范曉勇 余歷軍 王戰(zhàn)輝

(1.榆林學院化學與化工學院；2.西北大學化工學院)

往復(fù)活塞式壓縮機的變工況壓氣性能研究*

范曉勇**1余歷軍2王戰(zhàn)輝1

(1.榆林學院化學與化工學院；2.西北大學化工學院)

運用壓縮機性能測試系統(tǒng)對上海壓縮機廠制造的V型雙缸風冷式壓縮機性能進行研究，通過改變排氣壓力、吸氣溫度和氣缸冷卻情況研究壓縮機排氣量及軸功率等參數(shù)的變化規(guī)律，并對排氣壓力為0.1、0.3、0.5MPa時壓縮機的示功圖進行了分析。實驗結(jié)果表明：壓縮機排氣量和軸功率受排氣壓力和氣缸冷卻情況的影響較大；排氣壓力升高時，排氣溫度隨之升高。

往復(fù)活塞式壓縮機 變工況 性能參數(shù) 示功圖

往復(fù)活塞式壓縮機是一種靠壓縮氣體來提高氣體壓力或輸送氣體的設(shè)備，具有排氣壓力高且穩(wěn)定的特點[1]，被廣泛的應(yīng)用在化工合成、石油開采、醫(yī)藥衛(wèi)生及冶金采礦等領(lǐng)域[2]。而在一些特殊工況環(huán)境下(如在空氣和氣體鉆井作業(yè)中)，由于受到外界環(huán)境因素的影響，壓縮機處于變工況運行[3]，會出現(xiàn)排氣量不足及功率消耗大等問題，因此在保證壓縮機安全可靠運行的前提下對其進行排氣壓力、排氣量和功耗分析(即在一定的能耗前提下取得較大的排氣量)具有重要意義。筆者利用現(xiàn)代測試技術(shù)和計算機技術(shù)，對往復(fù)活塞式壓縮機在變工況條件下的排氣量、功耗與吸氣溫度、排氣壓力、冷卻方式的關(guān)系進行了分析研究，為壓縮機在變工況下的合理應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 實驗裝置

壓縮機變工況工作是指壓縮機的性能參數(shù)(即進氣壓力、進氣溫度、排氣壓力或排氣量)中只要有一個發(fā)生變化，其他參數(shù)也會相應(yīng)改變，壓縮機在新工況下自動調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)安全工作的過程。筆者利用圖1所示實驗裝置分析了壓縮機變工況工作的性能參數(shù)。實驗所用的空氣壓縮機為上海壓縮機廠制造的V型雙缸風冷式壓縮機，其主要參數(shù)如下：

排氣量Q0.48m3/min

吸氣壓力px大氣壓

排氣壓力p0.6MPa

活塞行程 60mm

氣缸直徑 90mm

氣缸數(shù)目 2

電機功率P4.0kW

功率因數(shù) 0.85

最大理論功率 3.4kW

圖1 實驗裝置示意圖1——流量計；2——儲氣罐；3——壓力傳感器； 4——壓縮機；5——轉(zhuǎn)速傳感器； 6——數(shù)據(jù)采集箱；7——信號處理系統(tǒng)

2 實驗結(jié)果

2.1排氣壓力對排氣量和軸功率的影響

圖2 排氣壓力與排氣量關(guān)系

保持進氣溫度和壓縮機冷卻情況不變，通過改變排氣閥門開度的大小改變排氣壓力，得到排氣壓力對軸功率的影響規(guī)律(圖3)，從圖3可以看出：排氣壓力升高時，軸功率將會升高。這是因為排氣壓力升高時，壓縮比隨之增大，軸功率明顯提高。

圖3 排氣壓力與軸功率的關(guān)系

2.2進氣溫度對排氣量和軸功率的影響

不同進氣溫度下的壓縮機排氣量如圖4所示，從圖4可以看出：在一定范圍內(nèi)，進氣溫度升高時，壓縮機排氣量增大。這是因為壓縮機裝有空氣濾清器，進氣溫度的升高使空氣比重減小，進而使通過空氣濾清器的阻力減小，排氣量增大[4]。

圖4 進氣溫度對排氣量的影響

保持排氣壓力和壓縮機冷卻情況不變，通過改變加熱器的功率來調(diào)節(jié)壓縮機的進氣溫度，得到壓縮機軸功率隨溫度的變化規(guī)律(圖5)，從圖5可以看出：隨著壓縮機進氣溫度從21.0℃升至30.2℃時，軸功率從1.54kW降至1.44kW后又升高，但變化不大。說明壓縮機軸功率與進氣溫度基本無關(guān)，這是因為進氣溫度升高時，空氣比重增加，則進氣的相對損失減少，軸功率降低；而進氣溫度升高時排氣量增加，軸功率增加，因此進氣溫度對壓縮機軸功率影響是一個綜合結(jié)果。

圖5 進氣溫度對軸功率的影響

2.3工作時間和排氣壓力對排氣溫度的影響

壓縮機在壓縮過程中會放出大量的熱，如果散熱不好，會造成排氣溫度過高，因此控制壓縮機冷卻效果是保證壓縮機工作效率和較少耗能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。圖6為當排氣壓力分別取0.1、0.3、0.5 MPa時排氣溫度隨工作時間的變化，從圖6可以看出：隨著工作時間的增加，壓縮機排氣溫度上升，且上升速度越來越慢；排氣壓力升高時，排氣溫度也升高，且開始時溫度上升速度較快，隨著工作時間的增加，排氣溫度的上升速度減小。

圖6 不同排氣壓力下排氣溫度隨工作時間的變化

2.4氣缸冷卻情況對軸功率的影響

保持氣缸原有狀態(tài)，不安裝額外的冷卻系統(tǒng)，保持進氣溫度不變，壓縮機每工作10min改變一次排氣壓力并記錄其軸功率；或采用氣缸外加水冷盤管的方式冷卻氣缸，并記錄實驗數(shù)據(jù)(圖7)。從圖7可以看出：氣缸冷卻是影響壓縮機性能的重要因素，采用外加水冷系統(tǒng)冷卻氣缸時，在相同的排氣壓力下，軸功率相對消耗較低。這是因為壓縮機的實際壓縮過程趨于絕熱，在一定的進氣溫度下，若氣缸冷卻不充分，隨著單級壓力比的提高，實際壓縮過程越來越偏離等溫壓縮過程，即絕熱循環(huán)指示功將越來越偏離等溫循環(huán)指示功，壓縮機軸功率也越來越大。

圖7 氣缸冷卻情況對軸功率的影響規(guī)律

3 示功圖分析

往復(fù)活塞式壓縮機的一個循環(huán)過程中，氣缸內(nèi)氣體壓力變化曲線是隨活塞位移而變化的循環(huán)曲線，循環(huán)曲線所包圍的面積是壓縮機所做的功或所消耗的功，故稱其為示功圖[6]。示功圖除了表示做功或耗功的大小外，還常被用來分析研究氣缸內(nèi)的工作過程。

筆者采用調(diào)節(jié)排氣壓力的方法，運用壓縮機測試系統(tǒng)測量統(tǒng)計壓縮機的轉(zhuǎn)速和軸功率(表1)。

表1 不同排氣壓力下的壓縮機轉(zhuǎn)速和軸功率

圖8為根據(jù)計算機采集到的數(shù)據(jù)所繪制的壓縮機示功圖。壓縮機壓縮循環(huán)過程由膨脹、吸氣、壓縮和排氣4個過程曲線構(gòu)成，根據(jù)過程曲線所包圍的面積計算出壓縮循環(huán)功。從圖8可以看出：壓縮氣體壓力曲線為震蕩曲線，排氣壓力越大，轉(zhuǎn)速越低，軸功率就越大。

a. p=0.1MPa

b. p=0.3MPa

c. p=0.5MPa圖8 排氣壓力為0.1、0.3、0.5MPa時的示功圖

4 結(jié)論

4.1當進氣溫度、壓縮機冷卻情況保持不變時，壓縮機的排氣壓力越大，軸功率越大，排氣量越小。

4.2當壓縮機的冷卻情況和排氣壓力保持不變時，進氣溫度對壓縮機軸功率的影響不大，但進氣溫度升高時，壓縮機排氣量增大。

4.3壓縮機排氣壓力保持不變時，隨著工作時間的增加，排氣溫度升高，且上升速度越來越??；排氣壓力升高時，壓縮機排氣溫度隨之升高。

4.4當壓縮機進氣溫度與排氣壓力保持不變時，壓縮機的冷卻效果越好，軸功率越低。

[1] 張海平，姜金鎖，楊巧玲.基于OPTO-SNAP的往復(fù)式壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2012，39(3)：377～379，402.

[2] 鄭學鵬. 提高往復(fù)式壓縮機運行可靠性的方法淺析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25(4)：28～32.

[3] 王佑坤，朱榮東.空氣壓縮機變工況運行試驗研究[J].石油礦場機械，2007，36(11)：33～35.

[4] 魏新利，湯本凱.降低壓縮機吸氣溫度對排氣量和功耗的影響分析[J].化肥工業(yè)，2012，39(3)：29～32.

[5] 苗剛.往復(fù)活塞式壓縮機關(guān)鍵部件的故障診斷方法研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學，2006.

[6] 姜立新.擺動式壓縮機性能參數(shù)測試原理研究[D].大慶：大慶石油學院，2005.

ResearchofPerformanceofReciprocatingCompressorUnderVaryingWorkingConditions

FAN Xiao-yong1, YU Li-jun2, WANG Zhan-hui1

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,YulinCollege,Yulin719000,China; 2.SchoolofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China)

The performance test system for compressors was applied to analyze V-shaped air-cooled compressors. Through changing displacement pressure, suction temperature and cylinder cooling, the variation of parameters like the compressor’s displacement and shaft power were discussed, including the compressor’s indicator diagram when the displacement pressure stay at 0.1 MPa,0.3 MPa and 0.5MPa,respectively. The experimental result shows that both displacement pressure and cylinder cooling greatly influences the compressor’s displacement and shaft power; and the exhaust temperature rises with the discharged pressure.

reciprocating compressor, varying working condition, performance parameter,indicator diagram

*榆林學院高層次人才啟動基金項目(11GK29)。

**范曉勇，男，1985年2月生，講師。陜西省榆林市，719000。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0180-04

2014-07-01，

2014-08-15)

國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄(2014年版)公布浙江豐利廢塑料復(fù)合材料回收處理成套裝備入選

日前工業(yè)和信息化部、科技部和環(huán)境保護部聯(lián)合發(fā)布了《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄(2014年版)》，浙江豐利開發(fā)的“廢塑料復(fù)合材料回收處理成套裝備”入選。這是該裝備相繼入選《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄》(2013修正)、《環(huán)保裝備“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄(2011年版)》、2012年浙江省裝備制造業(yè)重點領(lǐng)域首臺(套)之后的又一殊榮。

此次入選的項目是浙江豐利在之前完成承擔的國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項“廢塑料基復(fù)合材料粉體法綜合利用技術(shù)開發(fā)”課題的基礎(chǔ)上，進一步創(chuàng)新開發(fā)而成的新裝備。突破了粉體化回收廢塑料技術(shù)(不會改變化學成分，造成二次環(huán)境污染)；高壓靜電分選技術(shù)；智能化自動控制技術(shù)和貴金屬提取技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，從而有效破解鋁塑復(fù)合膜、鋁塑板、塑料復(fù)合膜、光纜電纜等復(fù)合制品的回收處理這一亟待解決的問題，攻克了國內(nèi)無法用物理方法來解決廢塑料復(fù)合材料回收利用的技術(shù)難題，實現(xiàn)資源再生綜合利用，為廢塑料復(fù)合材料回收利用提供強有力技術(shù)支撐的綠色環(huán)保裝備。 (吳紅富)

(浙江豐利熱線：0575-83105888、83100888、83185888、83183618；豐利網(wǎng)址：www.zjfengli.com)