往复压缩机气缸负荷非平均调节的影响分析
摘 要：文章采用对实例进行理论计算的方式,探讨了往复压缩机双作用气缸两侧不同比例负荷作用对压缩机反向角、旋转不均匀度的影响。计算结果显示,采用文中所述的流量调节方法,可提升压缩机小流量工况下的反向角数值并降低旋转不均匀度。该方法有利于提升压缩机小头轴瓦的润滑性和运行稳定性,可供往复压缩机气缸负荷不平均调节控制参考应用。
关键词：往复压缩机 无级流量调节 非平均调节 反向角 旋转不均匀度
往复式压缩机广泛应用于炼油、化工等工业领域。设计阶段通常根据工艺流程中所需的最大流量和最大压比等参数完成往复式压缩机的设计及选型。然而,运行过程中,由于设计裕量、工况变化等因素,压缩机的工作流量多小于设计流量。因此,多种型式的往复压缩机流量调节系统应运而生。针对大型往复压缩机的部分行程顶开吸气阀无级流量调节系统也因此得以广泛应用。该系统通过精确控制压缩机吸气阀的关闭时间,使得气缸内的气体在被压缩前通过强制开启的吸气阀返回至吸气腔中,从而达到流量调节的效果。理论上,这种无级流量调节系统可使往复压缩机的实耗功率与工作流量成正比,极大地降低能耗。传统部分行程顶开吸气阀无级流量调节系统多为同比例、平均地调节气缸盖侧和轴侧的流量负荷。然而,这种流量调节逻辑可能对往复压缩机的反向角、旋转不均匀度等造成一定的不良影响。具体为,随着流量调节负荷的降低,往复压缩机的反向角数值和反向峰值比均减小,且对末级气缸的影响更为明显【1】。API 618规定:有槽小头轴瓦的反向角至少应为15°,无槽小头瓦的反向角至少应为45°【2】。在某些小流量负荷下,反向角可能低于API 618或厂家规定的数值,从而造成压缩机小头轴瓦和十字头销因润滑不良而发生烧研故障。另外,该流量调节方法可能增大压缩机的旋转不均匀度δ,尤其对于4列对置平衡式压缩机的影响更为显著【3】。API 618规定:往复压缩机在满负荷工况或部分符合工况条件下的旋转不均匀度应不大于1.5%。在某些小流量负荷下,旋转不均匀度可能超过API 618或厂家规定的数值,从而加重联轴器、轴瓦负荷,甚至导致电机或全厂的电网电流波动。通过以上分析可知,传统部分行程顶开吸气阀流量调节方法(以下简称传统方法)会对往复压缩机长期运行稳定性造成负面影响。
本文提出了一种不平均调节气缸盖侧和轴侧流量负荷的方法(以下简称本文方法)【4】,同时,还研究了理论情况下该方法对压缩机反向角、旋转不均匀度等参数的影响。
1 理论影响分析
以气缸外止点为例,在往复压缩机正常满负荷状态下,气缸盖侧内气体依次经历膨胀、吸气、压缩和排气4个过程。由基本工作原理可知,部分行程顶开吸气阀无级流量调节系统主要影响压缩机气缸内的热力学过程,使之改变为“膨胀—吸气—回流—压缩—排气”过程。另外,该系统通过精确控制“回流”状态的时长或对应相位角转角度,可保证流量负荷调节比例。传统方法平均、等比例地控制气缸盖侧和轴侧的流量负荷。例如,设定压缩机某级气缸的流量负荷为70%,传统控制逻辑调节气缸盖侧和轴侧的流量负荷相比于其满负荷状态下的比例均为70%。然而,气缸轴侧由于活塞杆的存在,导致其工作容积小于盖侧,因此压缩机气缸两侧的原始工作容积并不相等。利用压缩机运动学公式将“回流”状态的时长或相位角转化成“回流-压缩”临界状态下的活塞位置坐标xbc,即可通过表1计算得出相应流量负荷下的综合活塞力。而流量负荷同比例调节则会导致气缸两侧的“受力不对称性”进一步加剧。由此可知,由于气缸内热力学状态改变,压缩机活塞杆受力也会发生相应变化,并可能进一步影响压缩机反向角的数值。
表1 部分行程顶开吸气阀无级流量调节系统作用下的气缸热力学过程及活塞杆综合活塞力公式【5】
表中:Fp——综合活塞力,kN;
AG——盖侧活塞面积,m2;
Pe——气体膨胀压力,MPa; AZ——轴侧活塞面积,m2;
Pb——气体回流压力,MPa;
FI——往复惯性力,kN; Ps——气体吸入压力,MPa;
Pc——气体压缩压力,MPa;
Pd——气体排气压力,MPa。
其中,压缩状态气体力公式见式(1)。
Pc×(xi+So)n=Ps×(S+So)n
(1)
式中:xi——活塞位置坐标,m;
So——活塞余隙行程,m;
n——多方压缩指数;
S——活塞行程,m。
膨胀状态气体力公式见式(2)。
(2)
式中:m——膨胀过程指数。
回流状态气体力公式见式(3)。
Pb≈Ps
(3)
另外,往复压缩机通常采用设置飞轮的方式提升旋转质量的惯性矩,以降低旋转不均匀度。飞轮矩的转动惯量GD2的计算如式(4)所示。
(4)
式中:GD2——飞轮矩的转动惯量,N·m2;
L——压缩机一转中能量的变化值,N·m;
N——压缩机转速,r/min;
δ——旋转不均匀度。
对于已投运的恒转速往复压缩机,飞轮矩的转动惯量GD2和转速N为定值,因此能量变化值L与旋转不均匀度δ成正比,而能量变化值L受到压缩机转矩影响。由此可见,压缩机活塞杆受力改变可导致压缩机转矩、能量变化值和旋转不均匀度变化。
本文提出了一种气缸盖侧和轴侧流量负荷的不平均调节方法,即保证某级气缸总流量负荷满足调节比例要求,同时不平均地调节气缸两侧的流量负荷,并保证盖侧流量负荷低于轴侧,以实现无级流量调节的效果。该方法可通过调节气缸两侧负荷的“状态不对称性”弥补气缸本身的“结构不对称性”,进而改善、提升活塞杆的“受力对称性”。
2 实例验证
以上仅从理论公式出发分析出本文方法可分别改变压缩机气缸盖侧与轴侧内的热力学过程,从而进一步影响压缩机反向角、转矩等参数。然而,往复压缩机结构参数和工艺参数千差万别,因此无法从公式中直接得出影响规律。下面以国内某炼油装置的四列三级新氢压缩机为例,验证本文方法对反向角、转矩的影响。
压缩机部分参数如表2所示。
表2 往复压缩机设计参数
2.1 反向角的影响分析
若采用传统方法进行调节,则在部分流量负荷条件下,各级气缸反向角数值如表3所示。
表3 采用传统方法调节得到的反向角数值
由表3可知:当采用传统方法进行调节时,各级气缸反向角随流量负荷降低而减小,末级(三级)气缸反向角降低尤为明显;当流量负荷低于60%时,末级气缸反向角数值已低于标准许用值。针对末级气缸,采用本文方法调节得到的反向角数值如表4所示。
表4 采用本文方法调节得到的反向角数值
采用传统方法与本文方法调节得到的末级气缸反向角数值的对比情况如图1所示。
图1 传统方法与本文方法调节得到的末级气缸反向角数值对比
由表4和图1可知,当采用本文方法进行调节时,末级气缸反向角随流量负荷降低而减小的趋势减缓;即使流量负荷降为20%,反向角仍可维持较高数值。由此可见,本文方法可显著提升小流量工况下的反向角数值,有利于提升压缩机小头轴瓦的润滑性和运行寿命。
2.2 旋转不均匀度的影响分析
若采用传统方法进行调节,则在部分流量负荷条件下,压缩机能量变化值如表5所示。
表5 采用传统方法调节得到的能量变化值
由表5可知:当采用传统方法进行调节时,压缩机一转过程中的能量变化值随流量负荷的降低而增大; 当流量负荷为40%时,压缩机能量变化值L最大,较满负荷增大22.0%,即压缩机的旋转不均匀度也相应增大22%。
采用本文方法、且只对末级气缸流量负荷进行不平均调节、前级气缸仍采用平均调节的方式进行调节时,压缩机能量变化值如表6所示。
表6 采用本文方法调节得到的能量变化值
采用传统方法与本文方法调节得到的能量变化比值的对比情况如图2所示。
图2 传统方法与本文方法调节得到的能量变化比值对比
由表6和图2可知:当采用本文方法进行调节时,压缩机一转过程中的能量变化值均小于满负荷工况,且远小于传统方法数值;在40%和20%的小流量负荷下,采用本文方法调节得到的压缩机能量变化值L分别只有传统方法数值的52.3%和54.8%,说明本文方法可极大地降低压缩机旋转不均匀度。
3 结语
往复压缩机气缸两侧的“结构不对称性”以及运行参数的“状态不对称性”导致了压缩机活塞杆的“受力不对称性”。“受力不对称性”的表征参数即是压缩机气缸的反向角数值。曲轴运动一个周期内,活塞杆受力或做功愈接近对称,则反向角愈接近180°,旋转不均匀度也越低;反之亦然。传统部分行程顶开吸气阀无级流量调节方法使得压缩机在小流量工况下的“受力不对性性”被放大,进而导致反向角降低、旋转不均匀度增大等问题。本文所述的气缸负荷非平均调节的流量调节方法可通过主动控制气缸两侧的“状态不对称性”改善小流量工况下活塞杆的“受力不对称性”,达到提升往复压缩机反向角和降低旋转不均匀度的效果。
