压缩机吸气阀工作状态改造

压缩机吸气阀工作状态改造

金宝明

（天津渤化永利化工股份有限公司天津300452）

摘要：通过增加压叉装置，对活塞式煤气压缩机吸气阀的结构功能改造，改变了压缩机的运行工况，满足了用户对煤气量的变化需求，达到节约电能的目的。

关键词：压缩机；活塞式压缩机；节能；吸气阀

随着市场竞争日益激烈，节能降耗已是企业降低生产成本，提高经济效益的重要手段之一。对煤气压缩机吸气阀结构功能改造，可以保证压缩机4种不同的运行方式。选择与用户需求相匹配的运行方式，减小压缩机做不必要的功，最终达到节约电能的目的。

1.项目改造背景

在实际生产中，用户单位对煤气的需求量变化不定，在很多时间，用户的需求量与压缩机的额定排气量存在不匹配问题。为了同时保证煤气的输送量和输送压力，符合用户需求，在压缩机的日常操作中，通过调节循环门的方式进行控制，即将多余的煤气由出口的循环管线返回到压缩机的入口处。根据往复活塞式压缩机的工作原理可知，这样操作，压缩机其实是一直在满负荷做功。必然存在多做无用功，浪费电能的问题。

2.节能原理

往复活塞式煤气压缩机工作原理是电动机通过联轴器与曲轴相连，曲轴带动连杆，连杆带动活塞做往复运动。活塞的运动使气缸容积发生变化。以左气缸的一侧气阀工作状态为例，当活塞向右运动时，气缸容积增大，吸气阀打开，排气阀关闭，煤气被吸进；当活塞向左运动时，吸气阀关闭，排气阀打开，煤气被排出。由能量守恒原理可知，压缩机的做功与吸排气量成正比例关系。以往通过调节循环门的方式控制并不能降低压缩机的工作负荷。所以，只有改变压缩机的吸排气量，压缩机的做功就会减小，从而电动机的功率就会下降，这样就达到了节约电能的目的，同时又可以满足用户单位在不同时期对煤气需求量变化的问题。

3.改造方案及原理

方案的思路是，通过一定的方法实现在压缩机工作过程中，可以控制进气阀的工作状态，使吸气量可调。吸气量的变化必然会引起排气量的变化，正比例变化。

根据吸、排气阀工作时，阀片的受力原理可知，阀片是在两边的作用力压差下启闭的。在正常情况下，压缩机吸气过程时吸气阀阀片受力为，缸内的压力+弹簧力≤进气管内的压力，阀片压死。排气过程时吸气阀阀片受力为，缸内的压力+弹簧力≥进气管内的压力，阀片顶开。通过在阀片上增加外力的方法，即选定0.5MPa压力的氮气作为气源。无论是在吸气过程还是在排气过程，吸气阀阀片一直处于顶开的状态，外力+缸内的压力+弹簧力≥进气管内的压力。

煤气是易燃易爆气体，为避免发生事故，用氮气作为气源，通过压叉装置，实现对吸气阀阀片顶开。压缩机机房现场有氮气引出管线，需要增加一台2m?的氮气稳压罐，与每个吸气阀压叉装置采用φ6mm的卡套接头连接。为实现25%、50%、75%、100%四种不同排气量控制，且要保证在压缩机工作时，曲轴的受力均衡，18组吸气阀要进行分组控制。

4.天然气压缩机气阀的动力学模型

一般来说，在天然气压缩机设计中，气阀的选择主要为环状阀，并被设计人员广泛应用。具体来说，环状阀的主要构成包括气阀的底座、阀片升程限制器以及弹簧等组成，各个部位所起的作用不尽相同。下面，以进气阀为例，其工作原理及流程如下：首先，需要使气阀进行逐渐膨胀，并运动至进气口的终点位置，这时，气缸与阀腔之间会不同程度上产生压力，并在二者之间形成压力差，以此来抵消弹簧所发出了推动力，使阀片离开气阀底座位置，在使气缸进行吸气，完成整个吸气过程。其次，当压力不断增大时，阀片会随之向上升高，达到一定高度时，阀片会撞击升程限制器，根据运动力学原理可知，可能会发生反弹现象的出现。最后，当进气阀中的活塞不断接近止点时，气阀中的进气速度会不断减缓，而气流推力也逐渐减弱，这时，阀片从升程限制器会向下降落，并回到气阀的底座之上。

由于Fg与压力差之间存在正比例关系，利用热力学原理以及流力学原理推导出来。

在气阀运动过程中，阀片之间会存在冲突和碰撞，会产生相应的推动力；而Fg与升程大小和时间之间的约束关系存在特殊性和复杂性，由此可见，阀片中获得的动力学模型是一种非线性模型，可以进行力学之间的替换。

5压缩机气阀中阀片运动的数值计算

在天然气压缩机中，气阀内部的气缸与阀座底部的对应位置已经确定，相对应的面积大小也提前固定好，因此，当阀片升程在逐渐增加时，气阀中的流通面积也逐渐增大，这样一来，更好的降低了阀隙中气流的流通速度，更高的避免了空气流通中压力的损失，进一步提高压缩机气阀的工作质量和工作效率。然而，当升程的增加与阀隙和阀座的截面保持一致时，由于升程过大，在无形中加快了阀片与升程限制器之间的冲突速度，这样就会大大缩短气阀的使用寿命，因此，当升程的增加与阀隙和阀座的截面保持一致时，没有必要再进行升程的增加。一般来说，气阀中的阀片质量要尽量小，因为小质量的阀片能够有效提高气阀运动的速度，减少阀片与其他零部件之间的碰撞力度。因此，在气阀设计过程中，对于阀片的选择要结合阀片材质、大小以及受力等方面的制约，要确保阀片的质量尽可能的小。因此，就上述内容而言，在阀片运动数值计算中，将h取值为3mm，m取值为0.3kg.

在气阀中，其弹簧产生的压力不能大于气流推力，这样做的好处就是避免阀片出现不能完全打开的状况，甚至可能出现颤振的现象。但弹簧产生的压力也不能过小，力度过小的话可能会延缓气阀的关闭时间，还可能会影响到天然气排量的变化。因此，基于运动学模型，取不同大小的弹簧力，并进行仿真模拟。

根据参数的选定，需要对阀片运动的相关数据进行精确计算，并根据计算结果，绘制不同状态下的曲线图。计算结果如下：第一，在阀片升程曲线图中，由于弹性系数过大，弹簧力度也相应增加，阀片在运动中出现明显震动现象，无形中延迟了阀片关闭的时间。第二，在不同状态下，通过曲线速度也能明显发现阀片处于震动状态，在这种状况下，升程限制器的冲击力一定大于阀座的冲击力。第三，通过活塞运动循环变化图可见，气缸压力是随之变化的。当弹簧力较大，压力波动较为明显，无形中增加了压力的损耗和功耗；当弹簧力较小时，阀片的关闭时间会出现一定程度上的延迟，气流量也逐渐降低，无法满足应有的需气量。第四，随着气阀弹力变化曲线可见，当弹力较小，气量、轴功率也呈下降趋势，但比功率却呈上升趋势，经济性也被削弱；当弹力较大时，比功率呈迅速上升的趋势，同时，经济性也在一定程度上被削弱。

6.结论

调节压缩机排气量时，用一定的氮气压力顶住吸气阀阀片方式，使用简单方便，运行安全可靠，完全可以满足用户的需求。经过一年多的使用，节能效果显著。

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