综述
SUMMARY

压缩机节能改造关键性因素探讨<中>

   <接上期——>
  4 压缩机性能变化对压缩机节能的影响
  压缩机的能耗水平主要由两个方面决定,一是压缩机出厂的设计水平,二是使用当中的状态变化。
  一 压缩机出厂的能耗水平好理解,其主要决定于厂家的设计水平,出厂水平是在设计水平线下波动,应该变化不大,不正常的波动则是厂家的质量控制出毛病了。
  二 使用当中的能耗水平变化包括两部分:
  1、压缩机易损零部件功能衰退。压缩机易损零部件功能衰退是迟早的事情,设计制造水平高的易损件有一个较短的磨合期→较长的高效期→性能下降期→失效。差的零部件高效期短,见下表比较:
压缩机节能改造关键性因素探讨<中>
  易损零部件的功能衰退,会导致压缩机偏离高效期,能耗增加。为了延长压缩机的高效期,为了节能,必须选购设计制造水平高的配件,选择好的懂技术的供应商。
  1.1 气阀功能衰退的影响
  气阀功能衰退是从弹簧开始的,一种是高度衰退→弹簧力下降→导致阀片撞击增大→阀片或阀座撞伤。
  另一种是弹簧疲劳断裂→弹簧力不均→弹簧分别断裂→导致阀片撞击增大→阀片或阀座撞伤。噪声大,温度高,压力发生变化。
  当弹簧断裂或磨损后弹簧力不足,使气阀的运动规律变坏,耗能增加。
  当密封面出现伤痕时,气阀会出现漏气,排气温度升高,气量下降,耗能增加。
  1.2 活塞环磨损后,出现开口处间隙增大,漏气增加。
  支承环磨损后,活塞轴线下移,偏离气缸轴线,活塞与气缸的环形间隙出现上大下小的形状,后果一是漏气面积变大,漏气增加;后果二是上部活塞环承受附加的剪切力,磨损加剧。
  级差活塞的活塞环磨损后,高压段吸排气行程都向平衡段漏气,低压端压缩排气行程也向平衡段漏气,虽然是内漏,但耗能严重。
  1.3 填料磨损后,一部分漏气经回收管漏到一段进气管线,回气室外边的两环或三环密封环漏气,高压气体直接漏入大气,损失较大。
  1.4 化工压缩机的冷却系统用二次水或三次水,冷却器、气缸和填料冷却水套极易堵塞。冷却器的水侧换热面结垢后,增加热阻,使冷却效果变差。吸气温度升高,耗电增加。
  1.5 化工压缩机问题大的是润滑系统。有些压缩机,注油器注了大量的压缩机油,而不能有效解决活塞环和气缸的磨损。
  压缩机吸气带水会使普通压缩机油润滑功能大为降低。有些压缩机气缸出现蛇皮斑磨损,加剧了活塞环和气缸的磨损,使压缩机耗能增加。
  2、工艺系统变化对压缩机影响
  化工生产原料气的焦油和硫化氢对压缩机影响很大,当静电除焦效率高时,压缩机气阀运行一个月,仅出现淡黄色,3个月下来,积碳也不超过0.2毫米。静电除焦出故障时,压缩机气阀运行一周,阀座上的积碳就会达到2毫米。
  适应这种压缩机的气阀宜采用10~12毫米宽的阀片,适当提高升程,加大弹簧中径设计,强化缓冲片的缓冲功能,适当加宽外圈密封面,降低阀片落座速度,减轻外圈阀座密封面的点蚀。在静电除焦同样效果时,延长气阀较高效率时间2~3倍。新阀的阻力可保持7.5宽阀片的数据,使用1月后,12毫米宽阀片的气阀阻力只有7.5毫米阻力的30~50%。
  5 压缩机气阀对压缩机节能的影响
  5.1 气阀简介
  压缩机气阀是压缩机的易损零部件,气阀对压缩机的打气量和耗电影响最大。
  气阀由:阀座、限制器、阀片、(缓冲片)、弹簧、定位销、螺栓和螺母组成。
  阀座:自由状态下,阀片停留在阀座上,盖住气流通道。
  阀片:在气阀工作时,在阀座与限制器间运动,交替开启与关闭气流通道。
  限制器:限制阀片运动升程,承纳弹簧,其上有弹簧孔透气孔。
  弹簧:在气阀关闭时,推动阀片落向阀座,并在开启时,减小阀片对限制器的撞击。
  缓冲片:在开启时,减小阀片对限制器的撞击。
  活塞压缩机有两种气阀,吸气阀和排气阀。吸气阀的阀座在气阀外侧(螺母侧),排气阀的阀座在气阀内侧。
  压缩机气阀的基本要求是:
  1 及时启闭:在活塞换向时,阀片能及时充分稳定开启和及时关闭;
  2 不漏气;
  3 寿命长。
  有些压缩机气阀的供应商,为了片面的追求长寿命,降低气阀升程,加大了气阀阻力,不仅降低了打气量,更为有害的是加大了电耗,加大了用户的使用成本。
  5.2 气阀技术发展概述
  最早的压缩机使用的是菌状阀。
  网状阀:
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  现代工艺压缩机用的多的是网状阀(如右图),它的独特结构,使之适合于大多数工艺压缩机。网状阀与环状阀相比优点主要在于:(1)阀片启闭动作一致;(2)大多数的网状阀有缓冲片,巧妙的配置缓冲片能形成一个合理的弹力系统,是保证网状阀寿命的关键。无缓冲片的网状阀寿命与有缓冲片的网状阀差距较大。
  网状阀片主要有三种类型:中心压紧的金属网状阀片(带弹性臂),中心滑动的金属网状阀片(无弹性臂),中心滑动的非金属网状阀片。
  网状阀缓冲片主要有三种:中心压紧无弹簧助力缓冲片(带弹性臂),中心压紧有弹簧助力的缓冲片(无弹性臂),中心滑动有弹簧助力的缓冲片。
  网状阀弹簧有弹簧片型、波形弹簧、螺旋圆锥形弹簧和螺旋圆柱形弹簧。
  网状阀设计得好的话,低压级配1片缓冲片就行,高压级配2片阶梯式缓冲片。
  环状阀:
  环状阀的特点是结构简单,造价低。做得好的话寿命也很长,缺点是多环难于做到启闭动作一致。
  为了减轻阀片上升对升程限制器的装机,有的公司采用了加缓冲片结构的环状阀。
  由普通环状阀发展而来的气垫阀在高压段有着特殊的优势,设计得好的气垫阀能取得噪声小,寿命长和阻力小的效果。
  由塑料材料制成的锥面密封和弧面密封阀片的环状阀,阻力损失最小。缺点是加工要求高,磨合前的密封状态不及普通环状阀和不适合排气压力大于130bar,压差大于65ba的场合(塑料阀片限制)。
  菌状阀(蘑菇阀):
  尽管美国人认为由于尼龙菌状阀可以在不增加气阀个数和外形尺寸的情况下,借助于提高升程获得所需的通流面积,减低压力损失,是煤气输送压缩机用过的气阀中最合适的一种。但是,在我国以煤为原料的合成氨系统中使用不理想,而且价格太高。
  5.3 压缩机气阀技术发展的趋势
  5.3.1 专业气阀制造企业的发展
  压缩机气阀作为一个影响压缩机可靠性的关键部件,过去大的压缩机公司几乎都有气阀研究机构和生产部门。专业从事压缩机气阀研究生产的公司不多,国外比较著名的有贺尔碧格,CPI(英国国际压缩机产品公司)。最近几年国内的压缩机气阀公司发展比较快。
  5.3.2 气阀种类的变化
  目前在工艺压缩机中以网状阀和环状阀为主,在高压段气垫阀用的也不错。锥面阀由于加工精度要求高,价格也高,在国内部分炼油厂压缩机有用;部分美国压缩机用菌状阀,其它压缩机用的不多。这几年随着peek技术的成熟,塑料阀片的网状阀用的比较多。
  5.3.3 气阀弹簧的发展
  气阀弹簧对气阀的寿命影响很大。
  1)弹簧材料:压缩机气阀的寿命主要决定于气阀弹簧,气阀弹簧弹力变小或断裂,会使阀片破坏。多年的经验证明油淬火钢丝和进口的17-7PH精拔钢丝制作的气阀弹簧寿命寿命长。
  2)弹簧计算:气阀弹簧多是疲劳断裂,设计不良的气阀也会产生气阀弹簧磨损断裂。气阀弹簧的设计时,必须通过计算弹簧方案的疲劳强度安全系数,疲劳强度安全系数的验算是以弹簧的负载与材料的1×107的剪切强度的比值为依据。由于压缩机气阀弹簧的循环次数要大于1×108才行,所以气阀弹簧的疲劳强度的验算公式也需修改。
  除此以外,控制弹簧的螺旋角比缠绕比更重要。
  设计弹簧时,应参考寿命长的弹簧参数,设计多个方案,通过计算,选择较优方案。
  3)气阀弹力系统优化设计:追求高的弹簧疲劳寿命,是优化气阀设计的关键。在同样的阀座、阀片,基础上合理设计弹簧,合理分配弹簧力、设计精心缓冲片和升程限制器,会使气阀的一次可靠使用期大为提高。
  5.3.4 高超的设计技巧保证气阀的长寿命和低能耗
  高精度的气阀寿命长,能耗低。
  不断用新技术提高气阀零件的精度和光亮度,会延长寿命和降低能耗。
  流动阻力小的气阀由于具有节能的优点。流动阻力小的气阀建立在高超的设计技术,新的材料技术,精细的制造技术,独特的工艺技术之上。
  不同的压缩机和工况,以及不同的同型号压缩机适应的气阀不同。压缩机气阀的个性化很强,勉强使用相同气阀,会出现寿命低和耗能高的现象。
  高超的压缩机气阀设计者,会按照阀孔尺寸和压缩机尺寸参数、压力、气体性质,计算出较优的气阀行程(寿命和阻力综合较优;按照气体所含固、液杂质的多少和在阀座通道积聚的可能性,选择阀座通道尺寸;配置较优材料及尺寸的阀片和缓冲片;按照阀片运动规律要求,计算设计弹簧(要求弹力适合,疲劳强度高);按照压缩机要求的不同,选择性价比合适的材料和工艺,保证所设计的气阀综合经济性最佳;合理应用精加工专机,加工中心,光整加工技术,化学和物理涂层技术,气体检漏技术能较大提高气阀的水平。
  气阀与制动器的正确连接被人忽视了,大而薄的大型低压段气阀在吸排气压力作用下,会发生高频率的变形,这种变形干扰了气阀的密封,增加了泄漏。这点在压缩机节能改造中是很重要的。
  5.4 气阀对压缩机节能的影响
  5.4.1 气阀对压缩机节能的影响首先体现在气阀的阻力偏大。气阀阻力偏大的原因在于压缩机气阀的升程普遍偏小和通道易堵塞。
  5.4.1.1 压缩机气阀的升程普遍偏小
  5.4.1.1.1 由于设计经验的限制,一般的压缩机设计人员和普通的气阀制造商不知道某种压缩机的最佳升程是多少;
  5.4.1.1.2 一般人很难知道压缩机升程对压缩机耗电到底有多大影响;
  5.4.1.1.3 一般的压缩机设计人员和普通的气阀制造商缺乏长气阀寿命的技术,惧怕气阀寿命短,而故意压低气阀升程,使压缩机终生多耗很大数量的电能;
  5.4.1.1.4 压缩机用户得不到真正的压缩机气阀技术,因为绝大部分气阀供应商根本不懂压缩机气阀技术。
  好的气阀,气阀的能耗小于压缩机轴功率的6%;而设计制造质量差的气阀,其能耗甚至大于压缩机轴功率的20%,特别是低压大排量工况的压缩机。
  由于价格、供应渠道和其它原因,致使低水平气阀充斥压缩机市场和压缩机配件市场,占据大量的在用压缩机,使我国每年仅在压缩机上多耗电达十几亿千瓦小时。
  5.4.1.2 气阀对在用压缩机适应性差。煤化工的氮氢气压缩机、炼油厂的原料气压缩机、富气压缩机和乙烯、丙烯等压缩机的气体中多含有大量易固化的煤焦油、硫化氢气液成分和固体颗粒,极易积聚在气阀通道上,堵塞通道。化工工艺上采用静电除焦和静电除尘手段进行处理,当上述设备效率低时,窄通道的压缩机气阀极易堵塞,严重时气阀6~7天就要拆下清洗。
  好的气阀设计可以有效缓解这种情况,兼顾正常工况和不正常工况,优化气阀通道尺寸,以取得综合的最优。
  5.4.2 气阀对压缩机节能的影响还体现在气阀的可靠性差,可靠性差带来两种后果。
  5.4.2.1 一种是气阀零件损坏,由于气阀失效造成压缩机停车的次数占压缩机全部停车次数的60%以上。近年来,随着压缩机运行企业的不断扩能改造,企业没有或极少备用压缩机,气阀的频繁失效导致压缩机运转率降低,直接影响企业的产能与经济效益,同时也大大加重了压缩机检修工人的劳动强度。气阀一失效,不论寒暑,检修工人要迅速更换,尤其是高温环境下,要更换装在大型压缩机气缸底部失效的排气阀尤其费劲。
  5.4.2.2 气阀虽然未出现明显损坏迹象,但由于气阀的设计制造缺陷,使气阀易偏离高效区,在中低效区和低效区长期运转,多耗大量的电能。
  5.4.3 气阀对压缩机节能的影响还体现在对压缩机容积流量的影响。
  吸气阀弹簧力过大、吸气阀会提前关闭,会导致吸气不足。在吸气阀弹簧力过小会导致气阀延迟关闭,气缸内的气体向吸气腔倒流。
  排气阀弹簧力过大、会导致排气阀提前关闭,会导致排气终了时,气缸内气体压力增大,相当于压缩终了时余隙容积内的气体压力增大,压缩机容积流量下降。在排气阀弹簧力过小而导致延迟关闭等情况下,排气腔内的气体向气缸内倒流,容积流量下降。工程实践中,气阀对压缩机容积流量的影响有时会达到7%。工艺压缩机容积流量直接影响企业的产量与经济效益。压缩机气阀设计与改造时,必须考虑气阀对压缩机容积流量的影响。
  5.4.4 气阀对压缩机节能的影响还体现气阀对压缩机排气温度的影响,从压缩机示功图可以看出,阻力大的气阀会导致压缩机的实际压比增加,压缩机排气温度增大。工程实践中,同一台压缩机在相同工况下采用阻力小的气阀与阻力大的气阀相比,压缩机的排气温度有时能下降10℃以上。压缩机排气温度下降,不仅直接降低了能耗,而且会提高压缩机的润滑效果,减少积碳,提高气阀的。
  6 活塞压缩机活塞环对压缩机节能的影响
  活塞与气缸的密封程度对压缩机节能的影响很大,磨损很小的活塞环,漏气少,耗能也相对少。
  传统的活塞环主要是铸铁活塞环和少量的铜活塞环。
  铜环以前主要用在氧压机上,其目的是防止摩擦产生火花。有一阶段,有人在氮氢压缩机,二氧化碳压缩机高压段采用青铜环,效果不好。后来有人把铜环改成了填充聚四氟乙烯环或PEEK环。
  过去的压缩机多使用铸铁活塞环,新型的化工压缩机基本都采用塑料活塞环和支承环,因其便于实现无油润滑和少油润滑。
  有些企业用碳纤环效果不错,较理想的是××厂的原2#6M50-305/251(7段)压缩机6六段支承环和活塞环20个月磨损只有0.1毫米。该厂S4M-180/56甲醇原料气压缩机,三、四段活塞环和支承环在无油状态下压缩机的3、4段活塞环,在装配时涂了SL特种塑料润滑脂,使用一年后,检测发现支承环和和活塞环仅磨损0.1mm。
  山东海化盛兴化工有限公司的6MD32-180/320压缩机六段环,由铜环改用碳纤环后,使用20个月,磨损也仅1毫米。
  PEEK活塞环自身的抗磨性是非凡的,其寿命可达上万小时。但有时对缸套和活塞槽的磨损是剧烈的,甚至达到一个月磨损1mm。很多化工企业试用后,都不得不取消试用。不过,在个别的二氧化碳压缩机高压段还有用的,也是趋于无奈(碳纤环寿命只有10天),改用PEEK环,寿命3~4个月。现用寿命可达6个月~1年,个别的用了一年多。半年检查一次!4段缸套磨损极限内定为2mm,缸套寿命6~12月。
  山东海化盛兴化工有限公司原来6MD32-180/321压缩机三段铁环平均寿命3个月;4M20压缩机五六段青铜环寿命一个多月,最长70天。6MD32-180/321压缩机三段和4M20的五六段,使用PEEK活塞环,使用近一年,活塞环和气缸套的磨损甚微,基本测不出,现仍在使用。
  新型节能活塞环配置是多项技术的结晶,合理的配置技术不仅活塞环寿命长,而且能使气缸磨损极小,消除压缩机气缸使用一段时间后,气缸内径不同程度的磨大而产生的泄漏。
  新型节能活塞环配置技术并非简单的,用所谓的“碳纤”材料代替原来的活塞环材料,而是集活塞环和支承环的形状和尺寸设计、材料选用和控制、气缸镜面要求、不同段次及同活塞上不同环形的科学配置、润滑保证等项技术的综合技术。
  新型的化工压缩机,基本都采用塑料活塞环和支承环,因其便于实现无油润滑和少油润滑。
  塑料活塞环的设计技巧:
  1 合理的活塞环宽度和环数配合,传统的金属活塞环剪切强度比聚四氟乙烯高的多,金属环宽度尺寸可以小到2~4mm,排气压力为320ba的活塞配14~16根活塞环。这个压力的聚四氟乙烯环宽度尺寸应为8~12,根数为6~8。
  2 组合配置:
  不同材料的单环配置,可以发挥材料的优点;L型环和U型环用较硬的自润滑材料镶嵌自润滑性能更好的较软材料。
  3 合理的活塞环侧向间隙。间隙和周向开口尺寸,对塑料环更为重要,市场上供应的很多活塞环在这方面不合格,导致开始使用时,由于塑料材料线胀系数大,随摩擦温度升高而胀死,出现冒烟或压缩机热时,空载盘车很重;多余的材料有时会磨去,温度就不高了;这时塑料材料已经承受了不该承受的温度,部分易变质,寿命将减短。
  4 合理的活塞间隙,要支承环保证。当气缸镜面粗糙度差时,或支承环材料差时,支承环磨损较快,导致活塞轴线下沉,活塞环周向间隙相差悬殊,导致同一活塞环部分长度,剪切负荷加大,扭曲变形,活塞环磨损速度加快。 四氟活塞环的供应商,有时降低支承环的材料配方,降低支承环的制造成本,导致支承环提前过快磨损,殃及活塞环。
  5 平衡各环负荷,活塞环迎着压力的第一环,负载为总负载的70%左右,第二环负载为总负载的30%的70%左右,依次递减。活塞环是一根一根逐渐损坏。美国人在新压缩机上,同一活塞的不同位置的活塞环,配有不同的周向泄压槽,使各环接近等负荷,效果很好。
  6 在活塞环摩擦面开上不同的储油槽,就可以有效地保护气缸镜面,对提高活塞环的寿命作用有时很大。
  完整的实施这种技术,可使活塞环和气缸的磨损极小,密封效果极佳。
  影响压缩机填充聚四氟乙烯活塞环寿命的因素:
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