气液增压泵的施工与应用

周杰（东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

气液增压泵的施工与应用

周杰（东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

随着现代工业技术日新月异的快速提高，对各种增压设备的应用也日趋普遍，增压泵是一种利用大面积活塞的低气压产生小面积活塞的高液压或气压的加压方式，具有广泛的适应性和可靠性（见图1）。

增压泵；输出压力高；范围广；灵活；安全；自动保压；维护简单

图1 增压泵

图2 增压泵原理图

1 特点

（1）输出压力高 气动液体管道增压泵的最高工作压力可达到700MPa，气动气体管道增压泵的最高工作压力可达到300 MPa。

（2）适用介质范围广 工作介质可为液压油、水及大部分化学腐蚀液体，也可为压缩空气、氮气、水蒸气、天然气等，而且可靠性高，免维护和寿命长。

（3）多种气体驱动 压缩空气、氮气、水蒸气、天然气等均可做为泵的驱动气源。

（4）应用灵活 选用不同型号的泵，可获得不同的压力区域。

（5）易于调节 在泵的压力范围内，调节调压阀从而调节驱动气压，输出液压或气压相应得到调整。

（6）自动保压 无论何种原因造成保压回路压力下降，气液增压泵将自动启动，补充泄露压力，保持回路压力恒定。

（7）操作安全 采用气体驱动，无电弧及火花，可在危险场所使用。

（8）维护简单 增压泵零件及密封少，相同系列泵的所有“O”型圈、维修包易损部件可相互替换，使维护更简单。

2 适用范围

①适用于易燃易爆、空间狭小、无用电设施等各种恶劣的环境下施工。②应用范围广，工业领域用于高压动力、高压瓶充气、将低压气体转换成高压气体、利用高压输送流体等。凡是气源压力不够高，无论是工业机械或测试装置，均可采用增压泵。

3 工艺原理

增压泵主要由气体增压缸，控制主阀和相应管路组成。增压系统工作原理如图2所示。

当气缸活塞移动到上死点，顶开阀1，由A1口来的低压气通过阀1进入N腔，气体作用在主阀大端的力大于作用于主阀小端的力，推动主阀活塞向右移动，最后由A1口来的低压气通过主阀芯部的通路进入R腔，推动气缸活塞向下移动，同时将T腔中的低压空气压缩至高压，通过阀4从B口排出，此时阀3关阀。当气缸活塞移动至下死点时，顶开阀2，N腔通过阀2与大气相遇，主阀活塞在M腔低压气作用下向左移动，使R腔通过C1口与大气相通，此时阀4已关，T腔剩余气体膨胀后阀3打开，低压气体或液体通过A2口进入T腔，气缸活塞向上移动，开始第二个压缩循环，如此往复运动，随着输出压力的增高运动减慢，直至达到压力平衡自动停止。如系统压力失去平衡，增压泵将自动启动，再次进行加压，使系统压力达到平衡。

4 施工工艺

4.1 施工前准备

图3

（1） 根据所应用的工程特点及要求进行增压泵的选型。如图3。某厂增压泵选型说明（各厂家对型号的表示方式各不一样，不影响使用）。（2） 根据所选增压泵、工作环境、现场实际情况以及经济分析选择合适的驱动气源压力与输入介质压力。（3） 根据驱动气源压力及输入介质压力选择合适的连接管道、控制阀门、装置调压阀及压力表等附件。（4） 制定合理的安全措施，确保施工工艺安全可靠。

4.2 工艺流程与系统图

图4 系统图

5 施工要点

（1）在使用增压泵的过程中，最重要的参数是增压比、驱动气源压力、输入介质压力，增压比是出厂时就制定且无法改变的参数，因此在我们选定一台增压泵后，在额定区间要获得不同的增压情况只有通过改变驱动气源压力和输入介质压力来对其进行无级调节。

每一台增压泵出厂时因设计局限、使用材质、密封圈等各种原因，使每台增压泵在出厂时也限定了他们自身所能承受的驱动气压范围和输入介质压力范围（且驱动气源压力一般限制在10bar内），为了保证泵的使用寿命，建议驱动气源压力≤8bar。

由于影响经济效益的因素除增压泵本身价值、附件、驱动气源等因素外，增压时间也是非常关键的因素之一，而影响增压时间的直接因素是输出流量，输出流量又直接受到驱动气源压力与输入介质压力的影响，输出流量与驱动气源压力、输入介质压力的关系为：当输入介质压力高、驱动气源压力高、排气压力低时，增压泵的排气能力（输出流量）大；反之，增压泵的排气能力（输出流量）小。

经以上分析，在整个工艺流程中最关键的是调压阀1与调压阀2的调节（及为驱动气源压力和输入介质压力的确定），故在使用之前务必根据增压泵特性曲线图及现场气源和输入介质压力范围等参数，同时考虑经济因素计算出合适的驱动气源压力与输入介质压力。

（2）下面举例说明其操作过程的主要参数、选型及要点 如现有10m3系统需充入压力为60bar气体做压力试验，现场常用气源为厂内供应7bar的压缩空气，此时我们可选STA10型增压泵使用，驱动气源压力调节为6bar，输入介质压力调节为7bar即可获得最佳使用效果。以下为操作分析：

是否满足增压泵设计要求—增压泵选型—驱动气源压力确定—输入介质压力确定—工作时间计算

①是否满足增压泵设计要求。压缩空气压力为7bar≤8bar（满足驱动气源压力≤8bar），符合增压泵设计要求。故可用压缩空气做为驱动气源，由于只是做一般的压力试验，对气源使用无过多要求，输入气源也可选用压缩空气。

②增压泵选型。某厂生产的单作用单级增压泵参数见表1。

系统需充入气体压力为60bar，根据表1可知，选用STA10型增压泵即可。

③驱动气源压力确定。考虑到驱动气源压力越高对增压泵使用寿命影响越大，故可通过调压阀1将驱动气源调节到PL=6bar，此时气源即满足使用条件（PB=10 PL=60bar），同时还能降低对增压泵使用寿命的损耗。

④输入介质压力确定。STA10型增压泵驱动气源PL=6bar特性曲线图，如图5所示。

图5 STA10型增压泵驱动气源PL=6bar特性曲线图

根据特性曲线图可知输入气源压力PA越大，增压泵输出初始流量越大，工作时间越短，故可将输入介质压力定为PA=7bar（满足PA≥5.5bar，故可以使输出压力PL达到60bar）。

⑤工作时间计算。根据以上分析，对增压泵工作时间（T）的计算为：忽略预冲压至7bar的时间，初始加压输出流量为S1=96L/min，当压力达到60bar时输出流量为S2=0L/min，总体积V=10m3。

T=2V/（S1+ S2）=2×10×1000/（96+0）≈208.33min

故利用STA10型增压泵在驱动气源压力PL=6bar输入介质压力PA=7bar的条件下工作时间大约为：T≈208.33min，经济、方便、快捷可行。如时间较长影响施工，我们可采用双作用增压泵或选用多台增压泵同时加压。

假设上例需充入气源压力为220bar，不难根据以上分析选STA40型增压泵即可，当驱动气源压力PL=6bar时，最大输出气源压力为PB= 40PL=240bar≥220bar，符合条件。

根据STA40型增压泵参数表分析（见表1），当输入气源压力PA=7bar，最大输出气源压力为

受加压腔余隙的设计限制无法加压至要求压力。此时我们可通过增加输入气源压力PA或使用双级增压泵：①增加输入气源压力，使PA≥220×15/320bar=10.3125bar即可（可利用氮气瓶加压输入气源压力）。②根据某厂生产的双作用双级增压泵参数（见表2），可直接选用STT40型增压泵。

6 效益分析

（1）经济效益 ①相同系列泵的所有“O”型圈、维修包易损部件可相互替换，大大降低了维修成本。②增压泵小巧灵活、组装使用方便，适用各种空间狭小的环境，大大降低了机具使用成本。③增压泵是一种活塞泵，工作时，增压泵迅速往复工作，随着输出压力的增高，泵的往复减慢直至停止，此时，泵输出的压力恒定，能量消耗最低，各部件停止运动。因为持续保压不消耗任何能量，最大节能可达70%。

（2）社会效益 增压泵为气体驱动（一般低压气体均可），无需用电、无油耗，运行过程不产生任何废气、废液和噪音，使用过程中安全可靠，可谓新一代的节能降耗、绿色环保产品，其社会效益尤为显著。

（3）举例分析 目前有一易燃易爆厂区有1000m米不同管径管线（平均为DN200mm）含设备，需做气密试验，且试验压力为60bar，需保压24小时，如发现漏点后需及时处理并补充压力，再次进行试压工作，试压空间狭小，厂区内有最高压力为8bar的压缩空气提供。

方案一：使用氮气瓶加压。①由于氮气瓶搬运不方便，且空间狭小，厂区环境易燃易爆，危险性极高。②加压时间长，资源消耗大，经济效益差。③控制性差，如发现法兰面螺栓未紧固造成泄漏，等泄压紧固后再次加压需再次搬运氮气瓶补充压力，极不方便。

方案二：采用增压泵。①体积小，灵活方便，使用安全可靠。②根据以上应用分析选用STA10型增压泵使用，驱动气源压力调节为6bar，输入介质压力调节为7bar即可获得最佳使用效果，经济效益高。如加压时间过长可选用双作用泵。③当发现法兰面螺栓未紧固造成泄漏，等泄压紧固后只需打开驱动气源开关阀便可自动加压到指定压力，补充压力方便，可控性好，耗能低。

7 机具设备

主要机具设备见表3。

8 质量管理

除了必须严格遵守国家、地方和企业制定的有关质量规定外，在施工中还应做到。凡不符合质量要求的设备、阀门、管道等材料不得使用。驱动气源压力进入增压泵时不得超过10bar，否则将对增压泵造成过度磨损，严重影响其使用寿命。使用过程中还应注意所有设备、阀门、管道及附件是否固定牢固，同时注意各压力表的变化情况。

9 结语

徐州林德气体6000m3/h制氢装置项目是由天然气裂解产生氢气和蒸汽，蒸汽直接输送给客户使用，生产出的氢气进入缓冲罐，一部分直接输送给客户使用，一部分由隔膜压缩机加压后产生20MPa的高压氢气输送到DN15的高压管线，然后由高压管的各个分支将高压氢气装入氢气瓶（氢气瓶一般冲压到13MPa～15MPa）进行零售。同时多余的高压氢气将由减压阀减压再次输入主管提供给客户使用。在整个装置中有90米DN15mm工作压力为20MPa的高压管道需要进行试压工作，试验压力为22MPa。

经过分析与现场实际情况考察，该工程作业环境危险，禁止易燃易爆物品，且工作压力高。利用氮气瓶冲压不但压力不够且造价高，利用大型压缩机加压危险性高，成本更高，最终选择了利用增压泵加压进行管道试压，在安全、节能、方便快捷的试压模式下达到了良好的经济效益和社会效益。

表1 单作用单级增压泵参数（PL=驱动气源压力 PA=输入介质压力 PB=输出介质压力）

表2 双作用双级增压泵参数

表3 主要机具设备一览表