1. 技術
      TECHNIQUE

      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析

         本文首先介紹了卸荷調節的優缺點,然后通過理論分析及案例計算分析了卸荷工況對往復壓縮機級間壓力、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 
       
        一、引言
        往復式壓縮機是石油化工行業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出來,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、調節設備簡單、造價低等優點;但是其缺點也十分明顯,對于絕大部分壓縮機來說,只能實現0%、50%、100%三檔調節,而且基本不允許長時間0%負荷調節,0%負荷調節僅在切機時使用,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%負荷時的50%,而對于多級壓縮機的后幾級來說,活塞桿體積占據氣缸的體積越來越大,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復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量流量相等。然而這種試算過程很復雜,尤其是對于多級壓縮的壓縮機,經常要試算十幾次[2]。而通過HYSYS專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。
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析
        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%負荷時流量的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,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,壓縮過程分為膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程。而蓋側卸荷時,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最后一部分為直線,對比圖3的a,b圖可以發現,a圖中的氣體力疊加曲線的最后一段直線數值的絕對值比較大,而圖b中相應一段直線數值的絕對值卻小很多。這是因為,此段直線代表著軸側的吸氣過程,軸側吸氣時軸側和蓋側的壓力相等,此時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,造成了此段直線數值上的下降。
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析
        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。根據經驗,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。
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析
        因為卸荷工況時的反向角存在變化,這就要求壓縮機設計時,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致十字頭銷損壞的發生。
       
        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,波動率似乎沒有變化,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率變大。而負載扭矩變大或扭矩波動值變大,有可能導致壓縮機旋轉不均勻度超過API618的標準值,或導致電機電流脈動超過標準規定值。這就要求我們在壓縮機設計時,要充分考慮卸荷工況對往復壓縮機扭矩值的影響。
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析
        五、結語
        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,2019,02:20-22.
        [2]郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2000:231-236.
       
        作者簡介
        曾躍波,男,2007年畢業于西安交通大學動力工程及工程熱物理專業,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。
      卸荷工況對往復式壓縮機的影響分析

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