【壓縮機(jī)網(wǎng)】本文討論了無(wú)油工藝氣螺桿壓縮機(jī)是否需要增設(shè)平衡管的問(wèn)題，介紹平衡管壓降原理以及估算公式；在需要增加平衡管的情況下，討論平衡管在螺桿壓縮機(jī)組上的安裝位置，分析不同的架設(shè)方式的平衡效果；通過(guò)案例，分析在實(shí)際運(yùn)用中如何優(yōu)化平衡管能給機(jī)組帶來(lái)z*優(yōu)的效果，歸納出現(xiàn)階段比較可行的架設(shè)方案，展望未來(lái)平衡管改良方式。

　　1、引言

　　工藝螺桿壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，它在所有壓縮機(jī)械中，壓縮能力屬于中等級(jí)別，排氣壓力多在0.3～4.5MPa之間。由于排端的壓力高，壓縮機(jī)組密封組件的密封壓力通常不會(huì)太高。

　　為了保證密封組件的正常運(yùn)行，我們需要在螺桿壓縮機(jī)組上增設(shè)平衡管，以此來(lái)降低排端密封前的工藝氣壓力，z*終保障機(jī)組的正常運(yùn)行。現(xiàn)在以筆者對(duì)平衡管淺顯的理解來(lái)介紹應(yīng)用于螺桿壓縮機(jī)上的平衡管。

　　據(jù)調(diào)查研究，目前中國(guó)新興工業(yè)園區(qū)內(nèi)氮?dú)夤r一般在0.3～0.7MPa。平衡管的作用是降低密封組件前工藝氣的壓力，故排氣壓力較低的螺桿壓縮機(jī)不一定需要加設(shè)平衡管，暫且將區(qū)間定排氣壓力低于0.3MPa。

　　平衡管還有一個(gè)作用是：當(dāng)氣體很臟時(shí)，為防止介質(zhì)氣接觸密封組件，降低其使用壽命，通常會(huì)增加緩沖氣吹掃。此時(shí)若不加平衡管容易造成氣體反串至氮?dú)夤芫€。使用機(jī)械密封的噴液壓縮機(jī)，防止噴入的液體進(jìn)入油里發(fā)生乳化作用，也需要增設(shè)平衡管。

　　干式螺桿壓縮機(jī)是否增加平衡管需要按照項(xiàng)目實(shí)際工況而定，因?yàn)槠胶夤艿幕亓髯饔茫喈?dāng)于給壓縮機(jī)多設(shè)了一路循環(huán)回流。對(duì)于機(jī)型較小的機(jī)組來(lái)說(shuō)有時(shí)候是致命的，功率升高，排氣溫度增加，不利于干式機(jī)組運(yùn)行。

　　2、平衡腔原理

　　以321螺桿壓縮機(jī)為例，詳見(jiàn)圖1。平衡管將漏至排氣端迷宮密封間隙里的高壓工藝氣引至進(jìn)氣端迷宮密封間隙里，途經(jīng)排端迷宮密封、排端平衡腔孔口、平衡管、進(jìn)端平衡腔孔口、進(jìn)端迷宮密封，見(jiàn)圖2。我們將其分解為5個(gè)獨(dú)立過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生壓降，分析每一個(gè)過(guò)程就能得出平衡管的平衡效果。

　　假定螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比為2.5，排氣角約為90毅，此內(nèi)容積比下只可能存在一個(gè)處于排氣階段的腔體。因此當(dāng)端面壓力z*大時(shí)各個(gè)腔體的所處工作階段及壓力如圖3所示，單位MPa（A）。排氣終了時(shí)的內(nèi)壓力為[1]。


　　式中εV——內(nèi)容積比
　　k ——絕熱指數(shù)
　　pi——排氣壓力
　　ps——吸氣壓力
　　排氣壓力與進(jìn)氣壓力都已知，壓縮過(guò)程中的腔體壓力只能通過(guò)轉(zhuǎn)角與齒間容積曲線求出，比較麻煩。故我們通常將排氣端面的壓力值簡(jiǎn)化為

　　以此我們提出平衡管壓力pb為

　　如果要計(jì)算迷宮密封阻隔，需要采用Egli計(jì)算方法來(lái)計(jì)算迷宮密封的泄露模型。該方法將迷宮的流動(dòng)視為通過(guò)一系列銳邊孔口的流動(dòng)，考慮動(dòng)能裁越效應(yīng)，修正了Martin公式

　　其中，膨脹函數(shù)

　　動(dòng)能載越效應(yīng)修正系數(shù)  ,φ、γ及節(jié)流流量系數(shù)C為0.71。

　　如果管道壓降模型需要考慮：壓強(qiáng)降低和體積膨脹，溫度往往要下降。這時(shí)需要采用下式

 

　　為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜?jì)算這個(gè)過(guò)程，我們采用INPLANT軟件進(jìn)行管道阻力的計(jì)算。

　　3、平衡腔架設(shè)方式與開(kāi)孔位置

　　3.1 排氣端座與進(jìn)氣端座連接

　　408（轉(zhuǎn)子直徑mm）及以下型號(hào)的螺桿壓縮機(jī)進(jìn)排氣形式多為上進(jìn)上出。由于這個(gè)限制，平衡腔開(kāi)孔選擇在機(jī)頭側(cè)面或者下面，如圖4、5所示。

　　通常選擇在壓縮機(jī)底部開(kāi)孔，尺寸大小為準(zhǔn)15，將進(jìn)端與排端連接。當(dāng)我們采用噴液冷卻時(shí)，工藝氣往往夾雜著小液滴一起往迷宮密封泄漏，并匯集成凝液灌進(jìn)平衡管里，這使得平衡腔內(nèi)流道縮小。根據(jù)流體力學(xué)管道沿程摩擦阻力損失為[2]。

　　式中 l——沿程長(zhǎng)度，m
　　d——平均直徑，m
　　Cm——氣流平均速度，m/s
　　λ——膜阻系數(shù)λ=f

　　從上式可以看出，l越小或d越大，沿程摩擦阻力就越小，平衡效果越好。故通常在壓縮機(jī)平衡腔孔口接出來(lái)的時(shí)候選擇擴(kuò)徑。在下部架設(shè)的平衡管容易因?yàn)閹氲囊旱涡纬赡憾沟闷胶夤軞怏w流通面積縮小，d相應(yīng)縮小，摩擦阻力H上升。在壓縮機(jī)停車時(shí)積蓄的凝液若不及時(shí)排除，容易將平衡管堵塞，冬天易凍壞管道。因此設(shè)置排凝閥來(lái)防止此現(xiàn)象。

　　為了優(yōu)化帶入的小液滴影響平衡效果情況，我們將架設(shè)形式改為在壓縮機(jī)機(jī)頭側(cè)面，或是額外增設(shè)兩路平衡管，增加平衡腔的平衡效果。

　　3.2 排氣端與氣缸體連接

　　采用這種開(kāi)孔方式，需考慮噴入壓縮機(jī)的液滴對(duì)孔口造成的壓強(qiáng)。設(shè)噴液的速度為10m/s，由下式可得

　　液體對(duì)孔口的壓力為0.05MPa，這種開(kāi)孔方式可以規(guī)避進(jìn)端迷宮密封處的壓力降。

　　3.3 排氣端與入口短接連接

　　408（轉(zhuǎn)子直徑mm）以上型號(hào)的螺桿壓縮機(jī)由于機(jī)型大，油站高度高?？紤]到回油通暢性多采用二層平臺(tái)布置，機(jī)型較大，采用水平剖分便于檢修。一般壓縮機(jī)進(jìn)排氣形式為上進(jìn)下出的合理布局方式。

　　上進(jìn)下出的機(jī)型可以在壓縮機(jī)機(jī)頭上部開(kāi)孔，這樣液滴更不容易被帶入平衡管內(nèi)，平衡效果更加優(yōu)良。這樣架設(shè)的平衡管上應(yīng)增加一個(gè)放空口，壓縮機(jī)停車時(shí)排放掉管內(nèi)的氣體。

　　這種連接方式不存在進(jìn)氣端的阻力，故壓降更小，平衡效果更為明顯。

　　對(duì)于機(jī)型較小的機(jī)組來(lái)說(shuō)是需要辯證考慮的。

　　因?yàn)橹苯咏尤肟诘年P(guān)系，不存在入口迷宮阻力降，回流量較大，z*大可高達(dá)10%的回流量。

　　4、案例分析

　　4.1 中化某石化LG40/0.9火炬氣螺桿壓縮機(jī)組

　　干氣密封設(shè)計(jì)參數(shù)：前置密封氣0.05MPa，10Nm³/h；主密封氣0.35MPa，0.8Nm³/h。調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)干氣密封在保證額定設(shè)計(jì)壓力情況下，未能達(dá)到額定流量（為額定一半）。

　　干氣密封前置密封氣壓力隨壓縮機(jī)壓力上升而上升（壓縮機(jī)排氣壓力為0MPa時(shí)，前置密封氣壓力為0.05MPa；壓縮機(jī)排氣壓力為0.5MPa時(shí)，前置密封氣壓力為0.1MPa；壓縮機(jī)排氣壓力為0.9MPa時(shí)，前置密封氣壓力為0.2MPa）。當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力為0.6MPaG左右時(shí)，平衡管壓力為0.03MPa左右。

　　當(dāng)脫開(kāi)密封系統(tǒng)前置密封氣對(duì)外法蘭時(shí)，前置密封氣流量會(huì)急劇增大，壓力幾乎降至零。猜測(cè)：（1）前置密封氣壓力升高可能是因?yàn)閴嚎s機(jī)前置氣進(jìn)氣孔節(jié)流造成；（2）干氣密封設(shè)計(jì)不合理，未考慮平衡腔壓力，導(dǎo)致設(shè)計(jì)壓力過(guò)低，工藝氣反串進(jìn)入前置密封。

　　同時(shí)增大主密封氣壓力（升至0.5MPa（G））、前置密封氣壓力。發(fā)現(xiàn)前置密封氣流量有明顯上升，可達(dá)到8～9MPa（G）。經(jīng)與密封廠家討論，發(fā)現(xiàn)密封廠家設(shè)計(jì)時(shí)以平衡腔壓力為0MPa設(shè)計(jì)，導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)壓力偏小。解決方案：密封廠家修改設(shè)計(jì)壓力，目前機(jī)組運(yùn)行良好。

　　4.2山東某石化LG346/0.01-0.7壓縮機(jī)

　　該機(jī)在使用的過(guò)程中，出現(xiàn)密封泄漏的情況，主要表現(xiàn)在油箱的高位放空出現(xiàn)大量的介質(zhì)氣。根據(jù)初步分析，主要顯示是螺桿壓縮機(jī)的軸封失效所致。為了改善密封的環(huán)境，降低密封腔的壓力，對(duì)密封的外接管平衡效果進(jìn)行核算，為后續(xù)的整改提供理論依據(jù)。

　　通過(guò)建立密封泄漏模型、平衡管管阻模型，見(jiàn)圖6。運(yùn)用INPLANT軟件計(jì)算得出：在額定排氣壓力的工況下，螺桿壓縮機(jī)的平衡管線將有88kPa（A）的壓降，即平衡腔壓力為788kPa（A）。屬于平衡效果較好的情況，因此，擴(kuò)孔的效果較為有限。

　　5、結(jié)論

　　綜述，一般來(lái)說(shuō)平衡管選擇：408（轉(zhuǎn)子直徑mm）以上機(jī)組宜采用排端與壓縮機(jī)入口短接連接方式；408（轉(zhuǎn)子直徑mm）及以下機(jī)組宜采用進(jìn)氣端座和排氣端座連接，具體情況還需具體分析?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可以短暫關(guān)閉平衡管來(lái)校驗(yàn)理論計(jì)算，從而對(duì)今后的估算有個(gè)經(jīng)驗(yàn)衡量標(biāo)準(zhǔn)。

　　今后是否能夠通過(guò)改進(jìn)壓縮機(jī)殼體加工工藝，在殼體內(nèi)部直接鑄造出連接進(jìn)、排氣端的平衡管道？

　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 邢子文.螺桿壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
　　[2] 張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.