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    浅谈往复活塞式空气压缩机的性能与选型
    发布时间:2014-01-29

      往复活塞式压缩机是容积式压缩机的一种,它能够提供较大的压比,而和其输送气体的分子量无关,所以在石油化工装置中广泛采用往复式压缩机来输送气体或提高气体的压力。往复活塞式压缩机具有无论流量大小,分子量大小都可以达到较高的出口压力的优点,它是利用活塞在气缸中对流体进行挤压,而使流体压力提高并排出的压缩机械。与其它类型压缩机相比,往复活塞式压缩机具有以下优点:1)适用压力范围广,超高压、高压、中压、低压均可,而尤其以高压最为优越。2)热效率高,一般大、中型机组绝热效率可达0.7~0.85左右。3)适应性较强,排气量范围较广,在小排气量下亦能保持较高效率,而且排气量受排气压力波动的影响较小。

      往复活塞式压缩机工作原理

      当往复活塞式压缩机的曲轴旋转时,通过连杆的传动,活塞便做往复运动,由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。往复式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时,气缸内的工作容积逐渐增大,这时,气体即沿着进气管,推开进气阀而进入气缸,直到工作容积变到最大时为止,进气阀关闭;往复式压缩机的活塞反向运动时,气缸内工作容积缩小,气体压力升高,当气缸内压力达到并略高于排气压力时,排气阀打开,气体排出气缸,直到活塞运动到极限位置为止,排气阀关闭。当往复式压缩机的活塞再次反向运动时,上述过程重复出现。总之,往复式压缩机的曲轴旋转一周,活塞往复一次,气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程,即完成一个工作循环。该机型的工作原理、特性所限,为了供气稳定,一般往复活塞式空气压缩机都配备有储气罐。

      往复活塞式压缩机性能分析

      它由曲柄连杆机构将驱动机的旋转运动变为活塞的往复运动。活塞与气缸共同组成压缩机工作腔,依靠活塞在气缸内的往复运动,并借助进、排气阀的自动开闭,使气体周期性地进入气缸工作腔,进行压缩和排出。往复活塞式压缩机主要由三大部分组成;运动机构(曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等)、工作机构(气缸、活塞、气阀等)与机身。此外还有3个辅助系统:即润滑系统、冷却系统及调节系统。

      运动机构是一种曲柄连杆机构,把曲轴的旋转运动变为十字头的往复运动。机身用来支承和安装整个运动机构和工作机构。工作机构是实现压缩机工作原理的主要部件。

      目前,往复活塞式压缩机是我国传统领域应用最广泛的压缩机,但是随着其它回转压缩机等产品的崛起,其在很多领域,比如制冷的市场正逐步缩小。我国石化领域的重点乙烯建设工程以及近年来在煤炭领域的大力整顿,带动了往复活塞式压缩机技术及其行业的发展。往复活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展;不断开发变工况条件下运行的新型气阀,提高气阀寿命;在产品设计上,应用热力学、动力学理论,通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能;强化压缩机的机电一体化,采用计算自动控制,实现优化节能运行和联机运行。

      由于往复活塞式压缩机的广泛应用,因此熟悉往复活塞式压缩机优缺点与具体参数对于选购往复式活塞式压缩机的用户起着一定的指导作用。表一列出了往复活塞式压缩机综合性能,用以用户选购前的了解与认识。

      往复活塞式压缩机的优缺点

      优点

      1、适用压力范围广。因依靠容积变化的原理工作,因而不论其流量大小,都能达到很高的工作压力。目前已制成低、中、高、超高压各种压缩机,其中工业上超高压压缩机的工作压力可达350MPa(3500kgf/cm2)。

      2、设备价格低、初投资少、操作方便、使用寿命长。

      3、因压缩过程属封闭过程,所以热效率较高。

      4、适应性强,排气量范围广,且受排气压力变化的影响较小,当介质重度改变时,其容积排量和排气压力的变化也较小。

      缺点

      1、惯性力大,转速不能太高,故而机器较笨重,大排量时尤甚。

      2、结构复杂,易损件多,维修工作量大、维护费用相对较高。

      3、排气不连续,气流压力脉动,易产生气柱振动。

      4、运行时振动和噪声较大,设备安装基础要求高。

      由于往复活塞式机械仅能间断地进气、排气,气缸容积较小,活塞往复运动速度不能太快,因而活塞机械的排气量和发出的功率要受到很大限制。

      往复活塞式压缩机的选型

      在对往复活塞式压缩机进行选择时,首先要考虑用户的实际需要,不要因为认知的模糊选型过大,造成资源浪费,或者选型过小,以致于供气不足,不仅无法满足生产需求,同时,也会是机器长时间的超负荷运转,影响其使用寿命。因此,在对往复活塞式压缩机进行选型时,首先注意的是用户需要多大的排气量与排气压力。表二与表三介绍了往复活塞式压缩机排气量与排气压力,以便用户了解后正确选择自己需要的型机。

      由于往复活塞式压缩机在运转时,活塞不断往复运动,引起气缸内的容积发生增大和减少的周期变化,依靠气阀的作用,容积每变化一次,即完成一次将气体吸入气缸,经过压缩然后排出的全过程即完成一工作循环。因此,根据气体受压缩的级数不同,表四给出了详细的分类。

      往复活塞式压缩机型式按照按气缸中心线相对地平线位置或其彼此间关系分为立式压缩机、卧式压缩机、角度式压缩机,如表五。

      对于往复活塞式压缩机型式选择,我们可以根据其各型式优缺点与用户场地的大小来判断出适合用户的压缩机,一般用户场地较小可选择立式压缩机,实际情况也需要考虑到压缩机选型当中。

      立式压缩机

      优点是:主机直立,占地面积小;活塞重量不支承在气缸上,没有因此而产生的摩擦和磨损。

      缺点是:大型时高度大,需设置操作平台,操作不方便;管道布置困难;多级时级间设备占地面积大。

      所以,立式压缩机现仅用于中、小型及微型,使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内,且中型压缩机主要用于无油润滑结构活塞无需支承而仅需导向;此外,级数以少为宜,以避免管道布置的麻烦。

      卧式压缩机

      卧式压缩机大都制成气缸置于机身两侧的结构,其优缺点恰好和立式压缩机相反;卧式压缩机的级间设备甚至可配置在压缩机的上方或下方,故中、大型压缩机宜采用卧式结构。

      在卧式压缩机中,相对列活塞相向运动的对动式压缩机,其动力平衡性能特别好,并因为相对列力矩转化的力,故轴承受力情况改善,且不论奇数列还是偶数列都可做成对动式结构,所以现在应用最普遍。当然对动式压缩机也有缺点:首先,两相对列中,总有一列十字头上作用的侧向力向上,而在两止点位置侧向力小时,其重力又向下,因此造成十字头在运动中有敲击,并导致活塞杆随之摆动,从而影响填料的密封性及耐久性;其次,仅两列的对动式压缩机,其总切向力曲线很不均匀,由此使飞轮矩要比角度式结构大。

      所谓对置式压缩机,就是其相对列的活塞部件并不做对称运动。采用一连杆而具有框架式十字头的对置式压缩机主要用于超高压的增压压缩机。因为超高压级一般都是单作用式,采用框架式十字头可使相对列的气体力抵消掉一部分,从而减少了连杆、曲轴的负荷,此外,两列均无向上的侧向力,故运转时比较平稳。这种结构往复质量很大,但因考虑到密封元件等的耐久性,超高压压缩机一般转速不高,其惯性力仍不至超过最大气体力。

      角度式压缩机其优点是结构紧凑,每个曲拐上装有两根以上的连杆,使曲轴结构简单、长度较短,并可能采用滚动轴承;缺点是大型时高度大。所以,角度式压缩机的适用范围也主要是中、小型及微型压缩机。

      另外,也需要合理的选择压缩机的驱动方式。

      1、电动机,电动机价格最便宜,而且结构简单、操作方便,所以凡是有电能的地方应用电动机驱动。

      2、内燃机,在没有电能的地方或具有天然气及可以利用可燃气体的地方应用内燃机。虽然内燃机价格昂贵,但用天然气的能源消耗费用最便宜,高的成本费用几年内便可用低的运行费用所抵偿。

      3、气轮机,气轮机驱动,通常用在化工厂中因工艺流程本身需要蒸汽,因而有现成的蒸汽可用,也有很高的运行经济性。

      对于往复活塞式压缩机的选型中,用户不仅要掌握以上内容,还需要明确流程的原始计算数据。用户需要明确气体的性质和吸气状态,根据生产规模或流程需要确定总供气量,还要确定需要的排气压力,考虑排气温度的要求,并懂得单机容积流量的计算与热力计算。

      除此之外,在往复活塞式压缩机运行当中,为了供气稳定,一般都配备有储气罐,因此,储气罐也需要根据用户所选择的型机来合适配备。

      通常简便的方法是空压机出气量(m3/min为单位)的15-30%。若想加以计算,则以下的公式可用。

      V = 空气桶体积;Q = 空压机空量(m3/min);8 = 常数(一般用于7bar时);

      △P = 压差(bar,通常至少设定于0.6~1bar)

      另外,在选型时,还要针对客户需要,确定工作压力,既满足了客户需要,又可节省投入成本。

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