综述
SUMMARY

国内外往复压缩机发展及应用概论

   往复压缩机是最早被人类发明和使用的一种流体机械,随着材料、机械设计和制造工艺等学科的技术发展,各种结构布置的往复压缩机被应用到各个工业领域。往复压缩机发展到现在,其设计和制造技术已经达到了较高水平。今后往复压缩机技术的发展方向将主要集中在压缩机实际运行工况下性能的提高和压缩机可靠性的提高两个方面。此外,为了满足不同应用领域的需求,适应各类特种和极端条件的往复压缩机也是今后技术发展的方向之一。
  1.随着电机技术发展,直线电机驱动的往复压缩机——直线(线性)压缩机在冰箱等领域将成功应用。
  2.传感技术的发展。基于数据采集分析处理的往复压缩机在线监测故障诊断技术逐渐得到发展。尤其是工艺往复压缩机,因其故障引起的事故,该技术可以获得往复压缩机的实时运行状态,提前捕捉故障信息,达到故障预警的目的。
  3.材料学科的发展。各种具有机械强度高,耐高温,耐冲击,阻燃,耐酸碱,耐水解,耐磨和耐疲劳等多方面优越的新材料将被逐步应用到往复压缩机的零部件中。
  4.一些如海洋工程中要求压缩机体积小、质量轻、可靠性高和噪声振动低等特殊领域对往复压缩机将提出新的要求。
 
  一、往复压缩机的应用发展趋势
  1.流体工业
  随着流程工业普遍朝着大型化、规模化和集成化方向发展,尤其石化通用设备向大型化、高精度、长寿命方向发展,将更多地按石化生产工艺参数要求采用专用设计、个性化和制造,以使设备在最佳设计工况下运行,因而对往复压缩机的要求也在逐渐提高。流体机械及其系统的大型化对往复压缩机的设计方法,关键共性技术研发,运行状态实时监控和故障诊断技术的发展带来了新的挑战,开发适用于大型化的设计与制造技术是往复压缩机大型化发展的基本路线。
  2.海洋工程装备
  往复压缩机是海上石油和天然气开发作业平台上用于气体处理、运输的关键设备。从天然气的处理和集输到发动机提供高压燃料气,应用非常广泛。往复压缩机由于效率高,制造技术成熟,排气压力高且对于气体组分波动具有较好的适应性,成为海洋工程油气开采中应用最为广泛的压缩机。
  海洋油气开发的特殊环境对海洋工程油气开发作业平台上的设备提出了诸多要求,如体积小,振动噪声低,可靠性高等。另外,海上工况环境比陆上工况环境更为苛刻,因而陆上的常规天然气压缩机已不能满足海上平台的要求,而开发出满足海上作业的大功率往复压缩机,意义重大。
 
  二、往复压缩机技术进展及应用
  (一)压缩机性能计算技术
  近年来,随着计算机技术的发展,详细的数值分析技术逐渐被应用到压缩机的设计计算,性能模拟及优化,强度分析与计算和动力学分析等方面。
  1.设计优化与性能模拟技术
  首先,往复压缩机设计过程中的热力学和动力学计算,可利用计算机进行编程,通过计算软件完成整个计算过程。
  在热力计算过程中,需根据设计条件(如流量、吸排气压力、气体组分等)确定压缩机的级数、各级压比、转速、功率和效率等参数。通过各种经验系数的选取和气体压缩过程的计算,得到排气温度、功率、气缸直径等重要设计参数。
  在往复压缩机设计软件开发过程中,可将气体物理性数据植于软件中,从而获得单一组分气体或多组分混合气体的准确物理性数据,保证设计精度。特别是对于实际气体,该方法可以准确得到压缩过程中实际气体各种状态点的物理性数值,准确计算压缩和级间冷却造成的气体冷凝析出等。在计算软件编制过程中,热力计算与容积流量有关的各种系数(如进气系数、泄漏系数和析水系数等参数)可以制成数据库,需要时可以利用计算软件自动查表和采用插植的方法求取。
  往复压缩机的动力计算,主要是确定其主要运动部件的受力,解决惯性力和惯性力矩的平衡,计算压缩机的切向力和确定压缩机飞轮矩等。对于多列压缩机,计算软件可根据各列的布置方案,并根据各列相差的转角(相位角)进行相应叠加,可快速得到总的切向力及飞轮矩。
  其次,往复压缩机的理想工作过程由等压吸气、气熵压缩、等压排气和等熵膨胀四个过程组成,而压缩机的实际工作过程受到泄露、流动损失和传热等因素的影响,上述四个过程都会与理想过程发生偏离。
  在压缩机热力计算过程中,可以通过各种系数对压缩机的实际工作过程进行修正,以便使压缩机的设计更接近实际工作过程。但这种方法不能精确反应压缩机的真实工作过程和性能,也不能很好地为压缩机的优化设计提供参考依据。
  因而,计算机技术的发展使得通过数值计算方法模拟压缩机真实工作过程成为可能。例如:气阀是往复压缩机的关键部件之一,其性能对压缩机运行的可靠性、经济性都有很大影响。气阀是往复压缩机易损部件之一,延长气阀的寿命对保证压缩机可靠性具有重要意义。由于压缩机工作过程中气体流经气阀的流动损失占总气体流动损失的比例较大,气阀设计的好坏对压缩机的经济性有着直接影响。因此,在实际工作中,可以通过模型假设,对其工作过程建立模型,在各种工况条件下,分别模拟往复压缩机的工作过程和气阀运行规律,通过计算机计算结果和分析找出最佳工况和选择最优工作过程,以延长气阀寿命。
  2.强度计算与分析
  往复压缩机工作过程中,其曲轴、活塞杆和连杆等关键运动部件受到各种力作用,且大多为周期性交变作用力。当压缩机结构设计不合理或运行工况偏离设计工况时,往往会造成这些关键部件产生裂纹、断裂,甚至进一步造成爆炸等恶性安全事故。因此,在往复压缩机的设计阶段需要对这些关键部件进行力学分析,以确保压缩机的寿命和可靠性。
  曲轴的强度计算包括静强度计算和疲劳强度计算。静强度计算的目的是求出曲轴的应力分布,找出曲轴薄弱部件。疲劳强度计算的目的是求出曲轴在承受交变作用下的最小强度储备,以安全系数的形式表示。曲轴强度的常用计算有普通计算法和有限元法。在曲轴设计时,初步强度校核或进行方案比较可采用经验公式的办法初步计算应力集中系数,从而得到圆角处的最大应力。但在精度要求高的场合,应采用有限元方法进行曲轴的应力场和应变场的数值分析。数值分析曲轴的弯扭疲劳强度是压缩机曲轴强度计算向前跨出的重要一步。
  在往复压缩机设计过程中,除了需计算其疲劳强度,还应对曲轴的动力学特性进行分析,而结构件的模拟分析可评估其动力特性。结构设计时需考虑结构的受激频率是否接近该结构的自然频率。模态分析是结构动态分析的一种有效手段。通过分析结构的动特性可建立结构在动态模拟条件下的响应预测模拟,预测结构在实际工作状态下的行为及其对环境的影响。
  (二)往复压缩机的平衡技术
  往复压缩机的工作过程中,需要将轴的回转变为活塞的往复运动,这一功能通常由压缩机的曲柄连杆机构来实现。往复压缩机的运动特点导致其工作过程中产生惯性力和惯性力矩,它们的大小和方向随着曲轴的转动做周期性变化。这些力和力矩对压缩机来说是外力,如果机器内没有相应的力和力矩加以平衡,则会导致整机振动。为了保证机组平稳运行,在压缩机设计时应力需求所有外力在压缩机内部平衡。例如:单列压缩机往往设置相应的平衡质量对这些力进行平衡,多列压缩机在方案布置时尽量让压缩机各列产生的力和力矩能够相互平衡。
  在压缩机设计阶段,会尽量平衡其各种惯性力。但由于往复压缩机自身特点和设计方案的局限性,设计过程中往往并不能平衡所有力和力矩,这一情况造成了压缩机运行过程中的振动,这也是往复压缩机高速化的一个重要基础瓶颈。为了提高压缩机转速,以满足特殊领域对往复压缩机的要求,发展全平衡结构的往复压缩机技术与产品,可以完全平衡结构的往复压缩机的惯性力和惯性力矩,但这类产品结构复杂,加工及装配精度要求极高,增加了设备的设计制造难度,降低了机组的可靠性。
 
  (三)气流脉动及管道振动技术
  管道振动是往复压缩机运行过程中经常遇到的问题,直接影响系统安全,其对压缩机组的影响主要表现在以下方面:
  1.管道及其附件产生疲劳损坏,特别是管道的连接部位发生松动和破裂。
  2.压缩机工况恶劣,阀片过早损坏。
  3.管道上或附件仪表失真或毁坏。
  4.噪声增大。
  5.压缩机运行效率降低。
  往复压缩机吸排气管道及其附属装置和与之相连接的各种动力设备、装置构成一个复杂的系统,该系统产生的振动是由多种原因引起的,主要有以下三种:
  1.由气流脉动引起,气流脉动增发管路做机械振动。
  2.管道发生共振,从而造成管路系统的振动。
  3.动平衡差或基础设计不当引起的管道振动。
  往复压缩机的吸排气过程是间歇性的,因而气体的压力和速度呈周期性变化,进而导致管道内气体呈脉动状态,致使管内气体参数(如压力、速度、密度等)不仅随位置变化,而且随时间做周期性变化,这也就产生了气流脉动。生产中遇到的往复压缩机管系振动绝大多数是由气流脉动引起的。管道振动反过来又会引起机组的振动,因而要消除管道振动,首要的问题是消除气流脉动。
  目前,采用管系的有限元分析法提供了进行应力分析,解决管道振动问题的有效手段。用有限元方法分析管道系统的结构振动,实质上是用有限个自由度的离散系统替代无限个自由度的连续系统,即用有限个结点和结点的运动替代实际系统与实际系统的运动。通过这种方法改造后的进气管道系统,气流脉动明显降低,从而直接导致振动激发力降低,同时,振动结构也有明显改变,分离器出口和管道的标高降低使得刚度显著加强,有效避开低阶共振。管道系统汇管前后段管道结构振动明显减少,主激发频率,气柱固有频率和结构固有频率基本错开,从根本上避免了共振。
  (四)在线监测与故障诊断技术
  设备状态监测与故障诊断技术的实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态,评价、预测设备未来的一段时间在役运行的可靠性,早期发现故障并对其原因、部位、危险程度等进行识别,预报故障的发展趋势。
  往复压缩机是石化、煤化工等重要流程工业的核心装备,但其结构复杂,易损件多,若不能及时发现和排除故障,易造成事故,给生产带来巨大损失。因此,随着计算机、传感器、信号处理等相关技术的进步,往复压缩机在线监测和故障诊断技术也在近些年得到了较快发展。
  压缩机运行状态监测是压缩机故障诊断的基础,开展往复压缩机状态监测需要实现以下四个目的:
  1.通过监测优化检修计划,减少非计划停机,延长运转周期,降低维修维护费用。
  2.通过监测了解机器的运行工况,优化运行参数,提高设备运行效率。
  3.通过监测发现故障发生的部位,使检修做到有的放失,缩短检修时间。
  4.及时预警,提前采取有效措施,降低故障的发生率,特别预防灾难性事故的发生。
  目前,往复压缩机采用的监测方法主要有工程热力学参数法(压力、温度、流量等),振动监测分析法、冲动振动分析法、噪声监测分析法、气体泄漏检测法、磨损位移监测法、油液分析法等。例如:气缸内气体压力,温度是往复压缩机气阀、活塞、气缸等故障判断的重要参数。机壳的振动与活塞杆的下沉可用于判断曲轴连杆机构的振动状况与活塞环的磨损情况。通过温度、压力、振动、位移、噪声等各种传感器在压缩机重要部位的安装和运行实时数据的采集,可以及时准确获得压缩机各部件的各种状态。随着无线传感技术,基于网络的远程在线技术的发展,对往复压缩机的运行状态在线监测将越来越深入,而往复压缩机故障诊断过程包括信号检测、特征提取、状态识别三个步频,其中特征提取和状态识别最为关键。随着深度,多源信号分析等技术的发展,故障诊断系统的智能化水平不断提高,诊断准确率也在不断上升。
  随着社会的发展,以生产高度数字化、网络化、机器自组织等技术标志的工业发展,往复压缩机作为一种流体机械,也将不断地利用这些技术向着高度智能的方向发展。
 

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