| 活塞式氮氢气压缩机取消高压段平衡缸的原理与计算
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1 引言
L3.3- 17/320型氮氢气压缩机是双L型、4列、7级压缩的活塞式高压压缩机，并由同步电机通过弹性联轴器来直接驱动，电动机的集电环上装有通风防罩以加强防爆安全性。本压缩机用在小型合成氨厂合成氨的原料气— 氮氢混合气的压缩，从0.2x 105Pa 表压压缩到320x 105Pa的指示压力，额定排气量在工级吸入状态下为17衬/min.根据工艺要求气体在I级出口为7.5x 105Pa (绝)下进行加压变换，加压碳化后进入压力为5x
105Pa 的lu级。经19一M级压缩后的压力为128x105Pa (绝)，去铜碱液塔洗去微量的CO和H2S等气体，然后以126x105Pa(绝)的压力进入孤级压缩至最终压力。
2 平衡缸原理及存在问题
压缩机中设置的平衡缸是压缩机总体方案设计时使级在列中配置优劣必须考虑的间题之一。当一列中有几个级时，一般均设计成级差式气缸。在级差式气缸中，为了补偿高低压级活塞面积的差值所带来的力的不平衡而设计了一个容积，该容积称为平衡容积或平衡缸，如图1所示。平衡缸中的气体与某低压级相通，气体在平衡缸中仅有气体的流动过程而无气体的热力学过程。平衡缸平衡活塞力的原理是:
多数情况下，向轴行程活塞力Pg: 大于向盖行程活塞力尸9，故向轴行程活塞运动慢一些，平衡缸中的气体力就推活塞一把使其运动加快;向盖行程活塞运动快一些，平衡缸中的气体力就拉活塞一把使其运动变慢。另外，在考虑活塞往返行程止点活塞力相等或相近的同时也要力求减小气体的泄漏，故一般总是把压力较低的级次设置在靠近轴封处。
L3 .3 一1 7/320型氮氢气压缩机是基于上述原理在I、Ul级间，W、V级后，班、现级间设置了平衡缸，且轴封分别设置在压力较低的n级、平衡缸、VI级等处，从而使压差降低以降低泄漏量。
通过调查研究，我们也应该注意到压缩机设置了平衡缸之后所带来的一些问题:
(1)各级超压。如VI, VI级间的平衡缸回Ⅲ出，设计压力为12x 105Pa 左右，可实际运行达到
13x 105Pa 以上，有的甚至高达(16～17) x105Pa，这就使压缩机及其相关的装置都处于不安全的运行状态之中。(2)各列活塞力增大。由于超压，使各级各列的活塞力K&配不合理，经常引起运动件的损坏。(3)电机电流过载。许多厂家提高I级进气压力，意欲强化生产，却出现电机负荷过重，甚至出现烧电机现象。(4)功耗增大，排气量减少。如平衡缸与I 级或m级吸气系统相通，对应的各高压级通过活塞环向平衡缸泄漏气体，也就是漏入了低压级，属于内泄漏。理论上内泄漏增大功耗不影响排气量，但实际生产中由于压差增大，活
塞环寿命降低，泄漏量仍要增大，显然要降低压缩机最终的排气量，达不到正常的排气量。
3 取消平衡缸的节能原理
图 2所 示 为有平衡缸结构，图3所示为无平衡缸结构，下面分析其节能原理。
要弄清取消平衡缸的节能原理，就得分析多级压缩机中的泄漏。多级压缩机中的泄漏十分复杂，其大小除与气体工况参数有关外，主要是与压缩机的结构、密封情况以及制造装配质量等有关。泄漏损失主要表现为外泄漏和内泄漏。外泄漏是指气体从气缸内直接漏入大气或漏入第工级的吸气系统中，以及与其相通的平衡容积和曲轴箱内的泄漏等。这种泄漏直接影响压缩机的最终排气量。内泄漏是指气体由高压级漏入低压级或级间导管中，而在下一工作循环中又从低压级被送至高压级，这部分气体只在压缩机系统内反复来回。这种泄漏使中间级的气量增加，各级间压力改变，并使功率消耗增大，但对最终的排气量并无直接的影响。
由此 可 知，在多级压缩机中为平衡活塞力以及把轴封设置在低压级以降低外泄漏而设置了平衡缸，但是这又带来非常突出的问题，即泄漏点增多，压差增大，内泄漏量增大，功率消耗增大。取消平衡缸实际上就是消除压缩机中的绝大部分内泄漏，从而达到节能的目的。我们可从以下两方面来分析其节能原理。
(1) 泄漏量。大家知道，当泄漏间隙一定时，压差越大则泄漏越大，泄漏量q表达式
可以看出，有平衡缸的泄漏量要比无平衡缸的泄漏量多达几十倍，且泄漏途径有两条，即Ni级和vi级都要漏向平衡缸;取消平衡缸后，仅有Vd级漏向m级的途径，且压差很低，因而沿活塞环的泄漏量会大为减少，这是第一个节能作用。
(2) 压缩过程。以A级压缩过程为例，分析内泄漏路径如图4所示。
有平衡缸的漏气回路一般由班出和Ni出回到工入或lu入，再经过5一7级的压缩过程，这部分泄漏气体势必会占据各级气缸的一部分工作容积，导致气量减少; 而取消平衡缸后，泄漏回流减少到2级过程，少了3-5级压缩过程，大大减少了无用功的作用，从而达到了第二个节能目的。
4 技术改造的结构方案
通过上面的分析，为平衡活塞力和使轴封设置在低压级以降低外泄漏量而设计的平衡缸又带来了上文所述的许多问题，其缺点越来越突出。因此取消平衡缸后既要保证活塞力平衡，又要使内外泄漏量小，在气缸尺寸一定的情况下保证一定的排气量，还要求节能降耗，就目前的技术水平是完全可以实现的。为了解决这一问题，通过我们的调查研究，反复分析计算比较，可把原高压侧M, w级气缸颠倒，取消平衡缸，使VI级靠近轴封侧，vi级靠近盖侧，如图3所示。原M级气缸直径84, A级气缸直径48均改为80，原活塞杆直径45改为60，活塞环为6个，搭接口，材质为锡青铜。经实施证明，高压级VI. Vd级改过之后仍采用有油
润滑，其余各级均为无油润滑，活塞环寿命均在1万h以上，且维护检修十分方便，平时检修更换活塞环在1h内就完成了。轴封填函中的闭锁环用锡青铜，密封环用 F4，均为三瓣环，共7组，寿命1万多小时，密封效果很好，排气量比改造前大大提高了。原某厂设计能力为年产万吨合成氨，现在高压机L型6台开6台，其产量已经达到1.5万吨的规模。
4.1 关 于活塞力平衡计算
如图 3所 示，通过分析研究，反复试算，把原DⅥ = 0.084m ,DⅥ= 0 .048m ，改为D=DM=DⅥ=0.08m ，活塞杆由原45改为060，设Ⅵ,Ⅶ级的吸、排气压力分别为为，在此条件下，计算列的活塞力是否平衡.
活塞面积
由计算结果可知，按此方案改造后的向轴、向盖行程活塞力相差很小，可近似认为是活塞力相等相近，则运动机构利用充分，运转平稳，泄漏量降低，能耗降低，同时提高了生产能力。
4.2 关于泄漏系数的计算
取消平衡缸实际上就是消除压缩机的绝大部分内泄漏，从而达到节能的目的，可从泄漏系数加以分析。如表1、表2所示，通过比较改造前后的泄漏系数来衡量取消平衡缸后的效果。
由上面结果可以明显地看出，压缩机经改造后排气量提高了3.76%。
5 结论
(1) 理论分析和实践都证明，取消压缩机高压段平衡缸之后，减少了泄漏量，提高了排气量，降低了功率消耗，压缩机运转平稳，这是行之有效的技术方案。此技术方案的思路和计算方法可以推广应用到设置有平衡缸的其他型式的活塞压缩机的改造，如4M8, 4M12等氮氢气压缩机。
(2) 取消压缩机高压段平衡缸后，还起到了节电的效果。由于平衡缸的压力由原设计的I级进口压力提高到Ul级出口压力，这样，高压列活塞力将会提高，气体力增高约0.7 t，机器的受力自然就不均衡，相应的电机负载变化就大，反映在电流上就会增大，再加上泄漏的加重，该列的活塞力会更高;取消平衡缸以后，该级该列的活塞力会恢复原态，从而达到节电的目的。而且对于负荷越大的甚至超载的场合下，取消平衡缸的效果会更明显。
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