气阀对往复压缩机主要性能的影响
贺运初1 潘树林
1，2
（1．温州中洋石化机械有限公司，浙江温州 325038； 2．广西大学化学化工学院，广西南宁 530004）
摘要 可靠性、容积流量、能耗是评价往复压缩机性能的重要指
标，都与压缩机气阀有着密切关系。本文阐述了气阀影响往复压缩机可靠性、容积流量、能耗的主要因素或机理，对气阀的设计、制造、使用、维修等具有较大参考价值。
关键词 气阀 可靠性 容积流量 能耗 往复压缩机
The Influences of Valves on Main Performance
of Reciprocating Compressors
HE Yun-chu1, PAN Shu-lin1，2
(1. Wenzhou Zhongyang Petrochemical Machinery Co., Ltd., Wenzhou 325038, Zhejiang; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi)
Abstract: Reliability, volume flow and energy consumption are the key indexes to estimate the performance of reciprocating compressors, which are closely related to the valves. In this paper, the factors and principles of the valves affect these performance are described, which are of great reference value to the valves’ design, manufacture, operation and maintenance.
Key words: valves; reliability; volume flow; energy consumption; reciprocating compressors
气阀是往复压缩机中最关键的部件之一，往复压缩机运行的经济性和可靠性在很大程度上取决于气阀的完善性[1]，气阀的设计、制造、使用、维修对往复压缩机的可靠性、容积流量、能耗等影响较大。
1 气阀对往复压缩机可靠性的影响
可靠性是评价往复压缩机性能的关键指标。文献[2]要求压缩机的设计和制造应满足使用寿命最少为20年，不间断连续操作最少为3年。文献[3]要求压缩机在规定操作条件下应能安全可靠地连续运转，运转时间一般不少于2年，年运转率不少于92%。气阀是往复压缩机中最易损坏的部件，可靠性低的气阀使用寿命则只有几十小时，可靠性高的气阀使用寿命可达到8000小时甚至更高，温州
中洋石化机械有限公司设计、制造的气阀在6M50—340/320—BX氢氮压缩机中的使用寿命达15000小时。由此可见，气阀对往复压缩机的可靠性具有重大影响，众多压缩机的连续运转时间没有达到相关标准要求的关键原因之一是气阀的可靠性有待提高。我国原化工部组织进行的“中氮企业压缩机调查”的统计结果表明，H22Ⅲ氢氮压缩机的平均运转率只有69.15%，而由于气阀故障造成该种压缩机停机的次数占其全部停机次数的50%以上[4]；加拿大三个炼油厂的往复压缩机故障停机统计结果表明，由于气阀失效而引起压缩机故障停机的次数占非计划停机总次数的比例达41% [5]。
降低气阀可靠性，从而影响压缩机可靠性的主要原因通常可划分为以下几类：
1）机械磨损和疲劳。气阀的磨损通常发生在其零件相互摩擦的部位，如阀片与升程限制器导向凸台之间的摩擦部位等，气流的高速冲刷会引起零件过流部位的磨损。环状阀运行时，阀片相对阀座转动，密封面磨损量大。较严重的磨损可使气阀动作失灵、阀片回座不良、密封面损坏等，从而导致气阀性能劣化并最终失效。阀片因承受与阀座、升程限制器多次撞击引起的重复冲击载荷、脉动循环的两侧压力差引起的交变弯曲载荷、周期性的温度变化引起的热应力[5]等而产生疲劳损坏。弹簧力在气阀全关闭时的预压紧力与气阀全开时的最大压缩力之间脉动循环，再加上热应力等交变载荷的作用，弹簧容易疲劳损坏。在很多情况下，弹簧尺寸不合适会导致气阀过早失效[6]。阀座、升程限制器、联接螺栓也承受交变载荷，但其疲劳损坏的概率比阀片、弹簧小得多。
2）气流中有异物。这包括气体中残留固体颗粒，气流夹带液体，焦化和积碳，以及腐蚀性化学物质等。固体颗粒会加剧阀座、阀片等过流零件的磨损。弹簧圈间的固体颗粒会使弹簧迅速损坏，并对其它零件的使用寿命产生直接影响
[5]
。固体颗粒会在气阀的密封面上和槽道中积聚，造成气阀泄漏，严重时会将槽
道完全堵塞。化工、炼油、油气开采等行业所用压缩机的气体中往往会夹带有一定量的液体，可能是介质本身含有的水分，或是介质中的某些成份（如C4、C5、C6等重碳分子）因冷凝而生成凝析液，或是注入气缸内的过量的润滑油。这些不可压缩的液体会随气体进入气阀，对气阀造成液击，使气阀由于承受很大的附加载荷而快速失效。气流中夹带的凝析液、水分还会稀释压缩机的润滑油，加速相关气阀零件的磨损。过量热会引起润滑油焦化，形成积碳[5]，最终导致阀片卡涩、气阀堵塞。腐蚀性化学物质会对气阀零件产生腐蚀作用，削弱零件强度，损害密封面，使气阀失效。
3）阀片运动异常。阀片运动异常的情况包括阀片锤击(即猛烈撞击)和颤振，由气流方式造成的扰动，以及由压力脉动产生的影响。若弹簧力过小，气阀延迟
关闭，阀片将在弹簧力和窜出气流的推力共同作用下撞向阀座，引起阀片对阀座的锤击，开启过程中则可能导致阀片对升程限制器的锤击。若阀片被阀座或升程限制器粘着而产生的粘滞力较大，在开启过程中，一旦阀片离开阀座，粘滞力瞬间降为零，气流推力比正常情况大但没有相应的阻力，阀片的加速度比正常情况下要大，会造成阀片对升程限制器的锤击；在关闭过程中，则会导致阀片延时关闭，引起气体回流，造成阀片对阀座的锤击[6]。若弹簧力过大，阀片不能全开，在阀座与升程限制器之间来回跳动而颤振[7]，将使阀片产生附加的颤振应力。气流推力、弹簧力及摩擦力的不均匀作用会导致阀片的倾侧运动[8]，使阀片产生附加的倾侧撞击速度，而且使阀片与升程限制器撞击时的接触条件恶化，引起额外的机械载荷，使阀片加速损坏。压缩机运转工况变化对阀片运动规律有重要影响，压缩机的转速和进、排气压力的大幅度降低会导致阀片颤振[7]。压缩机气流通道是否受阻，以及压缩机内气阀的布置方位，都会对进出压缩机气缸的气流方式产生影响，可能导致气阀阀片运动异常，例如，因进气阀卸截器零件穿越气流方向而产生的气流抽力可能导致卸截器的振动，使气阀因阀片回座不良出现泄漏[5]。压缩机气阀处压力脉动的频率、相位关系及振幅对气阀寿命有很大影响[2]，强烈的气流脉动对气阀的工作是不利的[7]，压力脉动会影响阀片的启闭时间，使阀片回座不良[5]，当进、排气腔内压力脉动的频率与阀片固有频率重合时，阀片振动将十分强烈[7]，阀片所受应力增大。
2 气阀对往复压缩机容积流量的影响
容积流量是压缩机最重要的技术性能参数之一。文献[2]要求，当应用无负偏差要求时制造厂额定容积流量应用0.97除需要容积流量来计算，以补偿正常的制造上的偏差，使偏差的下限值绝不小于需要的容积流量。文献[3]要求，压缩机的容积流量极限偏差为0%～6%。不少在役压缩机的实际容积流量比设计容积流量低得多，例如，H22Ⅲ—165/320 氮氢气压缩机、4M22—154/ 162 二氧化碳压缩机的实际容积流量分别只有大约135 m3/ min、128 m3/ min，均在设计值的84%以下[9]。
在影响往复压缩机容积流量的诸多因素中，气阀主要从下列途径影响压缩机的容积流量：
1）结构型式影响气阀自身的通流能力。在气阀安装尺寸相同时，不同结构型式的气阀所具有的通流能力不同，使用不同结构型式气阀的压缩机的容积流量亦不相同。据苏联文献介绍，将老式的环状阀或网状阀改为直流阀，压缩机容积流量可增加6%～10%[1]。
2）影响压缩机的容积系数。气阀本身存在的余隙容积，使气缸工作容积的利用率降低，导致压缩机容积系数下降。进气阀因弹簧力过大而提前关闭等情况，
导致封闭在气缸内受压缩的气体较少，压缩机容积系数下降。排气阀有效通流面积过小、弹簧力过大、提前关闭等，会导致排气终了时，气缸内气体压力较大，相当于压缩终了时余隙容积内的气体压力增大，压缩机容积系数下降。
3）影响压缩机的压力系数。进气阀有效通流面积过小、弹簧力过大、提前关闭等，会导致进气终了时，气缸内气体压力较小，压缩机压力系数下降。
4）影响压缩机的温度系数。气体被与气流通过气阀时压力损失有关的能量加热，当气阀关闭后，气缸内封闭气体的温度高于进气温度，因而密度降低，致使气缸吸入气体的实际质量相对减少，压缩机的温度系数下降。
5）影响压缩机的泄漏系数。进气阀延时关闭或关闭不严密，导致已吸入气缸的气体在压缩、排气过程中向进气腔泄漏，压缩机泄漏系数下降。排气阀延时关闭或关闭不严密，导致排气腔内的气体在进气过程中向气缸内泄漏，压缩机泄漏系数下降。
温州中洋石化机械有限公司通过改造气阀来提高往复压缩机容积流量的工程实例比较多，例如，将H22Ⅲ—165/320 氮氢气压缩机一级气阀由环状阀改为网状阀后, 在进气工况不变的情况下, 压缩机的一级排气压力(表压) 由0.19 MPa 提高到0.21 MPa 左右，容积流量提高6 %以上；在对4M22—154/ 162 二氧化碳压缩机的气阀进行改造以后，在进气条件不变的情况下，压缩机的容积流量和尿素装置的产量均增长7 %以上；某压缩机制造商在同一台LW—36/ 10 —X无油空气压缩机上使用由不同企业提供的多种气阀，在其它条件相同的情况下测试压缩机的容积流量，在使用作者设计的气阀时压缩机的容积流量超过公称容积流量6 % , 而在使用其它气阀时压缩机的容积流量与公称容积流量非常接近[9]。
3 气阀对往复压缩机能耗的影响
能耗是评价压缩机经济性的重要指标之一。气阀对压缩机能耗的影响较大，优良气阀的能耗可控制在压缩机总能耗的4%～9%，低劣气阀的能耗达到压缩机总能耗的15%～20%，而移动式压缩机和某些高压压缩机中气阀的能耗占压缩机总能耗的比例甚至高达20%～30%[1]。
气阀的能耗主要受结构型式、流道几何形状、流道表面粗糙度、阀片升程、弹簧常数值等气阀自身因数和气体性质、压力、级的压力比、转速、气缸尺寸等压缩机参数的影响[1][7][10]。直流阀能耗小，回流阀能耗大，采用直流阀代替老式的环状阀和网状阀，可能使压缩机的轴功率减少10%[1]。压力损失系数只决定于气阀的结构型式、流道几何形状和表面粗糙度。若在阀座出口处倒0.3～0.5mm宽与轴成30°角，气阀流量系数会显著提高，能耗明显降低[8]。对气阀的气流通道进行流线型设计，可减少气体流过气阀时的压力损失[11]。优化升程限制器的气
流通道后，某型压缩机的进气阀压力损失降低12%，排气阀压力损失降低19%[10]。气流通过气阀时的压力损失与阀隙马赫数的平方正相关，合理增加气阀升程，可降低阀隙马赫数，减少气阀能耗[8]。颤振型的气阀运动规律，使气阀的时间截面大幅度减小，气流通过气阀时的压力损失将大大增加，因此，气阀弹簧力在任何情况下都不能大于气流最大推力，以免阀片颤振[7]。在一般的压缩机中，膨胀过程指数小于压缩过程指数，气阀本身具有的余隙容积会使压缩机的能耗增加[7]。分子量大的气体比分子量小的气体流过气阀时的压力损失大[10]。进、排气过程中气阀本身的压力损失仅占总压力损失的50%～70%，其余的损失是由进气管或排气管与气阀之间的流动方向改变，以及开启时气阀与气缸工作腔之间的节流效应引起的[10]。进、排气过程中的压力损失对压缩机能耗的影响，不能只看压力损失的绝对值，而应看其相对压力损失的大小，并且还与名义压力比的的大小有关，低压力比的级的压力损失对压缩机能耗的影响要比高压力比的级大 [7]。气体流过气阀时的压力损失与压缩机转速的平方成正比[6]。将某型压缩机的气缸进气口面积增大52%，进气过程中的压力损失从31%降低到23%。外国学者研究推荐了在不同的名义压力比与进气压力下，进、排气阀相对功率损失的允许范围
[8]
。如前文所述，在相关因素作用下，气阀会引起压缩机的容积流量下降，导致温州中洋石化机械有限公司的不少工程实例说明，气阀对往复压缩机的能耗
压缩机单位容积流量的能耗上升。
影响较大。例如，在一级气阀改造前，6M32B—274／314半水煤气压缩机的一级排气压力平均为0.20～0.22 MPa，一级排气温度为165～180℃ ，电机电流为340～350A，四台压缩机日产合成氨380～395t，对一级环状阀进行优化设计后，在压缩机的进气状态基本不变的情况下，一级排气压力平均为0.23～0.25 MPa，一级排气温度下降到150～160℃ ，电机电流下降至320～340A，四台压缩机日产合成氨410～430t[11]；在气阀改造前，D—23.5／131—143氮氢气循环压缩机的进气压力、排气压力、电机电流分别为12.2MPa、12.8MPa、39A ，将气阀由气垫阀改为网状阀后，其进气压力、排气压力、电机电流分别为11.8MPa、l2.4MPa、3lA[12]。
4 结束语
气阀与往复压缩机的可靠性、容积流量、能耗等性能有着密切关系，在气阀设计、制造过程中，需统筹考虑气阀的可靠性与经济性，根据压缩机的转速、气缸尺寸、压力、级的压力比、温度、气体性质等参数选择合适的气阀结构型式，应用相关软件模拟气阀的工作过程，对气阀的气流通道、弹簧力、升程、可靠性等进行优化设计，获取气阀的各最优结构参数与特性参数，并采取有效措施确保
气阀制造质量达到设计要求，为提高压缩机的可靠性、经济性创造有利条件。
参 考 文 献
[1] 王迪生，杨乐之．活塞式压缩机结构［M］．北京：机械工业出版社，1990
年，1，158～159，171
[2] 美国石油学会．API618石油、化工和气体工业用往复压缩机（第4版），1995 [3] JB/T9105—1999大型往复活塞压缩机技术条件
[4] 贺运初．H22Ⅲ氢氮压缩机气阀改造［J］．流体机械，1999（5）：38～40 [5] （美）海因茨．P．布洛克，F．K．盖特纳．程以德等译．机器失效分析和
故障排除［M］．北京：化学工业出版社，1994年，149～152
[6] （美）Paui C.Hanlon．郝点等译．压缩机手册［M］．北京：中国石化出版社，
2003年，8，17～23，135，419
[7] 林梅，吴业正．压缩机自动阀［M］．西安：西安交通大学出版社，1991年，3～17，87～89，124～127，166
[8] 郁永章，孙嗣莹，陈洪俊等．容积式压缩机技术手册［M］．北京：机械工业
出版社，2000年，334，337，340～344， [9] 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
[10]（瑞士）K.Gyaunke E.Ostermann．宋东南译．活塞式压缩机气阀的能量损失［J］．压缩机技术，1988（3）：56～60
[11] 潘树林．往复式压缩机网状阀工作特性研究[D]．西安：西安交通大学博士
论文，1996
[12] 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（11）：58～59
[13] 卢朝霞，潘树林，杨青山等．D—23.5／131—143氮氢气循环压缩机气阀改
造［J］．中氮肥，2007（1）：40～42