魏 玮 徐龙江
（中国石油兰州石化公司 甘肃 兰州 730060 ）
【摘要】：一次/增压压缩机因1#曲柄负载设计偏大，导致所连接的四段负荷偏大、活塞气缸磨损严重。为平衡负载，对四段缸头结构尺寸进行优化，减小活塞力，但与此同时影响到五段的排气量，通过对余隙容积的调整，平衡段间排气量。本文就是通过对四段结构尺寸的变化分析讨论活塞受力变化，以及余隙容积对排气量的影响。
【关键字】：压缩机，活塞，气缸，余隙，排气量
一、设备概况
一次/增压压缩机是某石化乙烯厂20万吨/年高压聚乙烯装置的关键机组之一，承担着对乙烯气进行第一道增压的任务，是装置的心脏设备。该压缩机采购于Burckhardt公司，型号为6B6A-1.100-1（曲柄数量为6、水平布置、6级压缩、活塞冲程320mm、气缸油润滑、第一级气缸数量为1、第一级气缸直径100cm）是一台对称平衡布置的6级往复式压缩机，结构如图所示。
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二、设备运行情况
机组于2006年12月正式投入生产，至2016年7月期间，该机组在运行过程中主要存在以下问题：
（1）与1#曲柄相连接的活塞、十字头、连杆负载设计偏大，导致压缩机在运行过程中段四段气缸压力大、振动高；
（2）四段十字头、连杆的大小头瓦磨损严重，与其它5组曲柄相对比，使用寿命短、检修频次高。
因此装置委托厂家对该机组进行分析优化，将四段气缸尺寸由原来的φ345mm缩小为φ315mm，以此来降低四段气缸上活塞的气体力，从而减小1#曲柄的负载；为保证段间压力不发生大的变化，将五段气缸余隙增大30mm，以此来弥补四段由于气缸尺寸减小导致排气量的减少，同时保证机组排气量的平衡。
三、四段改造前后受力及理论排气量
（1）气体力Fg的分析
气体力为活塞两侧气体压差所产生的作用于活塞面积上的力，通常气体力在活塞运动过程中随压缩体积的变化而变化，为直观表示四段缸在改造前后活塞受气体力的变化，本文中仅对某一瞬时的气体力进行计算。气体力Fg可表示为：
式中 Ai——气体压力作用的活塞有效面积，m2；
Pi——作用于Ai上某一瞬时的气体绝对压力，Pa。
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式中：D=0.345m、D’=0.315m；通过计算可以判断，四段缸活塞气体力减少了16%，有效减小了1#曲柄的负载。
（2）理论排气量Vh的分析
活塞通过十字头与连杆在主轴的驱动下不断进行往复运动，重复膨胀、吸气、压缩、排气四个过程（理论状态）。这样，曲轴每旋转一圈，均有一定量的低压气体被吸入气缸，并被压缩成高压气体排出气缸。在理想的工作（多变压缩）过程中，曲轴每旋转一圈，气缸所吸入的气体体积称为气缸的工作容积，用Vg表示；
式中 D——气缸直径，m；
S——活塞行程，m。
该压缩机活塞为双作用，其容积为两侧工作容积之和减去活塞杆占用的容积；理论输气量也称活塞排量，用Vh表示。
式中 n——主轴转速，r/min。
式中：四段D=0.345m、D’=0.315m、d=0.09m；活塞行程S=0.32m；转速n=370r/min。
四、五段排气量的影响
在实际工作过程中，气缸余隙容积、进排气阀阻力、吸气过程中气体被加热程度以及漏气四个方面影响着压缩机的实际排气量Vs，因此实际排气量Vs永远小于理论排气量Vh，两者的比值称为压缩机的容积效率，用η表示。
式中：
根据上式可以判断，由于四段缸结构尺寸的变化导致四段排气量减少，因此为满足段间排气量的平衡，在其它参数均为改变的情况下，必须减小五段缸盖的厚度，从而增大气缸余隙容积，减小容积系数，相应减少五段实际排气量。其中余隙系数为：
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如图所示，气缸余隙容积取决于气缸的实际结构，通常包括以下三个部分：
1.活塞在止点位置时，活塞端面与缸盖之间的间隙容积V01；
2.第一道活塞环前活塞外圆与气缸间的间隙容积V02；
3.气缸内壁圆柱面到气阀阀片间的通道容积，包括阀窝容积和气阀内部余隙容积两部分V03；
由于五段气缸的改造过程中只有V01发生了变化，V02和V03没有发生变化，所以余隙容积的变化只和V01有关。
因此可得Vc≈V01；
表2 五段缸相关参数
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D=0.215m、d=0.09m；止点间隙均按最小值计算；查阅相关资料，五段吸入压力56.19×105Pa≥30×105Pa，选取=1.4；
五、压缩机运行对比
通过对四段、五段结构尺寸的调整及优化，压缩机1#曲柄负载偏高的情况大大改善，1#曲柄十字头及连杆大小头瓦的磨损有效减轻，检修频次降低，提高机组运行周期。
改造前运行周期9个月，改造后运行周期19.5个月（因四段故障计划检修）。改造前四段十字头运行7.5年，已更换2次，使用寿命仅约为2.5年；自2017年3月改造后四段十字头已运行3.25年，磨损量均在技术要求范围内，运行效果良好，有效保证了机组的安全平稳长周期运行。
参考文献：
[1]姬忠礼,邓志安，赵会军.泵和压缩机[M].北京：石油工业出版社，2014:245-250
[2]孔令地，李毅华.容积系数对活塞式压缩机排气量的影响[J].煤矿机械,2004(6):41-42