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1、余隙自动无级调节在活塞式往复压缩机上的应用余隙自动无级调节在活塞式往复压缩机上的应用 九江大安自控工程有限公司 目录 前言 活塞式压缩机余隙容积与排气量、功率的关系 余隙无级调节装置的结构原理 1 2 3 4 可调余隙调节原理、调节范围及应用范围 余隙无级调节装置结构组成及控制系统 5 成功案例 6 结论7 节能效果 1 1 前 言 前言 炼油化工装置加工工艺所需活塞式压缩机的气量一般根据装置最大 所需气量或近期装置可能扩容所需的流量来选择压缩机，同时据API618 要求活塞式压缩机设计时气量还要按正偏差（3%5%以内，分子量小的 选大值）来确定，再加上装置负荷变化、入口条件改变等因素，活塞式
2、 压缩机气量大都有较大的富余量。为了满足炼油化工生产需要都要进行 气量调节。 传统的气量调节方法有顶开气阀、固定余隙调节以及旁路调节共同 使用。通过我们实际应用中发现，长期顶开气阀不利于活塞式压缩机长 周期运行；通过对压缩机的标定发现，固定余隙调节对耗功没有达到减 少排气量与减少能耗成正比例的变化，降耗不明显。且上述两种方式不 是无级的，所以活塞式压缩机气量调节大都用旁路调节，这就导致压缩 机气量与指示功不成正比，压缩机功耗高。 前言 u 目前，部分行程压开吸气阀调节是调节范围大、节能效果比较好的一种 方式。 部分行程压开吸气阀调节是通过控制压缩过程中吸气阀的关闭时刻，控 制返回进气管道气量的
3、多少，从而实现排气量的连续调节，虽然气流进 出吸气阀会有5%左右的阻力损失，由于指示功几乎与排气量成正比，所 以还有很高的运行经济性。 此种方式可以实现气量20100%的无级调节，但由于压开吸气阀的时间 有精确要求，执行机构是高速运动部件，所以对控制和执行机构要求高 、投资很高。 u 九江大安自控工程有限公司采用武汉理工大学活塞往复式压缩机余隙 无级调节装置专利技术并成功实现了该技术工厂化应用，我们以中石 化荆门分公司两台不同工况的往复压缩机上应用此项技术，结果表明节 电效果很显著。 2 2 活塞式压缩机余隙容积与 排气量、功率的关系 活塞式压缩机余隙容积与排气量、功率的关系 由于活塞式压缩机
4、结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定 的空间或间隙，这部分空间或间隙称为余隙容积。如图1中的Vc。 图1 存在余隙Vc的示意图和示功图 图2 存在余隙Vc的示意图和示功图 图1为压缩机存在余隙Vc的示意图和理想气体示功图。图中，横坐标V表示气缸 容积变化，纵坐标P表示气缸压力变化，P1、P2分别是进、排气压力。 u 在图1中，1234表示存在余隙容积Vc时全排气量的循环图。由于有 余隙容积Vc的存在，使工作活塞在右行之初，因留存在余隙容积Vc内的气 体压力大于进气管道的压力而不能吸入气体，直到活塞右行到位置4时， 气缸内气体体积由Vc膨胀到V4、压力由P2下降到P1时才开
5、始进气。进气量 相应的线段长度为41，压缩过程为12，排气过程为23，膨胀过程为 34。12341包围的面积即为一个往复行程需要的功。 u 如果在余隙容积Vc基础上再增加余隙容积到Vc，示功图如图2示意。排 气量和所需要的能耗均减小。 u 通过调节余隙容积的大小，可以达到调节气量和减少功耗的目地。 活塞式压缩机余隙容积与排气量、功率的关系 3 3 余隙无级调节装置的结构原理 余隙无级调节装置的结构原理 余隙自动无级调节装置是在固定余隙调节的 基础上，将固定余隙改变成余隙容积连续可调的 调节方法，取消控制辅助余隙腔与气缸之间连接 的余隙阀，可调余隙缸与外侧气缸直接相通，进 出余隙缸的气体几乎没有
6、阻力损失。 余隙自动无级调节由智能控制系统控制,实现 对气量自动实时的控制。可调余隙调节执行机构 见图1。图2为外侧气缸可调余隙调节的示意图和 理想气体示功图。 余隙无级调节装置的结构原理 图1可调余隙调节执行机构示意图 余隙无级调节装置的结构原理 当需要减少排气量时，可以 增加余隙容积到Vc，此时 功率循环图为123 4。进气量由全进气量相应 的线段长度41减少到线段 长度41，压缩过程按1 2进行，压缩过程活塞力的 增加速率小于余隙容积为Vc 时的速率，排气量由相应的 全排气量线段23减少到线 段23。由于没有额外的 阻力，在34膨胀循环过 程中，气体对压缩机活塞作 功，减轻了曲轴连杆的负
7、载 。 当需要外侧气缸零排气 量时，可以增加余隙容 积到Vc”，此时，余隙 容积Vc”中留存的高压 气体膨胀到吸气行程Vs 终止，膨胀线和压缩线 合二为一，如图中过程 线1334”所示。 对双作用气缸来说，采 用比较普通的电液控制 设施，通过控制余隙活 塞的位置就可实现压缩 机排气量50%100%范 围无级调节。 外侧气缸可调余隙调节的示意图和理想气体示功图 图5 可调余隙调节的示意图和示功图 四四 余隙无级调节装置结构组成及控制系统 余隙无级调节装置结构组成及控制系统 余隙自动无级调节装置主要由执行机构、液压油站（包含油箱、 油泵和伺服阀等）和控制系统等组成，见图3。 执行机构由余隙缸、余隙
8、活塞以及液压缸等组成，取代原有的缸 盖、余隙阀和气动执行机构。由于余隙缸的直径仅略小于气缸直径， 直接与气缸相通，所以进出余隙缸的气体几乎没有阻力损失。 新增的控制系统可以根据主控变量或通过手动给定参数，通过可 编程控制器(PLC)、伺服阀、位移传感器、伺服油缸组成的电液位置控 制系统，使余隙缸活塞按输入信号作直线位移，从而实现各级余隙容 积变化的伺服控制，最终实现压缩机排气量和级间压缩比的控制。油 站电动齿轮泵间歇运行，运行时间只占停泵时间的1/20，所以控制系 统的耗能很低。 余隙无级调节装置结构组成及控制系统 图3 可调余隙调节系统结构配置图 五五 节能效果 节能效果 5.1、荆门分公司
9、制氢装置压缩机节电效果 我们对制氢装置压缩机采用余隙自动无级调节装置改造后进行标定。采 集的多工况下工艺参数及功率消耗数据如下表所示。 工 况 一级余隙 活塞位置 （） 顶开气阀 载荷 （） 额定排 气量 （） 一级入口 压力 (MPa ) 二级入口 压力 (MPa ) 二级出口 压力 (MPa ) 功率 (kW) 1100000.1680.1690.1753 210050480.1640.7742.08223 31001001000.1620.6312.06398 47510090.50.1640.6482.01350 550100810.1630.6632.08305 62510071.5
10、0.1710.6622.06270 70100620.1820.6702.08245 上表中： 一级余隙活塞位置从100%到0%表示可调余隙由0增加到最大； 顶开气阀载荷表示由顶开气阀改变压缩机排气量； 功率是电动机消耗功率，是通过标定电动机的电流、电压和功率因数计算所得。 节能效果 表中的工况1是压缩机空载状况；工况2是通过完全顶开气缸一侧 气阀的状况；工况3是全负荷；工况47是通过调节余隙改变排气 量的数据。 将上表中的数据进行处理，即可做出增设余隙自动无级调节装置 的制氢装置压缩机的流量-功率的曲线，如图4所示。图中虚线是 压开吸气阀的流量功率曲线，粗实线是通过可调余隙来调节压 缩机气量
11、的流量-功率曲线。在粗实线与虚线之间的斜线是利用调 节余隙可节省的功耗。从图5可以看出，调节余隙所节省的功率是 非常明显的。当压缩机的排气量只有额定排气量的62%时，功耗只 有额定排气量的61%，减少功耗153 kW。 说明：标定可能存在一定的误差。 节能效果 图4 可调余隙调节的制氢装置压缩机的流量-功率曲线 节能效果 5.2荆门分公司润滑油改质装置压缩机节电效果 从下表可以看出，压缩机入口状态负荷从100%调节到 70%时，压缩机功耗从948.74kw下降到787.38kw，在压缩机 入口状态负荷80%85%之间，可减少功耗71105kw之间。 按照新氢一、二、三级排气量以及循环氢轴功率比
12、例计算， 新氢压缩机排气量与轴功率接近正比例的关系。未设可调余 隙调节系统前，压缩机排量从100%调节到70%只能依靠旁路 调节，功耗是相同的。 因受生产工艺的制约，我们未能将压缩机负荷标定到最 小负荷（即最大余隙状态）。 节能效果 负荷 压力(MPa) 流量（ NM3/h） 总功率 (kw) 减少总 功率 (kw) 1级入 口 1级出 口 2级入 口 2级出 口 3级入 口 3级出 口 1、2 级 3级 700.862.092.084.995.1711.5330005600787.4 161.4 750.882.152.145.045.211.7233005900806.7 142.0 80
13、0.872.152.115.065.2211.7634806080843.6 105.2 850.852.112.115.045.1911.9337006300877.7 71.1 900.832.092.095.045.1911.9840006600902.7 46.0 950.812.092.085.085.2312.142006800932.9 15.8 1000.82.062.065.155.312.1345007100948.7 0.0 六六 成功案例 成功案例 目前，投用荆门分公司的制氢装置压缩机和润滑油加氢改质装置压缩 机主要技术参数及调节范围分别见表1、表2。 成功案例 投用余
14、隙调节的压缩机还有中石油锦西分公司加氢改质装置 K1102A/B/C压缩机和中石化中石化湛江东兴石油化工有限公司60万吨 /年汽油加氢装置C32201A压缩机。 七七 结论 结论 压缩机余隙调节有如下特点： 1. 气量调节灵活、精确。因为调节气量是通过调节余隙活塞的位置 实现的，是目前电液调节的成熟技术，调节精度可以达到2； 2. 节电效果明显。从标定数据看，排气量与功耗接近成正比。从减 少通过进气阀气量减少阻力损失角度，节能效果应该优于部分行 程顶开吸气阀调节方式； 3. 调节信号能进DCS，能实现远程调节，也可实现闭环自动调节，调 节控制方式设置灵活； 4. 对多级压缩机，还能适当调节各级
15、压缩比和出口压力； 5. 增加余隙改变了压缩机压缩和膨胀过程速率，改善了压缩机曲轴 、连杆机构受力，压缩机噪音也略有降低； 6. 由于机构没有高速运动部件，故障率低，系统稳定可靠； 7. 投资低，改造简单易行，在装置开工期间也可以对备用压缩机进 行改造； 8. 不适用于级差式活塞压缩机，气量调节范围宜在60%100%； 原压缩机固定余隙调节 高压执行机构照片 低、中压执行机构照片 控制柜照片 LOGO 联系电话：0792-8133659,8326009，13907926103 传 真：0792-8214201 地 址：九江市庐山区生态工业园内安泰路104号 邮 箱：daanzikong 网 址：
