往復機的案例
往復活塞式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術的應用進展
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。
展開 往復壓縮機典型狀態監測方案
本文以典型4缸API 618標準的往復壓縮機組為例，簡單介紹下往復機的狀態監測應用配置方案。
往復機狀態監測傳感器測點布置示意圖：
擬配置測點清單（二次高壓壓縮機，4缸）：
傳感器及硬件配置介紹：
鍵相信號（Crankcase Reference Position Keyphasor）
往復機鍵相信號，可采用標準鍵相或多事件鍵相。
多事件鍵相系統與傳統的標準鍵相系統不同，它使用電渦流傳感器對曲軸上的多輪齒盤進行監測，除了可以提供每轉一次的參考點以外，還可以每旋轉30度就提供一個精確的參考計時信號（電壓脈沖）。產生的信號可用于監測系統作為準確的曲軸位置參考。多事件鍵相系統，可以幫助氣缸壓力測量獲得更準確的測量結果并提供更精確的壓力-流量曲線（P/V曲線）。
多事件鍵相的多齒輪盤可安裝在軸靠近驅動器的外側，通常要求在驅動軸上鉆孔和開孔。也可根據用戶機械結構特征，設計提供在軸上安裝圓箍式（由兩個半圓環組成）的齒輪盤，更方便安裝。標準鍵相每轉一次的參考點通常與1號氣缸的頂頭中心位置對齊。活塞桿位置和氣缸壓力監測都需要使用鍵相參考信號。
主軸承溫度（Main Bearing temperatures）
曲軸主軸承溫度高表明設備有與油膜軸承相關的故障，如過載，軸承疲勞或潤滑油不足。測量主軸承溫度和其它相關的過程參數可以幫助確定發動機的整體運行狀況。
可以在設備制造過程中在主軸承蓋上打鉆開孔以安裝溫度探頭，也可以在設備安裝完成后，移開軸承蓋，再打鉆開孔，安裝溫度探頭。
展開 螺桿、離心、往復活塞式三種壓縮機比較
1.離心式壓縮機
螺桿式壓縮機又稱螺桿壓縮機。20世紀50年代，就有噴油螺桿式壓縮機應用在制冷裝置上，由于其結構簡單，易損件少，能在大的壓力差或壓力比的工況下，排氣溫度低，對制冷劑中含有大量的潤滑油（常稱為濕行程）不敏感，有良好的輸氣量調節性，很快占據了大容量往復式壓縮機的使用范圍，而且不斷地向中等容量范圍延伸，廣泛地應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等制冷裝置上。
以它為主機的螺桿式熱泵從20世紀70年代初便開始用于采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。在工業方面，為了節能，亦采用螺桿式熱泵作熱回收。
2離心式壓縮機
離心式壓縮機是一種葉片旋轉式壓縮機（即透平式壓縮機）。在離心式壓縮機中，高速旋轉的葉輪給予氣體的離心力作用，以及在擴壓通道中給予氣體的擴壓作用，使氣體壓力得到提高。
早期，由于這種壓縮機只適于低，中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。由于化學工業的發展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產中各種氣體的關鍵機器，而占有極其重要的地位。隨著氣體動力學研究的成就使離心壓縮機的效率不斷提高，又由于高壓密封，小流量窄葉輪的加工，多油楔軸承等技術關鍵的研制成功，解決了離心壓縮機向高壓力，寬流量范圍發展的一系列問題，使離心式壓縮機的應用范圍大為擴展，以致在很多場合可取代往復壓縮機，而大大地擴大了應用范圍。
3往復活塞壓縮機
是各類壓縮機中發展最早的一種，公元前1500年中國發明的木風箱為往復活塞壓縮機的雛型。18世紀末，英國制成第一臺工業用往復活塞空氣壓縮機。20世紀30年代開始出現迷宮壓縮機，隨后又出現各種無油潤滑壓縮機和隔膜壓縮機。50年代出現的對動型結構使大型往復活塞壓縮機的尺寸大為減小，并且實現了單機多用。
展開 【流體機械專欄】考慮簧 片閥耦合的往復活塞壓縮機三維瞬態CFD分析
在已有往復式壓縮機系統的建模中，大部分都是使用一維或零維模型。
往復式壓縮機通常有三個獨立的運動部件:具有規律運動的活塞，根據作用在其上的壓力而動態開啟的進氣閥和排氣閥。壓縮機活塞和進出口閥片在運行時相互作用，閥片動力學對壓縮機系統的效率和性能起到很大的作用，因此在仿真模型中必須同時考慮活塞壓縮機和閥片之間的耦合關系。在已有的報道中鮮有這種活塞壓縮機-閥系統耦合CFD模型。這是因為，往復壓縮機的三維CFD耦合建模會涉及復雜的運動網格算法和可變時間步長模型，建模難度太大。Simerics MP+軟件專注于容積式流體機械（如泵和壓縮機）的CFD仿真，將往復壓縮機三維CFD網格劃分和求解方法模板化，解決了軟件易用性和穩定性的問題。
展開 
往復壓縮機典型故障特征
往復壓縮機在進、排氣閥吸氣、排氣，活塞、連桿、十字頭往復運動時產生撞擊和噪聲，并且各缸之間的撞擊和噪聲相互干擾，如果采用常規頻譜分析的手段，頻譜圖上將呈現連續而密集的寬帶譜線，故障特征信號被背景噪聲所湮沒，難以提取和識別，而且振動對氣體泄漏也不敏感。
沖擊、漏氣和摩擦是往復機械最主要的信號類型，其在時域的特征如圖1所示。我們在現場使用的往復壓縮機是由多個氣缸組成，各缸的進排氣閥的開啟、關閉沖擊信號混雜在一起。往復壓縮機診斷技術強調各項參數處理成為相對曲軸轉角的定位信號進行分析，閥門開啟關閉、十字頭運動等事件與曲軸相位對應起來，從而實現故障分析和預知。相位信號通過下述手段采集，在飛輪罩殼上固定安裝磁電式速度傳感器，盤車使1缸處于上止點位置，在飛輪上鉆孔使其與磁電傳感器精確對齊，各缸之間的角度差是固定的，這樣在逐缸測試各種類型的信號時，便有了一個相位參考基準，就可以各類信號在一個做功周期內與相應的事件準確對應起來，同時同類缸的同類信號也可以放在一起進行類比判斷，哪個缸存在異常便易顯現出來。為進一步消除各缸信號串擾，對振動和超聲波信號進行分頻段處理，超聲波信號取36kHz~44 kHz和15 .5 kHz~40 kHz；振動高頻信號取5 .6kHz ~40 kHz；振動中頻取180 Hz~8 kHz；振動低頻取1Hz~8 kHz。高頻信號頻率高、波長短、方向性好、衰減大，因此抗干擾性強；中、低頻信號與之相反，但能反映振動能量的大小。幾種類型的信號采用不同的頻段組合，既可隔離干擾又能反映振動的能量大小，各種信號相互印證，結合性能分析，便能對往復壓縮機故障進行全面地分析與診斷。
展開 技術干貨| 基于GT-SUITE往復式壓縮機進氣脈動噪聲特性仿真
基于GT-SUITE往復式壓縮機進氣脈動噪聲特性仿真
摘要：
1）往復式壓縮機在吸氣過程中產生噪聲，在GT-SUITE中搭建壓縮機模型，考察壓縮機進氣過程的噪聲特性；
2）識別影響進氣噪聲的參數。
往復式壓縮機性能要求：
盡可能少的能量消耗；
盡可能高的體積效率；
可靠性和安全性；
盡可能小的噪聲水平
圖1 往復壓縮機結構及工作原理
噪聲傳遞過程：
噪聲傳遞過程如圖2所示：壓力波動是噪聲產生的主要原因，圖2中左圖是使用GT-SUITE搭建的1D模型和其他軟件搭建3D模型計算的壓力波動對比，該圖說明1D計算結果精度符合要求。
圖2 噪聲傳遞過程
噪聲傳遞路徑包括：1）沿管路傳遞到進氣口的脈動噪聲；2）經殼體的輻射噪聲。
噪聲測量：
在進氣閥處進行噪聲測試，以驗證仿真模型準確性。針對不同排量和冷媒，分別測量進氣閥處的聲壓級
1）排量分別為15cc和21cc;
2）冷媒分別是R134a和R290；
圖3 測試聲壓級對比
圖3左圖是相同冷媒R134a下，不同排量對應聲壓級，右圖是冷媒R290下，不同排量對應的聲壓級。
展開 往復壓縮機氣閥壓力脈動及噪聲試驗分析
［關鍵詞］：往復壓縮機；氣閥；壓力脈動；噪聲
中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２３）０３－００２２－０７
1 引言
氣閥是活塞式壓縮機的關鍵部件，同時也是壓
縮機主要節流元件及主要噪聲源之一［１，２］。在壓縮機工作時，吸排氣閥片隨著曲柄轉角周期性的開啟與關閉，導致壓縮氣體在閥隙處形成流速和壓力的周期性變化，從而在氣閥閥隙通道處形成壓力脈動［３］，壓力脈動不僅能夠引起和增大壓縮機系統及管路振動，還會增加壓縮機整機噪聲，嚴重影響壓縮機性能［４，５，６］。
壓力脈動是往復活塞式壓縮機的固有特性，無
法對其進行完全消除［７，８］。閥隙馬赫數對閥腔及壓縮腔內流場及壓力場有直接影響［９］。在壓縮機氣流壓力脈動及噪聲方面，國內外學者進行了大量的研究工作。韓寶坤等［１０］基于噴射理論對往復壓縮機吸排氣過程流場特性進行了數值模擬，研究了排氣過程中壓力脈動引起的噪聲變化規律和輻射特性。李天宇等［１１］利用ＣＦＤ仿真軟件建立了壓縮機排氣聲學仿真模型，并結合試驗數據分析了壓縮機排氣過程的湍流噪聲與脈動噪聲。馬大猷等［１２］建立了氣流脈動噴注情況下的噪聲聲壓級計算模型，將湍流噴注噪聲表達為噴注速度的函數，提出了噪聲與噴注速度及噴口壓力的依賴關系式。魏國［１３］建立了氣動噪聲輻射及傳播模型，對往復壓縮機吸、排氣過程中的流場和聲場進行了數值模擬分析，獲得了脈動速度和氣動噪聲的變化規律。
展開 往復式壓縮機吸排氣閥組流固耦合仿真研究
應用該仿真模型對某量產變頻壓縮機閥組進行了仿真優化與實驗對比，閥組優化方案顯著提升了整機性能，有效驗證了該仿真模型的可靠性。流固耦合仿真在現有產品的性能提升以及新產品的正向設計中發揮著越來越重要的作用。
關鍵詞
Keywords
往復式壓縮機；吸排氣閥組；流固耦合
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.02.015
0 引言
往復式壓縮機是冰箱制冷系統中的核心部件之一（如圖1所示），其可靠性和能效比（COP）對于冰箱系統運行具有重要的影響。往復式壓縮機通常采用簧 片式吸排氣閥組來控制制冷劑的流動，并配置有吸、排氣消音 器進行消音降噪。實驗中發現閥組以及吸排氣流路的設計對于壓縮機的冷量和COP具有顯著的影響，因此進行吸排氣閥組的研究對于提高壓縮機性能具有重要的意義。
展開 【ＢＯＧ工藝參數波動對往復壓縮機脈動模擬影響分析】
程 強，劉洪佳，曾兆強，季龍慶
（中海油石化工程有限公司，山東濟南 ２５００００）
［摘 要］：ＬＮＧ接收站中ＢＯＧ工藝參數不可避免的會產生波動，甚至達到較大的溫差，這對往復式壓縮
機的壓力脈動分析產生較大的影響。主要研究了溫度、壓力對聲速的影響，在ＢＯＧ工藝參數變化范圍內，溫度對聲速影響較大，壓力變化對聲速影響變化并不敏感。并采用壓縮機恒定轉速，一定的溫度梯度和壓縮機的不同轉速兩種方法分別考慮了工藝參數波動對壓力脈動模擬的影響，并比較了兩者的優缺點。
［關鍵詞］：壓力脈動；不同轉速；不同溫度
中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２３）０３－００３６－０４
１ 引言
ＬＮＧ接收站內由于裝卸、運輸過程中不可以避
免的與外界進行熱交換會產生大量的ＢＯＧ，往復式壓縮機是ＬＮＧ接收站ＢＯＧ回收利用的關鍵設備。隨著季節、負荷的不同，ＢＯＧ溫度、壓力會產生較大的變化，不同地域ＬＮＧ接收站其壓縮機入口溫度也不同［１］。溫度壓力的變化對壓縮機壓力脈動分析會有較大的影響，介質的工藝參數波動范圍大，其相應的特性范圍變化大，聲速也會在較大的范圍內變化，從而導致管道系統的氣柱固有頻率也會發生相應的變化，這也對往復式壓縮機壓力脈動的分析控制造成了很大的困難。本文主要利用脈動分析軟件ＢｅｎｔｌｅｙＰＵＬＳ研究了溫度壓力對聲速的影響，然后采用壓縮機恒定轉速，一定的溫度梯度和壓縮機的不同轉速兩種方法分別考慮了工藝參數波動對壓力脈動模擬的影響，并比較了兩者的優缺點。
２ ＢＯＧ工藝參數波動對聲速影響分析
激發頻率ｆ是由壓縮機轉速決定的。對確定的
管系來說，其共振管長主要受聲速影響。
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展開 冰箱往復壓縮機運動部件分析
本案例主要介紹了冰箱往復式壓縮機運動部件的動力學分析，包含了曲軸、連桿、活塞等。壓縮機作為制冷系統的心臟，將曲軸的轉動通過連桿轉變為活塞的直線往復運動，實現制冷劑的壓縮與膨脹過程。因此壓縮機工作狀況將直接影響整個系統的穩定性，尤其是運動部件的磨損很大程度上決定了壓縮機的壽命。
本案例通過ansys workbench瞬態動力學分析模塊，對壓縮機運動部件進行了應力分析，得到不同部件的應力分布情況，對后續零部件的優化設計提供一定指導方向。
模型：本案例不分析氣缸座的受力，因此對其進行了簡化。
接觸及邊界條件：運動部件施加運動副、接觸區域施加摩擦接觸，系數為0.1；邊界旋轉360度，本案例不考慮旋轉速度的影響。
結果：
分析：在運動部件中曲軸、連桿應力相對較大，可能更容易出現零件磨損。而活塞在氣缸座中存在余隙，進行間隙運動因此其應力較小，不易發生磨損。
展開 
三種壓縮機性能特點、優缺點比較，快收藏！
在螺桿式制冷壓縮機中，提高螺桿的圓周速度，就可以使螺桿式制冷壓縮機中的外型尺寸和質量等到減小，氣體通過螺桿式制冷壓縮機中的間隙的相對泄漏 量就會減少，有利于提高螺桿式制冷壓縮機的容積效率和熱效率。從表面上看，螺桿的圓周速度越快，對于螺桿式制冷壓縮機的性能越好。但是，如果螺桿的圓周速 度過快，就會相應地增加氣體在吸排氣孔口及齒間圓周速度內的流動損失。
在三種常見的制冷壓縮機（往復式、螺桿式、離心式）中，往復運動產生的慣性立是往復式制冷壓縮機的主要缺點。因為經常受到往復運動產生的慣性，所以往復式制冷壓縮機中的氣閥和曲柄連桿機構最容易受到破化。
在三種常見的制冷壓縮機（往復式、螺桿式、離心式）中，運轉時產生的巨大噪聲是螺桿式制冷壓縮機的主要缺點。因為經常受到制冷劑氣體周期性地高速通過吸、排氣孔口，以及通過縫隙的泄漏等原因帶來的影響，所以在螺桿式制冷壓縮機中必須選擇合理的螺桿運轉速度。
在三種常見的制冷壓縮機（往復式、螺桿式、離心式）中，喘振是離心式制冷壓縮機的主要缺點。
造成離心式制冷壓縮機的喘振原因是因為，當冷凝器的冷卻水進水量減小到一定程度時，離心式制冷壓縮機的流量減小到很小，它的通道中出現嚴重的氣體 脫流，它的出口壓力突然下降。雖然離心式制冷壓縮機和冷凝器是聯合地工作，但是冷凝器中的氣體的壓力并不是同時地減低，于是冷凝器中的氣體的壓力反大于離 心式制冷壓縮機的出口壓力，造成冷凝器中的氣體倒流至離心式制冷壓縮機中，直至冷凝器中的氣體壓力下降到等于離心式制冷壓縮機的出口壓力為止。
這是，離心 式制冷壓縮機又開始向冷凝器送氣，流量增加，離心式制冷壓縮機恢復正常工作。但是，當冷凝器中的氣體壓力也恢復到原來的氣體壓力時，離心式制冷壓縮機的流 量又減小，離心式制冷壓縮機的出口壓力有開始下降，氣體又產生倒流。
展開 聚丙烯裝置往復式壓縮機隔離氣系統分析及探討
編 輯 | 化工活動家
來 源 | 石油化工自動化 寧煤
作 者 | 朱杰等
關鍵詞 | 往復式壓縮機 隔離器
共 1623 字 | 建議閱讀時間 7 分鐘
導 讀
寧煤公司600kt/a聚丙烯裝置采用Lummus Novolen氣相工藝技術，于2016年12月投產，主要生產均聚和共聚聚丙烯產品。該氣相工藝技術具有產品牌號多、丙烯單體無需氣化、產品無需干燥、固定投資費用低的優點，但在生產過程中也存在一些問題，如聚合反應催化劑活性較低，產品能耗高，反應器的控制自動化程度不夠高，中控操作人員工作強度大等。尤其在聚丙烯粉料排放系統中的載氣在輸送至載氣壓縮單元過程中夾雜細粉顆粒和三乙基鋁，嚴重影響載氣壓縮機的長周期運行。結合現場實際案例分析改進載氣壓縮機的隔離氣系統，取得了很好的效果。
載氣壓縮單元工藝流程簡介
聚丙烯裝置主要由丙烯精制、聚合、擠壓、載氣壓縮等單元組成。聚丙烯載氣壓縮單元工藝流程如下所示。
從載氣過濾器中來的載氣經過載氣冷卻器冷卻，冷卻后的載氣進入載氣壓縮機單元壓縮后，返回丙烯循環系統，注入到循環氣冷凝器的進口，再經丙烯循環泵返回反應器。
載氣壓縮機運行存在的問題
載氣壓縮機隔離氣壓力一直得不到有效監控，使得載氣壓縮單元自裝置投產以來一直無法長期穩定運行，正常運行時間不超過8×103h。隔離氣壓力低曾造成載氣壓縮機級間緩沖罐嚴重帶液，入口錐型過濾器頻繁堵塞，壓縮機活塞和氣缸表面磨損、填料函短時間磨損發生泄漏被迫停車，潤滑油品質降低，過濾器堵塞等異常情況。
展開 基于OptiStruct的活塞式壓縮機殼體VTF仿真分析及形貌優化
1 薄板結構振動聲輻射
1.1 聲輻射理論
往復壓縮機通過曲柄連桿機構將電機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動，從而將機械能轉換為氣體的壓力能，轉換過程中做旋轉運動的曲柄等因其質心偏離旋轉中心而產生旋轉慣性力，活塞等因往復運動而產生往復慣性力，旋轉慣性力及往復慣性力通過座簧激勵壓縮機外殼，使其產生彎曲振動。往復壓縮機外殼通常采用2～6 mm的鋼板，其厚度尺寸遠小于長寬尺寸，為薄板結構。當殼體被激振起來時，將帶動殼體表面的空氣層振動，從而產生輻射噪聲。壓縮機殼體即為面聲源，將面聲源鑲嵌在無限大障板中去研究。如圖1所示為薄板結構離散圖，假設為一鑲嵌在無限大障板的矩形薄板，薄板結構被均分成有限個面積相等的振動單元，薄板的振動傳遞到半空間中觀察點的聲壓可由Rayleigh積分得出[6-8]。
展開 這些變態發動機，問了10個人，9個人搖搖頭！
在噴氣發動機出現之前，活塞式飛機發動機大多采用星型設計，因其曲軸短戰場生存性強，再因其結構緊湊占用飛機空間小而被艦載機廣泛使用。
斯特林發動機
斯特林發動機是英國物理學家羅巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年發明的，所以命名為“斯特林發動機”（Stirling engine）。
斯特林發動機是通過氣缸內工作介質（氫氣或氦氣）經過冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期的循環來輸出動力，因此又被稱為熱氣機。 斯特林發動機是一種外燃發動機，其有效效率一般介于汽油機與柴油機之間。
Duke無氣閥五缸汽油發動機
杜克無氣閥設計，取消了傳統發動機復雜的氣門、曲軸閉鎖系統。重量更輕，只有相當功率傳統發動機重量的70%。結構更簡單，所需部件更少，制造成本更低。
3.0升5缸無氣閥式結構，4500轉時動力輸出215匹馬力，扭矩250磅英尺。功率輸出略微大于兩臺 傳統3升發動機的輸出功率之和，重量卻只有1/5。革命性的無閥結構設計，讓它的擁有超高的動力輸出、 更高的燃料利用率、更少的運動部件和更緊湊輕便的身形。五缸軸向設計，曲軸與活塞運動方向平行， 五個活塞成星型通過往復機驅動主軸轉動。往復機與主軸中心相同，運動方向相反，令整個發動機在高速 運行時異常平穩，甚至不會顛翻放在上面的一枚豎立的硬幣（官網有視頻）。
奎西發動機
奎西發動機是一種基于轉子發動機的改進型發動機，與一般轉子發動機的三葉片不同，奎西發動機使用了四部分組成的鏈條式轉子，使得其具有四個沖程，兼顧了四沖程發動機和轉子發動機的優點。是一種體積小、馬力大、低轉速、大扭矩，可使用多種新型能源的新型發動機。
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