【壓縮機網(wǎng)】本文首先介紹了卸荷調節的優(yōu)缺點(diǎn)，然后通過(guò)理論分析及案例計算分析了卸荷工況對往復壓縮機級間壓力、反向角、曲軸扭矩的影響。通過(guò)分析得出50%工況時(shí)，級間壓力會(huì )上升，反向角和扭矩可能增大也可能減小的結論。本文對壓縮機的操作、選型計算及校核計算有一定的指導意義。

　　文/曾躍波  徐延學(xué) 

 

　　一、引言

　　往復式壓縮機是石油化工行業(yè)最常用的壓縮機之一，其容積流量往往是按照裝置負荷的最大值設計，且按照API618還應有3%的富余量。一旦壓縮機被設計生產(chǎn)出來(lái)，它的吸氣量基本是固定的，為了適應低負荷下運行，往復式壓縮機可使用多種流量調節方式。在所有的流量調節方式中，全部頂開(kāi)吸氣閥的卸荷調節是最常使用的流量調節方式，它有省功、調節設備簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；但是其缺點(diǎn)也十分明顯，對于絕大部分壓縮機來(lái)說(shuō)，只能實(shí)現0%、50%、100%三檔調節，而且基本不允許長(cháng)時(shí)間0%負荷調節，0%負荷調節僅在切機時(shí)使用，且50%調節為特定比例調節，還需配合回流調節等其它流量調節方式^[1]。

　　我們都知道，50%卸荷為蓋側卸荷，軸側保持滿(mǎn)負荷操作。本文主要研究50%卸荷工況對往復式壓縮機級間壓力、反向角以及曲軸轉矩的影響。

 

　　二、50%卸荷工況對級間壓力的影響

　　常見(jiàn)的往復式壓縮機的氣缸由蓋側和軸側構成，因為軸側存在活塞桿的原因，導致一個(gè)壓縮周期內蓋側吸入的氣體比軸側吸入氣體的體積要小。而50%卸荷工況僅卸荷軸側，導致卸荷后的吸氣量小于100%負荷時(shí)的50%，而對于多級壓縮機的后幾級來(lái)說(shuō)，活塞桿體積占據氣缸的體積越來(lái)越大，導致這幾級吸氣量更小于100%負荷吸氣量的50%。

　　往復壓縮機的熱力學(xué)復算就是要試算出一個(gè)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(guò)程很復雜，尤其是對于多級壓縮的壓縮機，經(jīng)常要試算十幾次^[2]。而通過(guò)HYSYS專(zhuān)有的往復壓縮機模型，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為例，圖1表示了四級壓縮機的壓縮流程，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(guò)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(shí)，從流量可以看出，50%卸荷后的流量比100%負荷時(shí)流量的50%要小。以上規律適用于所有卸荷工況的壓縮機。

　　這就要求我們在設計壓縮機時(shí)，要充分考慮卸荷工況對級間壓力的影響，并適當提高級間安全閥的定壓，防止因卸荷導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(guò)程分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個(gè)過(guò)程。而蓋側卸荷時(shí)，蓋側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(xiàn)最后一部分為直線(xiàn)，對比圖3的a，b圖可以發(fā)現，a圖中的氣體力疊加曲線(xiàn)的最后一段直線(xiàn)數值的絕對值比較大，而圖b中相應一段直線(xiàn)數值的絕對值卻小很多。這是因為，此段直線(xiàn)代表著(zhù)軸側的吸氣過(guò)程，軸側吸氣時(shí)軸側和蓋側的壓力相等，此時(shí)氣體力兩側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(xiàn)數值上的下降。

　　通過(guò)分析綜合活塞力曲線(xiàn)，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(shí)并非50%卸荷后該級的反向角均會(huì )減小，某些情況下反向角還會(huì )增加，如圖4所示。根據經(jīng)驗，如果該級反向角在100%工況比較小時(shí)，50%卸荷工況下的反向角大概率會(huì )增加。

　　因為卸荷工況時(shí)的反向角存在變化，這就要求壓縮機設計時(shí)，要分析卸荷工況下的反向角變化，防止因為反向角過(guò)小引起十字頭銷(xiāo)潤滑不暢導致十字頭銷(xiāo)損壞的發(fā)生。

 

　　四、50%卸荷工況對壓縮機扭矩的影響

　　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載扭矩，從而導致了曲軸負載扭矩的變化。

　　圖5表示了卸荷前后，某臺壓縮機的負載扭矩的變化情況。從圖中可以看出，整體的負載扭矩變小了，波動(dòng)率似乎沒(méi)有變化，但是從理論上講，卸荷后有可能使得負載扭矩變大或者波動(dòng)率變大。而負載扭矩變大或扭矩波動(dòng)值變大，有可能導致壓縮機旋轉不均勻度超過(guò)API618的標準值，或導致電機電流脈動(dòng)超過(guò)標準規定值。這就要求我們在壓縮機設計時(shí)，要充分考慮卸荷工況對往復壓縮機扭矩值的影響。

　　五、結語(yǔ)

　　卸荷工況下，每級氣量的非均勻性減小導致了級間壓力的變化，同時(shí)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(wú)論壓縮機的設計計算還是校核計算，均應該考慮卸荷工況的影響。

 

　　參考文獻

　　[1]陳超，張貴軍，劉文利.無(wú)級氣量調節系統對往復壓縮機轉矩的影響分析[J].石油化工設備技術(shù)，2019，02：20-22.

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

 

　　作者簡(jiǎn)介

　　曾躍波，男，2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)動(dòng)力工程及工程熱物理專(zhuān)業(yè)，碩士，現于中國船舶集團公司第七一一研究所從事壓縮機設計工作。

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