储气库压缩机宽工况气阀优选及运动规律仿真.pdf

书书书技 术 改 造 年 期（总第 期）储气库压缩机宽工况气阀优选及运动规律仿真肖海燕（中石化石油机械股份有限公司三机分公司，湖北 武汉 ）摘要：以某储气库压缩机为研究对象，分析气阀结构及阀片材料性能，根据工况参数开展气阀的运动状态模拟，设计出阀片运动规律仿真可视化图形用户输入界面，实时显示计算结果及阀片运动模拟曲线，降低研究开发的成本，为储气库气阀可靠性设计提供参考。关键词：储气库压缩机；气阀；运动规律中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：（，）：，：；引言地下储气库是天然气长输管道系统的重要组成部分，也是天然气上、中、下游一体化利用的主要平台，具有季节调峰、战略储备、应急保供、市场调节的重大作用，加快推进大规模储气库建设越来越受到世界各国的重视 。压缩机是储气库建设的关键装备，气阀是往复活塞式压缩机的关键核心部件，压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀过程与气阀紧密相连。对于储气库压缩机而言，面临高速、高压、大排量、变工况等难题，是否能够实现气体增压、更合理、更经济地运行，在很大程度上取决于气阀的合理结构与性能。压缩机在运行过程中，气体通过气阀会产生流动阻力损失。优质气阀流动阻力损失约为压缩机轴功率的 ；非优质气阀其流动损失可高达轴功率的 。气阀在高频率冲击载荷、高压力和高温条件下工作，其寿命大大降低，直接影技 术 改 造 年 期（总第 期）响到压缩机的长期稳定运转。因此，开展储气库压缩机气阀宽工况适应性研究，对于提高压缩机的经济性和可靠性显得尤为重要 。在往复活塞式压缩机中，气阀主要由阀座、启闭元件（阀片）、弹簧、升程限制器等组成，如下图 所示。目前常用气阀有 阀、环状阀、网状阀等，其区别主要在于启闭元件的结构不同。阀的阀片结构介于环状阀和网状阀之间，阀片与阀座接触面为异型面，阀片各环联在一起呈网状，同样工况气阀尺寸可设计较小，气体流通性高于环状阀和网状阀。环状阀的阀片是由一组直径不同的同心圆环构成，通过改变环数满足不同气量需求，适用于各种不同压力、转数的压缩机，同样工况气阀尺寸较大。网状阀在结构上与环状阀的区别在于阀片各环联在一起，呈网状，该种气阀使用寿命长，结构较紧凑复杂，气体流通性较差。通过对上述 种气阀比较研究，阀具有以下优点：（）带型面的非金属网状阀，结合了环状阀和网状阀的优点，使用寿命长达 ；（）阀片型面化设计，与型面化的阀座相配合实现密封；（）阀盖带型面，可抵抗油粘滞；（）优化的气体槽道设计，优越的流通性，气阀效率比常规网状阀和环状阀更高。由于阀片受重复冲击和交变弯曲载荷作用，对阀片材料的强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀等性能具有较高要求。本文地库压缩机气阀的环状阀片由先进的塑料材料 （强化聚醚醚酮）制作，其机械性能如表 所示。阀片构成的气阀具有较高的可靠性。密度远小于金属，其弹性模量也低于金属，因此，在相同的撞击速度下，与阀座和升程限制器的碰撞接触应力远小于金属阀片。内部分子结构比金属松散，图 气阀的主要组成表 材料机械性能抗拉强度 抗压强 伸长率 断面收缩率 硬度 具有良好的柔韧性，缺口敏感性低，即使形成裂纹，其裂纹的传播速度也较慢，因而阀片不易断裂。具有适应含有液体和微小异物气体的能力，能够避免异物导致的阀片碰撞、磨损和裂纹等问题，同时也能防止金属阀片的断裂，从而防止气缸、活塞、活塞环等部件的损坏，避免机组故障的发生。与金属阀片相比，阀片抗腐蚀特性强，能够防止腐蚀介质导致的氢脆、腐蚀疲劳、降低部件的强度和损坏其密封面等问题。储气库压缩机宽工况对气阀的影响本文以国内近十年储气库用天然气压缩机为研究对象，所使用的压缩机转速高达 、设计点 排 量 达 、最 高 排 压 达 ，选用气阀为介于环状阀和网状阀之间的 阀。高转速、宽工况排压意味着阀片在单位时间内的撞击次数多，撞击速度大，且对阀片的承压要求高，大排量要求气阀有足够的气体通流面积保证稳定的平均流速。压缩机正常注气工况如下：根据该储气库工况特点，按 的压力步长和 的温度步长经过热力计算，得出 余种压缩机工况计算点。本机组设计点为进口压力 、进口温度、出口压力 ，排量 。其他工况均以此工况为基础进行校核计算，如果工况范围越大，则偏离设计点的进、出口压力，各级温度变化在气阀校核时不能通过，即气阀不适合所有工况运行，否则容易造成气阀提前损坏。储气库压缩机气阀阀片运动状态数学模型 气阀数学模型的建立压缩机实际进排气过程受弹簧力、流动阻力、热传导、压力脉动等因素的影响，为简化问题，对气阀的阀片运动模型作如下假设：（）气缸内被压缩的气体为均匀介质，即任意表 某储气库压缩机正常注气工况部分参数进口压力 出口压力 进口温度 出口温度 功率 技 术 改 造 年 期（总第 期）两点的气体压力、温度、密度相同；（）气缸活塞所传递的机械能、热能等外界作用力都是均匀、瞬时的传递给工质任意一点；（）不考虑吸排气腔内的气流脉动、泄漏造成的能量损失、气阀通道内发生的热交换。以进气阀为例，建立盖侧气阀的数学模型 （）（）()（）()槡（）其中 （槡）（）槡（）（）（）槡（）（）（）（）（）式中 阀片位移 阀片运动速度 曲轴转角 阀片当量质量 曲轴角速度 推力系数 气体压力 进气压力 阀座出口通流面积 一个气阀的弹簧个数 弹簧刚度系数 弹簧预压缩量 气体绝热指数 气体容积 气阀有效通流面积 气体常数 进气温度 活塞行程 活塞底面积 曲柄半径与连杆长度比值 余隙容积 气缸直径 阀隙流量系数 阀座通道流量系数 环周长 阀座通道面积 气阀数学模型的求解以上的阀片运动规律微分方程组采用数值积分龙格库塔法求解。气阀刚开启时，气缸内压力 可由阀片所受气体力与阀片弹簧力相等求得，根据气体膨胀过程方程及活塞运动方程可求得气阀开启角，初始条件如下 （）由于阀片运动过程中存在与升程限制器及阀座的碰撞，因此需要引入反弹系数 ，或 ()()（）式中 碰撞值 反弹值 阀片升程计算流程如图 所示。利用 对此模型进行求解，按照工况参数和气阀参数设计出可视化图形用户输入界面，为储气库压缩机宽工况气阀优化设计与运动规律模拟提供便利。气阀借助于气缸和阀腔之间微小的气体压力差而开启，在进气过程中受到气体所产生的推力开启，阀片一旦离开阀座，便有气体通过缝隙进入气缸，在推力的作用下，阀片继续上升直至撞到升程限制器，进气停止后受到与推力相反的弹簧力而关闭。阀片撞到升程限制器所产生的动能未被完全吸收，产生了反弹力，同时反弹力与弹簧力之和大于气体推力，阀片出现反弹现象。阀片反弹幅度较（下转第 页）设 计 研 究 年 期（总第 期）潜热的特性，分别列出了油冷却器及后冷却器换热量的计算公式；结合传热学对流换热的理论，分别进行了油冷却器及后冷却器换热面积的计算，为油冷却器及后冷却的制造提供设计依据；根据冷却器的设计计算得出冷却水的进水温差大约为 ，从而得出冷却水塔设计的冷却水量与螺杆空压机冷却水量一致的前提下，需要选择中温型冷却水塔不能选择标准型的冷却水塔，才能满足水冷螺杆空压机的换热要求，保证螺杆压缩机的排气温度不超温；最后分析了水泵流量及水泵所需扬程的确定方法，根据螺杆空压机实际安装的管道，冷却塔等情况，确定水泵所需的扬程约为 （约 长度水管路），能够为大功率水冷螺杆空压机的冷却换热系统的设计提供详细的方法，同时依据此计算方法结合螺杆空压机在客户使用现场的实际配套的冷却塔，冷却水泵等，结合测试的冷却水进出水温度，润滑油进出油冷却温度等参数，可以较好的判断出机器出现排气高温的原因。参考文献：邢子文 螺杆压缩机理论、设计及应用 北京：机械工业出版社，杨世铭，陶文铨 传热学 北京：高等教育出版社，林子良，等 螺杆空压机组的热量分析与计算 流体机械，（）：沈维道，蒋智敏，童钧耕 工程热力学 北京：高等教育出版社，郁永章，等 容积式压缩机技术手册 北京：机械工业出版社，彭学院，等 容积式压缩机 西安：西安交通大学出版社，作者简介：周艳辉（），男，湖南永州人，中级工程师，现就职于广东艾高装备科技有限公司研发经理，长期从事螺杆压缩机设计研发、管理及应用支持工作。：（上接第 页）图 计算流程图小，在气体推力的作用下，再次贴到升程限制器上。由于气体推力大于弹簧力，阀片在升程限制器上停留，直至活塞靠近止点位置时，活塞速度下降，气体推力减小，当不足以克服弹簧力时，阀片便脱离升程限制器向阀座靠拢，直至阀片回到阀座，进气阀完成一次进气过程。结论通过分析气阀结构及阀片的材料性能，阐述储气库宽工况对气阀的影响，结合储气库工况特点，建立气阀阀片运动状态数学模型并求解。设计出气阀运动规律图形用户界面，开发高效仿真程序模拟气阀运动过程，该程序操作简便，实时显示计算结果及阀片运动模拟曲线，降低研究开发的成本，为储气库气阀可靠性设计提供参考。参考文献：吴思静 大型储气库天然气压缩机国产化应用 压缩机技术，（）：林梅，吴业正 压缩机自动阀 陕西：西安交通大学出版社，张云，江志农，张进杰 往复式压缩机进气阀优化设计方法研究 流体机械，（）：饶金强，潘树林 吸、排气阀差异化设计提升往复压缩机排气量 辽宁化工，（）：季玉茹，邢万坤，王德忠 利用 模拟气阀阀片的运动规律 压缩机技术，（）：张森，等 仿真技术与实例应用教程 北京：机械工业出版 作者简介：肖海燕（），男，高级工程师，现就职于中石化石油机械股份有限公司三机分公司。：