往复压缩机抗堵塞环状阀的性能试验与应用研究

潘树林，吴 双，王玉鹏，欧胜芳

（1.湖南人文科技学院，湖南娄底 417000；2.中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司，山东东营 257000；3.浙江浙欧气阀制造有限公司，浙江温州 325006）

0 引言

往复压缩机是量大面广而同时能耗又高的机械，是化肥、化工、石化、冶金等行业所需的关键设备。气阀是控制气体进出气缸的关键部件，是重要的易损件，对压缩机的效率、可靠性和平稳运行影响极大［1-2］。通常情况下，进入压缩机的工作介质较干净，因此不需要考虑气阀的抗堵塞性能。但在一些化工、化肥及石化等领域，进入压缩机的气体中含有较多的粉尘、焦油、硫、苯、萘以及胶状催化剂等杂质［3-5］，传统结构型式压缩机气阀易堵塞，气阀堵塞后，压缩机的排气量下降，排气温度上升，能耗增加，同时需要频繁停车以清洗更换气阀，严重影响企业的正常生产与效益。

常见压缩机气阀有环状阀、气垫阀、网状阀、菌状阀及簧片阀等。由于环状阀具有良好的气密性，堵塞部位较少，堵塞后易于清洗，因此环状阀相比其它结构型式压缩机气阀具有较好的抗堵塞性能［6］。在工作介质含较多杂质的压缩机中，传统环状阀清洗更换周期较其他结构型式气阀长，但仍然远不能满足企业要求。

为大幅提升传统环状阀的抗堵塞性能，本文对传统环状阀结构进行改进，在传统环状阀易堵塞的部位开设环形凹槽与弧形凹槽，得到抗堵塞环状阀。接下来，对气阀进行吹风试验，验证了弧形凹槽的开设能提升气阀有效通流面积。最后，把抗堵塞环状阀应用于工作介质含较多杂质的压缩机中，通过对比试验，全面分析了抗堵塞环状阀的性能。

1 压缩机抗堵塞环状阀结构

环状阀是一种结构简单同时又得到广泛应用的气阀［1］，由阀座、阀片、弹簧及升程限制器等组成。环状阀流道包括阀座、升程限制器及阀隙3个部分，由于升程直接影响阀片与阀座及升程限制器的撞击速度，为保证气阀的可靠性，环状阀升程受到严格限制［7］，因此环状阀各流道中，阀隙通流面积往往最小。传统环状阀应用于工作介质含较多杂质的压缩机中时，杂质粘附在阀片表面、升程限制器与环状阀片接触的环形表面以及径向筋表面，使得气阀升程与阀隙通流面积迅速下降，为延长气阀清洗更换周期，需要对传统环状阀结构进行改进。改进后得到的抗堵塞环状阀与传统环状阀结构类似，其不同之处在于：采用图1所示升程限制器。升程限制器与环状阀片接触的环形表面上开设有环形凹槽，升程限制器未设导向凸台的径向筋表面开设有弧形凹槽［8］。传统压缩机环状阀升程限制器相应部位均不开设环形凹槽与弧形凹槽。

图1 抗堵塞环状阀升程限制器Fig.1 Lift limiter of the anti-clogging ring valve

把抗堵塞环状阀应用于易堵塞的压缩机中，分析气阀堵塞情况。图2示出S4M32（X）A-207/24焦炉气压缩机一级抗堵塞环状阀升程限制器，该气阀长周期运行后，升程限制器环形凹槽与弧形凹槽内积聚有粉尘、苯、萘及焦油等杂质。从图2可以看出，抗堵塞环状阀升程限制器开设的环形凹槽容纳了进入升程限制器与阀片之间区域的杂质，阀片不易被这些杂质垫住，气阀升程不会迅速下降。升程限制器开设环形凹槽后，气阀全开状态下，阀片与升程限制器的接触面积大幅减小。当阀片开始关闭时，受到焦油等粘性物质的粘滞力也大幅下降，这有利于气阀及时关闭。

图2 长周期运行后的抗堵塞环状阀升程限制器Fig.2 Lift limiter of the anti-clogging ring valve after long-term operation

图1中抗堵塞环状阀升程限制器开设的弧形凹槽周向贯通径向筋表面，径向槽宽与升程限制器流道宽度一致。从图2可以看出，弧形凹槽可以容纳进入该区域的部分杂质，避免对应的阀隙气流通道被迅速堵塞，从而延长堵塞周期。弧形凹槽未被完全堵塞时，流过对应部位阀隙的气流先流入弧形凹槽，再进入升程限制器主流道［9］，这样一来，气阀的有效通流面积还能得到增加，这可以通过后面的气阀吹风试验进行验证。

通过上面分析可得，在升程限制器表面开设环形凹槽与弧形凹槽是提高气阀抗堵塞性能的简便有效方法。4M32（X）A-207/24焦炉气压缩机一级气阀采用传统环状阀时，连续运行22 d后一级排气压力下降约5%，此时停车清洗更换气阀。采用抗堵塞环状阀后，相同情况下，连续运行95 d后才停车清洗更换气阀。

抗堵塞环状阀相对于传统环状阀而言，气阀抗堵塞性能得到大幅提升，但需注意的是：抗堵塞环状阀升程限制器开设环形凹槽与弧形凹槽后，强度下降，必须对其进行应力分析，以确保升程限制器不发生破裂。对开式气阀而言，升程限制器破裂后，掉入气缸，易导致重大事故。

2 压缩机抗堵塞环状阀吹风试验

由于气阀的有效通流面积直接影响气阀的功耗、运动规律、气缸内气体压力以及流过气阀的流量，因此压缩机气阀分析设计时，必须考虑气阀的有效通流面积［1］。抗堵塞环状阀在升程限制器未设导向凸台的径向筋表面开设弧形凹槽，这改变了气阀内流场与流动阻力损失。以下通过抗堵塞环状阀与传统环状阀的对比吹风试验，分析弧形凹槽对压缩机气阀流量系数与有效通流面积的影响。

气阀吹风试验装置通过自主研制，如图3所示［10］。罗茨鼓风机采用JTS-100三叶低噪声罗茨鼓风机，电机为变频调速电机，通过变频器调速。气阀吹风试验时，先从低速到高速，再从高速至低速，测量不同流量下气阀的流量系数，取平均值。

图3 气阀吹风试验装置Fig.3 Blowing test device for air valves

为研究方便，先对传统环状阀进行吹风试验，得到不同升程下传统环状阀的流量系数与有效通流面积。随后，在该气阀上开设弧形凹槽，弧形凹槽周向贯通径向筋表面，径向槽宽与升程限制器流道宽度一致，槽深为5 mm。接下来，对开设有弧形凹槽的抗堵塞环状阀进行吹风试验，得到不同升程下抗堵塞环状阀的流量系数与有效通流面积。当传统环状阀与抗堵塞环状阀升程相同时，两者具有相同的阀隙通流面积，要比较两者的有效通流面积，只需比较两者的流量系数即可。气阀流量系数计算公式如下［1］：

式中 αv——气阀流量系数；

α0——孔板流量系数；

A0——孔板节流孔面积，m2；

Av——气阀阀隙通流面积，m2；

Δp0——孔板前后压差，MPa；

Δpv——气阀前后压差，MPa；

p0——孔板前气体压力，MPa；

Tv——气阀前气体温度，K；

pv——气阀前气体压力，MPa；

T0——孔板前气体温度，K。

试验用气阀为开式气阀，其主要参数如表1所示。通过吹风试验得到传统环状阀和抗堵塞环状阀的流量系数，结果对比见表2［9］。

表1 试验气阀主要参数Tab.1 Main parameters of the air valve for test

表2 气阀流量系数对比Tab.2 Comparison of the flow coefficients of the valves

通过上述气阀吹风试验，所得结论及其分析如下。（1）在升程限制器未设导向凸台的径向筋表面开设弧形凹槽有利于提高气阀流量系数。相同阀隙通流面积时，抗堵塞环状阀的有效通流面积比传统环状阀大。其原因是：抗堵塞环状阀弧形凹槽可以作为流道，流过径向筋对应部位阀隙的气流先流入弧形凹槽，再进入升程限制器主流道，从而使得气阀的有效通流面积增加。（2）随着气阀升程减小，气阀流量系数增加值增大。其原因是：当气阀升程较低时，升程限制器主流道内流速较低，气流从径向筋对应部位阀隙流入弧形凹槽后进入升程限制器主流道的阻力损失小，因而气阀流量系数增加值较大。反之，气阀流量系数增加值较小。

流量相同时，气阀压力损失与有效通流面积的平方成反比，气阀的功耗与压力损失成正比，提升气阀的有效通流面积能有效降低气阀的功耗。

3 压缩机抗堵塞环状阀应用及分析

我国煤化工行业企业数量众多，规模较大，有大量的氮氢气压缩机、水煤气压缩机以及焦炉气压缩机等高能耗设备，进入这些压缩机的工作介质中往往含有较多杂质。把抗堵塞环状阀应用于这些压缩机中，通过对比试验分析抗堵塞环状阀的综合性能。

6M40-305/314氮氢气压缩机是煤化工行业企业合成氨装置中常见机型，压缩机轴功率为4 700 kW，单机年产合成氨4万吨。因原料气中粉尘、煤焦油、硫等含量高，该压缩机一级气阀容易堵塞。6M40压缩机随机配备的一级气阀是传统环状阀，改造为抗堵塞环状阀后，一级气阀的清洗次数由原来平均1个月8次下降到平均1个月1.5次，一级气阀报废数量由原来平均1个月9.75件下降到平均1个月0.5件［4］。

气阀对压缩机的排气量也有着重要影响［11］，吸气阀节流产生功耗，使得压缩机温度系数与排气量下降［12-14］。实际运行中的压缩机排气量可以通过压缩机后的流量计测得，也可由相关产品的班产量、日产量计算得来。对多级压缩机而言，后面各级工作正常且进气温度不变的情况下，一级压比的变化直接反映压缩机排气量的变化。气阀改造前后排气量的相对变化量可通过式（2）计算得到［15］。

式中 δQ——排气量的相对变化量；

ε2——气阀改造后一级压比；

ε1——气阀改造前一级压比。

6M40压缩机一级气阀改造前，当压缩机一级平均进气压力为23.5 kPa（G）时，一级平均排气压力为0.228 MPa（G）。采用抗堵塞环状阀后，当压缩机一级平均进气压力为23.3 kPa（G）时，一级平均排气压力提高到0.25 MPa（G）［4］。当地大气压为0.1 MPa，由式（2）可知，采用抗堵塞环状阀后，该压缩机的排气量提升了6.88%。

压缩机气阀堵塞或有效通流面积下降后，气阀功耗增大，压缩机排气温度上升。近似把大型压缩机工作过程当做绝热过程，根据热力学第一定律，压缩机的指示功等于工作介质的焓增。对理想气体而言，焓的变化与温度的变化成正比。气阀改造前后单位质量工作介质指示功的相对变化量计算公式如下：

式中 δW—— 单位质量工作介质指示功的相对变化量；

Δt2——气阀改造后排气与吸气温差，℃；

Δt1——气阀改造前排气与吸气温差，℃。

6M40压缩机一级气阀改造前，当压缩机一级平均进气温度为31.67 ℃时，一级平均排气温度为165.8 ℃。采用抗堵塞环状阀后，当压缩机一级平均进气温度为31.1 ℃时，一级平均排气温度为 154.7 ℃［4］。由式（3）可知，采用抗堵塞环状阀后，该压缩机一级单位质量工作介质指示功下降了7.85%。

抗堵塞环状阀目前已应用于一系列工作介质含较多杂质的氮氢气压缩机、半水煤气压缩机以及焦炉气压缩机等气阀改造中，一系列对比试验结果表明，抗堵塞环状阀能大幅延长压缩机的连续运转周期，同时能不同程度地提升压缩机排气量以及降低压缩机功耗。

4 结论

（1）气阀结构分析表明，在升程限制器表面开设环形凹槽与弧形凹槽是提高气阀抗堵塞性能的简便有效方法。

（2）气阀吹风试验结果表明，开设弧形凹槽能增大气阀有效通流面积，且随着气阀升程减小，气阀流量系数增加值增大。

（3）抗堵塞环状阀应用于工作介质含较多杂质的煤化工领域6M40-305/314氮氢气压缩机中，与传统环状阀相比，一级气阀的清洗次数由原来平均1个月8次下降到平均1个月1.5次，压缩机的排气量提升了6.88%，压缩机一级单位质量工作介质指示功下降了7.85%。抗堵塞环状阀的应用表明，抗堵塞环状阀能延长压缩机连续运转周期、提升压缩机排气量以及降低压缩机功耗。