多級(jí)高壓往復(fù)壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程實(shí)驗(yàn)與分析

楊長(zhǎng)華，趙東升，薛成寶，馬海輝，余小玲，廖梓璜

(1.中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 408099；2.沈陽(yáng)申元?dú)怏w壓縮機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

1 引言

大型往復(fù)式縮機(jī)的啟機(jī)過(guò)程較為復(fù)雜，而且發(fā)生的時(shí)間較短。在短時(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵筋~定轉(zhuǎn)速；壓縮機(jī)的各級(jí)排氣壓力、溫度上升至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在該過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生電機(jī)啟動(dòng)電流大、排氣溫度高、振動(dòng)過(guò)大等啟機(jī)故障。由于啟機(jī)過(guò)程中機(jī)器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程復(fù)雜，這些故障原因很難確定，因此極有必要對(duì)壓縮機(jī)的啟機(jī)過(guò)程進(jìn)行研究，明確各參數(shù)的變化規(guī)律。

對(duì)于啟機(jī)過(guò)程的研究，很多是針對(duì)小型制冷壓縮機(jī)展開(kāi)[1～3]，包括啟動(dòng)負(fù)載特性、電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩。這些研究對(duì)于多級(jí)高壓往復(fù)式壓縮機(jī)的研究具有借鑒意義。但由于級(jí)數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，高壓多級(jí)往復(fù)式的動(dòng)態(tài)啟機(jī)過(guò)程的參數(shù)變化很難把控。在實(shí)際工程中，首先是進(jìn)行合理的啟機(jī)邏輯設(shè)計(jì)[4]，保證順利啟機(jī)，若有故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，保護(hù)壓縮機(jī)。針對(duì)啟機(jī)中出現(xiàn)的故障，多是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)逐層摸排[5，6]，少有文獻(xiàn)對(duì)啟機(jī)過(guò)程中壓縮機(jī)的參數(shù)變化、電機(jī)扭矩等進(jìn)行定量研究及分析。

基于上述現(xiàn)狀，本文對(duì)一臺(tái)高壓四級(jí)四列的往復(fù)式壓縮機(jī)的啟機(jī)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和深入分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化，并按文獻(xiàn)[7]的方法，獲得了壓縮機(jī)軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率。

2 實(shí)驗(yàn)機(jī)組

本文研究對(duì)象為一臺(tái)高壓無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)為四列四級(jí)對(duì)動(dòng)平衡式，壓縮機(jī)采用空氣作為介質(zhì)，往復(fù)機(jī)的入口氣體為螺桿壓縮機(jī)增壓后的空氣與壓縮機(jī)末級(jí)排氣降壓后氣體的混合氣。額定入口壓力為0.7 MPa(G)。電機(jī)為變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)速為0～720 r/min。壓縮機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

3 壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程測(cè)試

實(shí)驗(yàn)機(jī)組配有眾多測(cè)量?jī)x表，能夠監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)、排氣壓力、各級(jí)進(jìn)、排氣溫度、冷卻水壓、潤(rùn)滑油壓，這些參數(shù)連入PLC控制系統(tǒng)，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控、報(bào)警及聯(lián)鎖。

本次測(cè)試條件為：一級(jí)入口壓力為0.55 MPa，末級(jí)排氣壓力為14.4 MPa，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為300 r/min。

3.1 進(jìn)排氣壓力測(cè)試

為了研究壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程中各級(jí)間壓力和溫度的變化，將各級(jí)進(jìn)、排氣壓力和溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置于壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)、排氣緩沖器上。動(dòng)態(tài)壓力及溫度數(shù)據(jù)由PLC系統(tǒng)記錄。

3.2 扭矩測(cè)試

為了測(cè)試往復(fù)壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程的軸系的扭矩變化，在壓縮機(jī)電機(jī)軸側(cè)粘貼應(yīng)變片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試[7]，如圖3所示。測(cè)試傳感器采用電阻應(yīng)變片，電阻值為350.8 Ω，靈敏度系數(shù)為2.11%，測(cè)量電路采用雙臂全橋，如圖1所示。

圖1 全橋測(cè)量電路

由材料力學(xué)知，當(dāng)受扭矩作用時(shí)，軸表面有最大剪應(yīng)力。軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45°的方向上有最大正應(yīng)力和，其值為，相應(yīng)的變形為和，當(dāng)測(cè)得應(yīng)變后，便可算出。測(cè)量時(shí)應(yīng)變片沿與軸線成45°的方向粘貼。

由于4個(gè)電阻都沿與軸線方向成45°的方向粘貼于軸系表面，應(yīng)變片在軸的扭轉(zhuǎn)過(guò)程中只受拉壓應(yīng)力，不受切向應(yīng)力，電阻值大小及電阻值在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的變化大小都相等，且1，3與2，4號(hào)電阻的大小變化相反，可得

U0=EKε

其中U0——輸出電壓

E——材料的彈性模量

K——應(yīng)變片靈敏度

ε——應(yīng)變

因此，根據(jù)輸出的電壓值得到構(gòu)件的應(yīng)變值大小。

4 測(cè)試結(jié)果

往復(fù)壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程包括從電機(jī)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)到壓縮機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速，各級(jí)壓力分別開(kāi)始上升至穩(wěn)定的過(guò)程。本部分將分析啟機(jī)過(guò)程中各級(jí)壓力的變化、啟機(jī)過(guò)程扭矩的變化，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到壓縮機(jī)軸系的扭振固有頻率以及壓縮機(jī)的機(jī)械效率。

4.1 啟機(jī)過(guò)程各級(jí)壓力的變化

通過(guò)導(dǎo)出PLC上的各級(jí)壓力的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)可視化處理，得到啟機(jī)過(guò)程各級(jí)壓力的變化，如圖5所示。

由圖2可知，在剛啟機(jī)的時(shí)候，系統(tǒng)的背壓低，壓縮機(jī)只需要對(duì)氣體略微壓縮就能克服管道的阻力，氣體貫穿各級(jí)氣缸、管道，進(jìn)入四級(jí)排氣罐，在排氣罐內(nèi)聚集，此階段各級(jí)吸、排氣壓力大致相等。隨著排氣罐內(nèi)氣體越來(lái)越多，各級(jí)的排氣壓力，同步上升。直到一級(jí)排出的氣體容積基本被二級(jí)吸入，一級(jí)排氣壓力趨于穩(wěn)定，后面各級(jí)排氣壓力繼續(xù)上升；同理，當(dāng)二級(jí)排出氣體基本被三級(jí)吸入，二級(jí)排氣壓力趨于穩(wěn)定，后兩級(jí)排氣壓力繼續(xù)上升。以此類推，直到各級(jí)排出的氣體容積完全被下一級(jí)吸入，各級(jí)的排氣壓力達(dá)到穩(wěn)定，壓縮機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。啟機(jī)至穩(wěn)定過(guò)程約為400 s。

圖2 啟機(jī)過(guò)程各級(jí)壓力的變化

4.2 啟機(jī)過(guò)程扭矩的變化

經(jīng)測(cè)試得到往復(fù)式壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)扭矩?cái)?shù)據(jù)，如圖3所示。從圖中可以看出，在啟機(jī)瞬間，扭矩出現(xiàn)一個(gè)較大峰值。這是由于電機(jī)軸剛剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)逐步提速，啟動(dòng)扭矩和阻力矩不匹配造成的。因?yàn)閯傞_(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)扭矩必須大于壓縮機(jī)的阻力矩，用來(lái)克服啟動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力、作用在活塞上的氣體力、管道的阻力損失等。整個(gè)啟機(jī)過(guò)程大概持續(xù)400 s。當(dāng)壓縮機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，扭矩變化隨著各級(jí)壓力的提高穩(wěn)步上升，直至各級(jí)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行壓力，扭矩也趨于穩(wěn)定。

4.3 軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率

電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程是轉(zhuǎn)速?gòu)牧闾嵘烈?guī)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，激勵(lì)力的頻率也從零上升至額定頻率。將圖3所示啟機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到圖4所示的扭矩頻域圖。由圖4可知，在56.2 Hz處，扭矩出現(xiàn)峰值，表明此時(shí)軸系發(fā)生了扭轉(zhuǎn)共振，因此壓縮機(jī)軸系的扭轉(zhuǎn)固有頻率為56.2 Hz。壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)避免在共振頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)頻下運(yùn)行，避免軸系發(fā)生共振，對(duì)機(jī)組造成危害。

圖3 啟機(jī)過(guò)程軸系扭矩時(shí)域圖

圖4 電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的扭矩頻域圖

4.4 壓縮機(jī)的機(jī)械效率

軸功率的計(jì)算公式為

其中T——轉(zhuǎn)矩，單位為N·m

n——轉(zhuǎn)速，單位為r/min

根據(jù)圖5所示的動(dòng)態(tài)扭矩得到啟機(jī)過(guò)程軸功率的變化，如圖5所示。隨著各級(jí)壓力的提升，軸功率成比例升高，當(dāng)壓力基本穩(wěn)定時(shí)，壓縮機(jī)軸功率為45.50 kW。

圖5 壓縮機(jī)升壓時(shí)軸功率的變化

在相同轉(zhuǎn)速下(300 r/min)，讓壓縮機(jī)空載運(yùn)行，采用相同方法獲得此時(shí)壓縮機(jī)軸功率為7.06 kW，約占實(shí)驗(yàn)工況軸功率的15%。壓縮機(jī)的軸功率為壓縮機(jī)完成實(shí)際循環(huán)所需的指示功率、各運(yùn)動(dòng)部件摩擦功率、驅(qū)動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)所需功率之和。空載時(shí)壓縮機(jī)消耗的功率主要為各運(yùn)動(dòng)部件摩擦功率以及驅(qū)動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)所需功率。因此，在實(shí)驗(yàn)工況下壓縮機(jī)的機(jī)械效率為85%。

5 總結(jié)

本文對(duì)多級(jí)高壓往復(fù)壓縮機(jī)的啟機(jī)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。測(cè)試和分析了多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)各級(jí)壓力的建立過(guò)程。采用無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試了往復(fù)壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程中扭矩的變化，并通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩進(jìn)行頻域分析，獲得了壓縮機(jī)軸系的扭振固有頻率。根據(jù)啟機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)扭矩獲得了壓縮機(jī)升壓過(guò)程中軸功率的變化，通過(guò)與空載時(shí)的軸功率比較，得到在實(shí)驗(yàn)工況下壓縮機(jī)的機(jī)械效率為85%。