【壓縮機(jī)網(wǎng)】本文首先介紹了卸荷調(diào)節(jié)的優(yōu)缺點，然后通過理論分析及案例計算分析了卸荷工況對往復(fù)壓縮機(jī)級間壓力、反向角、曲軸扭矩的影響。通過分析得出50%工況時，級間壓力會上升，反向角和扭矩可能增大也可能減小的結(jié)論。本文對壓縮機(jī)的操作、選型計算及校核計算有一定的指導(dǎo)意義。

　　文/曾躍波  徐延學(xué) 

 

　　一、引言

　　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，且按照API618還應(yīng)有3%的富余量。一旦壓縮機(jī)被設(shè)計生產(chǎn)出來，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。在所有的流量調(diào)節(jié)方式中，全部頂開吸氣閥的卸荷調(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)備簡單、造價低等優(yōu)點；但是其缺點也十分明顯，對于絕大部分壓縮機(jī)來說，只能實現(xiàn)0%、50%、100%三檔調(diào)節(jié)，而且基本不允許長時間0%負(fù)荷調(diào)節(jié)，0%負(fù)荷調(diào)節(jié)僅在切機(jī)時使用，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)等其它流量調(diào)節(jié)方式^[1]。

　　我們都知道，50%卸荷為蓋側(cè)卸荷，軸側(cè)保持滿負(fù)荷操作。本文主要研究50%卸荷工況對往復(fù)式壓縮機(jī)級間壓力、反向角以及曲軸轉(zhuǎn)矩的影響。

 

　　二、50%卸荷工況對級間壓力的影響

　　常見的往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸由蓋側(cè)和軸側(cè)構(gòu)成，因為軸側(cè)存在活塞桿的原因，導(dǎo)致一個壓縮周期內(nèi)蓋側(cè)吸入的氣體比軸側(cè)吸入氣體的體積要小。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)荷時的50%，而對于多級壓縮機(jī)的后幾級來說，活塞桿體積占據(jù)氣缸的體積越來越大，導(dǎo)致這幾級吸氣量更小于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級間壓力分配，使得每一級氣缸的吸氣質(zhì)量流量相等。然而這種試算過程很復(fù)雜，尤其是對于多級壓縮的壓縮機(jī)，經(jīng)常要試算十幾次^[2]。而通過HYSYS專有的往復(fù)壓縮機(jī)模型，可以很好的模擬這種卸荷工況。我們以某加氫裝置的四級壓縮機(jī)為例，圖1表示了四級壓縮機(jī)的壓縮流程，而圖2分別表示了卸荷前和卸荷后的各級壓力變化及流量變化情況。

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

　　這就要求我們在設(shè)計壓縮機(jī)時，要充分考慮卸荷工況對級間壓力的影響，并適當(dāng)提高級間安全閥的定壓，防止因卸荷導(dǎo)致的級間安全閥起跳。

 

　　三、50%卸荷工況對反向角的影響

　　我們都知道，壓縮過程分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程。而蓋側(cè)卸荷時，蓋側(cè)的壓力就是吸氣壓力，且一直保持不變。圖3中的（a）和（b）圖分別表示了卸荷前后某一級的受力情況。圖3中的氣體力疊加曲線最后一部分為直線，對比圖3的a，b圖可以發(fā)現(xiàn)，a圖中的氣體力疊加曲線的最后一段直線數(shù)值的絕對值比較大，而圖b中相應(yīng)一段直線數(shù)值的絕對值卻小很多。這是因為，此段直線代表著軸側(cè)的吸氣過程，軸側(cè)吸氣時軸側(cè)和蓋側(cè)的壓力相等，此時氣體力兩側(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于氣缸截面積比較小，造成了此段直線數(shù)值上的下降。

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

　　因為卸荷工況時的反向角存在變化，這就要求壓縮機(jī)設(shè)計時，要分析卸荷工況下的反向角變化，防止因為反向角過小引起十字頭銷潤滑不暢導(dǎo)致十字頭銷損壞的發(fā)生。

 

　　四、50%卸荷工況對壓縮機(jī)扭矩的影響

　　50%卸荷工況影響了每一級的氣體力，從而影響了該級的綜合活塞力，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的切向力發(fā)生變化，每級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，某臺壓縮機(jī)的負(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，波動率似乎沒有變化，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率變大。而負(fù)載扭矩變大或扭矩波動值變大，有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)不均勻度超過API618的標(biāo)準(zhǔn)值，或?qū)е?a href="http://teamkylake.com" target="_blank" class="keylink">電機(jī)電流脈動超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。這就要求我們在壓縮機(jī)設(shè)計時，要充分考慮卸荷工況對往復(fù)壓縮機(jī)扭矩值的影響。

　　五、結(jié)語

　　卸荷工況下，每級氣量的非均勻性減小導(dǎo)致了級間壓力的變化，同時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。因此無論壓縮機(jī)的設(shè)計計算還是校核計算，均應(yīng)該考慮卸荷工況的影響。

 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]陳超，張貴軍，劉文利.無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2019，02：20-22.

　　[2]郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：231-236.

 

　　作者簡介

　　曾躍波，男，2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)動力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，現(xiàn)于中國船舶集團(tuán)公司第七一一研究所從事壓縮機(jī)設(shè)計工作。

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