徐文廣，顧興坤，王宗明

（1.中國石油化工股份有限公司 濟南分公司，山東 濟南 250101；2.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟南 250101；3.中國石油大學(xué) （華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

往復(fù)活塞壓縮機被廣泛用于石油、化工、冶金、機械、礦山、國防、交通和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，但耗能很高。由于生產(chǎn)條件及工藝參數(shù)的波動，很多往復(fù)式壓縮機存在一定的余隙容積利用率低、無用功耗大的問題，具有較大的節(jié)能潛力［1］。國家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求，到2020年，國內(nèi)萬元生產(chǎn)總值能耗應(yīng)比2015年降低15%［2］，但一些企業(yè)仍然沒有達標(biāo)。對往復(fù)活塞壓縮機進行節(jié)能改造，降低或消除無用功耗，提高裝置的整體效益，已是眾多生產(chǎn)單位亟需解決的問題。

在眾多的往復(fù)活塞壓縮機氣量調(diào)節(jié)技術(shù)中，壓開進氣閥調(diào)節(jié)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)在近十多年來得到較為廣泛的應(yīng)用。這2種調(diào)節(jié)技術(shù)均歷經(jīng)了幾十年的認識、發(fā)展，再認識、再發(fā)展的研發(fā)過程，在作用原理、調(diào)節(jié)范圍、安裝位置、控制方式、結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)備使用壽命等方面得到了不斷創(chuàng)新。部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)均可實現(xiàn)往復(fù)活塞壓縮機排氣量的連續(xù)無級調(diào)節(jié)，又能最大化地節(jié)能降耗。

對這2種調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)階段應(yīng)用狀況等方面進行對比與分析的文獻較少，大多數(shù)生產(chǎn)單位對2種技術(shù)的認識和理解不深，不知如何選擇適合裝置的氣量調(diào)節(jié)技術(shù)，沒有達到兼顧氣量調(diào)節(jié)和節(jié)能降耗最大化的目的。為此，筆者收集、查閱了大量的文獻資料，并咨詢了一些使用單位，對2種調(diào)節(jié)技術(shù)進行較為全面的對比與分析，以供相關(guān)人員參考。

1 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)

通過加裝補助余隙容積裝置（圖1，即余隙調(diào)節(jié)）或壓開進氣閥裝置可以調(diào)節(jié)往復(fù)活塞壓縮機排氣量，降低壓縮機功耗，達到節(jié)能的目的。

圖1 連通補助余隙容積調(diào)節(jié)裝置

在國外，補助余隙容積裝置自上世紀(jì)中期就已經(jīng)開始得到了應(yīng)用［3-4］。早期的補助余隙容積裝置為手動控制，到目前為止，進口的大多數(shù)往復(fù)活塞壓縮機上依然配置有手動余隙容積調(diào)節(jié)裝置［5］。美國的Dresser-Rand Company于1996年在美國申請了《Self-contained，Clearance-volume Adjustment Means for a Gas Compressor》專利技術(shù)［6］（1997 年獲得批準(zhǔn)），其調(diào)節(jié)范圍設(shè)計在60%～100%，該技術(shù)在美國有實質(zhì)性應(yīng)用，見圖2。2014年，Dresser-Rand Company在與中國某企業(yè)的技術(shù)協(xié)議中說明，其余隙容積調(diào)節(jié)范圍設(shè)計在55%～100%，但至今在中國沒有該公司余隙容積調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用報道。

圖2 Dresser-Rand Company余隙容積調(diào)節(jié)裝置美國應(yīng)用現(xiàn)場

自上世紀(jì)至本世紀(jì)10年代，國內(nèi)技術(shù)人員基本上都是從國內(nèi)外技術(shù)資料或進口壓縮機配置介紹資料上接觸和認識固定補助容積裝置或連通補助余隙容積裝置的。國內(nèi)生產(chǎn)的壓縮機上配置固定補助容積裝置的較少，配置連通補助余隙容積裝置的更少，即便設(shè)置了此類裝置，也大多棄之不用。因此，目前仍有很多技術(shù)人員對余隙容積調(diào)節(jié)裝置的認識還局限于以往對固定補助容積裝置或連通補助余隙容積裝置的認識，即裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、調(diào)節(jié)困難、調(diào)節(jié)范圍窄、調(diào)節(jié)精度低且易損件多等［8-15］。

自2009年以來，補助余隙容積技術(shù)在國內(nèi)得到迅速發(fā)展［16-21］，技術(shù)名稱隨之稱為余隙調(diào)節(jié)或余隙無級調(diào)節(jié)。余隙無級調(diào)節(jié)裝置已同電儀液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了自動實時的無級調(diào)節(jié)，控制精度較高。國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用現(xiàn)場見圖3?，F(xiàn)階段，余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)不但實現(xiàn)了無級調(diào)節(jié)和伺服控制，而且調(diào)節(jié)范圍在50%～100%，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易損件較少及自身運行功耗低等特點。根據(jù)國際科技文獻查新情況，國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)在世界范圍內(nèi)已是領(lǐng)先水平［22-26］，也徹底改變了以往對補助余隙容積技術(shù)的認識。

1.2 壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)

壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用在國外始于上世紀(jì)中期，從起初的手動調(diào)控，逐步發(fā)展到氣動調(diào)控、電動（電磁）調(diào)控及隔膜驅(qū)動等控制方式。該技術(shù)的發(fā)展在國外沒有停止或間斷過，發(fā)展速度遠超補助余隙容積技術(shù)發(fā)展速度。1995年奧地利Hoerbiger公司成功開發(fā)出部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng) HydroCOM［27］（圖 4），該技術(shù)于 1997 年開始在歐洲得到推廣應(yīng)用［28］。

圖4 Hoerbiger公司部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)HydroCOM

部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的主要特點是應(yīng)用液壓加PLC控制技術(shù)［29］實現(xiàn)了無級調(diào)節(jié)，且無級調(diào)節(jié)范圍在30%～100%。2002年，國內(nèi)第一套部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于中國石化天津分公司的新氫壓縮機（4M50-26/20-195-BX）上，該調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動化程度較高，并帶有電控液壓執(zhí)行機構(gòu)［30］。此后，部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)有很多成功應(yīng)用，直至目前仍有較好的應(yīng)用業(yè)績。

在國內(nèi)，浙江大學(xué)化工機械研究所與其他單位合作開發(fā)了全量程無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于多種型號的往復(fù)活塞壓縮機上［31］。

2 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)特點

國內(nèi)較早文獻《活塞式壓縮機設(shè)計》［32］中介紹了17種往復(fù)活塞壓縮機的氣量調(diào)節(jié)方法，其中作用于氣缸腔內(nèi)的氣量調(diào)節(jié)方法又分為完全壓開進氣閥、部分行程壓開進氣閥、加入固定補助容積、加入可變補助容積和部分行程中連通補助容積這5種方式。部分行程壓開進氣閥和加入可變補助容積調(diào)節(jié)方式是目前常用的2種氣量調(diào)節(jié)方法，不同年代文獻概括的這2種調(diào)節(jié)技術(shù)的特點見表 1［33-36］。

表1 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)特點對比

近三十余年來，2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)都在實際應(yīng)用中得到不斷優(yōu)化和改進，但部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)比余隙調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展更快［33-36］。

部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)氣量調(diào)節(jié)范圍從0～100%，發(fā)展到目前理論和實踐公認的30%～100%。多級壓縮時，各級都需配置容積流量調(diào)節(jié)機構(gòu)，容積流量調(diào)節(jié)機構(gòu)協(xié)調(diào)運行可以使各級的級間壓力不變，且容積流量在30%～100%進行連續(xù)調(diào)節(jié)。容積流量低于30%時，只能在0%～30%實現(xiàn)間斷調(diào)節(jié)［35-36］。部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)的控制方式，從起初的手動調(diào)控，逐步發(fā)展到氣動調(diào)控、電動（電磁）調(diào)控及隔膜驅(qū)動，直至現(xiàn)代化的液壓加PLC調(diào)控。經(jīng)過幾十年的理論分析與實踐，普遍認為壓開進氣閥調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點是氣量調(diào)節(jié)范圍較大、節(jié)能效果好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、進氣閥有氣體阻力損失且閥片易損壞，不適用于高轉(zhuǎn)速的機型。

經(jīng)過不斷發(fā)展，可變補助容積調(diào)節(jié)技術(shù)又分為連通可變補助余隙容積和部分行程連通補助余隙容積2種調(diào)節(jié)方式。連通可變補助余隙容積連續(xù)調(diào)節(jié)的范圍由0%～100%修正為60%～100%。部分行程連通補助余隙容積連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為60%～100%［35-36］，但調(diào)節(jié)裝置更復(fù)雜。普遍認為連通補助余隙容積調(diào)節(jié)技術(shù)的經(jīng)濟性較好，尤其適用于大、中型工藝壓縮機。但有部分學(xué)者認為可變補助余隙容積裝置笨重、復(fù)雜且可靠性較差［33-36］。

3 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

受進口部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)HydroCOM產(chǎn)品價格、技術(shù)保密性、進氣閥等配件價格以及供貨周期等因素的限制［37-39］，國內(nèi)一些高校、科研院所和企業(yè)開啟了部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的國產(chǎn)化研發(fā)工作。國家發(fā)展和改革委員會 2018-01發(fā)布［40］，國內(nèi)首套國產(chǎn)化往復(fù)壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是2013年在中國石化廣州分公司芳烴聯(lián)合裝置氫壓機C511A（型號為 2D80-95.2/13-27.5-BX）上應(yīng)用的 HRCS 系 統(tǒng)［41-44］。

除HydroCOM和HRCS這2種部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)外，已在往復(fù)活塞壓縮機上得到實踐應(yīng)用的部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)還有FluxToFlow 無級流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［45］、ISC 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［46］和 Didro COM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)［47］，這3種部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的氣量調(diào)節(jié)下限設(shè)置為30%或40%。

對于余隙調(diào)節(jié)技術(shù)，人們也給出了較高評價，認為與旁路調(diào)節(jié)方式相比，變余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能效果非常明顯。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［48］。

筆者在實際調(diào)研中已很少看到活塞壓縮機上安裝固定補助容積設(shè)備的情況，而可變補助容積設(shè)備多見于進口的壓縮機組中，且大多數(shù)只調(diào)節(jié)一級氣缸余隙容積。但因其調(diào)節(jié)操作需壓縮機停機后才能完成，而且調(diào)節(jié)精度低，故用戶大都放棄使用該設(shè)備。

余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)在近十余年內(nèi)發(fā)展比較迅速，特別是中國石化荊門分公司2009年利用武漢理工大學(xué)專利技術(shù)，在制氫裝置機-1/3壓縮機（型號為 2D20-23.4/4-27-BX）上開發(fā)的余隙無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［17，19］，是國內(nèi)真正意義上的首套電液控制余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)。自此，余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)引起了一些高校和科研院所的普遍關(guān)注。最近幾年，余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的專利申請數(shù)量和論文發(fā)表數(shù)量，都遠超部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的專利申請數(shù)量和論文發(fā)表數(shù)量。眾多高校、科研院所和企業(yè)等已研發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)形式的余隙無級調(diào)節(jié)氣量產(chǎn)品，但真正具有實用性的仍較少。

部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)與余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的現(xiàn)狀對比見表2，主要改造內(nèi)容見表 3［25-26，49-53］。

表2 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)現(xiàn)狀對比

表3 2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)主要改造內(nèi)容對比

從表2和表3可以看出，2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)均為連續(xù)無級調(diào)節(jié)技術(shù)，均采用液壓加PLC加電磁閥控制模式，均通過減少壓縮機氣缸入口容積流量來達到調(diào)節(jié)排氣量、節(jié)能降耗的目的。但2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)在作用原理、工藝路線、調(diào)節(jié)范圍、設(shè)備構(gòu)造、改造部位、改造內(nèi)容、安裝施工、操控性、自身能耗、運行維護費用及性價比等方面有較大差異。因此，對2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)進行更深入的對比和探討是十分必要的。

4 結(jié)語

往復(fù)活塞壓縮機部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)和余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)均已歷經(jīng)五十多年的發(fā)展，從認識到發(fā)展，從再認識到再發(fā)展，通過不斷克服各自在理論、認識及結(jié)構(gòu)等方面的不足，才發(fā)展成為目前應(yīng)用較廣泛的氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)。2種氣量調(diào)節(jié)技術(shù)在壓縮機改造部位、改造內(nèi)容及調(diào)節(jié)范圍等方面存在不同，具有各自的優(yōu)、缺點，但均可實現(xiàn)壓縮機容積流量的連續(xù)無級調(diào)節(jié)，均能達到節(jié)能降耗的目的，調(diào)節(jié)范圍上也均可滿足用戶節(jié)能改造的需求。用戶可根據(jù)實際情況選擇最適宜的氣量調(diào)節(jié)方法。