潘樹林，張云峰，吳菊靳，歐勝芳

(1.湖南人文科技學(xué)院能源與機電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.浙江浙歐氣閥制造有限公司，浙江 溫州 325006)

1 引言

在石化、化工與化肥等流程工業(yè)中，往往需要壓縮機。往復(fù)壓縮機具有效率高同時適用介質(zhì)、工作壓力及排氣量范圍廣等優(yōu)點，因此在流程工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。在許多流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)工藝中，從原料到成品必須經(jīng)過一個氣體壓縮流程，這種情況下，壓縮機的排氣量直接影響企業(yè)的產(chǎn)量與經(jīng)濟效益。當(dāng)壓縮機排氣量不足時，傳統(tǒng)的應(yīng)對辦法包括：對壓縮機活塞環(huán)與填料等密封件進行檢修或技術(shù)改造、減小壓縮機余隙容積或擴缸、改變壓縮機運行工況等[2]，較少考慮氣閥對壓縮機排氣量的影響并對氣閥進行技術(shù)改造。近年來，隨著壓縮機領(lǐng)域技術(shù)人員對氣閥的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)氣閥影響往復(fù)壓縮機排氣量。當(dāng)排氣量低于設(shè)計值時，分析氣閥存在的問題，通過對氣閥進行技術(shù)改造，從而有效提升壓縮機的排氣量[3]。

壓縮機排氣量等于容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)、行程容積及轉(zhuǎn)速的乘積[2]。氣閥對壓縮機排氣量的影響體現(xiàn)為：氣閥影響壓縮機的容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及泄漏系數(shù)[3]，本文對此進行系統(tǒng)闡述，并通過實例表明，氣閥對壓縮機排氣量存在較大影響。

2 氣閥對壓縮機容積系數(shù)的影響

氣閥的余隙容積計入壓縮機的余隙容積，從定性角度看，氣閥存在余隙容積使壓縮機容積系數(shù)和排氣量下降，這點為壓縮機領(lǐng)域技術(shù)人員所公認(rèn)，但實踐中更多的時候需要定量計算氣閥余隙容積對壓縮機排氣量的影響。

壓縮機工作介質(zhì)為理想氣體時，壓縮機容積系數(shù)計算公式如下[1]

(1)

式中λv——容積系數(shù)

α——相對余隙容積

ε——名義壓力比

m——膨脹過程指數(shù)

取m=1.2，λv隨α、ε變化關(guān)系如表1。從表1中可以看出，當(dāng)壓比為3，相對余隙容積由0.075下降到0.07時，容積系數(shù)由0.8876提升至0.8951，容積系數(shù)提升了約0.84%。當(dāng)壓比為6，相對余隙容積由0.145下降到0.14時，容積系數(shù)由0.4996提升至0.5169，容積系數(shù)提升了約3.46%。

表1 λv隨α、ε變化關(guān)系

對大型壓縮機而言，一級的壓比、相對余隙容積較小，通過降低一級氣閥余隙容積來提升容積系數(shù)與排氣量的效果不明顯。相對而言，當(dāng)微型、小型壓縮機一級的壓比、余隙容積較大時，通過降低一級氣閥余隙容積來提升容積系數(shù)與排氣量的效果較為明顯。

3 氣閥對壓縮機壓力系數(shù)的影響

壓力系數(shù)為吸氣終了壓力與名義吸氣壓力之比。假設(shè)吸氣閥在接近活塞止點時關(guān)閉，閥片與閥座密封邊完全貼合，活塞達到止點位置時閥片兩側(cè)壓差力正好等于所受彈簧力，則

(2)

式中λp——壓力系數(shù)

∑F′——壓在閥片上彈簧總剛度，N/m

H0——彈簧預(yù)壓縮量，m

∑d——閥座各流道中徑之和，m

b——閥座通道寬度，m

c——閥座密封邊寬度，m

ps——為名義吸氣壓力，Pa

由式(2)可知，壓力系數(shù)與壓在閥片上的彈簧力有關(guān)。當(dāng)彈簧力變大時，壓力系數(shù)變小。壓縮機設(shè)計時，通常先憑經(jīng)驗選取壓力系數(shù)，計算所需的行程容積，而后進行氣閥設(shè)計，因此常有選取的壓力系數(shù)與實際壓力系數(shù)不符的情況出現(xiàn)。某6M40-235/157二氧化碳壓縮機一級吸氣壓力為0.105 MPa(A)，吸氣閥壓在閥片上彈簧總剛度為32 N/mm，彈簧預(yù)壓縮量為3.6 mm，閥座有8個流道，各流道中徑之和為1.144 m，閥座通道寬度為4.5 mm，閥座密封邊寬為1.25 mm，由式(2)計算得該壓縮機一級壓力系數(shù)實際僅為0.947。由于該壓縮機設(shè)計時，一級壓力系數(shù)選為0.97，這導(dǎo)致壓縮機實際排氣量低于設(shè)計值。

4 氣閥對壓縮機泄漏系數(shù)的影響

氣閥對壓縮機泄漏系數(shù)的影響主要體現(xiàn)為氣閥的氣密性對泄漏系數(shù)的影響以及氣閥運動規(guī)律對泄漏系數(shù)的影響[4]。

由于閥片與閥座密封面存在平面度公差，關(guān)閉狀態(tài)下閥片與閥座密封面之間存在微小間隙，產(chǎn)生泄漏從而影響壓縮機排氣量。在有油壓縮機內(nèi)，潤滑油粘附在閥片表面、閥座密封面，使泄漏面積減小，壓縮機泄漏系數(shù)增大。近年來，隨著特種工程塑料PEEK的廣泛應(yīng)用，壓縮機氣閥越來越多采用PEEK材料閥片。塑料閥片的平面度公差較金屬閥片大，剛裝入壓縮機時泄漏較大，經(jīng)過一段時間跑合后，氣閥氣密性可得到較大幅度提升，使壓縮機排氣量增大。

良好的氣閥運動規(guī)律要求氣閥及時關(guān)閉，當(dāng)氣閥彈簧力過小時，氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉，如圖1所示。當(dāng)吸氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉時，氣缸內(nèi)氣體回流至吸氣腔內(nèi)；當(dāng)排氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉時，排氣腔內(nèi)的氣體回流至氣缸內(nèi)。這兩種情況均相當(dāng)于泄漏，使得壓縮機泄漏系數(shù)與排氣量下降。

圖1 延遲關(guān)閉型氣閥運動規(guī)律

5 氣閥對壓縮機溫度系數(shù)的影響

壓縮機理論循環(huán)時，氣流流過吸氣閥沒有壓力降與功耗，流入氣缸內(nèi)的氣體推動功全部用于活塞對外做功，吸氣過程中氣缸內(nèi)氣體溫度保持不變，與吸氣腔內(nèi)氣體溫度一致。壓縮機實際循環(huán)時，由于氣流流過吸氣閥存在壓力降與功耗，導(dǎo)致活塞對外做功下降，活塞對外做功下降值等于吸氣閥的功耗。運用熱力學(xué)第一定律分析可得，吸氣閥的功耗使得氣缸內(nèi)氣體熱力學(xué)能與溫度上升，壓縮機溫度系數(shù)下降。吸氣閥功耗越大，壓縮機溫度系數(shù)越小[4]。

吸氣閥工作過程中，氣體從吸氣腔流入氣缸內(nèi)，假定氣體密度不變，經(jīng)吸氣閥流入氣缸的氣體體積等于活塞掃過的容積，則[5]

(3)

式中 Δpsv——吸氣閥的壓力降，N/m2

ρs——流過吸氣閥的氣體密度，kg/m3

vsv——閥隙平均流速，m/s

θ——曲軸轉(zhuǎn)角，rad

γ——曲柄半徑與連桿長度之比

吸氣閥的功耗為[6]

(4)

式中Ws——吸氣閥的功耗，J

θ0——吸氣閥開啟角，rad

θd——吸氣閥關(guān)閉角，rad

Ap——活塞面積，m2

S——行程，m

吸氣閥功耗使得吸氣終了時氣體溫升為

(5)

式中 ΔTs——吸氣閥功耗導(dǎo)致的氣體溫升，K

Ms——吸入氣缸的氣體質(zhì)量，kg

cv——氣體的定容比熱容，J/(kg·K)

式(3)、式(4)及式(5)中，閥隙平均流速為[1]

(6)

式中vm——活塞平均速度，m/s

Ns——同側(cè)吸氣閥數(shù)量

Ase——單個吸氣閥的有效通流面積，m2

式(5)中吸入氣缸的氣體質(zhì)量與吸氣狀態(tài)下氣體密度、活塞面積及行程成正比，因此吸氣終了時，由氣閥功耗導(dǎo)致的溫升主要與閥隙平均流速、氣體定容比熱容等相關(guān)。當(dāng)氣閥有效通流面積設(shè)計得過小或壓縮機運行過程中氣閥嚴(yán)重堵塞時，閥隙平均流速與吸氣閥功耗過大，導(dǎo)致吸氣終了時氣缸內(nèi)氣體溫度過高，壓縮機溫度系數(shù)與排氣量過小。

6 氣閥對壓縮機排氣量的影響實例

某化工企業(yè)6M50-308/314氮氫氣壓縮機在實際運行時，發(fā)現(xiàn)其排氣量不足，由此導(dǎo)致合成氨達不到設(shè)計產(chǎn)能。該壓縮機采用7級，轉(zhuǎn)速為333 r/min，行程為400 mm，一級缸徑為1340 mm，活塞桿直徑為110 mm。一級氣缸蓋側(cè)、軸側(cè)分別配吸氣閥、排氣閥各5組，氣閥為閉式結(jié)構(gòu)，其安裝直徑為325 mm，外緣直徑為340 mm。

6M50-308/314氮氫氣壓縮機一級原采用菌狀閥，每組氣閥的閥片數(shù)及彈簧數(shù)均為60，氣閥升程為3 mm。菌狀閥閥座、升程限制器氣流通道為圓孔，由于圓孔通道布置型式所形成的總通流面積要小于環(huán)形通道結(jié)構(gòu)的總通流面積[2]，因此菌狀閥通流面積較小，氣閥功耗大，一級溫度系數(shù)小。由于氣流流過菌狀閥時，阻力較大，閥片兩側(cè)壓差較大，導(dǎo)致閥片所受氣流推力較大，所需匹配的氣閥彈簧力也較大，因此一級壓力系數(shù)較小。菌狀閥閥片數(shù)量大，因加工及氣流偏吹等原因開啟、關(guān)閉步調(diào)很不一致，同時當(dāng)工作介質(zhì)中粉塵、焦油等雜質(zhì)較多時，氣閥易于堵塞[7]。堵塞后的菌狀閥清洗及檢修困難，氣閥氣密性較難保證，因此一級泄漏系數(shù)較小。

改造后的6M50-308/314氮氫氣壓縮機一級氣閥為大通道環(huán)狀閥。環(huán)狀閥片數(shù)為6，閥片材料采用PEEK，氣閥升程為3.6 mm。氣閥彈簧數(shù)為54，單個彈簧的剛度為0.7 N/mm。改造后氣閥抗堵塞性能與氣密性較好，且易于清洗及檢修[7]。氣閥改造設(shè)計過程中，通過軟件分析計算氣閥運動規(guī)律、功耗等氣閥特性[6]，優(yōu)化影響壓縮機排氣量的氣閥參數(shù)。

6M50-308/314氮氫氣壓縮機一級設(shè)計工況、一級氣閥改造前后實際工況如表2。從表2中可看出，一級氣閥改造后，在一級排氣壓力上升的情況下，一級排氣溫度大幅下降，這表明改造后的一級氣閥功耗大幅下降[8]。

表2 6M50-308/314氮氫氣壓縮機一級工況

多級壓縮機二級工作狀況正常的情況下，可以根據(jù)一級壓比的變化近似計算壓縮機排氣量的變化。6M50-308/314氮氫氣壓縮機一級氣閥改造前后當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1 MPa，得壓縮機排氣量的相對變化量為[8]

(7)

式中λQ——排氣量的相對變化量

ε1——氣閥改造前一級實際壓比

7 結(jié)論

氣閥影響壓縮機容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及泄漏系數(shù)，從而影響壓縮機排氣量。壓縮機設(shè)計或?qū)嶋H運行時，應(yīng)充分考慮氣閥對壓縮機排氣量的影響。當(dāng)氣閥有效通流面積過小或是嚴(yán)重堵塞時，氣閥功耗過大導(dǎo)致壓縮機溫度系數(shù)與排氣量過小。