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往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩研究與程序開發(fā)

2015-02-11 10:31馬瑞紅
壓縮機(jī)技術(shù) 2015年6期
關(guān)鍵詞:旁通氣閥氣缸

王 剛,鐵 博,馬瑞紅,張 彤

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧沈陽110869)

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩研究與程序開發(fā)

王 剛,鐵 博,馬瑞紅,張 彤

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧沈陽110869)

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否正常啟動(dòng)。本文通過對(duì)頂開吸氣閥時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩進(jìn)行分析,研究啟動(dòng)扭矩特征和影響因素,并介紹壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算程序開發(fā)和在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

API618;啟動(dòng)扭矩;往復(fù)壓縮機(jī)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩是曲軸由靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速過程中,不同轉(zhuǎn)速需要的對(duì)應(yīng)扭矩。啟動(dòng)扭矩主要用來克服啟動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和摩擦力,作用在活塞的氣體力和氣體流經(jīng)氣閥和管道的阻力損失。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)扭矩必須大于壓縮機(jī)的啟動(dòng)阻力矩,壓縮機(jī)組才能正常啟動(dòng)。API618-2007《石油、化工和氣體工業(yè)設(shè)施用往復(fù)壓縮機(jī)》對(duì)壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)定,電機(jī)的啟動(dòng)扭矩應(yīng)超過被驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)速從零到額定轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)扭矩要求。當(dāng)電機(jī)電壓降低到額定電壓的80%時(shí),只要壓縮機(jī)處于空負(fù)荷狀態(tài),電機(jī)就應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成壓縮機(jī)啟動(dòng),通常啟動(dòng)時(shí)間規(guī)定為15 s,這要求電機(jī)應(yīng)有足夠的啟動(dòng)能力。同時(shí)還規(guī)定,為防止運(yùn)動(dòng)部件過度磨損或電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)損壞,軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)使壓縮機(jī)組在所有運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)速波動(dòng)減至最小。最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)應(yīng)限制在額定轉(zhuǎn)速1.5%。并且,為防止用戶電網(wǎng)電流波動(dòng)過大造成變壓器損壞或影響其它設(shè)備正常運(yùn)行,同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)足以限制所有規(guī)定負(fù)荷條件下電機(jī)電流變化不得超過全負(fù)荷電流的66%。對(duì)于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),電機(jī)電流變化不得超過全負(fù)荷電流的40%,負(fù)荷條件指壓縮機(jī)所有運(yùn)行工況,包括負(fù)荷逐級(jí)加載工況。這要求壓縮機(jī)軸系應(yīng)有足夠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加會(huì)使啟動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)的轉(zhuǎn)速降低,電機(jī)啟動(dòng)電流變大,時(shí)間延長,溫升增加,這增加電機(jī)的設(shè)計(jì)成本??梢?,往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,直接影響到驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否順利啟動(dòng)。本文通過對(duì)頂開吸氣閥時(shí)往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩進(jìn)行計(jì)算和分析,研究壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩特征和影響因素,最后編制啟動(dòng)扭矩計(jì)算程序并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

2 啟動(dòng)扭矩影響因素

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩主要與壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷狀態(tài)、空負(fù)荷方式和方案設(shè)計(jì)有關(guān)。

2.1 負(fù)荷狀態(tài)

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷狀態(tài)分為空負(fù)荷狀態(tài)和滿負(fù)荷狀態(tài)。

空負(fù)荷狀態(tài):指壓縮機(jī)吸、排氣管道切斷閥關(guān)閉,吸氣閥閥片或旁通管路閥門全部打開。壓縮機(jī)空負(fù)荷狀態(tài)啟動(dòng)扭矩比滿負(fù)荷狀態(tài)啟動(dòng)扭矩要小很多,電機(jī)容易啟動(dòng),因此壓縮機(jī)操作規(guī)程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定壓縮機(jī)要空負(fù)荷啟動(dòng)。

滿負(fù)荷狀態(tài):指壓縮機(jī)吸、排氣管道閥門沒有關(guān)閉,吸氣閥沒有卸荷且旁通管路閥門也沒有打開,壓縮氣體直接進(jìn)入排氣管道。滿負(fù)荷啟動(dòng)主要用于壓縮機(jī)臨時(shí)停車要求重啟或回路調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)。這時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩特別大,必須對(duì)電機(jī)啟動(dòng)特性進(jìn)行核算。

2.2 空負(fù)荷方式

根據(jù)壓縮機(jī)組配置不同,空負(fù)荷可以通過頂開吸氣閥和旁通管路連通實(shí)現(xiàn)。

頂開吸氣閥:通過氣缸卸荷器頂開吸氣閥閥片,使閥片在壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中始終處于開啟狀態(tài),活塞反向運(yùn)動(dòng)壓縮氣體時(shí),氣缸內(nèi)吸入氣體通過吸氣閥重新回到進(jìn)氣管道,這時(shí)啟動(dòng)扭矩主要由氣體流經(jīng)氣閥的阻力和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力產(chǎn)生。但是壓縮機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)行負(fù)荷加載時(shí),不同頂開吸氣閥負(fù)荷加載方案需要的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是不同的,經(jīng)常會(huì)發(fā)生部分負(fù)荷工況時(shí)機(jī)組要求的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量超過滿負(fù)荷工況時(shí)機(jī)組要求的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此,設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)不同負(fù)荷工況需要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行復(fù)算,避免因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足而影響機(jī)組運(yùn)行?,F(xiàn)在大型往復(fù)壓縮機(jī)都配置頂開吸氣閥裝置進(jìn)行壓縮機(jī)啟動(dòng)和流量調(diào)節(jié),本文主要介紹頂開吸氣閥時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩的計(jì)算方法。

旁通管道連通:壓縮機(jī)排氣管與吸氣管用旁通管道和旁通閥連通并且旁通閥全部打開,使氣缸排出氣體全部通過旁通管道返回到進(jìn)氣管,這時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩主要由氣體流經(jīng)氣閥、管道的阻力和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力產(chǎn)生。采用旁通管道連通進(jìn)行壓縮啟動(dòng)時(shí),必須要全流量回流。對(duì)于多級(jí)壓縮機(jī),要求每級(jí)排氣管都與一級(jí)進(jìn)氣管道連通。但級(jí)數(shù)較少時(shí),通常只帶“末回一”旁通管道,用于壓縮機(jī)啟動(dòng)和負(fù)荷調(diào)節(jié),壓縮機(jī)旁通管道配置圖如下。

旁通管道連通進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)操作簡單,可靠性高。采用旁通管道連通啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí),如果僅考慮負(fù)荷調(diào)節(jié)而忽略機(jī)組啟動(dòng)要求時(shí),旁通管道和閥門直徑選擇就會(huì)偏小,造成管道阻力損失過大而影響壓縮機(jī)啟動(dòng),或造成啟動(dòng)時(shí)氣缸排氣壓力過高而超壓。因此,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)旁通管道通徑和氣缸排氣壓力進(jìn)行核算,防止氣缸排氣壓力超壓。

2.3 方案設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩與機(jī)組方案設(shè)計(jì)有關(guān),氣缸布置和氣缸型式不同,壓縮機(jī)的啟動(dòng)扭矩也會(huì)不同。當(dāng)活塞桿直徑較大或氣缸單作用時(shí),啟動(dòng)扭矩會(huì)很大。尤其是啟動(dòng)壓力很高時(shí),例如高壓循環(huán)氫壓縮機(jī),啟動(dòng)扭矩非常大,常規(guī)設(shè)計(jì)電機(jī)無法滿足啟動(dòng)要求,通常用增加電機(jī)功率的方法滿足啟動(dòng)扭矩要求。

3 啟動(dòng)扭矩計(jì)算

壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算以轉(zhuǎn)速?zèng)Q定扭矩為基準(zhǔn),通過斷開點(diǎn)、潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的轉(zhuǎn)速與扭矩來描述,啟動(dòng)扭矩曲線通過這3點(diǎn)數(shù)值繪制。壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩曲線的橫坐標(biāo)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速比,縱坐標(biāo)為啟動(dòng)扭矩與電機(jī)額定扭矩比。

為了方便壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算和曲線的繪制,斷開點(diǎn)縱坐標(biāo)值用A表示;轉(zhuǎn)折點(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)值分別用B和C表示;額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)縱坐標(biāo)用D表示。

3.1 斷開點(diǎn)

壓縮機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)。這時(shí)壓縮機(jī)還沒有運(yùn)轉(zhuǎn)起來,轉(zhuǎn)速為零,飛輪沒有存儲(chǔ)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要?jiǎng)幽埽瑔?dòng)扭矩必須由電機(jī)來提供。氣體沒有流動(dòng),啟動(dòng)扭矩只需要克服作用在活塞上的氣體力和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力。

當(dāng)壓縮機(jī)處于帶全平衡氣體力頂開吸氣閥啟動(dòng)時(shí),例如帶貫穿活塞桿的雙作用氣缸,由于吸氣壓力的存在,活塞桿填料密封環(huán)壓緊在活塞桿上造成附加阻力和運(yùn)動(dòng)件靜摩擦力。

式中 M——啟動(dòng)扭矩

MA——電機(jī)額定扭矩

ηmec——機(jī)械效率

空負(fù)荷啟動(dòng)時(shí),如果在吸氣壓力下氣體力不能全部平衡時(shí),啟動(dòng)扭矩還要加上一個(gè)由氣體力產(chǎn)生的附加扭矩,計(jì)算公式為

式中 ΔA——活塞面積差,mm2

Δp——?dú)怏w壓差,MPa

S——行程,mm

PK——軸功率,kW

ω——角速度,rad/s

λ——連桿比

系數(shù)C2考慮作用在活塞上氣體力所產(chǎn)生的最大阻力矩,這主要取決于壓縮機(jī)氣缸布置和曲軸的曲柄錯(cuò)角。實(shí)際計(jì)算中,通過計(jì)算機(jī)程序?qū)ι厦?值進(jìn)行疊加計(jì)算,求出最大扭矩出現(xiàn)位置和數(shù)值。

3.2 轉(zhuǎn)折點(diǎn)

壓縮機(jī)軸承從混合摩擦狀態(tài)到液壓潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這點(diǎn)扭矩是壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中需要的最小值,通過扭矩B和轉(zhuǎn)速C進(jìn)行描述。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí),壓縮機(jī)飛輪應(yīng)有一定轉(zhuǎn)速和動(dòng)能,使曲軸保持連續(xù)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)試驗(yàn),通常壓縮機(jī)混合狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在50~60 r/min,這時(shí)壓縮機(jī)軸承處于運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下,氣體仍然沒有流動(dòng)起來。因此

對(duì)于B值

對(duì)于C值:首先假定所有壓縮機(jī)潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)都發(fā)生在50 r/min時(shí),這點(diǎn)為潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)最小值,這樣可以求出C一個(gè)最小值

式中 Nc——C點(diǎn)轉(zhuǎn)速,r/min

NA——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min

同時(shí),轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)飛輪應(yīng)有足夠動(dòng)能克服氣缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的扭矩幅,因此

式中 ωc——C點(diǎn)角轉(zhuǎn)速,rad/s

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2飛輪存儲(chǔ)的能量指所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件存儲(chǔ)的能量,包括壓縮機(jī)飛輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子、曲軸、連桿、十字頭和活塞的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與往復(fù)活塞質(zhì)量等?!艼為軸系全部零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

式中 Mamp——扭矩幅,kN·m

p11——啟動(dòng)時(shí)一級(jí)吸氣壓力,MPa

dHE——蓋側(cè)活塞桿直徑,mm

dCE——軸側(cè)活塞桿直徑,mm

S——行程,mm

這樣可以求出C的第2個(gè)值

式中 NA——額定轉(zhuǎn)速,r/min

計(jì)算出C1,C2值后,C值取為C1和C2最大值。

3.3 額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)

壓縮機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的點(diǎn),這時(shí)啟動(dòng)扭矩主要由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力和氣流阻力損失產(chǎn)生。由于氣流損失難以確定,額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的阻力損失用氣體流動(dòng)功率進(jìn)行計(jì)算。因此,D點(diǎn)計(jì)算公式為

式中 PiK——指示功,kW

PK——軸功率,kW

頂開吸氣閥時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)功率很小,功率損失僅由氣閥阻力損失決定,計(jì)算公式為

式中 Pi——指示功,kW

Vs——入口流量,m3/h

λre——容積效率

λs——容積系數(shù)

εi——?dú)飧讐罕?/p>

ps——級(jí)吸氣壓力,MPa

nkre——實(shí)際壓縮系數(shù)

由于氣閥阻力損失較小,壓比接近1,啟動(dòng)功率可簡化為

式中 Δpsv——吸氣側(cè)壓力損失,MPa

Δpdv——排氣側(cè)壓力損失,MPa

VH——行程容積,m3/h

p11——啟動(dòng)時(shí)一級(jí)吸氣壓力,MPa

3.4 平均扭矩

按照上述方法求出壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩點(diǎn)A,B,C和D點(diǎn)后,即可求出平均扭矩Mmed

3.5 啟動(dòng)扭矩曲線

啟動(dòng)扭矩曲線由經(jīng)過上述各點(diǎn)的拋物線進(jìn)行繪制,它直觀的描述了壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中扭矩變化趨勢和與電機(jī)啟動(dòng)扭矩的關(guān)系。壓縮機(jī)空負(fù)荷啟動(dòng)扭矩曲線和滿負(fù)荷扭矩曲線如圖3、4。

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩曲線用于電機(jī)啟動(dòng)扭矩和啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)的啟動(dòng)特性設(shè)計(jì),當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩曲線不能與電機(jī)啟動(dòng)扭矩曲線相交,即電機(jī)啟動(dòng)扭矩必須大于壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩,壓縮機(jī)才能正常啟動(dòng)。因此,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),壓縮機(jī)制造廠應(yīng)將啟動(dòng)曲線提供給電機(jī)廠進(jìn)行啟動(dòng)特性設(shè)計(jì)。

4 程序開發(fā)和應(yīng)用

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算方法復(fù)雜,工作量大,手工計(jì)算容易出錯(cuò),不能適應(yīng)市場競爭快速設(shè)計(jì)和規(guī)范化設(shè)計(jì)要求。為了保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量,開發(fā)往復(fù)壓縮機(jī)扭矩計(jì)算程序并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣使用。

啟動(dòng)扭矩計(jì)算程序開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual C++6.0,采用面向?qū)ο蠓椒ㄍ瓿?。根?jù)壓縮機(jī)啟動(dòng)方式不同,程序包括。

(1)頂開吸氣閥啟動(dòng)扭矩計(jì)算模塊;

(2)一個(gè)旁通管路連通啟動(dòng)扭矩計(jì)算模塊;

(3)2個(gè)旁通管路連通啟動(dòng)扭矩計(jì)算模塊;

(4)啟動(dòng)扭矩曲線繪制模塊。

壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算程序已經(jīng)開發(fā)完成,并應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。下面進(jìn)行4M50原料氣壓縮機(jī)在頂開吸氣閥、一個(gè)旁通管道連通和滿負(fù)荷工況的啟動(dòng)扭矩計(jì)算,研究各種啟動(dòng)工況對(duì)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩的影響。

(1)4M50原料氣壓縮機(jī)為4列3級(jí)對(duì)稱平衡型,轉(zhuǎn)速371r/min,行程280 mm,流量27471 Nm3/h,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

(2)計(jì)算輸出結(jié)果,見圖5、6。

(3)各負(fù)荷工況壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算結(jié)果見表2。

計(jì)算結(jié)果表明:

(1)頂開吸氣閥工況啟動(dòng)時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩較小;

(2)旁通管道連通工況啟動(dòng)時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩較大;

(3)滿負(fù)荷狀態(tài)啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩特別大,超過電機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩,通常無法啟動(dòng)。

5 結(jié)語

往復(fù)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩與壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷狀態(tài)、空負(fù)荷方式和壓縮機(jī)的方案設(shè)計(jì)有關(guān)。頂開吸氣閥啟動(dòng)時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩較??;旁通管路連通啟動(dòng)時(shí),壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩較大;滿負(fù)荷啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩非常大,通常不能直接啟動(dòng),電機(jī)需要特殊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí),壓縮機(jī)制造廠應(yīng)提供啟動(dòng)曲線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)特性設(shè)計(jì),編制壓縮機(jī)啟動(dòng)扭矩計(jì)算程序并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣使用,對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量有重要作用。

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Research on the Startup Torque of Reciprocating Compressor and Its Program Development

WANG Gang,TIE Bo,MA Rui-hong,ZHANG Tong
(Shenyang Blower Works Growp Copporetim,Shenyang 110869,China)

The startup torque of reciprocating compressor is very important for design of motor,which is directly related with the normal startup of driven motor.Based on analyzing the startup torque when open the suction valve,the characteristics and affecting factors of startup valve are studied in this paper.Finally,the development of calculation program of the startup torque of reciprocating compressor and its application in the product design are also introduced.

API 618;startup torque;reciprocating compressor

TH457

A

1006-2971(2015)06-0022-05

王剛(1972-),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)在沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司從事往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工作。

2015-09-21

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