基于气动阀的高压空气压缩机排污系统分析

金丽琼，毛京兵，邢志胜，张志恒，张成彦

(合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

高压空气压缩机排污系统正常工作是保证其稳定工作的前提，因此在高压空气压缩机的设计中排污系统的设计占有重要的位置。如果排污系统不能够及时排污，压缩空气中含有的油或杂质有可能会使气阀产生积碳，严重时会产生液击现象，最终导致压缩机故障，甚至有着火或爆炸的危险，因此，针对高压空气压缩机排污系统的研究、分析引起了不少学者的关注。李奇等分析了高压压缩机排污过程压缩机负荷的变化特性，提出了在压缩机设计中排污系统的重要作用以及排污系统和关键零部件的设计，总结了排污系统的设计方法和理论。梁璞玉设计了气动阀来代替高压级的电磁阀，解决了高压级油污水的排放问题。缪忠辉等介绍了高压空压机油污分离收集装置的结构设计和试验效果，并例证了具体的移动站、空压站排污收集装置应用情况。王庆丰等针对公司空压站排污系统的缺陷进行分析，并详细阐述了排污系统的改造原理和措施。目前，高压空气压缩机的排污系统通常采用4 种方式。一是手动截止阀排污；二是低压级的排污利用疏水阀，高压级的排污利用手动截止阀；三是利用电磁阀排污；四是低压级(排气压力一般小于6MPa)排污利用电磁阀，高压级排污则利用气动阀。电磁阀排污自动化程度较高，但其价格较为昂贵；气动阀排污稳定可靠，但通常用于高压环境。基于上述比较分析，本文选用电磁阀与气动阀联动方式进行排污处理，在空压机低压级配置电磁阀排污系统，高压级配置气动阀排污系统。

1 排污系统描述

高压空气压缩机常规的排污控制单元主要分为两类，一类是利用手动方式进行排污的结构，这种结构操作简单，且性能可靠，但通常均会涉及到多级压缩，各级排污较繁琐，特别是高压下手动排污时不可避免的存在一定风险，并且常常伴随有较大的劳动强度；一类是利用自动方式进行排污的结构，电磁阀或气动阀在这类结构中的应用一定程度上提高了排污系统的安全性和自动化水平。目前，高压空气压缩机排污系统多采用前述两类控制单元通过不同组合实现排污，以保证高压空气压缩机的稳定运行。

以某型号五级高压空气压缩机排污系统为例，如图1 所示，前面三级采用手动阀和电磁阀排污，第IV 级和第V 采用手动阀和气动阀排污，为了防止排污喷溅现象，降低高压级排污产生的噪声，保护环境，通常采用集污器将各级的排

污物通过各自的排污管进行收集，再统一利用总管将其排放到安全地方。值得注意的是，在各级自动排污阀前均串联有1 个备用截止阀，在系统正常工作时，截止阀处于全开状态，自动阀失灵时，可以应用手动截止阀进行人工排污。

图1 典型高压空气压缩机排污系统

2 排污系统设计分析

以图1 所示排污系统为例，第I、II 级采用电磁阀直接排污，III 级、IV 级、V 级采用电磁阀和气动阀进行排污，通过PLC 控制各级排污阀的开启和关闭，排污的间隔和各排污阀开启时间均依据季节进行调整以实现排污系统的自动控制，其中气动阀的设计需要重点关注。

2.1 气动阀的设计

气动阀的典型结构如图2 所示，气动阀主要由阀体、阀芯、阀座、升程限制器、密封圈和连接件组成。其工作原理是利用阀芯相对于阀体的运动来控制阀口的通断及开度的大小，实现对介质方向、压力和流量的控制，为便于说明，以图2 所示气动阀为例，图2 中高压气体P2通过气动阀阀座作用于阀芯的底部，低压气体P1从气动阀上端作用于阀芯上部。在压缩机正常工作过程中，P1和P2的共同作用使整个阀体处于密封状态；当电磁阀控制的低压级进行排污时，P1的作用力会降低，阀芯会在压力P2的作用下逐渐脱离阀座而最终实现排污，在整个排污过程中，压力P1和P2会逐渐降至排污背压Pb1和Pb2，排污结束后，低压级排污电磁阀会快速闭合，压力P1增加，在P1的作用下，阀芯逐渐向阀座方向运动，直到整个阀体实现密封；压力P2会迅速增加，P1和P2逐渐恢复至正常工作状态时的压力，整个排污循环完成，压缩机恢复到正常工作状态。

2.2 气动阀力学分析

气动阀在工作过程中，仅考虑4 个力对阀芯的作用，其受力分析情况如图3示。

图2 气动阀典型结构

图3 中，F1为 低压气体P1从气动阀顶部作用于阀芯顶端的作用力，F2为高压气体P2从气动阀阀座作用于阀芯底部的作用力，Fm为阀体和阀芯之间的摩擦力，该摩擦力方向与阀芯运动的趋势相反；G 为阀芯的重力。压缩机在工作过程中，排污系统中的气动阀动作可划分为4个阶段：

图3 阀芯受力分析图

（1）密封阶段，该阶段是压缩机正常输气时的工作状态，且有下列式子成立，即

式中：α 为密封压力系数，当选用金属与非金属之间的密封时，α值通常取1 ～1.2；当选用金属与金属之间的密封时，α 值通常取1.5 ～2。由于阀芯重力G 远小于F1，所以可忽略阀芯重力对系统的影响，式(1)可简化为：

结合图3阀芯受力情况可知：F1=P10D02π/4，F2=P20d02π/4，式(2)可进一步改写为：

式中，D0为低压气体P10作用于在阀芯顶端的作用面直径；d0为阀座通径。P10和P20分别为低压和高压级正常工作(非排污)时的工作压力，式(3)即为气动阀密封的结构参数和压力的关系。

（2）气动阀开启过程阶段，该过程中，低压级的压力作为联动气动阀工作的压力源，即低压级压力控制高压级气动阀的开启，此时有下式成立，即

经多次试验发现，式(3)可简化为以下经验公式，即

结合图3 的阀芯受力情况，同时考虑阀芯所承受的压力，式(4)可进一步改写为：

值得注意的是，当0.833×(d0/D0)2·P20＜P1＜P10，低压级排污系统电磁阀打开开始排污时，高压级排污系统的气动阀仍处于关闭状态，只有当P1接近或等于0.833×(d0/D0)2·P20时，气动阀才开启。

（3）气动阀完全开启阶段，此时有下式成立，即

经多次试验发现，式(8)可简化为以下经验公式，即

气动阀在完全开启后，P1和P2分别等于排污背压Pb1和Pb2，结合图3 的阀芯受力情况，考虑阀芯所受的压力，式(9)可进一步改写为：

（4）气动阀关闭过程阶段，此时有下式成立，即

经多次现场试验发现，式(9)可简化为以下经验公式，即：F1≥3F2(11)

在低压级电磁阀和气动阀均未关闭前，P1和P2分别等于排污背压Pb1和Pb2；低压级电磁阀关闭，高压气动阀未关闭前，P1逐增加且高于背压Pb1，P2则等于排污背压Pb2，结合图3 的阀芯受力情况，同时考虑阀芯所承受的压力，式(11)可进一步改写为：

值得注意的是，当Pb1＜P1＜3·(d0/D0)2·Pb2时，低压级排污系统电磁阀已开始关闭，但高压级排污系统气动阀仍未关闭；只有当P1接近或等于3·(d0/D0)2·Pb2时，高压气动阀才开始关闭。从上述对电磁阀及气动阀排污过程的介绍及分析可以知道，要实现高压空气压缩机正常排气工作，并且实现排污正常，上面推导的式(3)、式(6)和式(12)须满足，这三式分别保证了气动阀密封、开启及关闭等工作，这三式反映了气动阀工作压力与结构参数的关系。已知排污系统的工作压力，可以设计结构参数；同理，已知气动阀的结构参数，可核验气动阀的工作压力、开启压力和关闭压力，以确定气动阀用于高压排污系统的合理性。

3 设计实例

现以某型船用高压空气压缩机排污系统为例，所述高压空气压缩机的排污系统运行及排污工作参数如表1 所示，其低压级的I 级、II 级和III 级均采用PLC 控制的电磁阀进行排污，高压级的IV 级则利用气动阀的方式进行排污。

表1 某型高压空气压缩机排污系统运行和排污工作情况

基于上述参数的排污系统经过可靠性和耐久性试验，均能达到GB12929-2008 船用高压活塞空气压缩机中的相关要求。目前，上述排污系统已广泛应用于多种型号的船用高压空气压缩机组的排污系统中，且经长期续航试验，排污系统动作灵敏，工作可靠，且压缩机工作正常，能实现逐级联动，有序排污，值得推广应用。

4 结语

（1）高压空压机的排污系统中，低压级排污电磁阀的选择要合理，这关系到其自身工作的可靠性，还关系到联动高压气动阀工作的可靠性，因此在设计时，要同时考虑气动阀和电磁阀设计的合理性。

（2）在高压空气压缩机排污系统中，高压级采用气动阀排污可增加排污系统的灵敏性，可根据压力及排污需求，调整气动阀的相关参数，即可用于不同压力及排量的高压空气压缩机组中，使其适用范围更加广泛。

（3）低压级采用电磁阀排污，高压级采用气动阀排污可有效解决高压排污的可靠性问题。