往復(fù)活塞壓縮機(jī)壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)與余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量技術(shù)對比（三）

顧興坤，謝樸貴，曲延鵬

(1.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.中國石化 青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500；3.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250062）

在國家大力推廣低碳綠色技術(shù)的當(dāng)下，對能耗較大的往復(fù)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造已是大勢所趨，部分行程壓開進(jìn)氣閥無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)（某些文獻(xiàn)中也稱為無級(jí)氣量調(diào)節(jié)技術(shù)）和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)（某些文獻(xiàn)中也稱為余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)），是當(dāng)前往復(fù)活塞壓縮機(jī)節(jié)能改造應(yīng)用較多的兩大技術(shù)[1]。這2種技術(shù)均采用液壓+PLC電儀控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品功能的控制，均以減少壓縮機(jī)入口進(jìn)氣量為目的，通過減少壓縮機(jī)進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的無級(jí)調(diào)節(jié)，并在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)達(dá)到節(jié)能降耗目的[2-3]。但2種技術(shù)作用原理有本質(zhì)不同，因此技術(shù)特性也不同，在自身運(yùn)行能耗、節(jié)能效果、易損件和維修周期等方面也存在差異。

部分行程壓開進(jìn)氣閥無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展已有半個(gè)多世紀(jì)，目前已發(fā)展到與現(xiàn)代化控制技術(shù)相結(jié)合，但有關(guān)2種技術(shù)的特性、自身運(yùn)行能耗、節(jié)能效果、易損件及維修周期等方面對比的文獻(xiàn)卻極少，尤其在選擇何種節(jié)能技術(shù)以及是否能夠達(dá)到節(jié)能改造的最優(yōu)化目的方面缺乏相關(guān)信息。筆者結(jié)合2種技術(shù)發(fā)展多年來形成的最新理論和十多年的技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，對2種技術(shù)進(jìn)行對比和分析，整理各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢和不足，以便相關(guān)人員對其進(jìn)一步的了解、分析和研究，也有利于技術(shù)的發(fā)展和推廣。

1 2種調(diào)節(jié)技術(shù)特性

1.1 工作原理

1.1.1 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

當(dāng)氣缸進(jìn)氣接近終了時(shí)，進(jìn)氣閥片被強(qiáng)制保持在開啟位置。壓縮過程的部分行程中，氣體從氣缸中經(jīng)被壓開的進(jìn)氣閥流回進(jìn)氣管而不被壓縮。待活塞運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，壓開進(jìn)氣閥片的強(qiáng)制動(dòng)作消失，進(jìn)氣閥片回落到閥座上，進(jìn)氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，達(dá)到設(shè)定排氣壓力后從排氣閥排出，容積流量減少。通過對進(jìn)氣閥關(guān)閉早晚的時(shí)間控制，達(dá)到容積流量連續(xù)調(diào)節(jié)的目的[4]。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)的氣體指示功圖見圖 1[1]，壓縮機(jī)實(shí)際工作循環(huán)的氣體指示功圖（全流量或稱100%負(fù)荷狀態(tài)）見圖 2[1]。圖1和圖2中，p 為壓力，pd為排氣壓力，ps為進(jìn)氣壓力，V為容積，V0為初始余隙容積，Vh為行程容積，數(shù)字1～4代表全流量工作循環(huán)進(jìn)氣結(jié)束點(diǎn)、排氣開始點(diǎn)、排氣結(jié)束點(diǎn)、吸氣開始點(diǎn)，數(shù)字1′和2′代表部分行程壓開進(jìn)氣閥工作循環(huán)中進(jìn)氣閥關(guān)閉點(diǎn)和排氣開始點(diǎn)，字母a～d代表實(shí)際工作循環(huán)的進(jìn)氣結(jié)束點(diǎn)、排氣開始點(diǎn)、排氣結(jié)束點(diǎn)、吸氣開始點(diǎn)，字母e～g代表全行程壓開進(jìn)氣閥工作循環(huán)的進(jìn)氣開始點(diǎn)、進(jìn)氣壓力最低點(diǎn)、排氣壓力最高點(diǎn)。從圖1和圖2可以看出，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)省的功主要是壓縮階段因進(jìn)氣量減少而節(jié)省的壓縮功。

圖1 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)氣體指示功圖

圖2 壓縮機(jī)實(shí)際工作循環(huán)氣體指示功圖

1.1.2 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)

余隙無級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)，氣缸工作腔與補(bǔ)助余隙容積腔相通，增加了余隙容積，因而余隙容積系數(shù)減小，容積流量降低[4]。通過調(diào)節(jié)余隙容積的大小，可以對一定范圍內(nèi)的容積流量進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)[5]。余隙無級(jí)調(diào)節(jié)過程的氣體指示功圖見圖 3[1]，圖 3中字母b′和d′代表余隙無級(jí)調(diào)節(jié)工作循環(huán)中排氣開始點(diǎn)和吸氣開始點(diǎn)。比較圖3與圖2可以看出，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)省的功既有壓縮過程因進(jìn)氣量減少而節(jié)省的壓縮功，又有來自膨脹過程因余隙腔內(nèi)氣體膨脹未被消耗的功。

圖3 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)過程氣體指示功圖

1.2 技術(shù)特性對比

對比圖1與圖3看出，①在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)氣體指示功圖是一條不平緩的帶彎曲線，說明氣缸一開始進(jìn)氣時(shí)存在波動(dòng)、而后平緩。余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的整個(gè)進(jìn)氣過程較平緩。②在介質(zhì)壓縮過程中，采用部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的介質(zhì)壓力先緩慢上升、而后突然陡升。采用余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的介質(zhì)壓力在整個(gè)壓縮過程中均為平緩升高。③在壓縮機(jī)排氣過程中，采用部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的介質(zhì)壓力有一個(gè)突然下降的拐點(diǎn)，而后平緩下降至介質(zhì)膨脹的初始?jí)毫?。采用余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的介質(zhì)壓力平緩下降。④在壓縮介質(zhì)膨脹過程中，采用部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的壓縮介質(zhì)膨脹速度要快于余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的，采用余隙無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的介質(zhì)膨脹過程依然比較平緩。

基于以上分析，在氣體介質(zhì)的一個(gè)工作循環(huán)中，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)過程均平緩、穩(wěn)定，對壓縮機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件及自身系統(tǒng)的部件均有利。圖1～圖3可以說明，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)的一些技術(shù)特性要優(yōu)于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)的技術(shù)特性。

2 2種調(diào)節(jié)技術(shù)自身運(yùn)行能耗

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在往復(fù)活塞壓縮機(jī)的節(jié)能改造中都有較好的表現(xiàn)，但很多業(yè)主主要關(guān)注了壓縮機(jī)系統(tǒng)自身節(jié)能量標(biāo)定考核，而對2種調(diào)節(jié)技術(shù)系統(tǒng)自身運(yùn)行能耗關(guān)注較少，甚至不予考核。筆者認(rèn)為，這是不科學(xué)、也不合理的認(rèn)識(shí)和表現(xiàn)[6-8]。

2種調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品的耗電設(shè)備技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)和對比見表1[2，3，5，9-10]。

表1 2種調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品耗電設(shè)備技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)及對比

從表1可見，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品的自身能耗相當(dāng)大，約為余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)最大功率（3 kW）電機(jī)能耗的3～6倍，這是由其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式所決定的，很難改進(jìn)。余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)自身能耗具有較大優(yōu)勢。

3 2種調(diào)節(jié)技術(shù)節(jié)能效果

評(píng)價(jià)某種技術(shù)的節(jié)能效果時(shí)，不但要評(píng)價(jià)該技術(shù)產(chǎn)生的節(jié)能效果，還要評(píng)價(jià)技術(shù)產(chǎn)品自身能源消耗情況，這才符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6-8]。因此，應(yīng)以如下公式為基準(zhǔn)，對某技術(shù)的節(jié)能效果（即節(jié)能量E）進(jìn)行標(biāo)定和計(jì)算：

式中，E1為壓縮機(jī)改造前滿負(fù)荷下的耗能量，E2為壓縮機(jī)節(jié)能改造后運(yùn)行負(fù)荷下的耗能量，E3為技術(shù)產(chǎn)品自身耗能量。

由于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的特性，其進(jìn)氣閥的開啟總有一定的滯后，此刻氣缸的介質(zhì)壓力低于進(jìn)氣管道內(nèi)的介質(zhì)壓力，還需克服氣閥彈簧力、閥片的慣性以及氣體流動(dòng)阻力，因此產(chǎn)生了進(jìn)氣閥功效損失（俗稱閥損），也增加了壓縮機(jī)的功耗[11-12]，進(jìn)而使該技術(shù)的節(jié)能效果受到影響。部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)氣閥功效損失構(gòu)成見圖4，示功圖上的氣閥功效損失見圖5[13]。

圖4 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)氣閥功效損失構(gòu)成

圖5 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)示功圖上的氣閥功效損失

余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)改造的是壓縮機(jī)蓋側(cè)的氣缸蓋，而且其執(zhí)行機(jī)構(gòu)余隙腔缸筒內(nèi)徑與氣缸蓋處氣缸內(nèi)徑基本一致，氣體進(jìn)出余隙腔基本無氣體流動(dòng)阻力損失。采用余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)改造的壓縮機(jī)，依然使用以前的普通進(jìn)氣閥和排氣閥，這些普通進(jìn)氣閥與部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的進(jìn)氣閥的結(jié)構(gòu)型式和功能截然不同，普通進(jìn)氣閥無需氣體回流功能，其存在的閥損幾乎可以忽略不計(jì)。因此，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的氣體流動(dòng)阻力、閥損完全可以忽略不計(jì)。

根據(jù)前述技術(shù)特性和自身運(yùn)行能耗的分析不難看出，對同一臺(tái)往復(fù)活塞壓縮機(jī)，在同一可調(diào)節(jié)負(fù)荷下，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果要優(yōu)于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能效果。這一結(jié)論也得到了技術(shù)使用單位對技術(shù)產(chǎn)品的考核標(biāo)定印證[14]。

4 2種調(diào)節(jié)技術(shù)易損件及維護(hù)周期

4.1 部分行程壓開進(jìn)氣閥無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)

部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心設(shè)備主要是氣閥（包含進(jìn)氣閥和排氣閥）、卸荷器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)[15-20]，見圖6和圖7[21-22]。氣閥是往復(fù)式壓縮機(jī)最關(guān)鍵的零部件，也是故障率最高的部件，它對壓縮機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著關(guān)鍵影響，因氣閥原因引起的壓縮機(jī)故障停車時(shí)間占?jí)嚎s機(jī)整個(gè)停車時(shí)間的 40%～90%[23-26]，因氣閥原因?qū)е碌膲嚎s機(jī)故障約占故障總數(shù)的36%[27-31]。這主要是由于氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與壓縮機(jī)活塞一樣均屬于高速運(yùn)動(dòng)部件，需時(shí)刻與壓縮機(jī)活塞保持在同一頻率下運(yùn)行，每天24 h內(nèi)均處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，勢必會(huì)因部件之間相互摩擦、損耗等結(jié)構(gòu)性機(jī)械損傷而造成氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由少則幾個(gè)、多則幾十個(gè)的高速運(yùn)動(dòng)部件組成，這就加大了氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等發(fā)生故障的頻次。而任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的損壞，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作，進(jìn)而影響壓縮機(jī)的節(jié)能效果。

圖6 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心設(shè)備組成

圖7 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

從部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)、故障可能的概率和程度及其核心設(shè)備結(jié)構(gòu)看，氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)均屬于易損件，如果把氣閥、卸荷器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱之為大易損件，那么其各自結(jié)構(gòu)內(nèi)的零部件可稱為小易損件。

為確保部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)廠家一般會(huì)向使用單位提出嚴(yán)格的維護(hù)周期建議和維護(hù)方案[32]。近幾年通過新技術(shù)、新材料的研發(fā)[33]，已經(jīng)將氣閥、卸荷器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的小維護(hù)周期從8 000 h提升到12 000～16 000 h（最多2 a），大維護(hù)周期一般控制在 24 000～32 000 h（最多 5 a）[32]。

4.2 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)

余隙無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心設(shè)備是余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由液壓缸、余隙缸、冷卻水套、安裝螺栓、密封組件和傳感器組等組成，見圖8和圖9。余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的易損件是其內(nèi)部的密封組件[3，5，34-36]，它沒有高速運(yùn)動(dòng)的部件和電氣等易損部件[37-40]。

圖8 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖9 余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)剖視圖

根據(jù)筆者調(diào)研和從用戶處得到的信息，只要余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的密封組件材質(zhì)和型號(hào)等選擇得當(dāng)，并選擇品牌制造商產(chǎn)品，其使用壽命有的可超過5 a。這主要是因?yàn)橛嘞墩{(diào)節(jié)較穩(wěn)定，一般幾個(gè)月或1 a內(nèi)只調(diào)節(jié)1次，其它工作時(shí)間內(nèi)只要穩(wěn)定在某一余隙負(fù)荷下即可。余隙負(fù)荷調(diào)節(jié)的頻次完全取決于后續(xù)生產(chǎn)工藝的要求，若后續(xù)生產(chǎn)裝置長時(shí)間運(yùn)行在某一工藝負(fù)荷下，余隙負(fù)荷也就會(huì)穩(wěn)定在相對應(yīng)的某一負(fù)荷下，無需再調(diào)節(jié)，所以余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的易損件——密封組件也就長時(shí)間不運(yùn)行，在一定時(shí)間內(nèi)無摩擦、無損耗，使用壽命和維護(hù)周期均會(huì)很長[41-46]。

4.3 對比

對于2種技術(shù)的液壓油站系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及其安裝施工材料等，只要選擇的材料符合壓縮機(jī)設(shè)備現(xiàn)場要求，并選擇品牌制造商供貨，其易損件的使用壽命自然會(huì)長一些，2種技術(shù)的子系統(tǒng)易損件無明顯差別。

基于以上分析可以看出，部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品制造要求較高、易損件較多且易損件的使用壽命較短，故其易損件的維修成本較高。而余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，特別是其執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)顯得笨重，但其制造精度要求要低于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)對氣閥、卸荷器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制造精度要求，易損件較少，易損件使用壽命較長，易損件維修成本也較低[47-51]。

5 結(jié)語

通過對部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在技術(shù)特性、自身運(yùn)行能耗、節(jié)能效果、易損件和維修周期方面的對比與分析可知，作為當(dāng)前發(fā)展較成熟和應(yīng)用較多的2種氣量無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)，其各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。運(yùn)用技術(shù)發(fā)展理論和技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的原則，并結(jié)合大量的文獻(xiàn)分析證明，由于2種技術(shù)原理和特性的不同，余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在自身運(yùn)行能耗、節(jié)能效果、易損件和維修周期方面均優(yōu)于部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)，并得到了某些技術(shù)使用單位的考核標(biāo)定印證。依據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出了技術(shù)節(jié)能效果標(biāo)定考核的建議和節(jié)能量計(jì)算公式，以期某些技術(shù)使用單位采用科學(xué)、合理的方法完善節(jié)能技術(shù)的考核標(biāo)定。