往复式氢气压缩机的特点及调节

往复式氢气压缩机的特点及调节 随着石化产品加工深度的进一步增加，氢气压缩机在石化装置中的应用越来越广泛，本文结合石化装置操作要求及往复式氢气压缩机的特点，讨论其在生产中的调节方法及利弊。 一、往复式氢气压缩机的特点 和其它应用场合一样，往复式压缩机是利用容积的改变使气体受到压缩，石化装置中通过往复式压缩机提高氢气压力以满足工艺操作的要求，一般具有以下主要特点: 1(压缩的气体是烃类和氢气的混合气体，属易燃、易爆气体; 2(通常进出口压差大、排气压力高，需采用多级压缩实现较大的压力比: 往复式压缩机对被压缩气体的分子量不敏感，可以在每一压缩级中达到2,3的压力比，适合用于新氢的压缩。 3. 要限制每一压缩级的出口温度不超过135?。 氢气和空气相比具有较大的滑移位数，在压缩过程中，易通过活塞环泄漏，造成温度的升高，亦降低了容积效率，和其他石油气相比压缩氢气时的容积效率的降低，同时较低的气体出口温度亦有利于气伐的寿命和可靠性。还减少了氢气在中的渗透。 4( 从安全角度要求，尽量采用无油或少油润滑。 经验证明，对气缸采用过多的润滑与润滑不充分相比，对可靠性的危害更大。目前在无油或少油润滑的压缩机上，活塞环寿命可达到4000,8000小时，活塞支撑环和活塞杆密封环的寿命可达到3年(25,000小时)或更长。 5( 控制活塞平均速度不大于3.5m/s 活塞平均速度由下式定义:(对双作用机器) 2S.n.V, m/s 60 V——活塞平均速度 m/s S——活塞行程 m n——压缩机转速 r/min 较高的活塞速度可能由较高的转数或行程长度造成，则对应着较频繁频的气阀的开闭次数以及往复运动部件较大的惯性力，同时对活塞环及支撑环亦造成较大的磨损，从安全角度要求，要限制其活塞平均速度。 二、往复式氢气压缩机的流量调节 在装置的实际操作中，由于处理量或其他因素的变化，会对压缩机的流量提出新的要求，对于一台现有的往复式压缩机要想增加流量，必须改造或更换压缩机，这对正常操作的装置而言，困难大、可能性很小，而且会造成经济上的浪费，必须注意: 选配往复式压缩机时应考虑装置要求的最大流量并应留有适当的余度，以方便日后的装置操作。因而相对于额定流量而言，往复式压缩机的流量调节均是减小流量的调节，常用的方法有: 1、余隙容积调节法: 改变压缩机气缸中的有效余隙容积，可以改变压缩腔室中吸入的气体量，在新鲜气体从进气阀进入压缩腔室之前，残留在余隙中的气体膨胀至进口压力，当余隙容积足够大时，压缩机压缩腔的最小排气量可降至零。余隙容积调节法的缺点是:初始投资大，而且当布置在气缸的曲轴侧时，存在着空间分布的困难。余隙调节有如下几种型式: 1)固定余隙容积: 通过一些关闭装置在压缩机气缸上连接一个固定的容积腔，这些关闭装置可以是一 个带卸荷器的压缩机气阀，或者是一个栓塞。当使用中间开孔的双层阀或者是中间开孔的单层阀时，余隙容积可设计成与阀窝相通。对于缸头余隙，可以方便地附加一些瓶状的容积。这样可以对压缩机排量进行有级调节。打开连接阀即意味着排量最小，关闭连接阀即意味着满负荷。 2) 可变余隙容积: 可变余隙几乎全部安置在压缩机缸头端，由一个瓶状的腔室和一个可移动的活塞组成。活塞通常由一个手动的手柄来驱动。余隙容积的活塞可以连续调节，但这种设计应注意的问题是余隙活塞的填料处易产生泄漏，对高压氢气压缩机而言，余隙调节需要较大的驱动力。当气体介质不干净，且余隙活塞长期没有移动时，活塞可能被粘住，不易改变位置 2、卸荷调节法 该调节方法是在气缸的进气阀上安装卸荷器，对压缩机进行流量调节，对单列双作用气缸，可实现0、50%、100%的流量调节，对双列单作用气缸可实现0、25%、50%、75%、100%的流量调节，该调节方法的特点是只能实现有级的分档调节，另外，由于气流在气阀处的摩擦会产生热量，并会在气缸中形成热量积累，使气缸中的温度升高。该方法一般只能作为开停时的操作，不宜作为长期的操作调节。卸荷调节有下列三种方式: 1)指式卸荷器 即我们常说的卸荷器，在吸气及压缩过程中，它使气阀密封元件处于开启位置。吸气时，气体从压开的吸气阀吸入气缸，压缩过程中，气体又从压开的吸气阀重新回到吸气管线中。卸荷器处于卸荷状态时无法形成有效的压缩功。当然，由于气流通过阀隙时产生节流效应，也会消耗一部分压缩功转化成热能。由于卸荷器安装在气阀的正前方，因此气阀的有效流通面积也受卸荷器的影响，对于一个合理的设计而言，该影响应不超过5-10%，而且在所有的使用工况及不同的气体流向时均应如此。若一个气缸有多个吸气阀，为正确卸荷以及尽量减少热量的产生，应同时使所有气阀卸荷。 2)柱塞卸荷器调节法 柱塞式卸荷器可替代指式卸荷器，用来对气缸进行卸荷，尽管柱塞式卸荷器机械性可靠，但应考虑其在卸荷和非卸荷状态时气阀的阻力损失。 柱塞卸荷器的基本结构是在进气阀的中心开一个孔与气缸相通，或在缸上单独开一个孔与气缸相通。当气缸处于非卸荷状况时，柱塞插入该孔中以封闭该孔。当柱塞孔开在气阀中心或单独开在气缸上时，将影响气阀的流通面积或占用了气缸上开阀窝的面积。应当检验柱塞的有效面积应是否足够，以确保气缸能完全卸荷。当使用柱塞卸荷器使气缸卸荷时，在吸气过程中，气阀能正常开启，此时柱塞孔面积和气阀流通面积都属有效面积。但在排气过程中，仅柱塞孔面积有效。 当考虑应用柱塞卸荷时，建议应先详细计算气阀损失。 3) 气阀提升器 以往曾经有人使用气阀提升器将整个吸气阀从阀窝中提升起来，以达到对气缸进行卸荷的目的。从效率角度来讲，这是一种非常有效的方法。因为卸荷状态下，不仅气阀面积能有效通流，整个阀窝面积都能有效通流。API618不推荐这种方法，是因为气阀回位相当困难。因此这种方法并不常用。 3、 部分打开吸气阀调节法 该调节的方法是在进气阀上安装一个带执行机构的卸荷器，在排气行程的一部分时间，卸荷器使进气阀处于打开状态。进气阀延迟关闭，使得一部分压缩腔中的气体倒流到进气管线中，仅当进气阀关闭后(或被允许关闭后)，气缸中剩余的气体才被压缩并经排气阀排出。 通过这种方法，排气量的调节范围可以达到将近60,(即从100,满负荷到40,满负荷)。当最大回流时，如果气流冲击力不足以克服卸荷力，此时气阀将始终处于开启状态，即完全卸荷状态。 4、 变转速调节压缩机能力 这种调节方法通常用于发动机驱动的压缩机。由于变转速电机成本太高，因此电机驱动时转速通常是固定值。这种调节方法经济、有效，转速范围主要取决于驱动机的情况，但同时也受压缩机的限制。当转速降低时，转速波动值通常增高，与速度下降率的平方成正比。例如:假设当100,转速运行时，波动系数为1,，而当速度下降5,时，波动系数则上升至4,，这样可能振动过大，导致压缩机本身及基础的破坏。另外，转速降低时，可能影响主轴承的润滑效果及反向力(API618第2.4.4节)，反向力是十字头轴承的润滑所必须的。同时，因转速改变，气阀有可能要重新布置，综合以上一些原因，实际经验表明，降低转速时，极少低于正常转速的40,。 5、 旁路调节 在所有的调节法中，旁路法能耗最高，其基本原理是将过量的压缩气体通过中冷器和控制阀，从压缩机的排气侧导入吸气侧，而用于压缩这部分过量气体的能量完全浪费掉了。但旁路调节采用调节阀控制，可实现无级自动调节，调节范围大并可靠，尤其适合于石化装置对流量进行精确自动调节的要求。 在多级压缩的往复式压缩机中，一般采取级间回流的控制手段，使每次压力比尽量接近设计值。 往复式压缩机是对容积(或体积)敏感的机器，当每级气缸的进气量(一定入口压力下的)改变时，会造成级压力比的变化，进而影响各级活塞力的改变，会影响或恶化压缩机各列和整机的动力平衡。 6、 主动阀 随着电子技术的进步，气阀可以通过机械装置控制其启闭运动。这就意味着气阀两侧的压差已不再成为决定气阀何时启闭的因素，一些外置的机构将决定气阀何时启闭，压差在启闭过程中只起辅助作用。简言之，就是一个带卸荷器的正常的吸气阀和一套专门的电子,液压执行机构。用于电子驱动的电磁阀，允许很高的液压作用在一个小缸上，通过卸荷器将吸气阀压开，当小缸中的液压释放后，气缸中的气体压力作用在吸气阀阀片上，使吸气阀关闭。对于这套系统，电磁阀的灵敏度极为重要。其对时间的响应灵敏度不超过1毫秒，高压驱动液体量非常小。为减少气阀开启时的撞击，可以计算出一个适当的开启瞬时时刻。通过液力缓冲系统，可以降低气阀关闭时的撞击。吸气阀的开启时刻并不是非常重要，但应稍早于气缸中压力到达管线中压力的时刻。吸气阀的关闭时刻可以在压缩过程中的任意时刻开始，这样便可以对压缩机的排气量从0,,100,进行无级调节。目前，这套系统只能适用于吸气阀。对排气阀而言则需要更高的卸荷力，而且卸荷系统故障还会引发安全问题。 这套系统的优点是，即使在变工况的条件下，也可以对气阀进行完好的动作控制，由于它允许气阀的升程做得很大，因此气阀的有效流通面积就大，另外，它可以进行无级调节。这套系统的缺点是初始成本高(这会随时间而改变)，相对而言，其电子,液压系统较复杂，另外卸荷力也有限。 三、往复式压缩机的压力调节 往复式压缩机的排气阀为自动排气阀，所以压缩机的排气压力通常是由压缩机的排气背压决定的，在一定范围内，压缩机可以自动跟踪背压的变化，不需人工调节，但需考虑排气压力的变化对压缩机的影响。 1、出口压力不变 如入口压力升高，则总压比降低，级间压力重新分布;一般排气温度降低，排气量有所增加，但须校核新的入口压力及级间压力是否超标;如入口压力降低，则总压比升高，级间压力也重新分布，一般排气温度有所升高，排气量有所降低。 2、入口压力不变 如出口压力升高，则总压比升高，级间压力重新分布;一般排气温度升高，排气量有所降低，但须校核新的出口压力及级间压力是否超标;如出口压力降低，则总压比降低，级间压力也重新分布，一般排气温度有所降低，排气量有所升高。 3、入口、出口压力同时变化 主要看总压缩比的变化，具体情况可参照以上分析。 4、压力变化对轴功率的影响 对于压比较小的压缩机(如循环氢压缩机)，进口压力降低，轴功率一般会增加，反之轴功率会减小;对于压比较大的压缩机(如新氢压缩机)进口压力降低，轴功率一般会减小，反之轴功率则增加。出口压力增加，轴功率增加，排气温度升高;反之轴功率减小;排气温度降低。 5、对活塞力的影响 对于一台现有的压缩机，其活塞力的设计允许值是一定的;压缩机的进排其压力的变化，会使活塞荷载发生变化;排气压力升高，一般会导致活塞力增加;实际生产中应注意，压缩机的活塞力不能超过许用值，否则将影响压缩机的正常操作，甚至发生活塞杆断裂及机器的损坏。 四、结束语 往复式氢气压缩机式加氢装置中的关键设备，根据压缩机自身的特点并结合工艺操作的要求，选择适当的调节方法，对提高压缩机的远行可靠性和稳定性有着深远的意义。