活塞式壓縮機的發(fā)展與診斷

活塞式壓縮機的發(fā)展與診斷

壓縮機的運行、控制及故障診斷原油泵是用于提高氣體壓力和氣體輸送的機器。這是將原動機的動力能力轉變?yōu)闅怏w壓力的一個工作機。壓縮機主要為壓縮氣體提供動力,也可以用于制冷和氣體分離。自20世紀70年代石油化工大發(fā)展之后,形成了與之配套的專用壓縮機,如大化肥專用壓縮機、乙烯工業(yè)用“三機”等。但是,隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,其年能源消耗量也在快速增加。因此,有關壓縮機的運行、控制、故障診斷以及控制的研究得到了廣泛關注。近些年來,在石化領域往復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(fā)展;不斷開發(fā)在變工況條件下運行的新型氣閥,提高氣閥壽命;在產(chǎn)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,采用計算機自動控制[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運行和聯(lián)機運行。這方面的工作也得到了很多企業(yè)的重視。此外,許多壓縮機業(yè)內(nèi)人士也都實現(xiàn)了PLC在活塞式壓縮機中的控制和節(jié)能的應用。文中對活塞式壓縮機的分類、新結構以及氣閥結構的優(yōu)化進行介紹。然后,對壓縮機易疲勞部件進行結構優(yōu)化介紹,并結合電子技術的發(fā)展闡述壓縮機的故障診斷系統(tǒng)、排氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和壓縮機結構設計系統(tǒng)。最后,針對壓縮機在特殊領域的運用進行舉例介紹。1活塞式壓縮機分類為了研究和應用的方便,一般將活塞式壓縮機按照以下4種方式進行分類。1.1立式壓縮機1)臥式壓縮機:氣缸均為橫臥;2)立式壓縮機:氣缸均為豎立布置;3)角式壓縮機:氣缸布置成L型、V型、W型和星型等不同角度。1.2根據(jù)壓縮機氣體序列分類1)單級壓縮機:氣體在氣缸內(nèi)進行一次壓縮;1.3列式壓縮機系統(tǒng)1)串聯(lián)式壓縮機:幾個氣缸依次排列于同一根軸上的多段壓縮機;2)并列式壓縮機:幾個氣缸平行排列于數(shù)根軸上的多級壓縮機;3)復式壓縮機:由串聯(lián)和并聯(lián)式共同組成多段壓縮機;4)對稱平衡式壓縮機:氣缸橫臥排列在曲軸軸頸互成180°的曲軸兩側,布置成H型,其慣性力基本能平衡。1.4單作用壓縮機1)單作用壓縮機:氣體只在活塞的一側進行壓縮,又稱單動壓縮機;2)雙作用壓縮機:氣體在活塞的兩側均能進行壓縮,又稱復動或多動壓縮機;3)多缸單作用壓縮機:利用活塞的一面進行壓縮,而有多個氣缸的壓縮機;4)多缸雙作用壓縮機:利用活塞的兩面進行壓縮,而有多個氣缸的壓縮機。2活塞式壓縮機的新結構2.1壓縮機缸結構設計往復式壓縮機,其結構簡單,但密封性能影響其使用壽命;螺桿式和渦旋式壓縮機其性能突出,但其結構復雜,加工成本高;滾動轉子式和滑片式壓縮機其結構不對稱,在轉動中容易引起振動;離心式壓縮機噪聲大,不適合家用制冷設備。田明航、馮毅針對以上考慮,自行設計了一種壓縮機氣缸結構,具有結構簡單、加工方便、可實現(xiàn)氣體連續(xù)壓縮等特點。此壓縮機結構主體部分包括氣缸上蓋和氣缸下蓋兩部分,如圖1所示。這兩部分分別由氣缸側臺、氣體壓縮區(qū)、軸孔、氣缸推板、排氣孔、吸氣孔、氣缸側壁和旋轉軸組成。氣缸上蓋與下蓋的裝配方式如圖1(c)所示,上蓋的軸與下蓋的軸孔配合,上蓋與下蓋貼緊,使其壓縮氣缸內(nèi)保持密封。此壓縮機分為I、II、III、IV4個壓縮缸,如圖2所示。田明航、馮毅還對壓縮機進行了氣缸容積計算、動力系統(tǒng)設計和受力分析與設計計算實例。最終得到結論:與活塞式壓縮機相比,該新型局部旋轉式壓縮機動力系統(tǒng)的曲軸在相同條件下受力明顯要小于活塞式壓縮機,所以由電動機帶動的曲軸必然消耗的能量就少。該局部旋轉式壓縮機結構簡單,省掉了吸氣閥,有利于提高使用壽命及運行的可靠性。2.2氣閥的開啟和開啟角隨工況和介質一般活塞式壓縮機氣閥分進、排氣閥2種,均為單向閥,由彈簧、閥片、閥座及升程限制器組成(見圖3),是控制整個壓縮機氣缸內(nèi)氣體流動的關鍵通道。氣閥是活塞式壓縮機主要的易損件之一。一般情況下,氣閥出現(xiàn)問題的主要原因是氣閥配件的損壞,特別是閥片和彈簧經(jīng)常由于過度的磨損或是受到其他物質的腐蝕而出現(xiàn)損壞。魏敬國、史利民、張勇對氣閥的性能進行了研究。分別作了氣閥開啟角隨工況的變化、氣閥開啟角隨工作介質的變化和影響彈簧力因素的研究(見圖4、圖5)。圖4中彈簧力為定值,當壓縮氣體工況改變,氣閥的開啟角會隨之發(fā)生改變。圖5中彈簧力為定值,隨過程指數(shù)k的降低,氣閥開啟角減小。魏敬國、史利民、張勇最后得出結論:當氣閥在不同的工況下運行時,選擇隨壓縮氣體推力和介質變化的可調(diào)彈簧力閥片,不僅能夠保證氣閥按時打開與關閉,而且避免了閥片與閥座之間嚴重撞擊造成的應力增加,提高了閥片的壽命。和露霞針對氣閥常出現(xiàn)的問題提出了改進氣閥結構的設計方法,其主要思路是:氣閥的設計不僅要選擇合適的結構,而且對于零件的設計和組裝也要格外注意。金江明對氣閥的結構進行了設計計算、動力模擬仿真和閥片碰撞有限元分析。覃鳳敏對氣閥各部分結構進行了設計并對氣閥作了強度校核。3主缸系統(tǒng)控制和故障診斷3.1活塞式壓縮機無排氣量無調(diào)節(jié)壓縮機的額定排氣量由設計時所確定,然而在實際生產(chǎn)中由于工藝流程的變化,原料種類的變更,以及市場需求的變化都需要對活塞式壓縮機的排氣量在一定范圍內(nèi)進行無級調(diào)節(jié)。面對傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法所遇到的瓶頸,美國西南研究中心曾對往復式壓縮機的氣量調(diào)節(jié)方式進行調(diào)查,其中總結了幾種今后可能采用的氣量調(diào)節(jié)方式。1調(diào)節(jié)排氣量這種壓縮機可以通過對線性電機線圈的電磁控制來改變活塞的行程,從而調(diào)節(jié)排氣量(見圖6)。但是,目前線性電機的性能參數(shù)還達不到大型往復壓縮機的要求。2大余隙容積工況現(xiàn)在的補助余隙氣量調(diào)節(jié)裝置的相對余隙容積通常在16%~63%。西南研究中心驗證了大余隙容積(250%相對余隙)工況下往復壓縮機氣量調(diào)節(jié)的實現(xiàn)。結果表明:在大余隙容積工況下,壓縮機在滿負荷運轉時的高效率得到了較好的保持,可以適應大多數(shù)情況下的氣量調(diào)節(jié)需求。3壓力政策這種壓縮機的氣缸內(nèi)有2個活塞,通過改變2個曲軸的相對旋轉相位,可以調(diào)整壓縮機工程過程中氣缸最小容積的大小,從而獲得不同的排氣量,如圖7所示。4系統(tǒng)總體設計饒恕采用PID調(diào)節(jié)技術設計了基于PLC控制的往復式壓縮機分時調(diào)節(jié)系統(tǒng)。他首先對壓縮機的工作原理做了深度的了解,并對壓縮機做了節(jié)能分析,也總結了常用的和已有的調(diào)節(jié)排氣量方法和調(diào)節(jié)技術。在上述基礎上,設計了一套氣量分時調(diào)節(jié)系統(tǒng)并為其匹配了控制系統(tǒng)。無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體設計如圖8所示,該系統(tǒng)主要由液壓執(zhí)行機構和控制、監(jiān)控系統(tǒng)組成。根據(jù)控制系統(tǒng)需要,PLC控制器主要是通過液壓系統(tǒng)對壓縮機4個氣缸的進氣閥卸荷裝置進行控制。壓縮機PLC控制系統(tǒng)的基本結構框圖如圖9所示,由上位機控制PLC使液壓系統(tǒng)按需要控制氣缸工作。饒恕的設計目的是借鑒當今工業(yè)控制領域已廣泛應用的PLC控制技術,將其應用到壓縮機氣量調(diào)節(jié)技術中,尋求一種PLC與調(diào)節(jié)技術有機結合的新的自動智能型調(diào)節(jié)技術。5壓縮機氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真分析武炳總結了常用的氣量調(diào)節(jié)方法,并做了氣量調(diào)節(jié)過程的CFD模擬,設計了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。金江明設計了氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng),還做了閥片碰撞有限元分析。最后分析得到:安裝有氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機節(jié)能效果明顯。壓縮機氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)會反作用于壓縮機動力學。葉林進行了活塞壓縮機氣量調(diào)節(jié)工況下的動力學分析。首先進行了壓縮機無級氣量調(diào)節(jié)理論分析和數(shù)值模擬。最終,全面分析了調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的液壓裝置常見故障,并給出了解決方案,確定了一種能夠準確反映氣量無級調(diào)節(jié)狀態(tài)下,壓縮機熱力循環(huán)全過程的模擬方法。3.2反復壓縮機故障診斷研究活塞式壓縮機種類繁多、結構形式及使用條件各異,在不同的場合下,會出現(xiàn)不同的故障。一旦壓縮機發(fā)生故障,將導致設備的整體癱瘓,將會給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟損失。同時,由于石油企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境大都是高溫高壓、易燃易爆,壓縮機故障的發(fā)生,將直接造成人員傷亡。因此,對往復壓縮機各個部分狀態(tài)進行監(jiān)測,對于控制設備事故、保證現(xiàn)場人員安全具有重要的意義。往復式壓縮機診斷的主要內(nèi)容如圖10所示。楊漢寶搭建了1套可變剛度實驗臺(見圖11),可使往復壓縮機處于安裝在不同剛度的基座上,從而模擬不同支撐剛度條件對往復壓縮機的實際工作狀態(tài)的影響。同時,通過加入人工破壞的各類工作部件,模擬往復壓縮機常見故障,并使用往復壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),對往復壓縮機運行狀態(tài)實時監(jiān)測,提取各類故障特征。通過該實驗臺,一方面,可以研究支撐剛度對往復壓縮機工作狀態(tài)的影響;另一方面,可通過故障模擬實驗,獲得往復壓縮機常見故障特征與故障數(shù)據(jù),為深入研究往復壓縮機故障機理打好基礎。楊漢寶對往復壓縮機各類常見故障進行了模擬,通過往復壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)實吋提取故障特征,建立了故障與故障特征對照表,為深入往復壓縮機故障機理研究、機組現(xiàn)場故障診斷、診斷方法優(yōu)化提供了豐富的數(shù)據(jù)。王宇研究了曲軸、活塞桿的失效形式,并建立了故障診斷系統(tǒng)。苗剛首先對壓縮機做了振動分析,又利用時頻和經(jīng)典信號獲取故障特征,運用傅里葉變換和局域波法來進行故障分析。李芳總結了小波分析法和聲發(fā)射技術以及線性回歸法在故障診斷中的運用。國內(nèi)石油石化現(xiàn)場大部分往復壓縮機安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng),通過該系統(tǒng)對機組運行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷,確實發(fā)現(xiàn)了機組的早期故障,保障了生產(chǎn)的順利進行。3.3活塞桿的疲勞特性活塞桿疲勞破壞是往復式壓縮機破壞的主要形式之一。由于引起活塞桿疲勞失效的應力遠小于靜態(tài)斷裂估算出來的應力,在沒有明顯征兆的情況下,活塞桿發(fā)生突然斷裂給工程應用帶來很大的威脅。因此,進行活塞桿疲勞問題的研究及活塞桿疲勞壽命的估算具有深刻的現(xiàn)實意義?？缀圃戳信e實例進行了斷裂活塞桿的失效分析。文中進行失效分析的斷裂活塞桿基本情況如表1、圖12,圖13所示。對于活塞桿的疲勞失效分析,試驗指導思想及試驗方案如下:最后通過6個方面的試驗數(shù)據(jù)和照片分析,得到不同因素對活塞桿疲勞破壞的影響程度,掌握影響活塞桿疲勞破壞的內(nèi)在機理?？缀圃催x取了幾種常見的對疲勞壽命估算的模型,對這些模型分別做了疲勞壽命估算。通過對這些模型的疲勞壽命估算,分別得到了不同的估算結果,同時還對不同的估算模型做了適用性分析。4壓縮機cad系統(tǒng)的設計和校核隨著用戶對產(chǎn)品質量要求的提高和計算機的普及,從事往復式壓縮機設計、研發(fā)人員越來越希望擁有專業(yè)設計軟件來輔助進行壓縮機的設計及技術改造。為適應這種需要,進行計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)就引起了專業(yè)技術人員的關注。王西來介紹了常規(guī)手動計算的內(nèi)容與其工作量的大小。在手動計算中,首先需要根據(jù)相應原則進行總體方案的選擇,并通過對比,證明設計方案的優(yōu)越性。設計方案確定之后,進行熱力學和動力學計算。最后再進行具體零件的設計和校核。王西來以所開發(fā)的基于VisualC++環(huán)境下的往復式壓縮機CAD系統(tǒng)為例,介紹系統(tǒng)的結構與功能。該壓縮機CAD系統(tǒng)由4個主要模塊組成,分別是總體方案選取模塊、熱動力學計算模塊、主要零件計算及校核模塊、三維參數(shù)化設計模塊。用戶通過在界面輸入要求的進氣壓力、排氣壓力、排氣量等基本參數(shù),在不必了解計算機軟、硬件方面知識的基礎上,只需按照提示就能夠方便完成選型設計、熱動力計算、基礎部件的計算及校核、三維造型設計等設計工作。CAD系統(tǒng)工作流程、CAD系統(tǒng)結構圖和三維模型的參數(shù)化設計實現(xiàn)過程如圖14、圖15和圖16所示。壓縮機CAD系統(tǒng)的開發(fā)克服了傳統(tǒng)壓縮機選型設計周期長、精度差等弊端,構建了在現(xiàn)有壓縮機產(chǎn)品為實例,采用繼承和重用經(jīng)驗知識的快速成型法原理對壓縮機進行總體方案的選擇、評價,確定適合要求的機器型式。孫奕鳴通過對壓縮機各個部件的詳細計算和原理摸索,設計了壓縮機輔助設計和優(yōu)化計算模型。最后,他進行了實例求證,以福建清流氨盛有限公司的壓縮機為例,說明了壓縮機使用設計系統(tǒng)前后發(fā)生的變化,如表2所示。王剛闡述了數(shù)學模擬和微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)。他首先對壓縮機各個部件進行數(shù)學模型模擬,多次改變輸入數(shù)據(jù),通過反饋回來的模擬數(shù)據(jù)從而確定壓縮機的優(yōu)化結構。該系統(tǒng)為壓縮機的優(yōu)化設計提供了大量的數(shù)據(jù)基礎和理論依據(jù)。5發(fā)揮對比評析目前,環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)成為人類社會發(fā)展面臨的主要問題。一些破壞臭氧層、引起溫室效應的制冷劑生產(chǎn)和使用已受到很大限制?？茖W家們認為人類活動導致地球大氣層中的溫室氣體不斷增多是導致全球變暖的主要原因,而在促使氣候變暖方面作用最大的溫室氣體是CO2。CO2是目前最有前途的天然替代制冷劑。隨著CO2跨臨界循環(huán)技術在汽車空調(diào)等領域的不斷推廣,CO2壓縮機也得到了不同程度發(fā)展。侯秀娟對CO2壓縮機進行了性能研究。她首先做了連桿運動特性分析,在對連桿做了受力分析之后,建立了連桿模型?；钊B桿機構優(yōu)化設計流程圖如圖17所示。通過建立活塞壓縮機曲柄連桿機構的數(shù)學模型,并利用ANSYS有限元軟件進行數(shù)值模擬,得到以下結論:1)CO2壓縮機壓縮過程中,連桿明顯被壓縮,且連桿小頭存在最大的位移變化量,最大應力、應變發(fā)生在小頭和軸瓦連接處;排氣過程中,連桿明顯被拉伸,連桿小頭存在最大的位移變化量,連桿大頭連接螺栓處存在最大應力及最大應變。2)對于CO2活塞壓縮機的曲柄連桿小頭,可以通過改變局部尺寸或改變連接處的過渡圓角減小應力集中;對于曲柄連桿大頭,可