往复式压缩机顶开吸气阀调节的改造

魏强虎，张高峰

（万华化学（宁波）氯碱有限公司，浙江宁波315812）

1 概述

万华化学（宁波）氯碱有限公司目前氢压机满负荷运行仍无法处理现有氢气产量，部分氢气需要放空；而且削峰填谷项目实施后，氢气产量增加，更不能处理所有氢气。因此通过此次改造，不仅扩大气缸后提升压缩氢气的能力，同时增加顶开吸气阀无极调节，可以配合削峰填谷，调节气缸容量达到降低电耗从而节省成本的目的。

2 常用往复式压缩机节能调节的优缺点

目前往复式压缩机常用的气量调节方式有旁通调节、转速调节、可变余隙调节及顶开吸气阀调节等4种方式。

旁通调节将多余气体的全部压缩功都损耗掉，而且回流的气体是被压缩后的高温气体，还要用冷却水冷却，这种调节方式既耗能也增加机组的负荷，加快备件的使用寿命。

转速调节是通过控制电机转速进行调节，相比较对机组没有多大的改动，但功率超过200 kW后成本非常高，从电子自身设计、电机轴的强度、曲轴强度都需进一步加强；同时管路容易振动，会造成相应的故障和泄漏点增多。

可变余隙调节：a.采用电液控制使余隙缸活塞按输入信号做直线位移，从而实现各级余隙容积的变化；b.无高速运动部件、维修率低，但维修难度大；c.只能调节盖侧70%～100%；d.运行中调节装置发生故障必须立即停车、检修；e.部分设计不严格的的余隙调节可能存在顶钢风险。

顶开吸气阀无极调节：a.需采用电液控制方式，通过控制压缩过程中吸气阀的关闭时刻，控制返回进气管道气量的多少，故需增加吸气阀执行机构和液压控制系统，以实现气量无极调节；b.气阀更换方便、维修难度低、检修效率高；c.轴侧和盖侧同时调节、调节范围广；运行中一旦发生调节装置故障可及时退出控制，仍通过回流保持机组运行。d.单纯的从无极调节方面考虑，改造简单，对机组没有较大的改动。

3 氢压机改造前存在的主要问题

改造前氢压机采用旁路调节，在用氢工段需要量少时，大部分氢气需要旁路进行调节。旁路调节使多余的氢气进一步压缩，造成功率的浪费；氢压机电机功率为1 400 kW，实际需要1 100 kW，造成多余功率的浪费；由于压缩量小，大量氢气需要放空，造成氢气的大量浪费；削峰填谷项目实施后，氢气产量增加，更不能处理所有氢气，过大氢气压缩量迫在眉睫。

4 顶开吸气阀无极调节改造

4.1 气阀结构设计调整—无极调节

HRCS气量无级调节系统（以下简称HRCS系统）是一个独立的调节压缩机排气量的系统，它具有人机界面友好，操作简单、控制稳定、准确快速、节能显著等特点，与压缩机原有的DCS通过接口可以相互通讯，具有良好的兼容性。因此，它既能独立于压缩机原有的DCS单独运行，也可以与原DCS兼容并行，使压缩机安全、稳定和高效运行。HRCS系统是基于部分行程顶开进气阀原理的无级调节系统，可以实现排气量0～100%范围内无级调节。根据压缩机运行工况，可只在盖侧安装执行机构实现50%～100%范围内的无级调节。电-液伺服执行机构根据控制模块输出的信号控制进气阀的开和关。通过控制进气阀的关闭时刻可以调节每个压缩行程实际压缩的气量，达到调节排气量的目的。

顶开气阀的无级气量调节系统高速电磁阀控制着液压缸的液压通路，当电磁阀带电时，阀芯动作使液压缸与液压站的高压油路连通，液压力推动液压活塞，执行机构在液压活塞的作用下被压下，强制打开进气阀；当电磁阀断电时，阀芯复位使液压缸与液压站的低压回油路连通，压叉在复位弹簧作用下复位，气阀在气体力与阀片弹簧作用下关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩。压缩机达到所需气量的关键，是确定进气阀的延迟关闭时间，进气阀延迟关闭时间又是由电磁阀的带电时间长短决定的。

当压缩机处于膨胀过程AB时，电磁阀未接通；进入吸气阶段BC，进气阀在气体力的作用下开始打开时，电磁阀接通，柱塞在高压油作用下推动压叉使进气阀片贴合在限制器表面；压缩机进入压缩阶段时，电磁阀仍然处于通电状态，阀片仍然被压叉固定在限制器上，此阶段CCr即为回流阶段，它将多余的气量不经过压缩自动排进进气管路中；在CrDr阶段，电磁阀断电，阀片在气体力作用下自动关闭，压缩机进入压缩阶段；DrA即为压缩机的排气阶段。这一过程中，气缸内气体通过进气阀回流到进气腔或者进气管路中，达到减小排气量的目的，从P-V图上也可以发现后者节省了循环指示功，相比于现有的旁通管路气量调节方式，实现了压缩机的节能，见图1。

图1 0气量调节时的P-V图

4.2 节能效果

HRCS系统（无极调节系统）投入运行后，能够根据工艺流程气量的变化，实现排气量的自动调节（50%～100%），负荷越低，节能效果越好。按平均负载80%计算（即相当于20%打回流），则电流从92 A降低到 80 A，则每年节约成本=1.732×12×0.9×24×0.6×365=98（万元）。

5 改造效果

改造后，气阀采用顶开吸气阀无极调节，通过液压站控制高速电磁阀进行，运行中液压站压力达到10 MPa。液压站主要组成有电动机、齿轮泵、油箱、蓄能器、高速电磁阀、溢流阀、压力表等；润滑油采用长城L-HM46抗磨液压油。

优点：操作方便，随时进行系统的切换，无需压缩机停机，节能效果显著。

不足之处：（1）气阀执行机构处随着时间的推移存在漏油现象，同时需定期对气阀排油口排油；（2）液压站通过金属油管将抗磨液压油输送到气阀执行器处，金属油管通过螺母连接，容易造成漏点的增多。

6 运行调试总结

问题1（第1次试车）：氮气试车时二级缓冲器排气温度高，电流上升。原因分析及解决措施：新气阀不适合用氮气长期运行，用氢气置换后温度及电流下降。

问题2（第1次试车）：A机出口流量计前后压差大。原因分析及解决措施：与回流管和放空管调节有关。

问题3（第2次试车）：氢压机氢气出口流量出现不足，后续几天又缓慢上升。原因分析及解决措施：四级吸气阀有渗漏，因阀片在运行中会有自动密封的性质，从而后续无渗漏，流量恢复正常。

问题4（第3次试车）：一级出口缓冲器压力迅速上升至0.4MPa。原因分析和解决措施：二级3号吸气阀执行机构电线松动，吸气阀一直处于顶开状态，气体进入二级气缸后又重新回到一级缓冲器。目前已对电线紧固，并检查紧固其他气阀执行机构电线。

7 结语

从往复式压缩机无极调节改造完成后一切正常。该系统的简便操作性和易维护性也在偶尔出现的一些小故障中表现的较为明显。通过随时切出系统进行处理，丝毫不影响机组运行，真正做到维护成本低、节能效果好，易操作和维护达到该公司节能降耗的目的。