往复式压缩机能效优化分析-杨菁

　　

从原动机获得的能量，即轴功率，其中一部分有用的能量使气体的压力得以提高，而另一部分则是损失的能量，它是必须付出的代价。

（1）气阀损失

气阀是控制气体进出气缸的部件，是易损部件之一。气阀的好坏直接影响压缩机的排气量、功率消耗及机器运行的可靠性。活塞上下往复运动一次，吸、排气阀各启闭一次。

图2 气阀起闭工作过程及弹簧力不当的工作曲线

影响气阀损失的因素有：①气阀流通面积。流通面积越小，流速越大，阻力损失相应增大；②弹簧力。弹簧力过强会引起阀片在阀座和升程限制器中振动，使流通面积时大时小，导致气缸内气体压力波动；弹簧力过弱会导致气阀关闭延迟，如图2所示。③气阀的磨损。主要表现在气阀启闭过程中，在气体撞击力作用下，阀片、阀座和升程限制器的相互磨损，阀片和导向块接触处的磨擦磨损及阀片和弹簧间的接触磨损等。这些磨损均会造成摩擦能量损失。

设计过程中，可以采用特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）替代传统的金属制作阀片。聚醚醚酮树脂是一种新型特种高分子材料，也被称为超耐热性热可塑性树脂，是一种结晶性、不透明、浅茶灰色的芳香族系超耐热性塑脂^[1]。

与金属阀片相比，PEEK阀片可设计成较大的升程，增加流通面积，从而降低气阀功耗，提高气阀效率；塑料与金属的密封面贴合密封性能良好；通流特性较好，因气流摩擦引起的能量损耗降低。气阀能耗降低可达10%~15%，使排出气体的温度下降，能有效降低压缩机的能耗。

（2）泄漏损失

1、气阀泄漏：气体得不到充分压缩就排出，吸气时又漏到气缸中如此反复循环，影响了下一级的吸收，本级吸收的新鲜气体就减少。

2、活塞环泄漏：如活塞环断裂、磨损过大时，压缩时气体会漏到吸气端或平衡缸，吸气时又漏回来，影响排气量。

3、填料泄漏：填料磨损过大时，高压气体就会从填料处大量泄漏到大气中。

（3）机械损失

机械损失：轴承、密封、联轴器的机械摩擦损失。

3 气量调节方式与能耗关系

现今新设计的炼油企业生产弹性很大，往复机使用过程中，往往要满足不同工况的气量要求，当工艺过程所需气量小于压缩机实际排气量时，就需要对压缩机的排气量进行调节，以使压缩机的排气量适应耗气量的要求。因而采用何种方式进行气量调节，就成为一个需要认真考虑的问题。

气量调节方式的选择，不仅要考虑到设备一次性投资的多少，还要考虑到长周期运行能耗的高低和成本的大小，在保证设备安全运转的前提下，尽量降低能耗是工程设计的首要任务。

3.1 气量调节原理

气量调节的理论基础是容积流量公式：

（1）

只要改变式（1）中任何一个量，容积流量即可改变。但是，气缸直径无法改变；在曲柄连杆驱动的压缩机中，行程也不能变；所以，实际上只有各系数和转速可以改变，并且除温度系数因经济性差不采用外，其它都可用来调节气量。

3.2 常用调节方式对比

（1）转速调节

内燃机和汽轮机驱动的压缩机，因为原动机的转速可以连续地改变，所以可比较方便地实现连续的排气量调节，并且压缩机上不需设专门的调节机构。其缺点是受原动机本身性能的限制，低于额定转速时，效率低；转速低时进气速度降低，气阀工作可能会出现不正常；对润滑、振动影响大。

（2）旁路调节

将排出的气体通过旁路管线和旁通阀全部或部分返回进气管，实现容积流量调节。图3所示的是末级排气返回一级人口的方案，也是目前较为广泛采用的一种旁路调节方式^[2]。

图3 气量旁路调节流程示意图

（3）余隙容积调节

气缸设置补助余隙装置，连通余隙改变相对余隙和容积效率来调节气量。

补助容积有不变与可变两种。不变容积，只能调节到某一固定值，范围在气量的85%～100%内确定，此法工程上采用较多；可变容积可分级调节，但调节过程较复杂，工程上采用较少。

（4） 压开进气阀调节

利用一个压开装置，把进气阀强制地压开，使进气阀全部地或部分地丧失正常工作能力，也即使压缩机吸进的气体，因进气阀片不能自动关闭而在压缩和排气行程又重新回到进气管，借以达到调节气量的目的。

（5）常用调节方式的性能比较

在工程设计中，常用的是贺尔碧格公司的HydroCOM 全行程气量无级调节系统。HydroCOM系统参考了大型柴油发动机中喷射部件的技术，并结合智能控制技术，通过液压传动装置使压缩机在压缩过程中，进气阀成为受控气阀，即通过延迟关闭进气阀的方式，使气缸中的部分气体返回进气腔，从而实现在部分行程压开进气阀的气量调节方式。

图4 HydroCOM系统省功P-V图

如图4所示，当气缸进气终了时，进气阀的阀片在执行机构作用下仍被卸荷器强制地保持开启状态，压缩过程并不沿原压缩曲线由位置C到位置D，而是先由位置C到达位置Cr，此时原本吸人气缸中的部分气体经被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩；待活塞运动到特定的位置Cr（对应所要求的气量）时，执行机构使顶开进气阀片的强制外力消失，进气阀片回落到阀座上而关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩，压缩过程开始沿着位置Cr到达位置Dr。这样就能实现只对实际需要的气量进行压缩，能最大限度地节省能源。其调节范围较广，一般可做到10-100%的无级调节气量，从而使机组的操作工况真正可以根据工艺变换实时自动调节^[3]。

气量无级调节系统一次性投资较大，但气量无级调节系统的节能非常明显，特别是对工艺系统波动大及装置部分负荷（尤其是80％负荷以下）时节能效果明显。

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