膜式氣缸選型對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行影響的探討

張洪彬

（云南云天化石化有限公司，云南安寧 650300）

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)以其壓力適用范圍廣，排氣效率高、排氣量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)石化、冶金、紡織等行業(yè)。在石化領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)運(yùn)行中由于生產(chǎn)需求、生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整，壓縮機(jī)不能長(zhǎng)期處于滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行，因此就需要通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需要的負(fù)荷。

目前往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方式主要有：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)、全程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)、余隙調(diào)節(jié)、無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)（部分行程壓開(kāi)吸氣閥）。本文主要以全程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)方式為基礎(chǔ)，探討其主要部件膜式氣缸形式選擇對(duì)壓縮機(jī)穩(wěn)定性運(yùn)行的影響。

2 全程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)方式介紹

全程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)氣量方式是通過(guò)在往復(fù)壓縮機(jī)吸氣閥閥蓋上安裝一外置膜式氣缸，通過(guò)頂桿和卸荷器強(qiáng)制將吸氣閥閥片頂開(kāi)，并使其保持持續(xù)開(kāi)啟狀態(tài)，壓縮機(jī)進(jìn)氣口的氣體全部經(jīng)強(qiáng)制頂開(kāi)的吸氣閥返回到入口，這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、調(diào)節(jié)過(guò)程中氣體只需要克服氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉的阻力所造成的低功耗，是一種被廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)方式。但是其缺點(diǎn)是只能夠?qū)饬窟M(jìn)行0%、25%、50%、75%、100%階梯調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍有限，僅限于粗調(diào)節(jié)并不能做到精確調(diào)節(jié)。

3 膜式氣缸工作原理

膜式氣缸在氣體力作用或彈簧力作用下，驅(qū)動(dòng)頂桿運(yùn)動(dòng)，頂桿推動(dòng)卸荷器，強(qiáng)制頂開(kāi)氣閥閥片實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)卸載。

3.1 正作用式（氣體力驅(qū)動(dòng)的膜式氣缸）

3.1.1 工作原理

氣體力驅(qū)動(dòng)的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進(jìn)氣閥配合使用，可以實(shí)現(xiàn)有風(fēng)卸載，無(wú)風(fēng)加載。即，當(dāng)壓縮機(jī)要求卸荷時(shí)，儀表空氣（通常為低壓氮?dú)猓┍灰氲侥て纳喜?，膜片克服回?fù)彈簧的彈簧力帶動(dòng)膜式氣缸頂桿向壓縮機(jī)氣缸側(cè)運(yùn)動(dòng)，壓向卸荷器，使進(jìn)氣閥強(qiáng)制打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)卸荷。反之無(wú)儀表風(fēng)時(shí)，膜片在回復(fù)彈簧的彈簧力的作用下帶動(dòng)膜式氣缸頂桿回復(fù)到上止點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加載（圖1）。

圖1

3.1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)正作用膜式氣缸結(jié)構(gòu)形式，其具有以下特點(diǎn)：

（1）膜片的在氣閥卸載時(shí)受力，氣閥正常加載期間處于不受力狀態(tài)，因此對(duì)于長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行的壓縮機(jī)而言，其膜式氣缸的膜片具有更長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)也降低了載氣的用量；

（2）膜腔進(jìn)氣側(cè)為密封性良好的密閉空間，確保了卸載可靠性；

（3）膜腔進(jìn)氣側(cè)為相對(duì)獨(dú)立空間，與介質(zhì)氣不接觸，因此載氣直接用工廠空氣即可，滿(mǎn)足了介質(zhì)純度要求高的特殊需求；

（4）從安全方面考慮，當(dāng)工廠處于緊急狀況時(shí)，工廠空氣斷供，壓縮機(jī)緊急停車(chē)，該結(jié)構(gòu)膜式氣缸無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊急狀況卸載停車(chē)要求；

（5）從穩(wěn)定性方面考慮，對(duì)于長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行壓縮機(jī)而言，氣缸在運(yùn)行過(guò)程中不論是膜片破裂或是載氣供應(yīng)中斷，在彈簧力作用下，均不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

3.2 反作用式（彈簧力驅(qū)動(dòng)的膜式氣缸）

3.2.1 工作原理

彈簧力驅(qū)動(dòng)的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進(jìn)氣閥配合使用，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)卸載，有風(fēng)加載。即，當(dāng)壓縮機(jī)要求卸荷時(shí)，儀表風(fēng)（通常為低壓氮?dú)猓┲聊な綒飧椎耐诽幱谇袛酄顟B(tài)，膜片在彈簧力的作用下帶動(dòng)膜式氣缸頂桿運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)，壓向卸荷器，使進(jìn)氣閥強(qiáng)制打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)卸荷。反之，有儀表風(fēng)時(shí)，膜片克服回復(fù)彈簧的彈簧力帶動(dòng)頂桿向上運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離壓縮機(jī)氣缸側(cè)，到達(dá)上止點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加載（圖2）。

圖2

3.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)反作用膜式氣缸結(jié)構(gòu)形式，其具有以下特點(diǎn)：

（1）膜片的在氣閥加載時(shí)受力，因此對(duì)于長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行的壓縮機(jī)而言，其膜式氣缸的膜片一直處于受力狀態(tài)，更容易破裂，同時(shí)也增加了載氣的用量；

（2）膜腔進(jìn)氣側(cè)為填料密封結(jié)構(gòu)，使用過(guò)程中若填料泄漏量過(guò)大，大量加載氣會(huì)通過(guò)填料密封處泄漏，導(dǎo)致氣閥加載不穩(wěn)定，壓縮機(jī)能力不能完全釋放，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)無(wú)法加載；

（3）膜腔進(jìn)氣側(cè)與填料密封結(jié)構(gòu)的頂桿為同一空間，若頂桿填料泄漏量大可能造成膜腔載氣與介質(zhì)氣接觸，因此對(duì)特殊介質(zhì)氣，需要選擇載氣與之適應(yīng)，對(duì)純度要求高的介質(zhì)氣，不適宜選擇該型膜式氣缸；

（4）從安全方面考慮，當(dāng)工廠處于緊急狀況時(shí)，工廠空氣斷供，壓縮機(jī)緊急停車(chē)，該型膜式氣缸能直接通過(guò)彈簧力實(shí)現(xiàn)緊急狀況卸載停車(chē)；

（5）從穩(wěn)定性方面考慮，對(duì)于長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行壓縮機(jī)而言，氣缸在運(yùn)行過(guò)程中一旦發(fā)生膜片破裂或是載氣供應(yīng)中斷，在彈簧力作用下，均會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)卸載，影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

4 流量調(diào)節(jié)控制原理

以某聚丙烯裝置四列三級(jí)雙作用立式迷宮壓縮機(jī)為例，壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方式為全程頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)，吸氣閥卸荷器用膜式氣缸形式為反作用式，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)50%、75%、100%三種負(fù)荷工況的相互切換，控制原理如下：

壓縮機(jī)進(jìn)氣閥總計(jì)14只，其中7只吸氣閥配有反作用式膜式氣缸，分別為一級(jí)4只，二級(jí)2只，三級(jí)1只，各級(jí)配置比例均為50%，通過(guò)3只電磁閥控制膜式氣缸載氣的通路與斷路操作，實(shí)現(xiàn)50%、75%、100%三個(gè)負(fù)荷調(diào)節(jié)工況的相互切換。如表1所示。

表1 進(jìn)氣閥卸荷器流量控制

失電：無(wú)氮?dú)馔ㄟ^(guò)電磁閥作用到卸荷器，卸荷器正常工作，進(jìn)氣閥處于強(qiáng)制卸載狀態(tài)。

得電：氮?dú)馔ㄟ^(guò)電磁閥作用到卸荷器上，卸荷器不工作，進(jìn)氣閥處于正常工作狀態(tài)。

聚丙烯裝置尾氣壓縮機(jī)根據(jù)裝置運(yùn)行不同負(fù)荷控制需求，使用進(jìn)氣閥卸荷器流量控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，除開(kāi)停車(chē)、產(chǎn)品切換除外，正常情況下運(yùn)行負(fù)荷均在75%～100%間切換操作。

5 膜式氣缸選型

根據(jù)膜式氣缸不同的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，結(jié)合聚丙烯尾氣壓縮機(jī)膜式氣缸電磁閥調(diào)節(jié)控制原理，做選型比對(duì)如表2。

表2 膜式氣缸比對(duì)表

通過(guò)以上比對(duì)可以看出，若壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于75%、100%負(fù)荷運(yùn)行，從安全性和穩(wěn)定性綜合考慮可以選擇：UV-5214-12（控制三級(jí)卸荷器）選用正作用膜式氣缸，UV-5214-13（控制一級(jí)3#4#、二級(jí)2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級(jí)1#2#、二級(jí)1#卸荷器）選用反作用膜式氣缸。

安全方面，當(dāng)工廠處于緊急狀況時(shí)，工廠空氣斷供，壓縮機(jī)緊急停車(chē)的情況下，UV-5214-13（控制一級(jí)3#4#、二級(jí)2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級(jí)1#2#、二級(jí)1#卸荷器）選用的反作用膜式氣缸可通過(guò)彈簧力實(shí)現(xiàn)一二級(jí)氣缸卸載，三級(jí)氣缸由于一二級(jí)氣缸已經(jīng)卸載，介質(zhì)進(jìn)入三級(jí)氣缸的流量大大降低，因此三級(jí)負(fù)荷也隨之降低，可以確保壓縮機(jī)安全平穩(wěn)停車(chē)。

可靠性方面，由于三級(jí)壓力最高，對(duì)于反作用膜式氣缸來(lái)說(shuō)，其膜片長(zhǎng)期承受的氣體壓力也最大，因此最容易損壞，造成壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，因此UV-5214-12（控制三級(jí)卸荷器）選用正作用膜式氣缸可以有效提高壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低非計(jì)劃停車(chē)造成的損失。

由此可見(jiàn)在壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機(jī)不同級(jí)搭配使用，在確保安全性的同時(shí)可以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定運(yùn)行效果。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)全程頂開(kāi)吸氣閥氣量調(diào)節(jié)方式的介紹，對(duì)其主要部件——膜式氣缸的兩種類(lèi)型（正作用膜式氣缸和反作用膜式氣缸）分別進(jìn)行工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的介紹分析，對(duì)其使用過(guò)程中安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行分別說(shuō)明，同時(shí)結(jié)合聚丙烯裝置尾氣壓縮機(jī)膜式氣缸流量調(diào)節(jié)控制原理，得出不同形式膜式氣缸在不同運(yùn)行負(fù)荷下其安全性、穩(wěn)定性的優(yōu)缺點(diǎn)，最終獲得在壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機(jī)不同級(jí)搭配使用，在確保安全性的同時(shí)可以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定運(yùn)行效果。