往復式壓縮機氣量無級調節方法

往復式壓縮機作為一種常見的化工機械設備在石油、化工等行業有著廣泛的套用。它是依靠氣缸內活塞的往復運動來壓縮缸內氣體，在氣閥的配合作用下，實現氣體的吸入、壓縮和排出，從而提高氣體壓力，滿足工藝生產要求。一般情況下往復式壓縮機是根據用氣裝置的最大容積流量來設計的，而實際生產過程中由於工藝流程的變化、原料種類的不同，往復式壓縮機有可能長期處在低於設計排量的工況下進行，富餘的氣體只能排放或者回流，導致能源的浪費。這樣就需要對壓縮機進行氣量調節，以使得壓縮機排氣量適應實際的耗氣量，並同時保持工藝管網的壓力穩定。

往復式壓縮機氣量調節主要方法有：轉速調節、余隙調節、旁通調節和頂開進氣閥調節。目前石油化工行業中套用最廣泛的是旁通調節方法，這種調節對原設備改造簡單、方便，雖然可以達到氣量調節的目的，但是壓縮機始終處於滿負荷狀態下運行，不具有節能效果，經濟性較差。

往復式壓縮機氣量調節的最佳解決方法是採用基於頂開進氣閥的“回流省功”原理，其通過頂開進氣閥進行氣量調節，在往復式壓縮機進氣過程結束後利用外力強制頂開進氣閥，實現氣量無級調節和節能的效果。

基本介紹

• 中文名：往復式壓縮機氣量無級調節系統
• 作用：往復式壓縮機排氣量進行連續調節
• 原理：基於頂開進氣閥的“回流省功”
• 領域：石油化工

往復式壓縮機氣量無級調節發展簡述

目前，國外的HydroCOM系統和ISC系統均是基於不同調節原理的氣量無級調節設備，國外產品價格較高，同時因技術封鎖，國內並不能掌握核心技術，因此在氣量無級調節設備的使用過程中的技術支持也十分有限。

自2000年來，浙江大學化機所針對往復式壓縮機氣量調節系統進行了不少研究工作，開發出了一套具有國內自主智慧財產權的全量程部分行程頂開進氣閥的氣量無級調節系統，不僅打破國外技術壟斷，並填補了國內技術空白。

近幾年，北京航天石化技術裝備工程有限公司也研製出基於頂開進氣閥的往復式壓縮機氣量無級調節系統產品。國內產品的成長也促使國外產品不合理的壟斷價格降價，開發往復式壓縮機氣量調節系統意義重大，為我國節能減排做出重要貢獻。

往復式壓縮機氣量無級調節技術

基本原理

往復式壓縮機氣量無級調節基本原理為“回流省功”，如下圖1所示，

活塞在壓縮機氣缸的一個正常工作循環包括：（1）余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程，如圖A~B曲線，此時壓縮機的進氣閥和排氣閥均處於正常的關閉狀態；（2）進氣過程，如圖B~C曲線，此時進氣閥在氣缸內外差的作用下開啟，進氣管線中的氣體通過進氣閥進入氣缸，至C點完成相當於氣缸100%容積的進氣量，進氣閥關閉；（3）C~D為壓縮過程，氣缸內氣體在活塞的作用下壓縮達到排氣壓力；（4）D~A為排氣過程，排氣閥打開，被壓縮的氣體經過排氣閥進入下一級。

圖1 “回流省功”

當投入氣量調節系統後，進氣閥在進氣過程結束後由於執行機構作用下仍被強制的保持開啟狀態，那么壓縮過程並不能沿原壓縮曲線由位置C到位置D，而是由位置C先到達位置C_r，50，此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮，所消耗的能量當然要比壓縮機滿負荷時小的多，待活塞運動到特定的位置D_r，50時，執行機構使頂開進氣閥的強制外力消失，進氣閥片回落到閥座上而關閉，氣缸內剩餘的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置D_r，50到達位置A。氣體達到額定排氣壓力後從排氣閥排出，容積流量減少。壓縮機的指示功耗與實際容積流量成正比，因此氣量無級調節系統能夠最大程度的節約能源。

系統組成

往復式壓縮機氣量無級調節系統是由PLC控制器、液壓系統、機械執行機構和測量與監控系統組成，如下圖2所示：

圖2 系統組成圖

PLC控制器是氣量無級調節系統的核心組成部分，主要功能包括：

1）利用上死點感測器採集壓縮機活塞運動到上死點位置時刻，依據上死點信號計算曲軸角度，通過壓縮機負荷的設定值控制執行機構的電磁閥，從而精確控制壓縮機進氣閥的啟閉時間；

2）可實現液壓系統的油液溫度、油壓和液位等相關參數的採集、監控以及油泵的就地、遠程控制；

3）可以提供Modbus RS-485接口，實現氣量無級調節系統就地控制和與DCS等上位機設備的遠程控制；

4）可以實現氣量無級調節系統的切除以及故障聯鎖切除，使得往復式壓縮機恢復到滿負荷運行狀態，不會影響現場往復式壓縮機的正常運行；

液壓油站向機械執行機構提供高壓液壓油以控制進氣閥的開啟、關閉，通過內置齒輪油泵將液壓油的壓力從常壓提升到所需的工作壓力，在液壓油供油及回油管路中均安裝了隔膜蓄能器來穩定油壓。PLC控制器對液壓油站的油壓、油溫和油液液位進行了監控。

機械執行機構主要有油缸、電磁閥、卸荷器等組成。機械執行機構中電磁閥接受來自PLC控制器的控制信號，適時啟閉電磁閥，從而接通或斷開來自液壓油站的高壓油，以控制頂開進氣閥的時間，實現壓縮機的負荷調節。

測量與監控系統主要是用於氣量調節系統參數的設定以及監控。

往復式壓縮機氣量無級調節特點

往復式壓縮機氣量無級調節由如下幾個特點：

1）最寬廣的調節範圍，最優控制特性，並使壓縮機啟停更加自如；

2）最大限度節省能源，氣量調節後，主電機的實際功率隨壓縮機排氣量的降低成等比例規律減少；

3）易於實現對現有壓縮機進行升級改造，且在升級改造過程中不影響現有壓縮機的部件和安全運行；

4）調節系統出現故障後可自動切除，不影響壓縮機正常運行，且系統易於維護；

節能算例

某往復式壓縮機功率P為2000KW，機械效率η為85%，壓縮機負荷L按70%運行，當投入往復式壓縮機氣量無級調節系統後，每小時壓縮機耗能為：

P_耗=P*（1-η）+P*η*L=2000*0.15+2000*0.85*0.7=1490KW

每小時通過氣量無級調節系統可節約的能耗為：

P_節=P-P_耗=2000-1490=510KW

每年壓縮機運行時間t按8000小時，電費單價M₁按平均0.7元/度計算，當投入氣量無級調節系統後，每年可節約的電費M 為：

M=P_節*t*M₁=510*8000*0.7=285.6萬元。