往復(fù)式壓縮機(jī)健康能效監(jiān)測(cè)評(píng)估與節(jié)能研究

，，

(1.山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253024；2.北京化工大學(xué)故障診斷與自愈工程研究中心，北京 100029)

往復(fù)式壓縮機(jī)是中、小型氮肥企業(yè)應(yīng)用比較廣泛的關(guān)鍵動(dòng)力機(jī)械，其運(yùn)行效率的高低對(duì)生產(chǎn)成本影響較大。長(zhǎng)期以來(lái)，企業(yè)“消防式”、“小車不倒盡管推”的設(shè)備管理模式，造成往復(fù)式壓縮機(jī)耗電量大、低效運(yùn)行，超溫、超壓、打氣量低等現(xiàn)象普遍存在。壓縮機(jī)是氮肥企業(yè)的耗電“大戶”，約占裝置總能耗的15%～25%。針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)開(kāi)展能效可監(jiān)測(cè)性研究和評(píng)估，對(duì)于企業(yè)的節(jié)能減排、貫徹科學(xué)發(fā)展觀、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的作用。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)效率評(píng)估理論依據(jù)

要確定往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過(guò)程的等熵效率，需測(cè)量壓縮機(jī)吸入和排出介質(zhì)的總焓(h)、總壓力(p)、溫度 (T)和熵(s)，然后得到等熵效率ηs：

(1)

若測(cè)得壓縮機(jī)進(jìn)口的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流m(或者體積流量)，考慮到機(jī)械效率ηm，則軸功率N的計(jì)算為：

(2)

壓縮機(jī)的理論功率消耗Ptheor則按照下式計(jì)算：

Ptheor=m[h(p排，s吸)-h(p吸，T吸)]

(3)

其中，壓縮介質(zhì)的h(p排，s吸)，h(p排，T排)，h(p吸，T吸)可以通過(guò)查壓縮介質(zhì)的焓、熵特性參數(shù)表格獲取。根據(jù)壓縮介質(zhì)的氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)并建立對(duì)應(yīng)的溫(T)-熵(s)和壓(p)-焓(h)特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)效率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一般情況下，往復(fù)式壓縮機(jī)自動(dòng)化、信息化程度不高，在線監(jiān)測(cè)評(píng)估設(shè)施投資較大，而采用離線檢測(cè)和評(píng)估則比較可行。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)健康能效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源

往復(fù)式壓縮機(jī)健康監(jiān)測(cè)就是以狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為手段，預(yù)測(cè)、診斷故障或故障發(fā)生趨勢(shì)，定期或?qū)崟r(shí)給出健康診斷報(bào)告。能效監(jiān)測(cè)就是通過(guò)工藝過(guò)程數(shù)據(jù)和壓縮機(jī)輸送介質(zhì)的物性參數(shù)等數(shù)據(jù)計(jì)算分析壓縮機(jī)的等熵效率，并診斷分析壓縮機(jī)效率低的原因。如圖1所示，往復(fù)式壓縮機(jī)健康能效管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源于效率監(jiān)測(cè)模塊和健康監(jiān)測(cè)模塊。電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取電壓、電流、功率因數(shù)或有功功率數(shù)據(jù)；生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)獲取溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)獲取密度、介質(zhì)組分或化學(xué)成分；狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取位移、速度、加速度和聲發(fā)射動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，等等。通過(guò)對(duì)多來(lái)源數(shù)據(jù)特征信息進(jìn)行分析和提取、計(jì)算裝備系統(tǒng)狀態(tài)和工況參數(shù)之間的非線性關(guān)系，可以探測(cè)、分析產(chǎn)生設(shè)備故障的原因以及故障發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)健康能效管理數(shù)據(jù)來(lái)源

3 案例分析

某公司4M32-180/155型CO2壓縮機(jī)正常工況下存在“一回一”和“三回一”閥打回流的現(xiàn)象，受其委托，我們對(duì)該壓縮機(jī)開(kāi)展了健康能效評(píng)估。

3.1 壓縮機(jī)基本參數(shù)

轉(zhuǎn)速 333 r/min

活塞行程 380 mm

打氣量 180 m3/min

活塞桿直徑 100 mm

抽氣系數(shù)μ(Ⅰ～Ⅴ段) 1

氣缸直徑 Ⅰ段1 100 mm，Ⅱ段680 mm，Ⅲ段400 mm，Ⅳ段310 mm，Ⅴ段170 mm

各段氣缸氣閥數(shù)量(進(jìn)/排氣閥) Ⅰ段4/4(雙)，Ⅱ段2/2(雙)，Ⅲ段2/2(雙)，Ⅳ段2/2(單)，Ⅴ段1/1(單)

進(jìn)氣組成 CO2約100%(H2、N2、CO、CH4、O2、Ar、H2S均為微量)

3.2 壓縮機(jī)能效評(píng)估

3.2.1排氣壓力校核(表1、表2)

表1 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)排氣壓力采集數(shù)據(jù) kgf/cm2

表2 設(shè)計(jì)條件下進(jìn)排氣壓力理論計(jì)算值 kgf/cm2

對(duì)比表1、表2可看出，壓縮機(jī)的Ⅳ段、Ⅱ段壓力偏高。實(shí)踐表明，該型號(hào)壓縮機(jī)經(jīng)常發(fā)生Ⅳ段、Ⅱ段超壓現(xiàn)象，有時(shí)不得不減量運(yùn)行。

3.2.2排氣溫度校核(表3、表4)

表3 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)排氣溫度采集數(shù)據(jù) ℃

表4 設(shè)計(jì)條件下進(jìn)排氣溫度理論計(jì)算值 ℃

對(duì)比表3、表4可看出，壓縮機(jī)的Ⅲ段、Ⅱ段溫度偏高。實(shí)踐表明，該型號(hào)壓縮機(jī)經(jīng)常發(fā)生Ⅲ段、Ⅱ段超溫現(xiàn)象。

3.2.3指示功率校核(表5)

3.3 壓縮機(jī)在役再設(shè)計(jì)

3.3.1優(yōu)化氣缸設(shè)計(jì)(表6)

由表6可見(jiàn)，Ⅳ段氣缸實(shí)際直徑偏小；而Ⅱ段氣缸實(shí)際直徑偏大。壓縮機(jī)的在役再設(shè)計(jì)措施為：①Ⅳ段氣缸直徑從310 mm擴(kuò)徑至330 mm；②Ⅱ段氣缸在蓋側(cè)增加10±0.5 mm余隙容積，增加后蓋側(cè)容積變?yōu)?9±0.5 mm。

表5 壓縮機(jī)指示功率 kW

注：Ⅰ段吸氣壓力1.35 kgf/cm2、排氣壓力3.55 kgf/cm2(開(kāi)一回一閥)。

表6 壓縮機(jī)氣缸優(yōu)化設(shè)計(jì)表 m

3.3.2氣缸直徑優(yōu)化后各段排氣壓力

由表2可見(jiàn)(氣缸直徑優(yōu)化后各段進(jìn)排氣壓力與設(shè)計(jì)條件下進(jìn)排氣壓力理論計(jì)算值完全吻合)，壓縮機(jī)氣缸直徑優(yōu)化后，Ⅳ段、Ⅱ段超壓現(xiàn)象消失，各段進(jìn)排氣壓力都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，解決了壓縮機(jī)因Ⅳ段、Ⅱ段超壓而加不上量的問(wèn)題。

3.3.3氣缸直徑優(yōu)化后各段進(jìn)排氣溫度

由表4可見(jiàn)(氣缸直徑優(yōu)化后各段進(jìn)排氣溫度與設(shè)計(jì)條件下進(jìn)排氣溫度理論計(jì)算值完全吻合)，改造后壓縮機(jī)Ⅲ段、Ⅱ段超溫現(xiàn)象得到解決。

3.3.4壓縮機(jī)指示功率

往復(fù)式壓縮機(jī)常用的氣量調(diào)節(jié)方式有無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)裝置、余隙氣量調(diào)節(jié)裝置等，前者投資較大，后者余隙調(diào)節(jié)范圍受到一定限制。經(jīng)過(guò)綜合分析，為了節(jié)省投資，我們采用了余隙氣量調(diào)節(jié)裝置，即在壓縮機(jī)一段進(jìn)口增加余隙氣量調(diào)節(jié)裝置。Ⅰ段吸氣壓力1.15 kgf/cm2、排氣壓力3.55 kgf/cm2的情況下，改造后壓縮機(jī)的指示功率見(jiàn)表7。

表7 壓縮機(jī)氣缸直徑優(yōu)化后指示功率計(jì)算值 kW

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)4M32-180/155型CO2壓縮機(jī)開(kāi)展健康與能效監(jiān)測(cè)評(píng)估和在役再設(shè)計(jì)優(yōu)化，投資12萬(wàn)元即完成Ⅳ段缸擴(kuò)缸、Ⅱ段缸增加余隙容積、Ⅰ段缸增加余隙氣量調(diào)節(jié)裝置，徹底解決了壓縮機(jī)Ⅳ段、Ⅱ段超壓現(xiàn)象和Ⅲ段、Ⅱ段超溫現(xiàn)象，保證了壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)電302.34 kW·h/h(折合123.5萬(wàn)元/a)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。