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    淺談往復活塞式空氣壓縮機的性能與選型
    發布時間:2014-01-29

      往復活塞式壓縮機是容積式壓縮機的一種,它能夠提供較大的壓比,而和其輸送氣體的分子量無關,所以在石油化工裝置中廣泛采用往復式壓縮機來輸送氣體或提高氣體的壓力。往復活塞式壓縮機具有無論流量大小,分子量大小都可以達到較高的出口壓力的優點,它是利用活塞在氣缸中對流體進行擠壓,而使流體壓力提高并排出的壓縮機械。與其它類型壓縮機相比,往復活塞式壓縮機具有以下優點:1)適用壓力范圍廣,超高壓、高壓、中壓、低壓均可,而尤其以高壓最為優越。2)熱效率高,一般大、中型機組絕熱效率可達0.7~0.85左右。3)適應性較強,排氣量范圍較廣,在小排氣量下亦能保持較高效率,而且排氣量受排氣壓力波動的影響較小。

      往復活塞式壓縮機工作原理

      當往復活塞式壓縮機的曲軸旋轉時,通過連桿的傳動,活塞便做往復運動,由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發生周期性變化。往復式壓縮機的活塞從氣缸蓋處開始運動時,氣缸內的工作容積逐漸增大,這時,氣體即沿著進氣管,推開進氣閥而進入氣缸,直到工作容積變到最大時為止,進氣閥關閉;往復式壓縮機的活塞反向運動時,氣缸內工作容積縮小,氣體壓力升高,當氣缸內壓力達到并略高于排氣壓力時,排氣閥打開,氣體排出氣缸,直到活塞運動到極限位置為止,排氣閥關閉。當往復式壓縮機的活塞再次反向運動時,上述過程重復出現??傊?,往復式壓縮機的曲軸旋轉一周,活塞往復一次,氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程,即完成一個工作循環。該機型的工作原理、特性所限,為了供氣穩定,一般往復活塞式空氣壓縮機都配備有儲氣罐。

      往復活塞式壓縮機性能分析

      它由曲柄連桿機構將驅動機的旋轉運動變為活塞的往復運動?;钊c氣缸共同組成壓縮機工作腔,依靠活塞在氣缸內的往復運動,并借助進、排氣閥的自動開閉,使氣體周期性地進入氣缸工作腔,進行壓縮和排出。往復活塞式壓縮機主要由三大部分組成;運動機構(曲軸、軸承、連桿、十字頭、皮帶輪或聯軸器等)、工作機構(氣缸、活塞、氣閥等)與機身。此外還有3個輔助系統:即潤滑系統、冷卻系統及調節系統。

      運動機構是一種曲柄連桿機構,把曲軸的旋轉運動變為十字頭的往復運動。機身用來支承和安裝整個運動機構和工作機構。工作機構是實現壓縮機工作原理的主要部件。

      目前,往復活塞式壓縮機是我國傳統領域應用最廣泛的壓縮機,但是隨著其它回轉壓縮機等產品的崛起,其在很多領域,比如制冷的市場正逐步縮小。我國石化領域的重點乙烯建設工程以及近年來在煤炭領域的大力整頓,帶動了往復活塞式壓縮機技術及其行業的發展。往復活塞式壓縮機主要是向大容量、高壓力、低噪聲、高效率、高可靠性等方向發展;不斷開發變工況條件下運行的新型氣閥,提高氣閥壽命;在產品設計上,應用熱力學、動力學理論,通過綜合模擬預測壓縮機在實際工況下的性能;強化壓縮機的機電一體化,采用計算自動控制,實現優化節能運行和聯機運行。

      由于往復活塞式壓縮機的廣泛應用,因此熟悉往復活塞式壓縮機優缺點與具體參數對于選購往復式活塞式壓縮機的用戶起著一定的指導作用。表一列出了往復活塞式壓縮機綜合性能,用以用戶選購前的了解與認識。

      往復活塞式壓縮機的優缺點

      優點

      1、適用壓力范圍廣。因依靠容積變化的原理工作,因而不論其流量大小,都能達到很高的工作壓力。目前已制成低、中、高、超高壓各種壓縮機,其中工業上超高壓壓縮機的工作壓力可達350MPa(3500kgf/cm2)。

      2、設備價格低、初投資少、操作方便、使用壽命長。

      3、因壓縮過程屬封閉過程,所以熱效率較高。

      4、適應性強,排氣量范圍廣,且受排氣壓力變化的影響較小,當介質重度改變時,其容積排量和排氣壓力的變化也較小。

      缺點

      1、慣性力大,轉速不能太高,故而機器較笨重,大排量時尤甚。

      2、結構復雜,易損件多,維修工作量大、維護費用相對較高。

      3、排氣不連續,氣流壓力脈動,易產生氣柱振動。

      4、運行時振動和噪聲較大,設備安裝基礎要求高。

      由于往復活塞式機械僅能間斷地進氣、排氣,氣缸容積較小,活塞往復運動速度不能太快,因而活塞機械的排氣量和發出的功率要受到很大限制。

      往復活塞式壓縮機的選型

      在對往復活塞式壓縮機進行選擇時,首先要考慮用戶的實際需要,不要因為認知的模糊選型過大,造成資源浪費,或者選型過小,以致于供氣不足,不僅無法滿足生產需求,同時,也會是機器長時間的超負荷運轉,影響其使用壽命。因此,在對往復活塞式壓縮機進行選型時,首先注意的是用戶需要多大的排氣量與排氣壓力。表二與表三介紹了往復活塞式壓縮機排氣量與排氣壓力,以便用戶了解后正確選擇自己需要的型機。

      由于往復活塞式壓縮機在運轉時,活塞不斷往復運動,引起氣缸內的容積發生增大和減少的周期變化,依靠氣閥的作用,容積每變化一次,即完成一次將氣體吸入氣缸,經過壓縮然后排出的全過程即完成一工作循環。因此,根據氣體受壓縮的級數不同,表四給出了詳細的分類。

      往復活塞式壓縮機型式按照按氣缸中心線相對地平線位置或其彼此間關系分為立式壓縮機、臥式壓縮機、角度式壓縮機,如表五。

      對于往復活塞式壓縮機型式選擇,我們可以根據其各型式優缺點與用戶場地的大小來判斷出適合用戶的壓縮機,一般用戶場地較小可選擇立式壓縮機,實際情況也需要考慮到壓縮機選型當中。

      立式壓縮機

      優點是:主機直立,占地面積??;活塞重量不支承在氣缸上,沒有因此而產生的摩擦和磨損。

      缺點是:大型時高度大,需設置操作平臺,操作不方便;管道布置困難;多級時級間設備占地面積大。

      所以,立式壓縮機現僅用于中、小型及微型,使機器高度均處于人體高度便于操作的范圍內,且中型壓縮機主要用于無油潤滑結構活塞無需支承而僅需導向;此外,級數以少為宜,以避免管道布置的麻煩。

      臥式壓縮機

      臥式壓縮機大都制成氣缸置于機身兩側的結構,其優缺點恰好和立式壓縮機相反;臥式壓縮機的級間設備甚至可配置在壓縮機的上方或下方,故中、大型壓縮機宜采用臥式結構。

      在臥式壓縮機中,相對列活塞相向運動的對動式壓縮機,其動力平衡性能特別好,并因為相對列力矩轉化的力,故軸承受力情況改善,且不論奇數列還是偶數列都可做成對動式結構,所以現在應用最普遍。當然對動式壓縮機也有缺點:首先,兩相對列中,總有一列十字頭上作用的側向力向上,而在兩止點位置側向力小時,其重力又向下,因此造成十字頭在運動中有敲擊,并導致活塞桿隨之擺動,從而影響填料的密封性及耐久性;其次,僅兩列的對動式壓縮機,其總切向力曲線很不均勻,由此使飛輪矩要比角度式結構大。

      所謂對置式壓縮機,就是其相對列的活塞部件并不做對稱運動。采用一連桿而具有框架式十字頭的對置式壓縮機主要用于超高壓的增壓壓縮機。因為超高壓級一般都是單作用式,采用框架式十字頭可使相對列的氣體力抵消掉一部分,從而減少了連桿、曲軸的負荷,此外,兩列均無向上的側向力,故運轉時比較平穩。這種結構往復質量很大,但因考慮到密封元件等的耐久性,超高壓壓縮機一般轉速不高,其慣性力仍不至超過最大氣體力。

      角度式壓縮機其優點是結構緊湊,每個曲拐上裝有兩根以上的連桿,使曲軸結構簡單、長度較短,并可能采用滾動軸承;缺點是大型時高度大。所以,角度式壓縮機的適用范圍也主要是中、小型及微型壓縮機。

      另外,也需要合理的選擇壓縮機的驅動方式。

      1、電動機,電動機價格最便宜,而且結構簡單、操作方便,所以凡是有電能的地方應用電動機驅動。

      2、內燃機,在沒有電能的地方或具有天然氣及可以利用可燃氣體的地方應用內燃機。雖然內燃機價格昂貴,但用天然氣的能源消耗費用最便宜,高的成本費用幾年內便可用低的運行費用所抵償。

      3、氣輪機,氣輪機驅動,通常用在化工廠中因工藝流程本身需要蒸汽,因而有現成的蒸汽可用,也有很高的運行經濟性。

      對于往復活塞式壓縮機的選型中,用戶不僅要掌握以上內容,還需要明確流程的原始計算數據。用戶需要明確氣體的性質和吸氣狀態,根據生產規?;蛄鞒绦枰_定總供氣量,還要確定需要的排氣壓力,考慮排氣溫度的要求,并懂得單機容積流量的計算與熱力計算。

      除此之外,在往復活塞式壓縮機運行當中,為了供氣穩定,一般都配備有儲氣罐,因此,儲氣罐也需要根據用戶所選擇的型機來合適配備。

      通常簡便的方法是空壓機出氣量(m3/min為單位)的15-30%。若想加以計算,則以下的公式可用。

      V = 空氣桶體積;Q = 空壓機空量(m3/min);8 = 常數(一般用于7bar時);

      △P = 壓差(bar,通常至少設定于0.6~1bar)

      另外,在選型時,還要針對客戶需要,確定工作壓力,既滿足了客戶需要,又可節省投入成本。

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