往復(fù)壓縮機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、往復(fù)壓縮機(jī)的工作原理及特點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)有四個工作過程：壓縮（A-B）、排氣（B-C）、膨脹（C-D）、吸氣（D-A），見圖１所示，四條線所包圍而成的面積就是壓縮氣體所消耗的功。排氣時的氣缸壓力要高于排氣管道的壓力，高出部分的壓力用于克服氣閥彈簧力、閥片的慣性、流動阻力，這就是“排氣閥損”，見圖１的BCB″的面積。排氣結(jié)束后，余隙容積的氣體是無法排出的，是要進(jìn)行膨脹的。余隙容積包括：活塞端面與氣缸端面之間的止點(diǎn)間隙的容積、氣閥至氣缸容積的通道所形成的容積、氣缸鏡面與活塞外圓之間的間隙容積。吸氣時的氣缸壓力要低于吸氣管道的壓力，低出部分的壓力用于克服氣閥彈簧力、閥片的慣性、流動阻力，這就是“吸氣閥損”，見圖１的ADD′的面積。

煉油裝置往復(fù)式壓縮機(jī)的額定流量，一般都是根據(jù)裝置所需的最大流量或近期裝置可能擴(kuò)容所需的流量來確定的。但是，由于入口條件的改變（如介質(zhì)組分、入口壓力、溫度等）、工藝流程或耗氣設(shè)備的需求量改變，壓縮機(jī)負(fù)荷都會發(fā)生變化。當(dāng)耗氣量小于壓縮機(jī)的排氣量時，為了使壓縮機(jī)的排氣量適應(yīng)耗氣量的需求，保持管網(wǎng)中的壓力穩(wěn)定，就需要對壓縮機(jī)進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，并要求靈活控制。

圖１　往復(fù)式壓縮機(jī)工作過程

2、無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)

2.1傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)方式

傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)方式及其特點(diǎn)如下：

１）旁通回流調(diào)節(jié)

排氣管經(jīng)由旁通管路和旁通閥門與進(jìn)氣管相連接，調(diào)節(jié)時只要開啟旁通閥，將過量的壓縮氣體通過中冷器和控制閥，從壓縮機(jī)的排氣側(cè)導(dǎo)入吸氣側(cè)。

特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)無級自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大并可靠，調(diào)節(jié)靈活；多余氣體全部壓縮，在所有的調(diào)節(jié)法中，旁路法能耗最高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差；一般都是與其他調(diào)節(jié)方法共同使用，適用于調(diào)節(jié)幅度小的場合。

２）余隙腔調(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)時接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數(shù)減小，排氣量降低，實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。特點(diǎn)：需要較多的人工干涉，系統(tǒng)可靠性較動設(shè)備差；調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較緩慢；易損件多，難于維護(hù)，不適用于已有設(shè)備改造。

３）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（變頻器）

通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變單位時間內(nèi)壓縮氣缸的壓縮次數(shù)從而達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的目的。

特點(diǎn)：用于驅(qū)動機(jī)為內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)的壓縮機(jī)或驅(qū)動電機(jī)功率較小的壓縮機(jī)；低轉(zhuǎn)速時，對壓縮機(jī)工作產(chǎn)生不良影響，如氣閥顫動、潤滑不充分等；對于大功率電機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，變頻器成本較高；調(diào)節(jié)氣量連續(xù)，功率消耗??；壓縮機(jī)各級壓力比可保持不變，壓縮機(jī)上不需設(shè)專門的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

４）卸荷調(diào)節(jié)法

該調(diào)節(jié)方法是在氣缸的進(jìn)氣閥上安裝卸荷器，在吸氣及壓縮過程中，它使氣閥密封元件處于開啟位置。吸氣時，氣體從壓開的吸氣閥吸入氣缸，壓縮過程中，氣體又從壓開的吸氣閥重新回到吸氣管線中。卸荷器處于卸荷狀態(tài)時無法形成有效的壓縮功，對壓縮機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。對雙作用氣缸，可實(shí)現(xiàn)0％、50％、100％的流量調(diào)節(jié)。

2.2無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

壓縮機(jī)的能耗主要與每次循環(huán)過程中實(shí)際壓縮的氣量成比例。氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)結(jié)合智能控制技術(shù)，通過液壓傳動裝置使壓縮機(jī)在壓縮過程中，進(jìn)氣閥成為受控氣閥，即通過延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥的方式，使氣缸中的部分氣體返回進(jìn)氣腔，從而實(shí)現(xiàn)在部分行程壓開進(jìn)氣閥的氣量調(diào)節(jié)方式。如圖１所示，在壓縮機(jī)的活塞往復(fù)運(yùn)動中，當(dāng)氣缸進(jìn)氣終了時，進(jìn)氣閥的閥片在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下仍被卸荷器強(qiáng)制地保持開啟狀態(tài)，壓縮過程并不沿原壓縮曲線由位置Ａ 到位置Ｂ，而是先由位置Ａ到達(dá)位置Ａ′，此時原吸入氣缸中的部分氣體經(jīng)被頂開的進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣管而不被壓縮；待活塞運(yùn)動到特定的位置Ａ′（對應(yīng)所要求的氣量）時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)使頂開進(jìn)氣閥片的強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮。這就是“回流省功”的原理。

3、無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，方便應(yīng)用到已使用和新的壓縮機(jī)。流程控制在DCS系統(tǒng)或閉環(huán)控制器上完成；CIU承擔(dān)執(zhí)行設(shè)備與DCS交換數(shù)據(jù)。

圖2　結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 實(shí)物圖

4、應(yīng)用情況及前景

該系統(tǒng)在國內(nèi)只有少數(shù)高校在進(jìn)行研究，還未有相關(guān)企業(yè)介入，目前市場上常見的無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是德國賀爾碧格公司的產(chǎn)品，但其價格昂貴，供貨周期長。因此，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大型往復(fù)式壓縮機(jī)的高精度氣量調(diào)節(jié)，大大降低能耗，節(jié)約能源和成本，在一定程度上填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品空白，具有的較大技術(shù)創(chuàng)新性。

無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管，節(jié)省了壓縮機(jī)外回流所做的無用功，獲得了顯著的節(jié)能效果。從實(shí)際應(yīng)用來看，投用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，在裝置滿負(fù)荷工況下，壓縮機(jī)５０％的負(fù)荷即可滿足工藝系統(tǒng)的要求。如某加氫裂化裝置，壓縮機(jī)主電機(jī)的電流較之以前減少100Ａ。主電機(jī)的電壓為6000Ｖ，若電機(jī)功率因數(shù)按0.8，每度電價按0.68元，一年運(yùn)行按8400ｈ計算，一年可節(jié)省電費(fèi)475萬元。無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，即維持了壓縮機(jī)自身的自動控制邏輯不變，又優(yōu)化了氣量控制方案，使壓縮機(jī)的整個控制功能更趨合理，操作更簡單方便，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)加載、無沖擊切換及停機(jī)，改善了機(jī)組的運(yùn)行狀況。同時，降低了開機(jī)時對工藝系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)工藝參數(shù)更加穩(wěn)定，壓縮機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)。