiàn)一個較大峰值。這是由于電機軸剛剛開始轉(zhuǎn)動逐步提速，啟動扭矩和阻力矩不匹配造成的。因為剛開始啟動的時候，驅(qū)動電機的啟動扭矩必須大于壓縮機的阻力矩，用來克服啟動過程中運動機構(gòu)的摩擦力、作用在活塞上的氣體力、管道的阻力損失等。整個啟機過程大概持續(xù)400 s。當壓縮機達到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，扭矩變化隨著各級壓力的提高穩(wěn)步上升，直至各級達到穩(wěn)定運行壓力，扭矩也趨于穩(wěn)定。

4.3 軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率

電機啟動過程是轉(zhuǎn)速從零提升至規(guī)定轉(zhuǎn)速的過程，激勵力的頻率也從零上升至額定頻率。將圖3所示啟機過程的動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到圖4所示的扭矩頻域圖。由圖4可知，在56.2 Hz處，扭矩出現(xiàn)峰值，表明此時軸系發(fā)生了扭轉(zhuǎn)共振，因此壓縮機軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率為56.2 Hz。壓縮機在運行過程中應避免在共振頻率對應的轉(zhuǎn)頻下運行，避免軸系發(fā)生共振，對機組造成危害。

圖3 啟機過程軸系扭矩時域圖

圖4 電機啟動過程的扭矩頻域圖

4.4 壓縮機的機械效率

軸功率的計算公式為

其中T——轉(zhuǎn)矩，單位為N·m

n——轉(zhuǎn)速，單位為r/min

根據(jù)圖5所示的動態(tài)扭矩得到啟機過程軸功率的變化，如圖5所示。隨著各級壓力的提升，軸功率成比例升高，當壓力基本穩(wěn)定時，壓縮機軸功率為45.50 kW。

圖5 壓縮機升壓時軸功率的變化

在相同轉(zhuǎn)速下(300 r/min)，讓壓縮機空載運行，采用相同方法獲得此時壓縮機軸功率為7.06 kW，約占實驗工況軸功率的15%。壓縮機的軸功率為壓縮機完成實際循環(huán)所需的指示功率、各運動部件摩擦功率、驅(qū)動附屬機構(gòu)所需功率之和?？蛰d時壓縮機消耗的功率主要為各運動部件摩擦功率以及驅(qū)動附屬機構(gòu)所需功率。因此，在實驗工況下壓縮機的機械效率為85%。

5 總結(jié)

本文對多級高壓往復壓縮機的啟機過程進行了實驗和分析。測試和分析了多級往復式壓縮機各級壓力的建立過程。采用無線扭矩測量系統(tǒng)測試了往復壓縮機啟機過程中扭矩的變化，并通過對動態(tài)扭矩進行頻域分析，獲得了壓縮機軸系的扭振固有頻率。根據(jù)啟機過程的動態(tài)扭矩獲得了壓縮機升壓過程中軸功率的變化，通過與空載時的軸功率比較，得到在實驗工況下壓縮機的機械效率為85%。