張洪彬

（云南云天化石化有限公司，云南安寧 650300）

1 引言

往復(fù)壓縮機以其壓力適用范圍廣，排氣效率高、排氣量大等特點，被廣泛應(yīng)用于我國石化、冶金、紡織等行業(yè)。在石化領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)運行中由于生產(chǎn)需求、生產(chǎn)負荷調(diào)整，壓縮機不能長期處于滿負荷下運行，因此就需要通過對壓縮機的氣量調(diào)節(jié)來滿足生產(chǎn)需要的負荷。

目前往復(fù)壓縮機氣量調(diào)節(jié)方式主要有：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)、全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)、余隙調(diào)節(jié)、無級氣量調(diào)節(jié)（部分行程壓開吸氣閥）。本文主要以全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)方式為基礎(chǔ)，探討其主要部件膜式氣缸形式選擇對壓縮機穩(wěn)定性運行的影響。

2 全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)方式介紹

全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)氣量方式是通過在往復(fù)壓縮機吸氣閥閥蓋上安裝一外置膜式氣缸，通過頂桿和卸荷器強制將吸氣閥閥片頂開，并使其保持持續(xù)開啟狀態(tài)，壓縮機進氣口的氣體全部經(jīng)強制頂開的吸氣閥返回到入口，這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、調(diào)節(jié)過程中氣體只需要克服氣閥開啟和關(guān)閉的阻力所造成的低功耗，是一種被廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)方式。但是其缺點是只能夠?qū)饬窟M行0%、25%、50%、75%、100%階梯調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍有限，僅限于粗調(diào)節(jié)并不能做到精確調(diào)節(jié)。

3 膜式氣缸工作原理

膜式氣缸在氣體力作用或彈簧力作用下，驅(qū)動頂桿運動，頂桿推動卸荷器，強制頂開氣閥閥片實現(xiàn)壓縮機卸載。

3.1 正作用式（氣體力驅(qū)動的膜式氣缸）

3.1.1 工作原理

氣體力驅(qū)動的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進氣閥配合使用，可以實現(xiàn)有風卸載，無風加載。即，當壓縮機要求卸荷時，儀表空氣（通常為低壓氮氣）被引入到膜片的上部，膜片克服回復(fù)彈簧的彈簧力帶動膜式氣缸頂桿向壓縮機氣缸側(cè)運動，壓向卸荷器，使進氣閥強制打開，實現(xiàn)卸荷。反之無儀表風時，膜片在回復(fù)彈簧的彈簧力的作用下帶動膜式氣缸頂桿回復(fù)到上止點，實現(xiàn)加載（圖1）。

圖1

3.1.2 結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)正作用膜式氣缸結(jié)構(gòu)形式，其具有以下特點：

（1）膜片的在氣閥卸載時受力，氣閥正常加載期間處于不受力狀態(tài)，因此對于長期高負荷運行的壓縮機而言，其膜式氣缸的膜片具有更長的使用壽命，同時也降低了載氣的用量；

（2）膜腔進氣側(cè)為密封性良好的密閉空間，確保了卸載可靠性；

（3）膜腔進氣側(cè)為相對獨立空間，與介質(zhì)氣不接觸，因此載氣直接用工廠空氣即可，滿足了介質(zhì)純度要求高的特殊需求；

（4）從安全方面考慮，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車，該結(jié)構(gòu)膜式氣缸無法實現(xiàn)緊急狀況卸載停車要求；

（5）從穩(wěn)定性方面考慮，對于長期高負荷運行壓縮機而言，氣缸在運行過程中不論是膜片破裂或是載氣供應(yīng)中斷，在彈簧力作用下，均不會對壓縮機穩(wěn)定運行造成影響。

3.2 反作用式（彈簧力驅(qū)動的膜式氣缸）

3.2.1 工作原理

彈簧力驅(qū)動的膜式氣缸與帶壓叉式卸荷器進氣閥配合使用，可以實現(xiàn)無風卸載，有風加載。即，當壓縮機要求卸荷時，儀表風（通常為低壓氮氣）至膜式氣缸的通路處于切斷狀態(tài)，膜片在彈簧力的作用下帶動膜式氣缸頂桿運動到下止點，壓向卸荷器，使進氣閥強制打開，實現(xiàn)卸荷。反之，有儀表風時，膜片克服回復(fù)彈簧的彈簧力帶動頂桿向上運動，遠離壓縮機氣缸側(cè)，到達上止點，實現(xiàn)加載（圖2）。

圖2

3.2.2 結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)反作用膜式氣缸結(jié)構(gòu)形式，其具有以下特點：

（1）膜片的在氣閥加載時受力，因此對于長期高負荷運行的壓縮機而言，其膜式氣缸的膜片一直處于受力狀態(tài)，更容易破裂，同時也增加了載氣的用量；

（2）膜腔進氣側(cè)為填料密封結(jié)構(gòu)，使用過程中若填料泄漏量過大，大量加載氣會通過填料密封處泄漏，導致氣閥加載不穩(wěn)定，壓縮機能力不能完全釋放，嚴重時會造成壓縮機無法加載；

（3）膜腔進氣側(cè)與填料密封結(jié)構(gòu)的頂桿為同一空間，若頂桿填料泄漏量大可能造成膜腔載氣與介質(zhì)氣接觸，因此對特殊介質(zhì)氣，需要選擇載氣與之適應(yīng)，對純度要求高的介質(zhì)氣，不適宜選擇該型膜式氣缸；

（4）從安全方面考慮，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車，該型膜式氣缸能直接通過彈簧力實現(xiàn)緊急狀況卸載停車；

（5）從穩(wěn)定性方面考慮，對于長期高負荷運行壓縮機而言，氣缸在運行過程中一旦發(fā)生膜片破裂或是載氣供應(yīng)中斷，在彈簧力作用下，均會導致壓縮機卸載，影響裝置穩(wěn)定運行。

4 流量調(diào)節(jié)控制原理

以某聚丙烯裝置四列三級雙作用立式迷宮壓縮機為例，壓縮機流量調(diào)節(jié)方式為全程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)，吸氣閥卸荷器用膜式氣缸形式為反作用式，可實現(xiàn)壓縮機50%、75%、100%三種負荷工況的相互切換，控制原理如下：

壓縮機進氣閥總計14只，其中7只吸氣閥配有反作用式膜式氣缸，分別為一級4只，二級2只，三級1只，各級配置比例均為50%，通過3只電磁閥控制膜式氣缸載氣的通路與斷路操作，實現(xiàn)50%、75%、100%三個負荷調(diào)節(jié)工況的相互切換。如表1所示。

表1 進氣閥卸荷器流量控制

失電：無氮氣通過電磁閥作用到卸荷器，卸荷器正常工作，進氣閥處于強制卸載狀態(tài)。

得電：氮氣通過電磁閥作用到卸荷器上，卸荷器不工作，進氣閥處于正常工作狀態(tài)。

聚丙烯裝置尾氣壓縮機根據(jù)裝置運行不同負荷控制需求，使用進氣閥卸荷器流量控制方式進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)，除開停車、產(chǎn)品切換除外，正常情況下運行負荷均在75%～100%間切換操作。

5 膜式氣缸選型

根據(jù)膜式氣缸不同的結(jié)構(gòu)形式及特點，結(jié)合聚丙烯尾氣壓縮機膜式氣缸電磁閥調(diào)節(jié)控制原理，做選型比對如表2。

表2 膜式氣缸比對表

通過以上比對可以看出，若壓縮機長期處于75%、100%負荷運行，從安全性和穩(wěn)定性綜合考慮可以選擇：UV-5214-12（控制三級卸荷器）選用正作用膜式氣缸，UV-5214-13（控制一級3#4#、二級2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級1#2#、二級1#卸荷器）選用反作用膜式氣缸。

安全方面，當工廠處于緊急狀況時，工廠空氣斷供，壓縮機緊急停車的情況下，UV-5214-13（控制一級3#4#、二級2#卸荷器）、UV-5214-14（控制一級1#2#、二級1#卸荷器）選用的反作用膜式氣缸可通過彈簧力實現(xiàn)一二級氣缸卸載，三級氣缸由于一二級氣缸已經(jīng)卸載，介質(zhì)進入三級氣缸的流量大大降低，因此三級負荷也隨之降低，可以確保壓縮機安全平穩(wěn)停車。

可靠性方面，由于三級壓力最高，對于反作用膜式氣缸來說，其膜片長期承受的氣體壓力也最大，因此最容易損壞，造成壓縮機運行不穩(wěn)定，因此UV-5214-12（控制三級卸荷器）選用正作用膜式氣缸可以有效提高壓縮機運行穩(wěn)定性，降低非計劃停車造成的損失。

由此可見在壓縮機長期處于高負荷運行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機不同級搭配使用，在確保安全性的同時可以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定運行效果。

6 結(jié)語

通過對往復(fù)壓縮機全程頂開吸氣閥氣量調(diào)節(jié)方式的介紹，對其主要部件——膜式氣缸的兩種類型（正作用膜式氣缸和反作用膜式氣缸）分別進行工作原理、結(jié)構(gòu)特點的介紹分析，對其使用過程中安全性、穩(wěn)定性進行分別說明，同時結(jié)合聚丙烯裝置尾氣壓縮機膜式氣缸流量調(diào)節(jié)控制原理，得出不同形式膜式氣缸在不同運行負荷下其安全性、穩(wěn)定性的優(yōu)缺點，最終獲得在壓縮機長期處于高負荷運行狀況下，采用正作用膜式氣缸與反作用膜式氣缸在壓縮機不同級搭配使用，在確保安全性的同時可以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定運行效果。