余隙调节在活塞式压缩机上的应用余隙调节在活塞式压缩机上的应用余隙调节在活塞式压缩机上的应用余隙调节在活塞式压缩机上的应用 游碧龙中国石油化工股份有限公司荆门分公司 荆门 448002 目录目录前言前言活塞式压缩机功率与余隙容积的关系活塞式压缩机功率与余隙容积的关系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试验活塞式压缩机的选择试验活塞式压缩机的选择1234可调余隙调节原理、调节范围及应用范围可调余隙调节原理、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余隙无级调节装置结构组成及控制系统5节能效果节能效果6结论结论7 摘要摘要u本文介绍了无级余隙可调节系统在荆门分公司的应本文介绍了无级余隙可调节系统在荆门分公司的应用，结果表明，该系统具有调节气量稳定性好，参用，结果表明，该系统具有调节气量稳定性好，参数设置灵活，投资及维护费用低，节能效果好，系数设置灵活，投资及维护费用低，节能效果好，系统可靠的特点，适合需要气量在统可靠的特点，适合需要气量在60%60%～～100%100%范围变化范围变化的活塞式压缩机上应用的活塞式压缩机上应用 关键词关键词 ● 可调余隙调节 ● 气量调节 ● 节能 1前前 言言 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来选择压缩机，同时据置最大所需气量来选择压缩机，同时据API618API618要求活塞式压缩机要求活塞式压缩机设计时气量还要按正偏差（设计时气量还要按正偏差（3%3%～～5%5%以内，分子量小的选大值）来以内，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，活塞式压缩确定，再加上装置负荷变化、入口条件改变等因素，活塞式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，固定余隙调节对耗功和气量没有明显影塞式压缩机长周期运行，固定余隙调节对耗功和气量没有明显影响，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响，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，部分行程顶开进气阀气量调节是一种新技目前，部分行程顶开进气阀气量调节是一种新技术，节能效果较好，气量调节范围也大，可使压缩机术，节能效果较好，气量调节范围也大，可使压缩机气量在气量在20%20%～～100%100%长周期运行，但由于对调节及气阀的长周期运行，但由于对调节及气阀的行程和时间要精和准，所以对控制执行机构要求也很行程和时间要精和准，所以对控制执行机构要求也很高，直接导致投资费用高。
高，直接导致投资费用高u 荆门分公司采用武汉理工大学荆门分公司采用武汉理工大学《《活塞往复式压缩活塞往复式压缩机余隙无级调节装置机余隙无级调节装置》》专利技术，与武汉理工大学，专利技术，与武汉理工大学，九江大安自控工程有限公司合作，成功实现了该技术九江大安自控工程有限公司合作，成功实现了该技术工厂化应用，我们选择了两台不同工况的往复压缩机工厂化应用，我们选择了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上应用此项技术，结果表明节电效果很显著 2活塞式压缩机功率与余隙活塞式压缩机功率与余隙容积的关系容积的关系 活塞式压缩机功率与余隙容积的关系 专业人士都知道，活塞式压缩机气缸都专业人士都知道，活塞式压缩机气缸都存在余隙容积，由于气体的膨胀使气缸工作存在余隙容积，由于气体的膨胀使气缸工作容积部分失去进气作用，所以在压缩机设计容积部分失去进气作用，所以在压缩机设计过程中余隙容积是一个要尽可能往少控制的过程中余隙容积是一个要尽可能往少控制的指标，这样有利于提高气缸利用率同时，指标，这样有利于提高气缸利用率同时，余隙容积变化影响轴功率如下式是活塞式余隙容积变化影响轴功率。
如下式是活塞式压缩机实际气体指示功率的计算公式压缩机实际气体指示功率的计算公式 活塞式压缩机功率与余隙容积的关系——指示功率 kw——各级指示功率、——i级进气、出气压力、——i级在考虑压力损失后的进气压力和排气压力——i级多变指数、——i级进、出气条件下的气体压缩性系数——实际气体的行程容积——i级容积系数 活塞式压缩机功率与余隙容积的关系 ——i级多变膨胀过程指数 ——i级相对余隙容积——i级压力比 ——i级气缸余隙容积——i级气缸工作容积 从以上计算公式可以看出，气缸余隙容积与指示功率是从以上计算公式可以看出，气缸余隙容积与指示功率是成反相关的，余隙容积增加，排气量降低，指示功率也随之成反相关的，余隙容积增加，排气量降低，指示功率也随之减少 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，可增加余隙容积到Vc’，此时功率循环图为1—2’—3—4’进气量由全进气量相应的线段长度4—1减少到线段长度4’—1，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2—3减少到线段2’—3由于没有额外的阻力，在3—4’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1—3—3—4”所示对双作用气缸来说，理论上讲采用比较普通的电液控制设施就可实现压缩机排气量50%～100%范围无级调节 余隙无级调节装置的结构原理图2 可调余隙调节的示意图和示功图 四试验活塞式试验活塞式压缩机压缩机的选择的选择 试验活塞式压缩机的选择u为了考验自动无级调节余隙技术的技术特点，为了考验自动无级调节余隙技术的技术特点，我们先后在两台压缩机试用了此技术，一台介我们先后在两台压缩机试用了此技术，一台介质为瓦斯，两级压缩，出口压低，气量富余较质为瓦斯，两级压缩，出口压低，气量富余较大；另一台是循氢和新氢联合机组，由于循氢大；另一台是循氢和新氢联合机组，由于循氢部分气量变化较少，我们只选择新氢部分，三部分气量变化较少，我们只选择新氢部分，三级压缩，入口条件变化频繁，各级压缩比也需级压缩，入口条件变化频繁，各级压缩比也需调节，具体如下：调节，具体如下： 试验活塞式压缩机的选择 4.1 4.1 制氢原料气压缩机制氢原料气压缩机 制制氢氢装装置置是是为为全全厂厂提提供供氢氢气气的的装装置置，，所所用用原原料料为为瓦瓦斯斯，，该机主要技术参数见下表该机主要技术参数见下表 项目项目 参数参数 型号型号 2D20-23.4/4-27-BX2D20-23.4/4-27-BX 流量（流量（NmNm3 3/h/h）） 60006000 1 1级进口压力级进口压力(MPa) 0.4(MPa) 0.4 2 2级进口压力级进口压力(MPa) 0.968(MPa) 0.968 2 2级出口压力级出口压力(MPa) 2.7(MPa) 2.7 轴功率轴功率(kw) 452(kw) 452 试验活塞式压缩机的选择 下表所示中石化荆门分公司制氢装置压缩机下表所示中石化荆门分公司制氢装置压缩机改造前改造前20082008年的运行参数。
其额定流量是年的运行参数其额定流量是6000m3/h6000m3/h，额定入口压力，额定入口压力0.4MPa0.4MPa，最大排气量，最大排气量4700m3/h4700m3/h，最小排气量，最小排气量900m3/h900m3/h，一般情况下平均，一般情况下平均在在2500m3/h2500m3/h左右，最大排量与最小排量相差左右，最大排量与最小排量相差5 5倍多压缩机实际入口压力在压缩机实际入口压力在0.250.25～～0.38MPa0.38MPa之间，但消之间，但消耗电量最小是耗电量最小是350 kWh/h350 kWh/h，最大是，最大是409 kWh/h409 kWh/h，相，相差幅度不超过差幅度不超过1515％，而且耗电量最大值不是出现％，而且耗电量最大值不是出现在最大排量时，而是出现在最高排出压力时在最大排量时，而是出现在最高排出压力时 试验活塞式压缩机的选择表1 制氢装置压缩机2008年运行参数调查表日期压力（MPa)流量功耗备 注一级入口二级出口(Nm3/h)（kW）2月2日0.342.044700372 当月内流量最大值2月20日0.251.971500358 当月内流量最小值2月25日0.322.002000365 当月内流量一般值4月6日0.281.982500387 当月内流量最大值4月15日0.252.02900351 当月内流量最小值4月28日0.272.121500365 当月内流量一般值6月5日0.382.173600402 当月内流量最大值6月18日0.272.001000380 当月内流量最小值6月27日0.352.172700387 当月内流量一般值8月28日0.372.183100409 当月内流量最大值8月15日0.272.102000394 当月内流量最小值8月20日0.332.202700402 当月内流量一般值10月27日0.322.102900394 当月内流量最大值10月8日0.271.99800372 当月内流量最小值10月14日0.32.032000380 当月内流量一般值2月2日0.342.044700372 年内流量最大值4月15日0.252.02900351 年内流量最小值 制氢装置压缩机原气量调节方式也采用常见的压开进气阀、固定余隙调节及旁制氢装置压缩机原气量调节方式也采用常见的压开进气阀、固定余隙调节及旁路调节方式，在实际使用过程中我们发现固定余隙调节方式无调节效果，主要原因路调节方式，在实际使用过程中我们发现固定余隙调节方式无调节效果，主要原因是余隙调节阀的流通面积太小，余隙腔气体无法及时进气缸。
所以气量调节还是以是余隙调节阀的流通面积太小，余隙腔气体无法及时进气缸所以气量调节还是以旁路调节为主，压开进气阀只是用于短期使用旁路调节为主，压开进气阀只是用于短期使用 试验活塞式压缩机的选择4.2 润滑油改质新氢+循氢压缩机 为了验证余隙自动无级调节技术在高压活塞式压缩机的调节和节电效果及调节装置的可靠性，我们第二次又选择了润滑油改质装置的新氢+循氢联合机组，该机是荷兰汤马逊公司设计制造，二列四缸布置循氢部分一个缸，新氢部分三个缸，三级压缩由于全厂需要氢气的装置较多导致入口压力波动较大，又由于要生产不同润滑油基础油，出口压力也随之经常变化气量调节方式同制氢压缩机一样该机技术参数如下：项 目参 数轴功率kw1133（循氢占375kw）流量新氢Nm3/h9000循氢Nm3/h50000一级压力入口Mpa(表)1.08出口Mpa(表)2.6二级压力入口Mpa(表)2.51出口Mpa(表)6.1三级压力入口Mpa(表)5.83出口Mpa(表)13.8循环氢压力入口Mpa(表)11.6出口Mpa(表)13.8 五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 六节能效果节能效果 节能效果6.1、制氢装置压缩机节电效果 制氢装置压缩机采用余隙自动无级调节装置改造后，压缩机入口与工艺系统相连，出口阀关闭，通过调节旁路调节阀控制排气压力，通过调节中间冷却器和旁路冷却器在不同工况下控制各级入口温度基本一致，系统采集的多工况下功率消耗数据如下表所示 多工况下功率消耗工况工况一级余隙阀位一级余隙阀位（％）（％）二级余隙阀位二级余隙阀位（％）（％）顶开气阀载荷顶开气阀载荷（％）（％）额定排气量额定排气量（％）（％）一级入口压力一级入口压力(MPa)(MPa)二级入口压力二级入口压力(MPa)(MPa)二级出口压力二级出口压力(MPa)(MPa)功率功率(kW)(kW)1100100000.1680.1690.1752.96 210010050480.1640.7742.08223.36 31001001001000.1620.6312.06398.38 4756010090.50.1640.6482.01349.61 55030100810.1630.6632.08304.62 6251210071.50.1710.6622.06270.18 700100620.1820.6702.08244.95 节能效果 上表中的额定排气量（％）是按双作用气缸有活塞杆影响及附加余隙对流量的影响计算的，而不是压缩机工作时实际的流量。
功率是通过测量主电机的电流、电压以及功率因数计算所得，因而是主电机输入的功率，并非是压缩机的轴功率 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 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6.2 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71～105kw之间按照新氢一、二、三级排气量以及循环氢轴功率比例计算，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 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700.862.092.084.995.1711.5330005600787.4 161.4 750.882.152.145.045.211.7233005900806.7 142.0 800.872.152.115.065.2211.7634806080843.6 105.2 850.852.112.115.045.1911.9337006300877.7 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 七结论结论 结论根据上述介绍，不难看出该技术有如下特点：1.节电效果明显，等同于部分行程顶开吸气阀调节方式。
不管是高压还是低压压缩机，节电效果一样，排气量与功耗略成正比；2.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；3.对多级压缩机，还能适当调节各级压缩比和出口压力，压缩机噪音也略有降低；4.由于机构没有高速运动部件，故障率低，系统稳定可靠；5.投资抵，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；6.不适用与级差式活塞压缩机，气量调节范围宜在60%～100%；7.不宜用于超高压活塞式压缩机 结论参考文献1、潘永密 李斯特 主编 化工机器（上册） 北京：化学工业出版社 1985.62、 编审委员会 机械工程手册 第14卷 机械产品（四） 北京：机械工业出版社 1982.8 LOGO 。