顧興坤，曲延鵬，劉 燕

(1.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250062)

1 引言

壓縮機(jī)是一種通過壓縮氣體提高氣體壓力的機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)品和技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫(yī)藥、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國防等很多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]，其中，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在多領(lǐng)域生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，屬于高耗能的關(guān)鍵設(shè)備；這主要是由于生產(chǎn)工藝的波動導(dǎo)致與初始設(shè)計參數(shù)不符，造成很多往復(fù)活塞式壓縮機(jī)存在能源利用效率低、無用功耗大等問題?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中要求“十四五”期間“生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，主要污染物排放總量持續(xù)減少”，并在“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”方面“堅持節(jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域和公共機(jī)構(gòu)節(jié)能”[2]。因此，對往復(fù)活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，降低或消除無用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我國在“十四五”期間急需深化解決的問題之一。

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)近年來得到了較好發(fā)展和應(yīng)用，但是很多領(lǐng)域的設(shè)備管理等技術(shù)或科技人員對它的認(rèn)識依然還停留在21世紀(jì)10年代之前，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)笨重、調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)精度低、響應(yīng)速度慢、可靠性較差、易損件多、難以維護(hù)、手動調(diào)節(jié)困難且須壓縮機(jī)停機(jī)后才能調(diào)節(jié)等[3-15]。這些十幾年前余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的缺陷和不足，在最近幾年的一些科技論文中依然頻繁出現(xiàn)，這些片面甚至錯誤的認(rèn)知將嚴(yán)重影響或說嚴(yán)重阻礙余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步、發(fā)展和應(yīng)用。

現(xiàn)已推廣使用近十余年的余隙無級調(diào)節(jié)氣量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝，調(diào)節(jié)范圍適宜、實現(xiàn)了伺服無級調(diào)節(jié)，多種操控模式、參數(shù)設(shè)置靈活，調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)響應(yīng)速度適中，易損件少、使用壽命長、基本免維護(hù)、安全可靠性高，節(jié)能效率高、能最大化地實現(xiàn)壓縮機(jī)的節(jié)能降耗等諸多優(yōu)點[16-25]。

對往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行探討和分析，目的就是客觀、公正、詳實地把余隙調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用特性等研究結(jié)果呈現(xiàn)給廣大設(shè)備管理等技術(shù)人員和專家學(xué)者，期望共同分享先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的最新成果，并能有助于余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，有助于該技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展和創(chuàng)新，有助于提高往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的能源利用效率，能為我國降低二氧化碳排放目標(biāo)的實現(xiàn)添磚加瓦。

2 技術(shù)發(fā)展歷史

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方法有很多種，在1974年之前，國內(nèi)使用的可獨立進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)的裝置就有13種、某兩種獨立調(diào)節(jié)裝置又可組合成4種綜合調(diào)節(jié)裝置；其中，作用于氣缸腔內(nèi)的5種調(diào)節(jié)裝置中的“固定補助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”和“可變補助余隙容積調(diào)節(jié)裝置”均為余隙調(diào)節(jié)裝置，它們在較早的時候就已被采用[26]。

當(dāng)時的固定補助余隙調(diào)節(jié)裝置和可變補助余隙調(diào)節(jié)裝置，雖具有較好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能降耗的特點，但有一些不足之處，比如結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、笨重、調(diào)節(jié)精度低和調(diào)節(jié)比較困難(需壓縮機(jī)處于停運狀態(tài)方可手動調(diào)節(jié))，以致于配置了這種裝置的壓縮機(jī)用戶，讓這些裝置經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。

我們查閱了2012年及之前的國內(nèi)著名的一些文獻(xiàn)[27-30]，國內(nèi)余隙調(diào)節(jié)技術(shù)在1974年之后的近三十多年的時間內(nèi)無創(chuàng)新性發(fā)展的信息披露。

在國外，自上世紀(jì)中期就已廣泛應(yīng)用固定或可變補助余隙容積裝置[31]，至今，我國進(jìn)口的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)上大多數(shù)配置只調(diào)節(jié)一級氣缸的手動可變余隙容積裝置，氣量調(diào)節(jié)范圍一般在80%～100%[32]，如圖1。

圖1 進(jìn)口壓縮機(jī)配置的可調(diào)余隙裝置

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)[33]，其調(diào)節(jié)氣量范圍設(shè)計在60%～100%，這也是我們已知的國際上具有里程碑意義的首套液壓式無級可調(diào)容積式余隙腔專利技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)品在美國有實質(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，介紹其HVVCP的氣量調(diào)節(jié)范圍設(shè)計在55%～100%[34]，但至今在中國沒有查詢到對該公司HVVCP產(chǎn)品的應(yīng)用報道。

圖2 Dresser-Rand Company液壓式無級可調(diào)容積式余隙腔裝置在美國的應(yīng)用實例

目前，國內(nèi)制造的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)上配置固定余隙裝置已很少見，配置諸如圖3所示手動可調(diào)余隙裝置的還有，這可能與客戶應(yīng)用現(xiàn)場條件或環(huán)境要求有關(guān)、也可能與新技術(shù)產(chǎn)品推廣力度不夠有關(guān)，但手動可調(diào)余隙裝置已不是當(dāng)今氣量調(diào)節(jié)應(yīng)用的主流。

2009年12月，國內(nèi)將可變補助余隙容積裝置創(chuàng)新性地“升級”為電液式余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的首臺套成功得到應(yīng)用，并取得良好節(jié)能效果[35，36]。對于余隙調(diào)節(jié)氣量技術(shù)的發(fā)展，美國西南研究院對這類調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為它是未來很有潛力的發(fā)展方向之一[37]。

3 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國產(chǎn)電液式余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在近五年多的時間內(nèi)得到較快發(fā)展，全國范圍內(nèi)關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)的專利技術(shù)已超過五十多件，關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用的論文也超過了五十多篇，現(xiàn)在每年都有關(guān)于余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的專利申請及技術(shù)應(yīng)用論文的發(fā)表、而且都給出了較高評價。

國產(chǎn)余隙無級調(diào)節(jié)裝置已同電儀+PLC+液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動實時的無級伺服調(diào)控，控制精度較高、達(dá)到2‰～3‰。國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)裝置的核心設(shè)備——執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、拆裝便捷、控制精度高、無高速運動部件、基本免維護(hù)、維修簡便、維修速度快(不足一天)、使用壽命長、安全可靠性高、壓縮機(jī)輸出氣量穩(wěn)定、節(jié)能效率較高、性價比高，等[17-25]，參見圖3。

圖3 國產(chǎn)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)前，國產(chǎn)余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)不但解決了無級調(diào)節(jié)和伺服級控制的技術(shù)問題，而且其調(diào)節(jié)范圍從理論上推導(dǎo)和計算來講：對雙作用壓縮機(jī)來講，可達(dá)50%～100%；對單作用壓縮機(jī)來講，為0%～100%[38-40]；因此，該技術(shù)的氣量調(diào)節(jié)范圍比較適宜，能滿足絕大多數(shù)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)節(jié)能改造的要求，因為壓縮機(jī)后續(xù)生產(chǎn)工藝極少能按照低于60%額定負(fù)荷運行去設(shè)計壓縮機(jī)，這也就確保了壓縮機(jī)在低于60%額定負(fù)荷長周期運行的可能性大大降低?？蛻舻默F(xiàn)場實際應(yīng)用也驗證了前述推算[39，40]。

截止2020年底，國內(nèi)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)已推廣應(yīng)用了11年，利用該技術(shù)節(jié)能改造的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)約200臺左右。據(jù)反映，客戶只要使用過該技術(shù)產(chǎn)品，3年內(nèi)就會發(fā)現(xiàn)該技術(shù)產(chǎn)品以上的諸多優(yōu)點。經(jīng)實地考察，了解到中國石化集團(tuán)某分公司從2013年至2020年的七年間，利用該技術(shù)已累計節(jié)能改造了9臺往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，深受客戶稱贊，見表1。這也足以印證了該技術(shù)的過硬特點之處。

表1 中國石化集團(tuán)某分公司往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)改造情況

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在2009～2020年間的11年發(fā)展過程中，該技術(shù)產(chǎn)品也出現(xiàn)過：執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿斷裂、余隙活塞脫落、油缸筒或余隙缸筒脹裂、缸筒鍍層損壞、裝配或安裝螺栓蹦斷、控制箱爆燃、控制油管線或卡套接頭崩開、密封組件使用壽命未達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求使用年限，等的嚴(yán)重事故，給使用客戶造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失和精神傷害，也產(chǎn)生了對該技術(shù)還不成熟的懷疑，甚至出現(xiàn)了對該技術(shù)完全否定的態(tài)度。但從前述事故現(xiàn)象看，這主要是制造商的產(chǎn)品質(zhì)量所致，不應(yīng)質(zhì)疑該技術(shù)。

在具體的客戶應(yīng)用實踐中，有的余隙無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較長，這主要是因為壓縮機(jī)的壓縮比較小所致，而且大都是一級兩列往復(fù)活塞式壓縮機(jī)出現(xiàn)的情況。對于這種情況，只要其安裝和檢修空間足夠，采用余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)仍具有實施的必要性。

4 技術(shù)特性

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在十余年的創(chuàng)新發(fā)展的過程中，不斷消除“固定補助余隙容積調(diào)節(jié)”和“可變補助余隙容積調(diào)節(jié)”技術(shù)的缺點和缺陷，特別是以往那種靠壓縮機(jī)停機(jī)后人工手動才能完成負(fù)荷調(diào)節(jié)操作的狀況被徹底改變，不但實現(xiàn)了負(fù)荷的無級伺服調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)精度高、安全可靠性高、穩(wěn)定性高，等。這一調(diào)控技術(shù)的突破，受益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它采用了液壓電磁閥控制技術(shù)+電氣儀表控制技術(shù)+PLC+人機(jī)對話平臺等的綜合控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)余隙活塞位移，實現(xiàn)補助余隙容積的改變，進(jìn)而達(dá)到改變壓縮機(jī)氣缸入口容積流量的變化，并最終實現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的調(diào)節(jié)和最大化節(jié)能降耗的目的。余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的部分特性指標(biāo)，見表2。

現(xiàn)階段余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)除了表2中的一些特性指標(biāo)外，某些論文給出了余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)另外的一些特性指標(biāo)：“能實現(xiàn)壓縮機(jī)平穩(wěn)開啟、平穩(wěn)切換和停機(jī)，同時可實現(xiàn)較短時間內(nèi)不停機(jī)即可實現(xiàn)維修控制系統(tǒng)”[41-43]；“隨著壓縮功的降低，壓縮機(jī)曲軸、連桿機(jī)構(gòu)等零部件的受力也將大大降低，噪聲也會隨之降低；壓縮機(jī)振動減??；設(shè)備運行更加穩(wěn)定可靠”[44-47]。

表2 余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)特性指標(biāo)

隨著余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，某些特性指標(biāo)將會得到進(jìn)一步理論推導(dǎo)和實踐驗證。

5 結(jié)語

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)只有在不斷創(chuàng)新發(fā)展的過程中不斷自我革新，才能適應(yīng)時代和社會發(fā)展的要求；對往復(fù)活塞式壓縮機(jī)余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行研究，可以佐證余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)已不是人們很早以前了解的那個笨重、易損件多、調(diào)節(jié)困難等的技術(shù)，而且還佐證了新技術(shù)產(chǎn)品的諸多優(yōu)異特性對節(jié)能改造后的壓縮機(jī)具有較好優(yōu)化和保護(hù)。余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)具有的高安全可靠性、高性價比和高的壓縮機(jī)能源利用效率及能實現(xiàn)最大化壓縮機(jī)節(jié)能降耗，將更有利于增加客戶的經(jīng)濟(jì)和社會效益，同時，也有利于國家降低二氧化碳排放目標(biāo)的實現(xiàn)。