浅析某型舰用高压空压机排污装置的设计与计算

梁璞玉

（中国人民解放军第四八一二工厂，安徽 安庆246001）

浅析某型舰用高压空压机排污装置的设计与计算

梁璞玉

（中国人民解放军第四八一二工厂，安徽 安庆246001）

排污装置是高压空压机中必不可少的重要组成部分，常使用隔膜阀或电磁阀等来实现定时排污。近年来，工厂使用的隔膜阀逐渐减少，而用户反馈高压级使用的电磁阀故障不断增多，为了解决这个问题，有的已逐步使用气动阀来代替高压级的电磁阀，经耐久性试验和装机使用，运行灵敏可靠，已取得了良好的经济效益，值得推广应用。

高压空压机；排污装置；联动；电磁阀；气动阀

1 引言

随着舰船及军港、军械等场所对高压气源的需求越来越多，同时，为了获得良好的气源品质，并减轻后置干燥机的处理负荷，进一步提高干燥机处理后的气体品质，一般在空压机的各级冷却器后均设置一个液气分离器，以处理掉气体中包含的大部分的润滑油和水分等，这就需要在各级液气分离器的下方设置一个定时排污阀，以便及时排掉贮存在分离器腔体内的油污水等。

目前，一般使用隔膜阀或电磁阀来实现定时排污，因隔膜阀体积大且维修性不高，工厂已逐渐弃用，现在普遍选用常开或常闭式的电磁阀来控制排污。而高压级场合使用的电磁阀，随着近些年反馈的质量问题不断增多，同时考虑现阶段国产高压电磁阀的技术现状，其暂不适合高压级场合的使用，在工厂已逐步达成共识。为了解决高压级油污水的排放问题，工厂已逐渐采用气动阀来代替高压级的电磁阀，这就涉及到高压空压机排污装置即气动阀的设计与计算等问题。

2 分离方法及排污的作用

为了减少或消除压缩气体中的油、水及其它冷凝液，必须经过有效分离才能被排出，一般根据空压机的各级压力及排气量等参数，选用惯性式、过滤式及吸附式3种分离方法，实际使用过程中往往是3种或其中的2种进行组合应用。对于含湿量较高的场所，则可以借鉴两级气液分离装置的方法[1]，进行多次循环分离，以达到最优的分离效果。

大气是由一定量的干空气和一定量的水蒸气混合而成的，空压机工作时，随着气体不断被压缩升压，蒸气的分压力也将提高，而后在冷却器中冷却，当压缩后的蒸气分压超过冷却器气体出口温度下水的饱和蒸气压时，气体中的蒸气将冷凝而析出水分。此时，若不及时进行分离和排除，油污水等就会伴随着压缩气体进入到后面的高压级气缸内，如此，不仅会降低气体的品质，而且可能会发生液击现象，发生非常严重的质量事故[2]。

3 气动阀的设计原理

气动阀的设计原理是利用空压机各级压力的不同，在气动阀两端产生压力差，并通过阀活塞的上、下移动，实现某一低压级气源间接地控制高压级气源油污的泄放和关闭。

为便于说明，以本文下一节的实例进行阐述。在高压空压机正常运转时，二级压力应能推动气动阀中的阀活塞向下移动，并能使密封面与其下的三级排污孔口d3紧密接触而实现密封。四级的密封过程与三级类似，当四级的压力建立起来后，就可以对外供气了。

当二级电磁阀排污时（设定的排污间隔时间可调），图1上端的“接二级压力表管路”中的压力将降低，当二级压力p2降到最低值时，其气动阀下端的三级压力p3将克服上端的二级压力、阀活塞的摩擦力及重力，推动阀活塞上移，从而使下端“接三级排污管”内的污水介质按图示箭头方向流出，实现三级排污。同理，当三级进行排污时，其压力也必然下降，当其压力降到最低值时，也满足四级压力能够推开阀活塞向上移动而实现排污。

当二级电磁阀排污时长结束后（设定的排污时长也可调），二级排污电磁阀随即关闭，二级压力表管中的压力将快速升高，反过来把三级阀活塞向下推动而密封住三级的排污孔口，此时，三级关闭而停止泄放，其管内的压力也将逐渐升高。同理，升高后的三级压力则会把四级阀活塞向下推动而密封住四级的排污孔口，使四级停止泄放，这样四级压力就重新建立起来，继续对外供气了 [3]。

到了设定的排污间隔时间后，各级将依次再进行排污，其排污过程就是上一个排污动作的循环。

现以二级压力控制三级排污为列，给出了气动阀的设计原理图，如图1所示，其中图示箭头表示排污介质的流向。

4 气动阀设计实例

4.1 总体方案设计

现以某型舰用高压空压机排污装置中气动阀的设计为例，简述其设计过程。所述高压空压机的排污装置，其低压级的一级和二级选用PLC自动控制的电磁阀排污，高压级的三级和四级采用气动阀排污，并利用低压级的二级压力作为联动气动阀工作的压力源。即当二级电磁阀排污、泄压后，满足二级联动三级、三级联动四级的需要，能够实现逐级联动、有序排污。

4.2 设计参数

该型高压空压机采用单作用活塞式，末级压力40 MPa，排气量3.5 m3/min，共计4级，各级压力表的公称压力值如下表1所示。

气动阀活塞的推开距离，活塞上部直径及三级排污孔口、四级排污孔口直径等参数值见表2所示。

4.3 设计条件关系式

二级压力的变化将联动三级气动阀关闭或排污，且在二级不排污和排污二种工况下应满足的条件关系式为：

p2·Sd2＞p3·Sd3（二级不排污时，二级能推动阀活塞下移而使三级关闭）

p2·Sd2＜p3·Sd3（二级排污时，三级能推开阀活塞上移而实现三级排污）

因阀活塞的摩擦力和重力远小于气体力，故忽略不计。为了提高气动阀的灵敏度及可靠性，同时结合不排污和排污两种工况下，二级压力p2和三级压力p3均会有变化的情况（受气阀泄漏等影响，其压力会略有波动），故要合理设计阀活塞的外径d2和排污孔口的直径d3，才能满足二级压力出现波动时，均能适时控制三级油污的泄放与关闭。同时，根据油污水量及排污的速度，以及各排污管的通径，综合设定阀活塞的推开距离h值。

其中，在组合式气动阀的设计原理图上，为了提高四级排污时的响应速度，图2左侧视图下端的“接三级排污管”与右侧视图上端的“接三级压力表管路”是通过一个三通接头相连的，故两处的三级压力时刻相等，即p3=p3′。

4.4 设计计算过程

根据以上的原理和关系式，某型舰用高压空压机排污装置中气动阀的设计计算过程如下：即根据二级排污电磁阀的通径（DN15），以及二级排污管子的规格（φ18×2），设定二级电磁阀的排污时长为5 s，两次排污间隔时间为15 min。空压机启动后，二级压力快速上升到p2=1.8 MPa左右，其对应阀活塞上部的有效直径为d2=25 mm，阀活塞下部的三级排污孔口的有效直径为d3=8.5 mm，而空压机启动初期，三级压力还没有完全建立起来，约p3=4 MPa（由后面计算可知，当二级压力升起来后，无论三级压力建立与否，均满足关系式），此时满足关系式p2·Sd2＞p3·Sd3，式中10.2为单位换算系数，下同，即有

由计算可知，二级对阀活塞向下产生的压力远大于三级向上的压力，因此，二级压力建立起来后，将使三级排污气动阀关闭而升压。同理，三级升压后，会把四级排污气动阀关闭而升压。这样，各级压力就先后建立起来了，随着末级压力的升高，就可以对外供气了。

到了设定的15 min排污间隔时间后，二级电磁阀打开排污，二级压力将迅速降低至p2=0.5 MPa左右，此时三级压力仍为最高值p3=8.2 MPa（受上一级排污的影响，本级压力会略降一点，但不影响分析和计算，下同），此时满足关系式p2·Sd2＜p3· Sd3，即

经计算，压差为47.5-25.0=22.5 kgf，故三级压力能够推开阀活塞上移而打开排污。因三级压力高，排污速度快，泄压迅速，在1～2 s内压力即由8.2 MPa降至1.0 MPa左右。同理，右侧上端的三级压力p3′同步下降，此时由三级压力控制的四级排污气动阀也满足条件关系式p3′·Sd2＜p4·Sd4，即有

经计算，压差为115.4-50.1=65.3 kgf，故由二级联动的三级开始排污而压力下降后，四级压力也同样能够及时推开阀活塞上移而排污。

通过比较有无动态特性补偿反应过程仿真结果,对绝热加速量热仪测试系统中的影响因素进行分析。追踪阶段炉体温度是跟踪样品温度变化的随动控制,两者之间的差值越小,绝热性能越高,越满足式(2)。仿真结果显示高浓度样品反应后期温度剧烈变化,补偿后样品与炉体之间的差值较补偿前小,如表3所示,反应全过程差值趋势如图4所示,表明对反应过程动态特性进行补偿,系统响应更快,绝热程度更高。

当设定的二级电磁阀排污时长5 s结束后，将立即关闭而停止排污，其压力将快速上升到正常压力值1.8 MPa，此时又因满足了关系式p2·Sd2＞p3· Sd3，其中三级压力p3按最高值带入公式计算，即有

经计算，压差为90.1-47.5=42.6 kgf，即二级压力上升后，三级压力即使处于最高值，二级压力依然能够推动阀活塞下移而密封住三级的排污孔口，实现密封。

当三级排污孔口被密封而停止泄放时，其三级压力表管内的压力也将逐步上升到正常的压力值8.2 MPa，此时四级排污气动阀也满足了条件关系式p3′·Sd2＞p4·Sd4，其中四级压力p4也按最高值带入公式计算，即有

经计算，压差达411-115.4=295.6 kgf，也即三级压力上升后，即使四级处于最高压力状态，三级压力也能够推动阀活塞下移而密封住四级的排污孔口，实现密封。

以上设计计算过程也即电磁阀与气动阀联动时的工作过程，在到了下一个15 min的排污间隔时间后，各级又将依次进行排污，保障了持续供气。

由计算的压差可知，虽然带入关系式中的数值为每一级压力的极限值，但只要气动阀两端产生的压差能够克服阀活塞的摩擦力和重力，各级无需泄压或升压到极限值时，就能联动气动阀工作，因此，实际工作过程中，各级的排污过程在时间上是有重叠的。

5 耐久性试验情况

按照GJB1491-92舰用电动高压往复活塞空气压缩机通用规范[4]和GB12929-2008船用高压活塞空气压缩机[5]中的相关要求，该空压机进行了1000 h的耐久性试验。在试验期间，一级和二级排污电磁阀先行排污，联动三级气动阀排污，最后四级气动阀排污，所述排污动作和顺序周期性地重复执行，且排污动作灵敏、可靠，实现了逐级联动，有序排污。

在耐久性试验考核期间，为了验证电磁阀和气动阀在选用、设计及时间设定上的正确性和合理性。逐级拆掉各级排污分管路进行检查。经目测观察排出的污水，可以看到呈乳白色状的污水连续排出，同时在污水接近排尽时（可目测，在气压的作用下，呈流线状的乳白色污水逐渐减弱），各级的电磁阀和气动阀可以及时关闭，不仅满足了排污的需要，而且避免了高压气源的浪费。

6 气动阀设计注意事项

为了提高气动阀工作时的灵敏度、及时性和可靠性，在设计气动阀时，要合理选用和设计各个零部件的参数，其中，设计过程中要重点注意以下几点：

（1）选用的低压级排污电磁阀不仅关系到自身工作的可靠性，而且关联到高压级气动阀工作的可靠性，故要合理选用电磁阀的类型（如常开或常闭型），同时选用国产或进口质量可靠的电磁阀。

（2）为了减少气量的损耗，应尽可能地缩短排污时长或者油污水即将排尽时能及时关闭排污阀。即要根据各级压力的大小，合理设计气动阀中的活塞直径d2，三级和四级排污孔口的直径d3和d4，以及阀活塞的推开距离h等，这些参数都将关系到排污时间的设定和工作时的灵敏度，而减少耗气量，就意味着增加了排气量，降低了比功率。

（3）气动阀中的阀活塞，其下方的密封面要使用硬度高的聚酰亚胺（或硬度相当的）材料，否则气动阀工作时极易失效。作者曾经使用尼龙66做过对比试验，在经过几次排污后，气动阀的排污过程表现的越来越迟缓，最后彻底失效而不动作了。经拆卸检查，发现阀活塞在高压的冲击下，经历几次上、下运动后，其下方的金属排污孔口已嵌入到尼龙66的密封面内，导致阀活塞“拔不出来”了。

（4）气动阀工作过程中，高压气体会从密封用的O型圈（图中所示位置）处渗漏一点进入到阀体的中间部位，从而会改变气动阀原设计的两端压力差，故需要在气动阀的某个侧面预留一个泄压小孔，以及时释放掉泄漏过来的少量高压气体。

（5）本文所述的空压机为四级，气动阀为组合式结构，当控制压力管线较长而影响管路布局或降低响应速度时，也可以把气动阀独立安装，分开使用，以提高气动阀使用的灵活性和维修性。

（6）通过PLC自动控制，设定一级和二级排污电磁阀同步泄放，并合理加大电磁阀和排污管路的通径，能够加快二级排污时的压降速度，而二级压力下降的越快，三级和四级排污时的响应时间就越短（即可以增加排污重叠时间），也即可以提高三级和四级排污时的灵敏度和及时性。

7 结语

在高压空压机的排污装置中，使用气动阀来代替高压级的电磁阀，不仅可以解决高压电磁阀的可靠性问题，极大地降低所属部件的成本，而且可以避免电磁阀损坏后，其不可修复或修复周期长及维修成本高等一系列缺点。而本文设计的气动阀，零件加工过程可控，使用及维修成本低，备品备件更有保障，加上原理运用明确，根据压力及排污需要，稍加改动气动阀的相关参数，即可运用到各种压力及排量的空压机上，适用范围广，值得推广应用。

[1] 梁璞玉，石卢文，朱永嘉.两级气液分离装置[P].中国专利，ZL201420142166.2，2014.

[2] 郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3] 王积伟，章宏甲，黄谊，等.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]GJB1491-92.舰用电动高压往复活塞空气压缩机通用规范[S].北京：中国标准出版社，1992.

[5]GB12929-2008.船用高压活塞空气压缩机[S].北京：中国标准出版社，2008.

Design and Calculation of High Pressure Air Compressor Drainage Device for a Certain Type of Warship

LIANG Pu-yu
(4812 PLA Factory，Anqing 246001，China)

Drainage device is the indispensable important component in high pressure air compressors，which often uses a diaphragm valve or solenoid valve to achieve timing blowdown.In recent years，with the use of diaphragm valve factory gradually reduced，and the users feedback stage high pressure solenoid valve fault more and more,in order to solve this problem,some of which have been gradually use pneumatic valve instead of high pressure stage of solenoid valve.After the durability test and installed to use，sensitive and reliable running,and has achieved good economic benefits,is worth popularization and application.

high-pressure air compressor;drainage device;linkage;solenoid valve;pneumatic valve

TH45

A

1006-2971（2015）06-0039-05

梁璞玉（1981-），男，本科，工程师，现就职于中国人民解放军第四八一二工厂技术中心，主要从事往复活塞式高压空压机的设计和开发工作。E-mail：jzh01334lpy@126.com

2015-07-29