气阀对往复压缩机排气量的影响研究

潘树林，张云峰，吴菊靳，欧胜芳

(1.湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南 娄底 417000；2.浙江浙欧气阀制造有限公司，浙江 温州 325006)

1 引言

在石化、化工与化肥等流程工业中，往往需要压缩机。往复压缩机具有效率高同时适用介质、工作压力及排气量范围广等优点，因此在流程工业中被广泛应用[1]。在许多流程工业企业生产工艺中，从原料到成品必须经过一个气体压缩流程，这种情况下，压缩机的排气量直接影响企业的产量与经济效益。当压缩机排气量不足时，传统的应对办法包括：对压缩机活塞环与填料等密封件进行检修或技术改造、减小压缩机余隙容积或扩缸、改变压缩机运行工况等[2]，较少考虑气阀对压缩机排气量的影响并对气阀进行技术改造。近年来，随着压缩机领域技术人员对气阀的研究不断深入，发现气阀影响往复压缩机排气量。当排气量低于设计值时，分析气阀存在的问题，通过对气阀进行技术改造，从而有效提升压缩机的排气量[3]。

压缩机排气量等于容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数、行程容积及转速的乘积[2]。气阀对压缩机排气量的影响体现为：气阀影响压缩机的容积系数、压力系数、温度系数及泄漏系数[3]，本文对此进行系统阐述，并通过实例表明，气阀对压缩机排气量存在较大影响。

2 气阀对压缩机容积系数的影响

气阀的余隙容积计入压缩机的余隙容积，从定性角度看，气阀存在余隙容积使压缩机容积系数和排气量下降，这点为压缩机领域技术人员所公认，但实践中更多的时候需要定量计算气阀余隙容积对压缩机排气量的影响。

压缩机工作介质为理想气体时，压缩机容积系数计算公式如下[1]

(1)

式中λv——容积系数

α——相对余隙容积

ε——名义压力比

m——膨胀过程指数

取m=1.2，λv随α、ε变化关系如表1。从表1中可以看出，当压比为3，相对余隙容积由0.075下降到0.07时，容积系数由0.8876提升至0.8951，容积系数提升了约0.84%。当压比为6，相对余隙容积由0.145下降到0.14时，容积系数由0.4996提升至0.5169，容积系数提升了约3.46%。

表1 λv随α、ε变化关系

对大型压缩机而言，一级的压比、相对余隙容积较小，通过降低一级气阀余隙容积来提升容积系数与排气量的效果不明显。相对而言，当微型、小型压缩机一级的压比、余隙容积较大时，通过降低一级气阀余隙容积来提升容积系数与排气量的效果较为明显。

3 气阀对压缩机压力系数的影响

压力系数为吸气终了压力与名义吸气压力之比。假设吸气阀在接近活塞止点时关闭，阀片与阀座密封边完全贴合，活塞达到止点位置时阀片两侧压差力正好等于所受弹簧力，则

(2)

式中λp——压力系数

∑F′——压在阀片上弹簧总刚度，N/m

H0——弹簧预压缩量，m

∑d——阀座各流道中径之和，m

b——阀座通道宽度，m

c——阀座密封边宽度，m

ps——为名义吸气压力，Pa

由式(2)可知，压力系数与压在阀片上的弹簧力有关。当弹簧力变大时，压力系数变小。压缩机设计时，通常先凭经验选取压力系数，计算所需的行程容积，而后进行气阀设计，因此常有选取的压力系数与实际压力系数不符的情况出现。某6M40-235/157二氧化碳压缩机一级吸气压力为0.105 MPa(A)，吸气阀压在阀片上弹簧总刚度为32 N/mm，弹簧预压缩量为3.6 mm，阀座有8个流道，各流道中径之和为1.144 m，阀座通道宽度为4.5 mm，阀座密封边宽为1.25 mm，由式(2)计算得该压缩机一级压力系数实际仅为0.947。由于该压缩机设计时，一级压力系数选为0.97，这导致压缩机实际排气量低于设计值。

4 气阀对压缩机泄漏系数的影响

气阀对压缩机泄漏系数的影响主要体现为气阀的气密性对泄漏系数的影响以及气阀运动规律对泄漏系数的影响[4]。

由于阀片与阀座密封面存在平面度公差，关闭状态下阀片与阀座密封面之间存在微小间隙，产生泄漏从而影响压缩机排气量。在有油压缩机内，润滑油粘附在阀片表面、阀座密封面，使泄漏面积减小，压缩机泄漏系数增大。近年来，随着特种工程塑料PEEK的广泛应用，压缩机气阀越来越多采用PEEK材料阀片。塑料阀片的平面度公差较金属阀片大，刚装入压缩机时泄漏较大，经过一段时间跑合后，气阀气密性可得到较大幅度提升，使压缩机排气量增大。

良好的气阀运动规律要求气阀及时关闭，当气阀弹簧力过小时，气阀出现延迟关闭，如图1所示。当吸气阀出现延迟关闭时，气缸内气体回流至吸气腔内；当排气阀出现延迟关闭时，排气腔内的气体回流至气缸内。这两种情况均相当于泄漏，使得压缩机泄漏系数与排气量下降。

图1 延迟关闭型气阀运动规律

5 气阀对压缩机温度系数的影响

压缩机理论循环时，气流流过吸气阀没有压力降与功耗，流入气缸内的气体推动功全部用于活塞对外做功，吸气过程中气缸内气体温度保持不变，与吸气腔内气体温度一致。压缩机实际循环时，由于气流流过吸气阀存在压力降与功耗，导致活塞对外做功下降，活塞对外做功下降值等于吸气阀的功耗。运用热力学第一定律分析可得，吸气阀的功耗使得气缸内气体热力学能与温度上升，压缩机温度系数下降。吸气阀功耗越大，压缩机温度系数越小[4]。

吸气阀工作过程中，气体从吸气腔流入气缸内，假定气体密度不变，经吸气阀流入气缸的气体体积等于活塞扫过的容积，则[5]

(3)

式中 Δpsv——吸气阀的压力降，N/m2

ρs——流过吸气阀的气体密度，kg/m3

vsv——阀隙平均流速，m/s

θ——曲轴转角，rad

γ——曲柄半径与连杆长度之比

吸气阀的功耗为[6]

(4)

式中Ws——吸气阀的功耗，J

θ0——吸气阀开启角，rad

θd——吸气阀关闭角，rad

Ap——活塞面积，m2

S——行程，m

吸气阀功耗使得吸气终了时气体温升为

(5)

式中 ΔTs——吸气阀功耗导致的气体温升，K

Ms——吸入气缸的气体质量，kg

cv——气体的定容比热容，J/(kg·K)

式(3)、式(4)及式(5)中，阀隙平均流速为[1]

(6)

式中vm——活塞平均速度，m/s

Ns——同侧吸气阀数量

Ase——单个吸气阀的有效通流面积，m2

式(5)中吸入气缸的气体质量与吸气状态下气体密度、活塞面积及行程成正比，因此吸气终了时，由气阀功耗导致的温升主要与阀隙平均流速、气体定容比热容等相关。当气阀有效通流面积设计得过小或压缩机运行过程中气阀严重堵塞时，阀隙平均流速与吸气阀功耗过大，导致吸气终了时气缸内气体温度过高，压缩机温度系数与排气量过小。

6 气阀对压缩机排气量的影响实例

某化工企业6M50-308/314氮氢气压缩机在实际运行时，发现其排气量不足，由此导致合成氨达不到设计产能。该压缩机采用7级，转速为333 r/min，行程为400 mm，一级缸径为1340 mm，活塞杆直径为110 mm。一级气缸盖侧、轴侧分别配吸气阀、排气阀各5组，气阀为闭式结构，其安装直径为325 mm，外缘直径为340 mm。

6M50-308/314氮氢气压缩机一级原采用菌状阀，每组气阀的阀片数及弹簧数均为60，气阀升程为3 mm。菌状阀阀座、升程限制器气流通道为圆孔，由于圆孔通道布置型式所形成的总通流面积要小于环形通道结构的总通流面积[2]，因此菌状阀通流面积较小，气阀功耗大，一级温度系数小。由于气流流过菌状阀时，阻力较大，阀片两侧压差较大，导致阀片所受气流推力较大，所需匹配的气阀弹簧力也较大，因此一级压力系数较小。菌状阀阀片数量大，因加工及气流偏吹等原因开启、关闭步调很不一致，同时当工作介质中粉尘、焦油等杂质较多时，气阀易于堵塞[7]。堵塞后的菌状阀清洗及检修困难，气阀气密性较难保证，因此一级泄漏系数较小。

改造后的6M50-308/314氮氢气压缩机一级气阀为大通道环状阀。环状阀片数为6，阀片材料采用PEEK，气阀升程为3.6 mm。气阀弹簧数为54，单个弹簧的刚度为0.7 N/mm。改造后气阀抗堵塞性能与气密性较好，且易于清洗及检修[7]。气阀改造设计过程中，通过软件分析计算气阀运动规律、功耗等气阀特性[6]，优化影响压缩机排气量的气阀参数。

6M50-308/314氮氢气压缩机一级设计工况、一级气阀改造前后实际工况如表2。从表2中可看出，一级气阀改造后，在一级排气压力上升的情况下，一级排气温度大幅下降，这表明改造后的一级气阀功耗大幅下降[8]。

表2 6M50-308/314氮氢气压缩机一级工况

多级压缩机二级工作状况正常的情况下，可以根据一级压比的变化近似计算压缩机排气量的变化。6M50-308/314氮氢气压缩机一级气阀改造前后当地大气压为0.1 MPa，得压缩机排气量的相对变化量为[8]

(7)

式中λQ——排气量的相对变化量

ε1——气阀改造前一级实际压比

7 结论

气阀影响压缩机容积系数、压力系数、温度系数及泄漏系数，从而影响压缩机排气量。压缩机设计或实际运行时，应充分考虑气阀对压缩机排气量的影响。当气阀有效通流面积过小或是严重堵塞时，气阀功耗过大导致压缩机温度系数与排气量过小。