１、引言

　　【壓縮機(jī)網(wǎng)】壓縮機(jī)是一種通過(guò)壓縮氣體提高氣體壓力的機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)品和技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫(yī)藥、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國(guó)防等很多領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。其中，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在多領(lǐng)域生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，屬于高耗能的關(guān)鍵設(shè)備。這主要是由于生產(chǎn)工藝的波動(dòng)導(dǎo)致與初始設(shè)計(jì)參數(shù)不符，造成很多往復(fù)活塞式壓縮機(jī)存在能源利用效率低、無(wú)用功耗大等問(wèn)題。

　　《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中要求“十四五”期間“生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5％、18％，主要污染物排放總量持續(xù)減少”，并在“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”方面“堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域和公共機(jī)構(gòu)節(jié)能”。因此，對(duì)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，降低或消除無(wú)用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我國(guó)在“十四五”期間急需深化解決的問(wèn)題之一。

　　往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)近年來(lái)得到了較好發(fā)展和應(yīng)用，但是很多領(lǐng)域的設(shè)備管理等技術(shù)或科技人員對(duì)它的認(rèn)識(shí)依然還停留在21世紀(jì)10年代之前，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)笨重、調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)精度低、響應(yīng)速度慢、可靠性較差、易損件多、難以維護(hù)、手動(dòng)調(diào)節(jié)困難且須壓縮機(jī)停機(jī)后才能調(diào)節(jié)等。這些十幾年前余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的缺陷和不足，在最近幾年的一些科技論文中依然頻繁出現(xiàn)，這些片面甚至錯(cuò)誤的認(rèn)知將嚴(yán)重影響或說(shuō)嚴(yán)重阻礙余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步、發(fā)展和應(yīng)用。

　　現(xiàn)已推廣使用近十余年的余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝，調(diào)節(jié)范圍適宜、實(shí)現(xiàn)了伺服無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，多種操控模式、參數(shù)設(shè)置靈活，調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)響應(yīng)速度適中，易損件少、使用壽命長(zhǎng)、基本免維護(hù)、安全可靠性高，節(jié)能效率高、能最大化地實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的節(jié)能降耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　對(duì)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行探討和分析，目的就是客觀、公正、詳實(shí)地把余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用特性等研究結(jié)果呈現(xiàn)給廣大設(shè)備管理等技術(shù)人員和專家學(xué)者，期望共同分享先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的最新成果，并能有助于余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，有助于該技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展和創(chuàng)新，有助于提高往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的能源利用效率，能為我國(guó)降低二氧化碳排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)添磚加瓦。

　　２、技術(shù)發(fā)展歷史

　　往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方法有很多種，在1974年之前，國(guó)內(nèi)使用的可獨(dú)立進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)的裝置就有13種、某兩種獨(dú)立調(diào)節(jié)裝置又可組合成4種綜合調(diào)節(jié)裝置；其中，作用于氣缸腔內(nèi)的5種調(diào)節(jié)裝置中的“固定補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”和“可變補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”均為余隙調(diào)節(jié)裝置，它們?cè)谳^早的時(shí)候就已被采用。

　　當(dāng)時(shí)的固定補(bǔ)助余隙調(diào)節(jié)裝置和可變補(bǔ)助余隙調(diào)節(jié)裝置，雖具有較好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能降耗的特點(diǎn)，但有一些不足之處，比如結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、笨重、調(diào)節(jié)精度低和調(diào)節(jié)比較困難（需壓縮機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)方可手動(dòng)調(diào)節(jié)），以致于配置了這種裝置的壓縮機(jī)用戶，讓這些裝置經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。

　　我們查閱了2012年及之前的國(guó)內(nèi)著名的一些文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)余隙調(diào)節(jié)技術(shù)在1974年之后的近三十多年的時(shí)間內(nèi)無(wú)創(chuàng)新性發(fā)展的信息披露。

　　在國(guó)外，自上世紀(jì)中期就已廣泛應(yīng)用固定或可變補(bǔ)助余隙容積裝置，至今，我國(guó)進(jìn)口的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)上大多數(shù)配置只調(diào)節(jié)一級(jí)氣缸的手動(dòng)可變余隙容積裝置，氣量調(diào)節(jié)范圍一般在80％～100％，如圖1。

　　Dresser-Rand Company于1996年在美國(guó)申請(qǐng)了《Self-contained，Clearance-volume Ad just ment Means for a gas Compressor》 專利技術(shù)，其調(diào)節(jié)氣量范圍設(shè)計(jì)在60％～100％，這也是我們已知的國(guó)際上具有里程碑意義的首套液壓式無(wú)級(jí)可調(diào)容積式余隙腔專利技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)品在美國(guó)有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，見圖2。2014年，Dresser-Rand Company在與中國(guó)某企業(yè)的技術(shù)協(xié)議中，介紹其HVVCP的氣量調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)在55％～100％，但至今在中國(guó)沒有查詢到對(duì)該公司HVVCP產(chǎn)品的應(yīng)用報(bào)道。

　　目前，國(guó)內(nèi)制造的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)上配置固定余隙裝置已很少見，配置諸如圖3所示手動(dòng)可調(diào)余隙裝置的還有，這可能與客戶應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)條件或環(huán)境要求有關(guān)、也可能與新技術(shù)產(chǎn)品推廣力度不夠有關(guān)，但手動(dòng)可調(diào)余隙裝置已不是當(dāng)今氣量調(diào)節(jié)應(yīng)用的主流。

　　2009年12月，國(guó)內(nèi)將可變補(bǔ)助余隙容積裝置創(chuàng)新性地“升級(jí)”為電液式余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的首臺(tái)套成功得到應(yīng)用，并取得良好節(jié)能效果。對(duì)于余隙調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)西南研究院對(duì)這類調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為它是未來(lái)很有潛力的發(fā)展方向之一。

　　３、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　國(guó)產(chǎn)電液式余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在近五年多的時(shí)間內(nèi)得到較快發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)關(guān)于余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的專利技術(shù)已超過(guò)五十多件，關(guān)于余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用的論文也超過(guò)了五十多篇，現(xiàn)在每年都有關(guān)于余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的專利申請(qǐng)及技術(shù)應(yīng)用論文的發(fā)表、而且都給出了較高評(píng)價(jià)。

　　國(guó)產(chǎn)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置已同電儀＋PLC＋液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)的無(wú)級(jí)伺服調(diào)控，控制精度較高、達(dá)到2‰～3‰。國(guó)內(nèi)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置的核心設(shè)備——執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、拆裝便捷、控制精度高、無(wú)高速運(yùn)動(dòng)部件、基本免維護(hù)、維修簡(jiǎn)便、維修速度快（不足一天）、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性高、壓縮機(jī)輸出氣量穩(wěn)定、節(jié)能效率較高、性價(jià)比高等，參見圖3。

　　當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)不但解決了無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和伺服級(jí)控制的技術(shù)問(wèn)題，而且其調(diào)節(jié)范圍從理論上推導(dǎo)和計(jì)算來(lái)講：對(duì)雙作用壓縮機(jī)來(lái)講，可達(dá)50％～100％；對(duì)單作用壓縮機(jī)來(lái)講，為0％～100％；因此，該技術(shù)的氣量調(diào)節(jié)范圍比較適宜，能滿足絕大多數(shù)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)節(jié)能改造的要求，因?yàn)閴嚎s機(jī)后續(xù)生產(chǎn)工藝極少能按照低于60％額定負(fù)荷運(yùn)行去設(shè)計(jì)壓縮機(jī)，這也就確保了壓縮機(jī)在低于60％額定負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行的可能性大大降低?？蛻舻默F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用也驗(yàn)證了前述推算。

　　截止2020年底，國(guó)內(nèi)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)已推廣應(yīng)用了11年，利用該技術(shù)節(jié)能改造的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)約200臺(tái)左右。據(jù)反映，客戶只要使用過(guò)該技術(shù)產(chǎn)品，3年內(nèi)就會(huì)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)產(chǎn)品以上的諸多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)地考察，了解到中國(guó)石化集團(tuán)某分公司從2013年至2020年的七年間，利用該技術(shù)已累計(jì)節(jié)能改造了9臺(tái)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，深受客戶稱贊，見表1。這也足以印證該技術(shù)的過(guò)硬特點(diǎn)之處。

　　余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在2009～2020年間的11年發(fā)展過(guò)程中，該技術(shù)產(chǎn)品也出現(xiàn)過(guò)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿斷裂、余隙活塞脫落、油缸筒或余隙缸筒脹裂、缸筒鍍層損壞、裝配或安裝螺栓蹦斷、控制箱爆燃、控制油管線或卡套接頭崩開、密封組件使用壽命未達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求使用年限等的嚴(yán)重事故，給使用客戶造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失和精神傷害，也產(chǎn)生了對(duì)該技術(shù)還不成熟的懷疑，甚至出現(xiàn)了對(duì)該技術(shù)完全否定的態(tài)度。但從前述事故現(xiàn)象看，這主要是制造商的產(chǎn)品質(zhì)量所致，不應(yīng)質(zhì)疑該技術(shù)。

　　在具體的客戶應(yīng)用實(shí)踐中，有的余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較長(zhǎng)，這主要是因?yàn)閴嚎s機(jī)的壓縮比較小所致，而且大都是一級(jí)兩列往復(fù)活塞式壓縮機(jī)出現(xiàn)的情況。對(duì)于這種情況，只要其安裝和檢修空間足夠，采用余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)仍具有實(shí)施的必要性。

　　4、技術(shù)特性

　　余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在十余年的創(chuàng)新發(fā)展的過(guò)程中，不斷消除“固定補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)”和“可變補(bǔ)助余隙容積調(diào)節(jié)” 技術(shù)的缺點(diǎn)和缺陷，特別是以往那種靠壓縮機(jī)停機(jī)后人工手動(dòng)才能完成負(fù)荷調(diào)節(jié)操作的狀況被徹底改變，不但實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的無(wú)級(jí)伺服調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)精度高、安全可靠性高、穩(wěn)定性高等。這一調(diào)控技術(shù)的突破，受益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它采用了液壓電磁閥控制技術(shù)＋電氣儀表控制技術(shù)＋PLC＋人機(jī)對(duì)話平臺(tái)等的綜合控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)余隙活塞位移，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)助余隙容積的改變，進(jìn)而達(dá)到改變壓縮機(jī)氣缸入口容積流量的變化，并最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的調(diào)節(jié)和最大化節(jié)能降耗的目的。余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的部分特性指標(biāo)，見表2。

　　現(xiàn)階段余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)除了表2中的一些特性指標(biāo)外，某些論文給出了余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)另外的一些特性指標(biāo)：“能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)平穩(wěn)開啟、平穩(wěn)切換和停機(jī)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)不停機(jī)即可實(shí)現(xiàn)維修控制系統(tǒng)”；“隨著壓縮功的降低，壓縮機(jī)曲軸、連桿機(jī)構(gòu)等零部件的受力也將大大降低，噪聲也會(huì)隨之降低；壓縮機(jī)振動(dòng)減??；設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠”。隨著余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，某些特性指標(biāo)將會(huì)得到進(jìn)一步理論推導(dǎo)和實(shí)踐驗(yàn)證。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)只有在不斷創(chuàng)新發(fā)展的過(guò)程中不斷自我革新，才能適應(yīng)時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的要求；對(duì)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行研究，可以佐證余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)已不是人們很早以前了解的那個(gè)笨重、易損件多、調(diào)節(jié)困難等的技術(shù)，而且還佐證了新技術(shù)產(chǎn)品的諸多優(yōu)異特性對(duì)節(jié)能改造后的壓縮機(jī)具有較好優(yōu)化和保護(hù)。余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)具有的高安全可靠性、高性價(jià)比和高的壓縮機(jī)能源利用效率及能實(shí)現(xiàn)最大化壓縮機(jī)節(jié)能降耗，將更有利于增加客戶的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)，也有利于國(guó)家降低二氧化碳排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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