往復活塞式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進展

一、引言壓縮機是一種通過壓縮氣體提高氣體壓力的機械設(shè)備，產(chǎn)品和技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫(yī)藥、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國防等很多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用［１］，其中，往復活塞式壓縮機在多領(lǐng)域生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，屬于高耗能的關(guān)鍵設(shè)備；這主要是由于生產(chǎn)工藝的波動導致與初始設(shè)計參數(shù)不符，造成很多往復活塞式壓縮機存在能源利用效率低、無用功耗大等問題?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和２０３５年遠景目標綱要》中要求“十四五”期間“生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低１３．５％、１８％，主要污染物排放總量持續(xù)減少”，并在“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”方面“堅持節(jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域和公共機構(gòu)節(jié)能”［２］。因此，對往復活塞式壓縮機進行節(jié)能改造，降低或消除無用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我國在“十四五”期間急需深化解決的問題之一。往復活塞式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)近年來得到了較好發(fā)展和應(yīng)用，但是很多領(lǐng)域的設(shè)備管理等技術(shù)或科技人員對它的認識依然還停留在２１世紀１０年代之前，認為其結(jié)構(gòu)笨重、調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)精度低、響應(yīng)速度慢、可靠性較差、易損件多、難以維護、手動調(diào)節(jié)困難且須壓縮機停機后才能調(diào)節(jié)等［３－１５］。這些十幾年前余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的缺陷和不足，在最近幾年的一些科技論文中依然頻繁出現(xiàn)，這些片面甚至錯誤的認知將嚴重影響或說嚴重阻礙余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的進步、發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)已推廣使用近十余年的余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝，調(diào)節(jié)范圍適宜、實現(xiàn)了伺服無級調(diào)節(jié)，多種操控模式、參數(shù)設(shè)置靈活，調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)響應(yīng)速度適中，易損件少、使用壽命長、基本免維護、安全可靠性高，節(jié)能效率高、能最大化地實現(xiàn)壓縮機的節(jié)能降耗等諸多優(yōu)點［１６－２５］。對往復活塞式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進行探討和分析，目的就是客觀、公正、詳實地把余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用特性等研究結(jié)果呈現(xiàn)給廣大設(shè)備管理等技術(shù)人員和專家學者，期望共同分享先進節(jié)能技術(shù)的最新成果，并能有助于余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，有助于該技術(shù)進一步的發(fā)展和創(chuàng)新，有助于提高往復活塞式壓縮機的能源利用效率，能為我國降低二氧化碳排放目標的實現(xiàn)添磚加瓦。二、技術(shù)發(fā)展歷史往復活塞式壓縮機的氣量調(diào)節(jié)方法有很多種，在１９７４年之前，國內(nèi)使用的可獨立進行氣量調(diào)節(jié)的裝置就有１３種、某兩種獨立調(diào)節(jié)裝置又可組合成４種綜合調(diào)節(jié)裝置；其中，作用于氣缸腔內(nèi)的５種調(diào)節(jié)裝置中的“固定補助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”和“可變補助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”均為余隙調(diào)節(jié)裝置，它們在較早的時候就已被采用［２６］。當時的固定補助余隙調(diào)節(jié)裝置和可變補助余隙調(diào)節(jié)裝置，雖具有較好的經(jīng)濟性和節(jié)能降耗的特點，但有一些不足之處，比如結(jié)構(gòu)較復雜、笨重、調(diào)節(jié)精度低和調(diào)節(jié)比較困難（需壓縮機處于停運狀態(tài)方可手動調(diào)節(jié)），以致于配置了這種裝置的壓縮機用戶，讓這些裝置經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。我們查閱了２０１２年及之前的國內(nèi)著名的一些文獻［２７－３０］，國內(nèi)余隙調(diào)節(jié)技術(shù)在１９７４年之后的近三十多年的時間內(nèi)無創(chuàng)新性發(fā)展的信息披露。在國外，自上世紀中期就已廣泛應(yīng)用固定或可變補助余隙容積裝置［３１］，至今，我國進口的往復活塞式壓縮機上大多數(shù)配置只調(diào)節(jié)一級氣缸的手動可變余隙容積裝置，氣量調(diào)節(jié)范圍一般在８０％～１００％［３２］，如圖１。Ｄｒｅｓｓｅｒ-ＲａｎｄＣｏｍｐａｎｙ于１９９６年在美國申請了《Ｓｅｌｆ-ｃｏｎｔａｉｎｅｄ，Ｃｌｅａｒａｎｃｅ-ｖｏｌｕｍｅＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔＭｅａｎｓｆｏｒａｇａｓＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ》專利技術(shù)［３３］，其調(diào)節(jié)氣量范圍設(shè)計在６０％～１００％，這也是我們已知的國際上具有里程碑意義的首套液壓式無級可調(diào)容積式余隙腔專利技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)品在美國有實質(zhì)性應(yīng)用，見圖２。２０１４年，ＤｒｅｓｓｅｒＲａｎｄＣｏｍｐａｎｙ在與中國某企業(yè)的技術(shù)協(xié)議中，介紹其ＨＶＶＣＰ的氣量調(diào)節(jié)范圍設(shè)計在５５％～１００％［３４］，但至今在中國沒有查詢到對該公司ＨＶＶＣＰ產(chǎn)品的應(yīng)用報道。目前，國內(nèi)制造的往復活塞式壓縮機上配置固定余隙裝置已很少見，配置諸如圖３所示手動可調(diào)余隙裝置的還有，這可能與客戶應(yīng)用現(xiàn)場條件或環(huán)境要求有關(guān)、也可能與新技術(shù)產(chǎn)品推廣力度不夠有關(guān)，但手動可調(diào)余隙裝置已不是當今氣量調(diào)節(jié)應(yīng)用的主流。２００９年１２月，國內(nèi)將可變補助余隙容積裝置創(chuàng)新性地“升級”為電液式余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的首臺套成功得到應(yīng)用，并取得良好節(jié)能效果［３５，３６］。對于余隙調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的發(fā)展，美國西南研究院對這類調(diào)節(jié)方法進行了調(diào)研，認為它是未來很有潛力的發(fā)展方向之一［３７］。三、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國產(chǎn)電液式余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在近五年多的時間內(nèi)得到較快發(fā)展，全國范圍內(nèi)關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)的專利技術(shù)已超過五十多件，關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用的論文也超過了五十多篇，現(xiàn)在每年都有關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的專利申請及技術(shù)應(yīng)用論文的發(fā)表、而且都給出了較高評價。國產(chǎn)余隙無級調(diào)節(jié)裝置已同電儀＋ＰＬＣ＋液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了遠程自動實時的無級伺服調(diào)控，控制精度較高、達到２‰～３‰。國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)裝置的核心設(shè)備———執(zhí)行機構(gòu)，其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、拆裝便捷、控制精度高、無高速運動部件、基本免維護、維修簡便、維修速度快（不足一天）、使用壽命長、安全可靠性高、壓縮機輸出氣量穩(wěn)定、節(jié)能效率較高、性價比高，等［１７－２５］，參見圖３。當前，國產(chǎn)余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)不但解決了無級調(diào)節(jié)和伺服級控制的技術(shù)問題，而且其調(diào)節(jié)范圍從理論上推導和計算來講：對雙作用壓縮機來講，可達５０％～１００％；對單作用壓縮機來講，為０％～１００％［３８－４０］；因此，該技術(shù)的氣量調(diào)節(jié)范圍比較適宜，能滿足絕大多數(shù)往復活塞式壓縮機節(jié)能改造的要求，因為壓縮機后續(xù)生產(chǎn)工藝極少能按照低于６０％額定負荷運行去設(shè)計壓縮機，這也就確保了壓縮機在低于６０％額定負荷長周期運行的可能性大大降低?？蛻舻默F(xiàn)場實際應(yīng)用也驗證了前述推算［３９，４０］。截止２０２０年底，國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)已推廣應(yīng)用了１１年，利用該技術(shù)節(jié)能改造的往復活塞式壓縮機約２００臺左右。據(jù)反映，客戶只要使用過該技術(shù)產(chǎn)品，３年內(nèi)就會發(fā)現(xiàn)該技術(shù)產(chǎn)品以上的諸多優(yōu)點。經(jīng)實地考察，了解到中國石化集團某分公司從２０１３年至２０２０年的七年間，利用該技術(shù)已累計節(jié)能改造了９臺往復活塞式壓縮機，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益，深受客戶稱贊，見表１。這也足以印證了該技術(shù)的過硬特點之處。余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在２００９～２０２０年間的１１年發(fā)展過程中，該技術(shù)產(chǎn)品也出現(xiàn)過：執(zhí)行機構(gòu)活塞桿斷裂、余隙活塞脫落、油缸筒或余隙缸筒脹裂、缸筒鍍層損壞、裝配或安裝螺栓蹦斷、控制箱爆燃、控制油管線或卡套接頭崩開、密封組件使用壽命未達到技術(shù)協(xié)議要求使用年限等的嚴重事故，給使用客戶造成了不小的經(jīng)濟損失和精神傷害，也產(chǎn)生了對該技術(shù)還不成熟的懷疑，甚至出現(xiàn)了對該技術(shù)完全否定的態(tài)度。但從前述事故現(xiàn)象看，這主要是制造商的產(chǎn)品質(zhì)量所致，不應(yīng)質(zhì)疑該技術(shù)。在具體的客戶應(yīng)用實踐中，有的余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)較長，這主要是因為壓縮機的壓縮比較小所致，而且大都是一級兩列往復活塞式壓縮機出現(xiàn)的情況。對于這種情況，只要其安裝和檢修空間足夠，采用余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)仍具有實施的必要性。四、技術(shù)特性余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在十余年的創(chuàng)新發(fā)展的過程中，不斷消除“固定補助余隙容積調(diào)節(jié)”和“可變補助余隙容積調(diào)節(jié)”技術(shù)的缺點和缺陷，特別是以往那種靠壓縮機停機后人工手動才能完成負荷調(diào)節(jié)操作的狀況被徹底改變，不但實現(xiàn)了負荷的無級伺服調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)精度高、安全可靠性高、穩(wěn)定性高，等。這一調(diào)控技術(shù)的突破，受益于現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，它采用了液壓電磁閥控制技術(shù)＋電氣儀表控制技術(shù)＋ＰＬＣ＋人機對話平臺等的綜合控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)余隙活塞位移，實現(xiàn)補助余隙容積的改變，進而達到改變壓縮機氣缸入口容積流量的變化，并最終實現(xiàn)壓縮機排氣量的調(diào)節(jié)和最大化節(jié)能降耗的目的。余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的部分特性指標，見表２?，F(xiàn)階段余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)除了表２中的一些特性指標外，某些論文給出了余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)另外的一些特性指標：“能實現(xiàn)壓縮機平穩(wěn)開啟、平穩(wěn)切換和停機，同時可實現(xiàn)較短時間內(nèi)不停機即可實現(xiàn)維修控制系統(tǒng)”［４１－４３］；“隨著壓縮功的降低，壓縮機曲軸、連桿機構(gòu)等零部件的受力也將大大降低，噪聲也會隨之降低；壓縮機振動減??；設(shè)備運行更加穩(wěn)定可靠”［４４－４７］。隨著余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，某些特性指標將會得到進一步理論推導和實踐驗證。五、結(jié)語余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)只有在不斷創(chuàng)新發(fā)展的過程中不斷自我革新，才能適應(yīng)時代和社會發(fā)展的要求；對往復活塞式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進行研究，可以佐證余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)已不是人們很早以前了解的那個笨重、易損件多、調(diào)節(jié)困難等的技術(shù)，而且還佐證了新技術(shù)產(chǎn)品的諸多優(yōu)異特性對節(jié)能改造后的壓縮機具有較好優(yōu)化和保護。余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)具有的高安全可靠性、高性價比和高的壓縮機能源利用效率及能實現(xiàn)最大化壓縮機節(jié)能降耗，將更有利于增加客戶的經(jīng)濟和社會效益，同時，也有利于國家降低二氧化碳排放目標的實現(xiàn)。參考文獻：［１］中國通用機械工業(yè)協(xié)會壓縮機分會．壓縮機行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃［Ｃ］．第八屆會員大會暨第四屆壓縮機產(chǎn)業(yè)發(fā)展年會，２０２１：２９－５０．［１］中華人民共和國中央人民政府．中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和２０３５年遠景目標綱要［Ｒ／ＯＬ］．新華社，２０２１－０３－１３．［２０２１－０６－２６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｘｉｎｗｅｎ／２０２１－０３／１３／ｃｏｎｔｅｎｔ＿５５９２６８１．ｈｔｍ．［３］楊成炯，肖忠臣．往復式氫氣壓縮機的工藝調(diào)節(jié)［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２００２，１７３（３）：１２－１４．［４］任智，王存智．往復式壓縮機流量調(diào)節(jié)方式淺析［Ｊ］．石油化工設(shè)備技術(shù)，２００３，２４（４）：２１－２３．［５］彭乾冰，王百森，高海山，等．氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在重整裝置增壓機上的應(yīng)用［Ｊ］．中國設(shè)備工程，２００８，０７：１３－１６．［６］錢廣華．重整裝置往復壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)節(jié)能效果分析［Ｊ］．石油石化節(jié)能與減排，２０１１，１（３－４）：１６－１９．［７］王天全，朱榮欣，曲峰，等．ＨｙｄｒｏＣＯＭ在柴油加氫往復壓縮機的應(yīng)用［Ｊ］．石油和化工設(shè)備，２０１２，１５（６）：３９－４０＋３８．［８］李金波．往復式壓縮機的流量調(diào)節(jié)方式探討［Ｊ］．石油化工設(shè)備技術(shù)，２０１３，３４（１）：４５－４６＋５０．［９］潘巖，呂晨昊，祁輝．往復式壓縮機３種氣量調(diào)節(jié)方式的比較［Ｊ］．聚氯乙烯，２０１４，４２（５）：３３－３８．［１０］李天壽，徐潔，劉虎，等．ＨｙｄｒｏＣｏｍ氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在往復機上的應(yīng)用［Ｊ］．化工管理，２０１５，２３：１８．［１１］袁小坪，黃勇，周寶成，等．無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)重整工藝中的應(yīng)用［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０１６，２５６（０２）：３１－３５．［１２］席治國．氣田用往復壓縮機氣量調(diào)節(jié)方式應(yīng)用分析［Ｊ］．石油化工設(shè)備技術(shù)，２０１７，３８（４）：３１－３４．［１３］王亞格．ＦｌｕｘＴｏＦｌｏｗ無級流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０１８，２６７（０１）：４０－４４．［１４］馬昌岳．ＨｙｄｒｏＣＯＭ無級調(diào)節(jié)在新氫壓縮機上的應(yīng)用與分析［Ｊ］．化學工程與裝備，２０１９，１２：１５９－１６０．［１５］盧江波，馮坤．氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)電效果研究［Ｊ］．節(jié)能與環(huán)保．２０２０，（０８）：７０－７２．［１６］賴通榮，游碧龍．煉油裝置往復式壓縮機余隙容積自動無級調(diào)節(jié)及節(jié)能改造［Ｊ］．石油化工設(shè)備技術(shù)，２０１０，３１（６）：１４－４３．［１７］劉征宇，張志剛．可調(diào)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)在加氫改質(zhì)裝置往復機上的應(yīng)用［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０１２，２３４（０４）：２３－２５．［１８］黎周麟．一種新穎合理的可調(diào)余隙缸結(jié)構(gòu)設(shè)計［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０１３，２３８（０２）：４５－４６＋４９．［１９］周蘭生，寧德君．可調(diào)余隙調(diào)節(jié)氣量在往復式壓縮機上的應(yīng)用及節(jié)能效果［Ｊ］．蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院學報，２０１４，１４（２）：２３－２５．［２０］鞠建民，劉軍峰．余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)在往復壓縮機上的應(yīng)用［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０１５，２５４（０６）：４９－５０＋５３．［２１］李書璞，顧興坤，岳建華，等．往復式壓縮機余隙調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用［Ｊ］．石油化工設(shè)備，２０１６，４５（５）：６０－６５．［２２］梁成虎，胡進旭，要曉瑋，等．余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)在柴油加氫裝置的應(yīng)用［Ｊ］．石化技術(shù)，２０１７，２４（０１０）：３６．［２３］徐文廣，蒙毅，李書璞，等．連續(xù)重整裝置氫氣增壓機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)應(yīng)用［Ｊ］．石油化工設(shè)備，２０１８，４７（６）：６９－７３．［２４］顧興坤，劉燕，顧曉偉．往復式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用［Ｊ］．中國設(shè)備工程，２０１９，（５）：１４８－１５０．［２５］陳青松，楊楊，祝進．往復壓縮機兩種氣量調(diào)節(jié)方式的比較［Ｊ］．壓縮機技術(shù)，２０２０，（６）：３６－４１＋１７．［２６］《活塞式壓縮機設(shè)計》編寫組．活塞式壓縮機設(shè)計［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，１９７４：５５１－５８５．［２７］郁永章，石華鑫，林梅，等．活塞式壓縮機［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，１９８２：２６１－２７５．［２８］王迪生，楊樂之，石華鑫，等．活塞式壓縮機結(jié)構(gòu)［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，１９８８：２８０－２９７．［２９］郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊，等．容積式壓縮機技術(shù)手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２０００：８２２－８３６．［３０］郁永章，姜培正，孫嗣瑩．壓縮機工程手冊［Ｍ］．北京：中國石化出版社，２０１２：３９７－４０９．［３１］ＫｅｎｎｅｔｈＨＷｈｉｔｅ．ＩｎｆｉｎｉｔｅｌｙＶａｒｉａｂｌｅＣａｐａｃｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１９７２ＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＷｅｓｔＬａｆａｙｅｔｔｅ：ＰｕｒｄｕｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９７２：４７－５１．［３２］ＴＨＥＨＡＮＯＶＥＲＣＯＭＰＡＮＹ．ＴｅｃｈｎｉｃａｌＭａｎｕａｌｏｆＡＲＩＥＬＨｅａｖｙ

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