气阀改造提升压缩机的性能*

潘树林，欧胜芳，潘 曦

(1.广西大学/广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室 广西南宁 530004；2.浙江浙欧气阀制造有限公司 浙江温州 325006；3.西安交通大学流体机械及压缩机国家工程研究中心 陕西西安 710049)

气阀改造提升压缩机的性能*

潘树林1，2，欧胜芳2，潘 曦3

(1.广西大学/广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室 广西南宁 530004；2.浙江浙欧气阀制造有限公司 浙江温州 325006；3.西安交通大学流体机械及压缩机国家工程研究中心 陕西西安 710049)

压缩机是化肥生产中的关键设备，对产能、电耗及安全生产起着至关重要的作用。气阀对压缩机的性能有着重要影响，被称为压缩机的“心脏”。理论与实践表明，对压缩机气阀进行分析与改造，能有效降低压缩机的电耗，提升压缩机的排气量，保障压缩机安全可靠运行。

压缩机；气阀；电耗；排气量；可靠性

压缩机是化肥生产企业的关键设备，其排气量直接影响企业的产能，电耗直接影响吨氨能耗，可靠性直接影响企业的安全生产。气阀对压缩机的性能，如排气量[1]、功率[2]及可靠性[3]等有着重要影响，因此气阀被称为压缩机的“心脏”。但长期以来，许多压缩机生产或运行企业仅把气阀当做五金件或备件，对压缩机气阀并不重视。近年来，由于产能过剩，化肥行业徘徊在亏损边缘，竞争日趋激烈，企业为了求生存，纷纷采取节能减排、节能增效措施以降低成本。由于市场对工艺压缩机效率与可靠性的要求越来越高，一些压缩机生产企业开始重视气阀，并提出：不研究气阀的企业不是真正的压缩机生产企业，而仅是一般的机械厂。化肥行业等一些压缩机运行企业也开始重视气阀，在气阀的采购、安装、运行管理、维修等方面很有心得，如一些化肥企业采购气阀时，除了有使用寿命要求外，还明确了采用该气阀后压缩机的排气量、电耗等方面的要求，并与有关高校、科研机构合作改造气阀，均取得了良好的效果。

1 气阀改造降低压缩机的电耗

气阀从本质上说属于节流元件，其结构形式、有效通流面积、运动规律等都对气流流经气阀的阻力损失有重要影响[4]。通常压缩机中气阀的功耗占压缩机轴功率的5%～20%[5]，循环压缩机中气阀的功耗更大[6]，因此气阀对压缩机的效率有重要影响。

评价相同工艺系统中不同类型压缩机或是相同压缩机气阀改造前后的性能时，可以采用比功率衡量其效率。比功率R定义为单位排气量消耗的轴功率：

R=P/Q

(1)

式中：P——轴功率；

Q——排气量。

(1) 对化肥企业来说，同一工艺系统的压缩机比功率R越大意味着吨氨电耗越高。对循环压缩机而言，由于气阀改造后的压缩机排气量并不发生变化，而压缩机轴功率与电机电流成正比，因此通过气阀改造前后电机电流的变化就能评价气阀改造的效果[6]。

河南心连心化肥有限公司二分公司合成工段配置4台D- 12/288- 314型氮氢气循环压缩机，压缩机电机额定功率为850 kW。试运行期间，通过与该企业其他分公司合成工段类似型号的压缩机对比，发现D- 12/288- 314型氮氢气循环压缩机电机电流过大、电耗过高。通过对随机配置的气阀进行分析与对比，发现气阀通流面积明显偏小，需对气阀从结构形式、气流通道、运动规律等方面进行改造。改造后，压缩机电机电流平均值由改造前的53.18 A下降至47.93 A，电机功率下降约77 kW，达到了预期目标。

(2) 对于进气压力接近于大气压的一般多级压缩机而言，高压级气阀的改造对压缩机排气量的影响较小。高压级气阀的改造效果评价可借鉴循环压缩机，但由于一级气阀的改造在影响压缩机轴功率的同时，还影响压缩机的排气量，因此需用比功率衡量气阀改造效果[7- 8]。

安阳化学工业集团公司的6M32B- 274/314型半水煤气压缩机气阀易堵塞，特别是一级气阀更易堵塞。气阀改造前，压缩机的一级排气压力为0.20～0.22 MPa(表压)，4台压缩机日产合成氨380～395 t，电机电流340～350 A，平均每个月因清洗与损坏需更换气阀208只。气阀改造后，在吸气压力与吸气温度基本不变的情况下，压缩机一级排气压力在0.23～0.25 MPa(表压)，4台压缩机日产合成氨410～430 t，电机电流320～340 A，平均每个月因清洗与损坏需更换气阀减少至34只，改造效益显著。

(3) 四川美丰化工股份有限公司德阳分公司4M32G- 184/15.3型二氧化碳压缩机一级气阀改造前，一级排气压力为0.221 MPa(表压)，班尿素产量为199.64 t，电机电流为148.3 A。一级气阀改造后，在吸气压力与吸气温度基本不变的情况下，压缩机一级排气压力为0.240 MPa(表压)，班尿素产量为208.95 t，电机电流为148.55 A。一级气阀改造后，4M32G- 184/15.3型二氧化碳压缩机比功率下降，节电效果明显。

2 气阀改造提升压缩机的排气量

压缩机排气量Q按式(2)计算[3]：

Q=λVλPλTλlVhn

(2)

式中：λV——容积系数；

λP——压力系数；

λT——温度系数；

λl——泄漏系数；

Vh——行程容积；

n——压缩机转速。

业内许多人认为气阀对压缩机排气量影响很小，因为气阀改造前后压缩机转速与行程容积不变，但事实并非如此。实际上，除了气阀的余隙容积影响压缩机的容积系数外[9]，气阀弹簧力影响压缩机的压力系数[10]，气阀的功耗影响压缩机的温度系数[9]，气阀的气密性与延迟关闭影响压缩机的泄漏系数[11]，因此，气阀对压缩机排气量有较大影响[1]。

2D5.5- 19/12型一氧化碳压缩机为沧州大化TDI有限责任公司PSA- CO系统工艺压缩机，其一级吸气压力为0.02 MPa(表压)，一级吸气温度为30 ℃，系统满负荷工况下，压缩机的供气量需达到1 195 m3/h(标态)。经试验，单开1台该型压缩机的实际供气量约为1 140 m3/h(标态)，供气量尚缺约55 m3/h(标态)。为保证系统满负荷生产，只好开2台该型压缩机并采用“三回一”阀位50%调节方法，使供气量稳定在1 195 m3/h(标态)，由此造成系统电耗大幅上升。通过分析计算与讨论，决定对该型压缩机的一、二级气阀进行改造以提升压缩机的排气量，并进行对比试验。试验时，气阀改造前后的压缩机一级吸气压力、一级吸气温度、二级吸气温度及三级吸气温度均保持不变，其中：一级吸气压力为0.02 MPa(表压)，一级吸气温度为30 ℃，二级吸气温度为32 ℃，三级吸气温度为32 ℃。2D5.5- 19/12型一氧化碳压缩机一、二级气阀改造前后实测工艺参数如表1所示。

表1 2D5.5- 19/12型一氧化碳压缩机一、二级气阀改造前后工艺参数

项目一级排气压力/MPa一级排气温度/℃二级排气压力/MPa二级排气温度/℃三级排气压力/MPa三级排气温度/℃电机电流/A改造前0．26800．601051．20100290改造后0．28820．671061．20100300

通过实测，气阀改造前压缩机的供气量约为1 140 m3/h(标态)，改造后约为1 210 m3/h(标态)，改造后压缩机的排气量提高约6%。改造后，沧州大化TDI有限责任公司PSA- CO系统在满负荷工况下运行时，仅需开1台2D5.5- 19/12型一氧化碳压缩机并采用“三回一”阀位18%方法调节气量即可，系统电耗得以大幅下降。

压缩机排气量可通过压缩机后的流量计或相关产品的班产量、日产量计算得到。对于多级压缩机而言，一级气阀对压缩机排气量的影响相对其余级显著得多，要改变压缩机的排气量，首先应改造其一级气阀。一级气阀改造后，压缩机排气量的相对变化量可按式(3)计算：

(3)

式中：ε1——气阀改造前一级压比；

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司6M50- 305/320氮氢气压缩机一级气阀改造前，一级进气压力为0.027 MPa(表压)，一级排气压力为0.24 MPa(表压)[12]。一级气阀改造后，一级进气压力为0.026 MPa(表压)，一级排气压力为0.26 MPa(表压)。根据式(3)可得，6M50- 305/320型氮氢气压缩机一级气阀改造后，压缩机排气量提升约6.7%。广西河池化学工业集团公司等企业的4M22系列二氧化碳压缩机在进气工况完全相同的情况下[13]，一级气阀改造后，一级排气压力由0.260 MPa(表压)提升至0.275 MPa(表压)，压缩机排气量提升约4.2%。

3 气阀改造提升压缩机的可靠性

压缩机的安全可靠运行是化肥企业安全生产的必要条件。对压缩机的各级而言，其超温超压运行给压缩机的安全运行带来隐患。为避免出现压缩机超温超压运行，一些化肥生产企业采取降低工作压力、出口回流及进气冷却等措施，为此造成产能下降、能耗上升。

如前所述，气阀改造可降低压缩机的电耗，根据热力学第一定律，在绝热状态下，外界对气体所做的功全部使得气体焓值、温度上升，因此气阀改造也可降低压缩机排气温度。实践中，在压缩机的吸气压力与吸气温度基本不变的情况下，一级气阀改造后，虽然压缩机排气量与一级压比上升，但压缩机排气温度还能大幅降低，如：安阳化学工业集团公司6M32B- 274/314型半水煤气压缩机一级气阀改造后，一级排气温度由165～180 ℃下降至150～160 ℃[7]；四川美丰化工股份有限公司德阳分公司4M32G- 184/15.3型二氧化碳压缩机一级气阀改造后，一级排气温度由155.49 ℃下降至144.38 ℃[8]；河南晋开化工投资控股集团有限责任公司6M50- 305/320型氮氢气压缩机一级气阀改造后，一级排气温度由150 ℃下降至137 ℃[12]；广西河池化学工业集团公司等企业的4M22系列二氧化碳压缩机一级气阀改造后，一级排气温度由161 ℃下降至145 ℃[13]。

前面阐述了气阀改造可提升压缩机的排气量，气阀改造后，多级压缩机各级吸入气量的变化还影响级间压力。实践中，当压缩机某一级排气压力超过设计值时，通过改造下一级的气阀能降低该级的排气压力[14]。

在煤化工领域，虽然原料气进入压缩机前需经过洗气、除尘、脱硫等设备，但在许多煤化工企业，进入压缩机的原料气中常含有较多粉尘，同时还含有焦油、硫等杂质，原料气压缩机气阀因此频繁堵塞。气阀堵塞后，造成压缩机的排气量下降、排气温度上升、能耗增大。气阀频繁堵塞还造成压缩机需要频繁停车以更换或清洗气阀，由此造成压缩机的运转率降低、检修人员的劳动强度增大。目前，抗堵塞气阀已在此类压缩机中得到广泛应用[15]。

4 结语

气阀是压缩机的“心脏”，压缩机生产与运行企业评价气阀性能时，不能仅考虑气阀的使用寿命，而应将气阀与压缩机当作一个有机整体，全面分析气阀对压缩机性能的影响。实践证明，气阀改造对化肥企业增产、节能及安全生产有极其重要的促进作用。

[1] 潘树林，莫乾赐，梁立生，等.气阀对压缩机容积流量的影响[J].压缩机技术，2004(5)：18- 19.

[2] 广柯平.往复压缩机气阀能耗的研究[D].南宁:广西大学，2016.

[3] 郁永章，孙嗣莹，陈洪俊.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] 潘树林.往复式压缩机网状阀工作特性研究[D].西安：西安交通大学，1996.

[5] КОПЕЛЕВИЧ А С.活塞压缩机气阀的压力损失计算[J].贺启辉，译.流体机械，1985(10)：56- 60.

[6] 王满，潘树林，广柯平，等.循环压缩机气阀功耗的工程计算与应用[J].石油化工设备技术，2016(5)：37- 39.

[7] 李具才，郭志强，张连飞，等.半水煤气压缩机一级气阀的改造[J].中氮肥，2006(6)：58- 59.

[8] 黄瑞阳，杨久宜，杨青山，等.4M32G- 184/15.3 CO2压缩机一级气阀改造[J].中氮肥，2005(2)：44- 45，57.

[9] 李云，姜培正.过程流体机械[M].2版.北京：化学工业出版社，2008.

[10] 唐翠华，张秀娟，袁本中.气阀弹簧力对压力系数的影响及控制[J].压缩机技术，2010(4)：30- 32.

[11] 林梅，吴业正.压缩机自动阀[M].西安：西安交通大学出版社，1991.

[12] 李英豪，蒲娟芳，李运岭，等.6M50- 305/302氮氢气压缩机一级气阀改造[J].氮肥信息，2013(9)：11- 12.

[13] 潘树林，卢朝霞，莫乾赐，等. 4M22系列二氧化碳压缩机气阀的改造[J].化肥工业，2003(4)：38- 40.

[14] 潘树林，卢朝霞，张增营，等.H22Ⅲ氮氢气压缩机高效气阀研究与应用[J].广西大学学报(自然科学版)，2002(4)：284- 287.

[15] 潘树林，孙属恺，欧胜芳.压缩机气阀抗堵塞性能分析与结构改进[J].压缩机技术，2010(5)：33- 35.

ImprovingCompressorPerformancebyRevampofAirValve

PAN Shulin1,2, OU Shengfang2, PAN Xi3

(1.Guangxi University/Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intersification Technology, Nanning 530004, China；2.Zhejiang Zheou Pneumatic Co., Ltd., Wenzhou 325006, China；3.National Engineering Research Center of Fluid Machinery and Compressors,Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

The compressor is critical equipment in fertilizer production, it plays a vital role in production capacity, power consumption and safety in production. The air valve has an important influence on performance of compressor, it is called the heart of compressor. Theory and practice show that analysis and revamp of air valve of compressor can reduce compressor power consumption, increase compressor displacement and ensure safe and reliable operation of compressor.

compressor; air valve; power consumption; air displacement; reliability

国家科技型中小企业技术创新基金资助项目(13C26213302272)；国家火炬计划项目资助项目(2015GH040953)；广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室主任课题基金资助项目(2015Z002)

潘树林(1970—)，男，博士，教授，主要从事高效压缩机气阀研究；panshulin@163.com

TH457

A

1006- 7779(2017)05- 0040- 04

2017- 09- 07)