1引言

工藝用壓縮機(jī)是石油化工企業(yè)的重要及關(guān)鍵的大型設(shè)備。在石油化工領(lǐng)域，工藝用壓縮機(jī)的能耗大，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占企業(yè)總耗電量的12%-32%。工藝用壓縮機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性一直是國(guó)內(nèi)外同行專業(yè)研究的前沿。但長(zhǎng)期以來工藝用壓縮機(jī)的節(jié)能降耗，并沒有引起國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的足夠重視，企業(yè)技術(shù)人員、管理人員重視安全運(yùn)行等可靠性的問題，不注重經(jīng)濟(jì)性的研究。因此，提高工藝用壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力，降低運(yùn)行成本，達(dá)到提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)裝置總能耗，對(duì)工藝用壓縮機(jī)節(jié)能挖潛是十分必要的。

2運(yùn)行工況特點(diǎn)及省功途徑分析

工藝用壓縮機(jī)運(yùn)行工況與其他一般用途壓縮機(jī)相比有其特點(diǎn)：

(1)運(yùn)行的連續(xù)性。工藝用壓縮機(jī)是化工生產(chǎn)工藝中的重要的動(dòng)設(shè)備，一般力求無故障長(zhǎng)期連續(xù)安全運(yùn)行8000h以上。

(2)工質(zhì)的腐蝕性和易燃性。壓縮介質(zhì)一般都具有一定的腐蝕性和有些工藝氣體還具有易燃、易爆性，所以，排氣溫度有嚴(yán)格的限制。

(3)工藝性。運(yùn)行參數(shù)受工藝流程的制約，一般運(yùn)行工況在低于額定工況下波動(dòng)。

(4)復(fù)雜性。為滿足工藝要求，壓縮介質(zhì)的組分多種，壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式不同、級(jí)間抽氣、加氣、凈化等多種情況都可能存在。

因此，工藝用壓縮機(jī)得節(jié)能必須結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，具體研究和分析。它的經(jīng)濟(jì)性和可靠性關(guān)系到化工生產(chǎn)的成本與效率。

按理論分析，壓縮氣體耗功與壓縮過程指數(shù)有關(guān)。降低壓縮過程指數(shù)可節(jié)省壓縮機(jī)指示功率，為此，可通過氣缸強(qiáng)化換熱的方法，盡力改善換熱條件，降低壓縮過程指數(shù)。其二，盡力減少功率損失，也是節(jié)能的主要途徑之一。影響功率損失因素主要包括：(1)進(jìn)、排過程的氣閥功率損失;(2)活塞環(huán)、填料等摩擦損失;(3)運(yùn)動(dòng)件的其他機(jī)械損失;其三，根據(jù)化工生產(chǎn)的長(zhǎng)期性和連續(xù)性，提高易損件壽命，延長(zhǎng)安全運(yùn)行周期，減少因故障停車造成的損失是尤為重要的。其四，由于壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)工況長(zhǎng)期不一致，也會(huì)影響

壓縮機(jī)的運(yùn)行效率。應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，合理選擇適宜的熱力參數(shù)，提高運(yùn)行效率。

3冷卻系統(tǒng)對(duì)耗能的影響

因化工生產(chǎn)的特點(diǎn)，工藝用壓縮機(jī)多屬于大中型、高壓、多級(jí)的水冷式壓縮機(jī)。冷卻系統(tǒng)多數(shù)采用氣缸夾套水冷和級(jí)間冷卻器并聯(lián)或混聯(lián)結(jié)構(gòu)。冷卻系統(tǒng)的效果直接影響耗功和排氣溫度。根據(jù)理論分析，級(jí)間冷卻效果下降，直接影響下一級(jí)的耗功。溫度每增加3度，下一級(jí)的耗功約增加%1氣缸冷卻主要是為了降低壓縮過程指數(shù)，達(dá)到省功和降低壓縮氣體終了溫度的作用，并使氣缸有較均勻的溫度場(chǎng)。為此，運(yùn)行中調(diào)整適當(dāng)?shù)睦鋮s水流量及控制冷卻水溫度，使其有較好的冷卻效果，達(dá)到省功的目的。

圖1是單級(jí)小型氣缸水冷壓縮機(jī)在300r/min時(shí)，冷卻水流量和比功率變化的擬合曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出在一定的轉(zhuǎn)速下存在一個(gè)最佳的冷卻水流量的問題。對(duì)于工藝用壓縮機(jī)一般容積流量、氣缸直徑相對(duì)較大，冷卻水通過缸壁所導(dǎo)出的氣體熱量很少。特別是高轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)的壓縮過程指數(shù)和絕熱壓縮過程指數(shù)相差很小。但大型工藝用活塞式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較低，多數(shù)在150-400r/min，所以，工藝用壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，按冷卻水的最佳流量，盡可能降低壓縮過程指數(shù)，以節(jié)省功率消耗，并使氣缸有較均勻的溫度場(chǎng)，有利于潤(rùn)滑及提高摩擦易損件壽命。


對(duì)于工藝壓縮機(jī)，還應(yīng)注意到，并非冷卻水流量愈大愈好。過大的冷卻水量會(huì)導(dǎo)致氣缸鏡面上潤(rùn)滑油的溫度過低，影響潤(rùn)滑油的性能，增加摩擦功率，比功率增加。

4氣閥是影響工藝用壓縮機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵

氣閥是壓縮機(jī)中重要核心部件。其質(zhì)量和性能影響到壓縮機(jī)運(yùn)行和耗能，直接關(guān)系到生產(chǎn)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)秩序。氣閥的壽命短是石化企業(yè)經(jīng)常遇到制約生產(chǎn)的技術(shù)難題。解決好這一難題，對(duì)于石油化工等領(lǐng)域的大型壓縮機(jī)意義重大。根據(jù)化工生產(chǎn)的特點(diǎn)，工藝用壓縮機(jī)氣閥對(duì)耗能的影響主要有兩個(gè)方面，一是氣閥的阻力損失對(duì)功率的影響;二是氣閥的使用壽命過低，安全運(yùn)行周期過短，造成由于經(jīng)常故障停車帶來對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的損失和人工、物料、備件的損耗。特別是后者尤為重要。

4.1影響氣閥壽命和能耗的原因分析

運(yùn)行實(shí)踐證明，氣閥使用壽命過短，往往是由于閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不合理造成的。根據(jù)實(shí)際損壞氣閥的拆檢，破壞形式主要是閥片、閥簧斷裂。閥片幾乎都是徑向斷裂的。從斷口和裂紋的情況分析，閥片的斷裂可判斷出，是由于頻繁撞擊而造成的。說明氣閥彈簧力不合理，過大、過小都會(huì)影響閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，直接影響氣閥的使用壽命和能量損失。因此，氣閥的彈簧力是提高氣閥

使用壽命和減少能量損失的關(guān)鍵。圖2是某化肥廠工藝流程中的壓縮機(jī)高壓級(jí)排氣閥根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況模擬的閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。


從實(shí)際運(yùn)行工況模擬的閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律看出，閥片發(fā)生了“顫振”現(xiàn)象。氣閥的實(shí)際使用壽命僅能達(dá)到800~900h?？擅黠@地判斷出在該工況下氣閥彈簧力過大，導(dǎo)致閥片的撞擊頻率和次數(shù)數(shù)倍增加。分析其原因主要是：

(1)工藝用壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況一般都比較復(fù)雜，往往受化工流程的變化而波動(dòng)，當(dāng)不穩(wěn)定工況長(zhǎng)期偏離額定壓力較大時(shí)，必然會(huì)造成閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變，導(dǎo)致閥片延遲關(guān)閉或發(fā)生“顫振”。


(2)該工藝用壓縮機(jī)的運(yùn)行工況長(zhǎng)期低于設(shè)計(jì)工況，氣閥的彈簧力過大，閥片的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了“顫振”。撞擊頻率、次數(shù)增加，損失增加，壽命下降。

4.2改進(jìn)措施

結(jié)合工藝流程實(shí)際，針對(duì)氣閥損壞的原因，在諸多影響因素中氣閥彈簧力是提高氣閥壽命降低流動(dòng)阻力損失的重要參數(shù)。因此，改進(jìn)的重點(diǎn)一定要根據(jù)該工藝用壓縮機(jī)長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行的工況，優(yōu)化氣閥結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新確定氣閥的彈簧力，使閥片有良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以保證氣閥有足夠的使用壽命，盡可能延長(zhǎng)壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。達(dá)到節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)。

對(duì)上述高壓級(jí)的排氣閥，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況修改了原結(jié)構(gòu)參數(shù)，氣閥的彈簧力做了從新調(diào)整，使氣閥的功率損失減少，閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律趨于合理，使用壽命提高了2~3倍。圖3為改進(jìn)后該高壓級(jí)排氣閥閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。另外，提高壽命，延長(zhǎng)了安全運(yùn)行周期，減少了因故障停車而造成的生產(chǎn)損失，節(jié)約了檢修和備件的費(fèi)用，生產(chǎn)能力提高3%以上，年均節(jié)能增效可達(dá)2%~3%。收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

5活塞環(huán)對(duì)工藝用壓縮機(jī)耗能的影響

活塞環(huán)是活塞壓縮機(jī)的主要密封件，又是重要的運(yùn)動(dòng)摩擦件，也是關(guān)鍵的易損件之一。它的壽命和性能關(guān)系到生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量和效益，影響系統(tǒng)的生產(chǎn)秩序。為此，提高活塞環(huán)的使用壽命和改善活塞環(huán)摩擦特性對(duì)工藝用壓縮機(jī)尤為重要。所以，工藝用壓縮機(jī)如何結(jié)合具體實(shí)際，合理的確定活塞環(huán)材質(zhì)和改善潤(rùn)滑對(duì)提高壽命、減少摩擦功率定會(huì)起到一定的作用。

有油潤(rùn)滑和無油潤(rùn)滑是目前活塞式壓縮機(jī)氣缸的潤(rùn)滑的主要兩種方式：

(1)鑄鐵活塞環(huán)是有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)普遍采用的材質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是金屬活塞環(huán)采用油潤(rùn)滑，摩擦損失功率相對(duì)較小，活塞環(huán)導(dǎo)熱性能好，潤(rùn)滑油可起到密封作用，并可攜帶一部分活塞環(huán)與氣缸摩擦產(chǎn)生的熱量。缺點(diǎn)主要是壓縮氣體中含潤(rùn)滑油，壓縮介質(zhì)受到污染。

(2)填充聚四氟乙烯活塞環(huán)是無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)常采用的材質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是壓縮氣體不受污染，缺點(diǎn)是填充聚四氟乙烯機(jī)械強(qiáng)度受限，摩擦功率、泄漏量相對(duì)較大。因此，在工藝氣體純度要求不很高的情況下，特別是在高壓力差時(shí)，可采用少油潤(rùn)滑方式彌補(bǔ)上述缺陷，即活塞環(huán)采用填充聚酰胺材質(zhì)的少量潤(rùn)滑油潤(rùn)滑方式。該方式綜合性能較好，可獲得較好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并可節(jié)省潤(rùn)滑油。

5.1活塞環(huán)的機(jī)械性能與摩擦性能比較分析

對(duì)典型的活塞環(huán)常用材質(zhì)的機(jī)械性能進(jìn)行了比較分析。填充聚酰胺材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度均優(yōu)于鑄鐵材質(zhì)?；钊h(huán)主要承受壓力和剪切力，特別是高壓機(jī)活塞環(huán)，由于兩側(cè)的壓力差較大，活塞環(huán)材質(zhì)的強(qiáng)度尤為重要。所以，對(duì)工藝用壓縮機(jī)的高壓機(jī)活塞環(huán)采用填充聚酰胺材質(zhì)可明顯提高使用壽命?；钊h(huán)材質(zhì)的機(jī)械性能比較見表1。


通過實(shí)驗(yàn)對(duì)活塞環(huán)材質(zhì)與高壓級(jí)氣缸常用碳鋼材質(zhì)對(duì)磨進(jìn)行了摩擦特性比較分析，在磨擦磨損試驗(yàn)機(jī)上模擬了活塞環(huán)與氣缸對(duì)磨的3種情況。實(shí)驗(yàn)分別模擬鑄鐵活塞環(huán)對(duì)碳鋼氣缸正常油量潤(rùn)滑、填充聚酰胺活塞環(huán)對(duì)碳鋼氣缸采用正常潤(rùn)滑油量的一半少油潤(rùn)滑、填充聚四氟乙烯活塞環(huán)對(duì)碳鋼氣缸無油潤(rùn)滑3種方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見摩擦特性曲線。

根據(jù)以上在不同潤(rùn)滑條件對(duì)磨的方式下，3種材質(zhì)的摩擦特性表明，3種情況的摩擦特性幾乎沒有什么大的區(qū)別。但采用填充聚酰胺為活塞環(huán)材質(zhì)少油潤(rùn)滑時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是填充聚酰胺機(jī)械強(qiáng)度高，耐溫性好，并且本身具有一定的自潤(rùn)滑性，可節(jié)省部分潤(rùn)滑油。特別適用于工藝壓縮機(jī)高壓級(jí)的活塞環(huán)，在活塞兩側(cè)的壓力差較大時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)越，可明顯提高使用壽命。


5.2運(yùn)行效果及分析

針對(duì)合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝用壓縮機(jī)的V、VI級(jí)活塞環(huán)進(jìn)行改造試驗(yàn)?；钊麅蓚?cè)的最大壓力差可達(dá)10~14MPa，原鑄鐵活塞環(huán)采用油潤(rùn)滑，經(jīng)常斷裂破壞，使用壽命僅達(dá)到3000h左右。改用活塞環(huán)材質(zhì)為填充聚酰胺，并在減少近一半潤(rùn)滑油量的條件下運(yùn)行，效果良好。與有油潤(rùn)滑相比，潤(rùn)滑油對(duì)氣體的污染程度有大幅度降低。保證了活塞環(huán)有足夠的強(qiáng)度，解決了活塞環(huán)經(jīng)常斷

裂損壞的問題。使用壽命提高了2~3倍，超過8000h以上。每年僅節(jié)約檢修、故障停車所造成的生產(chǎn)損失就達(dá)20多萬元。因此，對(duì)于高壓級(jí)活塞環(huán)，在壓縮介質(zhì)中含有微量潤(rùn)滑油，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量沒什么影響的情況下，應(yīng)盡可能采用填充聚酰胺少油潤(rùn)滑方式。此方案材質(zhì)性能好、泄漏量少、省功、省油，并可明顯提高使用壽命，增大產(chǎn)量。

6結(jié)語

綜上所述，對(duì)工藝用壓縮機(jī)的節(jié)能降耗，必須緊密結(jié)合化工生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際，根據(jù)具體的運(yùn)行工況、壓縮介質(zhì)以及經(jīng)常出現(xiàn)的故障，分析探討、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和有關(guān)典型部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。達(dá)到減少功率損失、提高易損件使用壽命，延長(zhǎng)機(jī)器的穩(wěn)定安全運(yùn)行周期，省功、節(jié)水、節(jié)約潤(rùn)滑油。減少由于故障停車造成的與備機(jī)切換排空、置換、備件，以及造成生產(chǎn)系統(tǒng)的一切損失。改善潤(rùn)滑，減少泄漏，提高排氣量，以致提高產(chǎn)量、提高整套生產(chǎn)裝置的經(jīng)濟(jì)效益。