摘要：
往復活塞式壓縮機在許多生產領域中應用廣泛，屬于高耗能的關鍵設備。余隙無級調節氣量節能技術的研究與應用對于提高往復壓縮機的能源利用效率，對于國家降低二氧化碳排放目標具有重要意義。作者總結了余隙無級調節氣量節能技術在國內近十余年的應用現狀，闡述了該項技術的發展歷史，分析了在多型號、多臺套往復式壓縮機上進行技術改造的應用情況，根據實際改造經驗，總結了余隙無級調節氣量節能技術的所實現的特性指標。該項技術除了能夠實現節能目標外，還具有安全可靠性高，性價比高，優化壓縮機的運行環境，提高壓縮機一次性運行周期和工作效率等優點。
關鍵詞：
往復活塞式壓縮機；余隙；無級調節；氣量調節；節能
壓縮機是一種通過壓縮氣體提高氣體壓力的機械設備，產品和技術廣泛應用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫藥、城市基礎設施建設、國防等很多領域，在國民經濟的發展中發揮著重要作用[1],其中，往復活塞式壓縮機在多領域生產中應用較為廣泛，屬于高耗能的關鍵設備；這主要是由于生產工藝的波動導致與初始設計參數不符，造成很多往復活塞式壓縮機存在能源利用效率低、無用功耗大等問題。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中要求“十四五”期間“生產生活方式綠色轉型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內生產總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，主要污染物排放總量持續減少”，并在“持續改善環境質量”方面“堅持節能優先方針，深化工業、建筑、交通等領域和公共機構節能”[2]。因此，對往復活塞式壓縮機進行節能改造，降低或消除無用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我國在“十四五”期間急需深化解決的問題之一。
往復活塞式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術近年來得到了較好發展和應用，但是很多領域的設備管理等技術或科技人員對它的認識依然還停留在本世紀10年代之前，認為其結構笨重、調節范圍小、調節精度低、響應速度慢、可靠性較差、易損件多、難以維護、手動調節困難且須壓縮機停機后才能調節等[3-15]。這些十幾年前余隙調節技術的缺陷和不足，在最近幾年的一些科技論文中依然頻繁出現，這些片面甚至錯誤的認知將嚴重影響或說嚴重阻礙余隙無級調節技術的進步、發展和應用。
現已推廣使用近十余年的余隙無級調節氣量技術，具有結構簡單、便于安裝，調節范圍適宜、實現了伺服無級調節，多種操控模式、參數設置靈活，調節精度高、調節響應速度適中，易損件少、使用壽命長、基本免維護、安全可靠性高，節能效率高、能最大化地實現壓縮機的節能降耗等諸多優點[16-25]。
對往復活塞式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術的發展進行探討和分析，目的就是客觀、公正、詳實地把余隙調節技術的發展歷程、發展現狀、現技術應用特性等研究結果呈現給廣大設備管理等技術人員和專家學者，期望共同分享先進節能技術的最新成果，并能有助于余隙無級調節氣量節能技術的推廣和應用，有助于該技術進一步的發展和創新，有助于提高往復活塞式壓縮機的能源利用效率，能為我國降低二氧化碳排放目標的實現添磚加瓦。
往復活塞式壓縮機的氣量調節方法有很多種，在1974年之前，國內使用的可獨立進行氣量調節的裝置就有13種、某兩種獨立調節裝置又可組合成4種綜合調節裝置；其中，作用于氣缸腔內的5種調節裝置中的“固定補助余隙容積調節裝置”（如圖1）和“可變補助余隙容積調節裝置”（如圖2）均為余隙調節裝置，它們在較早的時候就已被采用[26]。
從圖1和圖2中看到，當時的固定補助余隙調節裝置和可變補助余隙調節裝置，雖具有較好的經濟性和節能降耗的特點，但有一些不足之處，比如結構較復雜、笨重、調節精度低和調節比較困難（需壓縮機處于停運狀態方可手動調節），以致于配置了這種裝置的壓縮機用戶，讓這些裝置經常處于閑置狀態。
我們查閱了2012年及之前的國內著名的一些文獻[27-30]，這些文獻介紹的固定或可變補助余隙調節裝置與圖1及圖2中所示基本一致，也就是說，國內余隙調節技術在1974年之后的近三十多年的時間內無創新性發展的信息披露。
在國外，自上世紀中期就已廣泛應用固定或可變補助余隙容積裝置 [31]，至今，我國進口的往復活塞式壓縮機上大多數配置只調節一級氣缸的手動可變余隙容積裝置，氣量調節范圍一般在80%～100%[32],如圖3。
Dresser-Rand Company于1996年在美國申請了《Self-contained，Clearance-volume Adjustment Means for a gas Compressor》專利技術[33]，其調節氣量范圍設計在60%～100%，這也是我們已知的國際上具有里程碑意義的首套液壓式無級可調容積式余隙腔專利技術，該技術產品在美國有實質性應用，見圖4。2014年，Dresser-Rand Company在與中國某企業的技術協議中，介紹其HVVCP的氣量調節范圍設計在55%～100% [34]，但至今在中國沒有查詢到對該公司HVVCP產品的應用報道。
目前，國內制造的往復活塞式壓縮機上配置固定余隙裝置已很少見，配置諸如圖3所示手動可調余隙裝置的還有，這可能與客戶應用現場條件或環境要求有關、也可能與新技術產品推廣力度不夠有關，但手動可調余隙裝置已不是當今氣量調節應用的主流。
2009年12月，國內將可變補助余隙容積裝置創新性地“升級”為電液式余隙無級調節系統，該系統的首臺套成功得到應用，并取得良好節能效果[35,36]。對于余隙調節氣量技術的發展，美國西南研究院對這類調節方法進行了調研，認為它是未來很有潛力的發展方向之一[37]。
國產電液式余隙無級調節系統在近五年多的時間內得到較快發展，全國范圍內關于余隙無級調節的專利技術已超過五十多件，關于余隙無級調節技術應用的論文也超過了五十多篇，現在每年都有關于余隙無級調節技術的專利申請及技術應用論文的發表、而且都給出了較高評價。
國產余隙無級調節裝置已同電儀+PLC+液壓控制系統相結合，實現了遠程自動實時的無級伺服調控，控制精度較高、達到2‰～3‰。國內余隙無級調節裝置的核心設備——執行機構，其特點是：結構簡單、易損件少、拆裝便捷、控制精度高、無高速運動部件、基本免維護、維修簡便、維修速度快（不足一天）、使用壽命長、安全可靠性高、壓縮機輸出氣量穩定、節能效率較高、性價比高，等[17-25]，參見圖5和圖6。
當前，國產余隙無級調節技術不但解決了無級調節和伺服級控制的技術問題，而且其調節范圍從理論上推導和計算來講：對雙作用壓縮機來講，可達50%～100%；對單作用壓縮機來講，為0%～100%[38-40]；因此，該技術的氣量調節范圍比較適宜，能滿足絕大多數往復活塞式壓縮機節能改造的要求，因為壓縮機后續生產工藝極少能按照低于60%額定負荷運行去設計壓縮機，這也就確保了壓縮機在低于60%額定負荷長周期運行的可能性大大降低。客戶的現場實際應用也驗證了前述推算[39,40]。
截止2020年底，國內余隙無級調節氣量節能技術已推廣應用了11年，利用該技術節能改造的往復活塞式壓縮機約200臺左右。據反映，客戶只要使用過該技術產品，三年內就會發現該技術產品以上的諸多優點。經實地考察，了解到中國石化集團某分公司從2013年至2020年的七年間，利用該技術已累計節能改造了九臺往復活塞式壓縮機，取得了較好的經濟和社會效益，深受客戶稱贊，見表1。這也足以印證了該技術的過硬特點之處。
余隙無級調節氣量節能技術在2009年-2020年間的11年發展過程中，該技術產品也出現過：執行機構活塞桿斷裂、余隙活塞脫落、油缸筒或余隙缸筒脹裂、缸筒鍍層損壞、裝配或安裝螺栓蹦斷、控制箱爆燃、控制油管線或卡套接頭崩開、密封組件使用壽命未達到技術協議要求使用年限，等的嚴重事故，給使用客戶造成了不小的經濟損失和精神傷害，也產生了對該技術還不成熟的懷疑，甚至出現了對該技術完全否定的態度。但從前述事故現象看，這主要是制造商的產品質量所致，不應質疑該技術。
在具體的客戶應用實踐中，有的余隙無級調節系統執行機構較長，這主要是因為壓縮機的壓縮比較小所致，而且大都是一級兩列往復活塞式壓縮機出現的情況。對于這種情況，只要其安裝和檢修空間足夠，采用余隙無級調節技術仍具有實施的必要性。
余隙無級調節氣量節能技術在十余年的創新發展的過程中，不斷消除“固定補助余隙容積調節”和“可變補助余隙容積調節”技術的缺點和缺陷，特別是以往那種靠壓縮機停機后人工手動才能完成負荷調節操作的狀況被徹底改變，不但實現了負荷的無級伺服調節，而且調節精度高、安全可靠性高、穩定性高，等。這一調控技術的突破，受益于現代科學技術的發展，它采用了液壓電磁閥控制技術+電氣儀表控制技術+PLC+人機對話平臺等的綜合控制技術，通過調節余隙活塞位移，實現補助余隙容積的改變，進而達到改變壓縮機氣缸入口容積流量的變化，并最終實現壓縮機排氣量的調節和最大化節能降耗的目的。余隙無級調節氣量節能技術的部分特性指標，見表2。
現階段余隙無級調節氣量節能技術除了表2中的一些特性指標外，某些論文給出了余隙無級調節技術另外的一些特性指標：“能實現壓縮機平穩開啟、平穩切換和停機，同時可實現較短時間內不停機即可實現維修控制系統”[41-43]；“隨著壓縮功的降低，壓縮機曲軸、連桿機構等零部件的受力也將大大降低，噪聲也會隨之降低；壓縮機振動減小；設備運行更加穩定可靠”[44-47] 。隨著余隙無級調節技術的深入研究和發展，某些特性指標將會得到進一步理論推導和實踐驗證。
余隙無級調節氣量節能技術只有在不斷創新發展的過程中不斷自我革新，才能適應時代和社會發展的要求；對往復活塞式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術的發展進行研究，可以佐證余隙無級調節技術已不是人們很早以前了解的那個笨重、易損件多、調節困難等的技術，而且還佐證了新技術產品的諸多優異特性對節能改造后的壓縮機具有較好優化和保護。余隙無級調節技術具有的高安全可靠性、高性價比和高的壓縮機能源利用效率及能實現最大化壓縮機節能降耗，將更有利于增加客戶的經濟和社會效益，同時，也有利于國家降低二氧化碳排放目標的實現。
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