往復壓縮機氣缸液擊機理分析與對策

淡 鵬

（陜西興化集團有限責任公司，陜西 興平 713100）

1 引言

往復壓縮機是用于石油、化工生產(chǎn)中不可或缺的系統(tǒng)設備，通常需要長時間高效運行以保證生產(chǎn)效率，因此其可靠性和安全性是往復壓縮機性能要求的重要指標。但往復壓縮機在運行過程中產(chǎn)生異響是較為常見的故障，需要立刻停機，進行故障排查。設備產(chǎn)生異響的類型不同，故障的原因也很多，通常需要維護人員逐一排查[1，2]。而因壓縮機氣缸積液造成內(nèi)部液擊的現(xiàn)象，通常采用壓縮機常規(guī)性故障排查是最不易被察覺的[3]。因此造成故障維護成本和生產(chǎn)成本的大量增加，且對于處理較為復雜介質(zhì)的往復式壓縮機來說尤為重要。

目前對往復壓縮機氣缸積液的研究主要集中在發(fā)生液擊現(xiàn)象的原因判斷和采取的預防措施。由于缺乏對往復壓縮機氣缸積液成因和機理的研究，因此大部分研究僅停留在對出現(xiàn)液擊后的解決辦法進行經(jīng)驗型描述[4-6]。部分學者基于電磁波的時域反射原理設計了用于壓縮機液擊檢測的導波雷達液位計，提高了壓縮機積液的測量精度[7-8，10]。另外在壓縮機發(fā)生液擊時，通過研究活塞組件的動力學關系，從活塞組件結構上改進其抗液擊能力[9]。

綜上所述，國內(nèi)外的研究成果大多在于預防壓縮機工作過程中積液的產(chǎn)生和出現(xiàn)液擊時的檢測和處理方法，對積液造成的氣缸內(nèi)流場變化及對氣缸內(nèi)部的壓力場影響研究較少。因此對某裝置中采用的重整氫往復壓縮機可能發(fā)生的積液問題進行分析，建立氣液兩相流場模型，分析壓縮機運動學對氣缸液擊的影響，并給出相應的防液擊的對策，以促進壓縮機的快速故障診斷與維護。

2 熱力學模型

在催化重整過程中，往復壓縮機作為輸送設備為某伴氣工藝處理裝置提供氫氣。循環(huán)氫介質(zhì)成分相對復雜，在受到環(huán)境、溫度變化及壓縮機運行過程中的壓力變化時，烴類氣體或少量水分在隨氣體被吸入壓縮機氣缸時發(fā)生液化。由于液體的不可壓縮性，與正常的氣體壓縮相比，即使少量的液滴在活塞接近上止點時將產(chǎn)生瞬時高壓現(xiàn)象，短時間內(nèi)就會造成易損件（如氣閥、活塞端部、曲軸、連桿等）的變形與損壞。這種現(xiàn)象被稱為液擊。但進入壓縮機氣缸的復雜氣體是否必然導致液擊產(chǎn)生，這通常取決于許多因素的相互作用，如輸入氣體的質(zhì)量與成分以及壓縮機運動學隨時間的變化，氣缸容積，以及壓縮機的壓縮比等。

2.1 積液現(xiàn)象分析

根據(jù)大量的參考文獻和實際生產(chǎn)經(jīng)驗分析[3-5]，用于化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的往復壓縮機積液的產(chǎn)生主要包括兩種情況。

壓縮機一段入口介質(zhì)較為復雜，常伴有丙烯、丙烷等烴類氣體或含少量水蒸氣。當氣缸對介質(zhì)進行壓縮作用時，會有蒸汽凝結而導致氣缸內(nèi)形成液體積聚，即積液。

部分壓縮機積液是由于潤滑油的使用不當引起的。通常由于曲軸箱內(nèi)的油液過多，造成曲軸和連桿在高速旋轉(zhuǎn)時導致潤滑油飛濺，部分少量潤滑油可能被吸氣管路吸入氣缸，直接引起液擊。

針對積液現(xiàn)象，通常的解決辦法是在排氣管路上安裝氣液分離裝置，以期積液在氣缸排氣時將液滴一起排出。但該方法并不能完全杜絕液擊的發(fā)生，因此通過數(shù)學建模來研究往復壓縮機運動學對液擊的影響和積液成因的顯著性尤為重要。

2.2 模型建立

由于工藝生產(chǎn)需要，要求往復壓縮機要提高排氣量，因此必須提高曲軸的工作轉(zhuǎn)速。同時氣體流量也會發(fā)生變化，使壓縮機出口壓力增大，但入口壓力基本保持不變，進出口壓力比增大。為了得出熱力學方程，做以下假設[9]：（1）輸入的循環(huán)氫介質(zhì)在整個氣缸的控制體積內(nèi)是均勻的；（2）氣體質(zhì)量的重力和動能被忽略；（3）由于平均速度小，氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)的能量近似于氣缸內(nèi)部能量。

對于壓縮介質(zhì)來說，若在氣缸內(nèi)部產(chǎn)生積液現(xiàn)象，從流體流動的角度來說，可將此歸為氣液兩相流動，在氣缸壓力的作用下，氣液兩相流動應滿足能量與質(zhì)量守恒定律[11]。

式中：U—氣體介質(zhì)的總內(nèi)能；Q—氣缸內(nèi)由氣缸壁到氣體介質(zhì)的熱傳遞；Wn—氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)做的功；hi—輸出氣體介質(zhì)的比焓；mi—輸出氣體質(zhì)量；ho—輸入氣體介質(zhì)的比焓；mo—輸入氣體質(zhì)量；mc—氣缸內(nèi)剩余氣體質(zhì)量；α—曲柄角。

為得到氣缸內(nèi)氣液的相變模型，假設循環(huán)氫分子模型在壓力的作用下是不可變的。

氣液的相變模型可寫為：

式中：v—比容；h—比焓，下標g 和l—表示飽和氣體和飽和液體的性質(zhì)；x—輸入氣體介質(zhì)質(zhì)量瞬時氣缸容積，是曲柄角α 的函數(shù)；

由于壓力p 可表示為溫度T 的函數(shù)，即：

將等式（2）～式（4）代入等式（1）整理得到：

當氣體介質(zhì)進入壓縮機氣缸后，將存在兩種可能性：氣體介質(zhì)中在壓縮過程中從兩相狀態(tài)變?yōu)檫^熱氣體，或者部分成分被壓縮成過冷液體。當?shù)谝环N情況發(fā)生時，如式（2）推導的熱力學模型發(fā)生。當出現(xiàn)氣液兩相狀態(tài)時，按式（5）推導其氣體性質(zhì)。在液體壓縮下，氣缸壓力可以達到非常高的值。這種情況稱為液擊。

由式（7）可知，當式中1/（vg-vl）＞0，dV/dα 在壓縮機壓縮和排氣過程中均為負，dmc/dα 在壓縮過程中為0，在排氣過程中為負，dT/dα 在壓縮過程中始終為正，因為壓力增加，dvg/dT 為負，由于飽和液體相對于溫度不會改變其比容，所以dvl/dT 可忽略不計。因此，dV/dα 是式（7）中唯一導致氣缸內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量下降的項。因此氣缸壓縮過程中若出現(xiàn)液擊時，介質(zhì)氣體質(zhì)量的變化。

3 往復壓縮機液擊分析與解決對策

用上述熱力學模型模擬循環(huán)氫往復壓縮機某工況條件下氣缸壁所受壓強的變化情況，設定氣體介質(zhì)處于氣液兩相性，工況數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 循環(huán)氫壓縮機某工況特性數(shù)據(jù)表Tab.1 Characteristic Data of a Working Condition of a Circulating Hydrogen Compressor

3.1 往復壓縮機液擊機理分析

對式（2）、式（5）進行積分即可確定氣缸內(nèi)介質(zhì)的溫度和質(zhì)量，結合表1 中的技術參數(shù)，利用Matlab 進行求解，繪制氣缸內(nèi)平均氣體力和氣缸壁可能受到的最大液擊壓強與氣體壓縮過程之間的關系，如圖1 所示?？芍敋飧走M口壓力增加，即氣體注入時，若發(fā)生積液現(xiàn)象，將產(chǎn)生氣液兩相交變引發(fā)的劇烈相變過程，液擊對缸壁的沖擊逐漸增強，沖擊壓強將為平均氣體壓強的指數(shù)級；隨著氣體流量的逐漸增強，液擊呈短時劇烈脈動狀態(tài)，其表現(xiàn)為壓縮機在運行過程中會發(fā)生異響，且無法準確判斷異響位置，瞬時壓強依然很大，將對缸壁、活塞端部、氣閥造成敲擊破壞，同時持續(xù)作用將對連桿和活塞桿產(chǎn)生交變應力作用，使之變形或斷裂。

圖1 氣缸壁所受平均氣體壓強與最大液擊壓強分析結果Fig.1 Average Gas Pressure and Maximum Liquid Pressure on the Cylinder Wall

應用式（7）模型來模擬在介質(zhì)進入氣缸的初始質(zhì)量在壓縮過程中質(zhì)量梯度變化，如圖2 所示。由圖2 可知，除輸入端介質(zhì)的初始質(zhì)量在壓縮過程中發(fā)生較大變化，正常情況下，隨著壓縮過程逐漸變得平穩(wěn)。但當介質(zhì)處于氣液二相飽和輸入壓縮機時，少量介質(zhì)成分開始液化，造成質(zhì)量梯度斜率變大，這時容易發(fā)生液擊。因此，為了避免氣體介質(zhì)中液體成分的增加，通常采用壓縮機冷卻水管路傳遞熱量或逐級壓縮方法降低氣缸容積的梯度。

圖2 壓縮機運行時氣缸內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量Fig.2 Medium Quality in Cylinder When the Compressor is Running

3.2 相關解決對策

根據(jù)以上分析可知，氣體介質(zhì)質(zhì)量項的變化與氣缸壓縮過程中發(fā)生液擊現(xiàn)象關系密切，針對壓縮機產(chǎn)生液擊故障的處理辦法，常見的做法是在排氣管路安裝氣液分離裝置，確保在氣缸排氣時使液體能被分離出來，但該裝置只能用于排氣管路的氣液分離，不能保證復雜介質(zhì)在氣缸內(nèi)不形成積液。因此針對氣缸入口積液，可采用設積液收集裝置的防液擊缸蓋，是解決這一問題的有效途徑之一。使壓縮機在運轉(zhuǎn)時，能自動收集氣缸腔內(nèi)產(chǎn)生的積液，選用導波雷達液位計可檢測液體量[7]，并實現(xiàn)積液的密閉回收。

在此方法的基礎上，仍需以下措施保證壓縮機的運行安全[6]：（1）在排氣管路上加裝氣液分離器，并保證分離效果；（2）加大活塞止點間隙，以緩解液擊對各易損件的沖擊。（3）控制潤滑油的用量，防止?jié)櫥捅晃霘飧讓е碌囊簱簟?/p>

4 結論

基于熱力學方程對往復壓縮機的輸入氣體介質(zhì)的氣液兩相流進行建模，分析液擊產(chǎn)生時氣缸內(nèi)流場壓力變化及氣體的質(zhì)量變化與液擊的關系。根據(jù)模擬結果結合實際情況可得到以下結論：（1）氣缸中發(fā)生的液擊是由混入氣體中的部分液體介質(zhì)造成，一種情況是在壓縮進氣過程中直接輸入過冷液體，如壓縮機冷啟動時，但這種情況很少見；另一種情況是介質(zhì)兩相混合在壓縮過程中轉(zhuǎn)化為液體；（2）在氣缸壓縮過程中發(fā)生液擊是多種因素造成的，如輸入介質(zhì)的初始質(zhì)量、介質(zhì)與氣缸之間的熱傳遞、壓縮過程的運動學等。根據(jù)熱力學分析，當氣體介質(zhì)氣液二相飽和時將導致介質(zhì)混合物中液體成分的增加，引起氣缸內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量梯度的劇烈變化；（3）由于液擊現(xiàn)象與輸入介質(zhì)的質(zhì)量變化關系密切。經(jīng)分析可知，為避免積液的產(chǎn)生，應考慮逐級壓縮以減小氣缸容積梯度的方法，配合氣液分離裝置，解決缸內(nèi)積液問題，從而有效保證生產(chǎn)的安全運行要求。