簡析螺桿式天然氣壓縮機在發(fā)動機試驗室的設計應用論文
0引言
發(fā)動機是汽車的“心臟”，對整車的綜合性能起著至關重要的作用。其市場范圍及容量直接受最終產(chǎn)品——整車的市場范圍和容量制約。隨著我國社會消費水平和國民購買力的逐年提高，汽車工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和車型檔次的不斷上升，對發(fā)動機的配套數(shù)量和產(chǎn)品水平都提出了更高的要求。安徽華菱星馬汽車(集團)股份有限公司自主開發(fā)的天然氣發(fā)動機正是基于這種背景環(huán)境下而設計研發(fā)，其配套建設的發(fā)動機試驗室，獲得了國家國際科技合作項目的支持。發(fā)動機產(chǎn)品主要為安徽華菱汽車有限公司的重型載貨汽車配套，兼顧提供社會市場配套。
1CNG加氣站螺桿式壓縮機設計意義及選型
隨著全球汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣，汽車污染已經(jīng)日益成為全球性問題。因此，發(fā)展新型能源汽車就成了每個國家目前迫切的需求。天然氣作為一種清潔能源，在民用、工業(yè)領域及促進經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面凸顯出重要作用。同時，城市燃氣成為國家發(fā)改委規(guī)定的天然氣優(yōu)先利用領域，車用天然氣(CNG)又是城市燃氣重要組成部分，發(fā)展天然氣汽車，不僅是治理汽車尾氣污染的有效途徑，且對改變交通能源結(jié)構(gòu)，緩解成品油供應緊張局面、降低燃料成本起到直接作用。
目前，國內(nèi)使用的天然氣壓縮機主要有：活塞式壓縮機和螺桿式壓縮機�；钊綁嚎s機屬于中高壓壓縮機，整機效率高、氣量足、可靠性高、壽命相對較長、振動小、噪音小、排氣溫度低、油耗低。但活塞式壓縮機結(jié)構(gòu)復雜、不適用低壓，壓縮機運行噪音相對螺桿式較高，零部件容易損壞，維修頻率也較高。螺桿式壓縮機整體結(jié)構(gòu)全封閉、體積小、低噪音、振動小、效率高、無需安裝基礎，且運行穩(wěn)定可靠，壓縮后的氣體質(zhì)量較高，更加節(jié)能。二者相比，螺桿式壓縮機相對于活塞式壓縮機運行比較穩(wěn)定，使用壽命較長，零部件不易被損壞，且一次性投入后，后期維護費用低，有利于工藝生產(chǎn)的要求。綜合考慮上述因素，結(jié)合試驗室發(fā)動機的性能參數(shù)，最終選擇了螺桿式壓縮機進行加壓的方案。
2試驗室CNG加氣站項目背景
華菱星馬汽車(集團)股份有限公司天然氣發(fā)動機試驗室CNG加氣站螺桿式壓縮機主要為保證試驗室內(nèi)天然氣發(fā)動機試驗的正常運行提供保障供氣。
試驗室CNG加氣站螺桿式壓縮機系統(tǒng)設計吸氣壓力0.3MPa，管道設計壓力0.4MPa，排氣壓力1.6MPa，管道設計壓力1.76MPa。由于發(fā)動機試驗工藝要求天然氣壓縮機站房需給試驗室發(fā)動機提供不間斷供氣，且由于天然氣屬于可燃介質(zhì)，安全控制相對比較復雜，故CNG站房的安全穩(wěn)定運行與否直接關系到試驗室所有發(fā)動機試驗的正常，是整個試驗室的關鍵生產(chǎn)部位之一。
CNG加氣站共設計二臺螺桿式天然氣壓縮機(一用一備)，管路連接上每臺壓縮機都配有獨立的閥門，管路經(jīng)分支后匯總成一個主管，目的是為了當其中的一臺壓縮機或是管路發(fā)生故障時，可以繼續(xù)啟用其他的壓縮機，而不至于供氣中斷，導致試驗間末端發(fā)動機停機。螺桿式壓縮機均由交流變頻器控制。通過變頻器可控制壓縮機的輸出壓力，并具備過需方、欠壓、過載和輸出短路等多種保護，從而控制調(diào)節(jié)供氣壓力。有效避免了以前憑經(jīng)驗、靠手動就地調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出壓力，導致整個系統(tǒng)控制滯后且不精確，節(jié)能效果不大及現(xiàn)場操作存在一定危險性的劣勢，實現(xiàn)了真正意義上的遠程自動控制。
3試驗室CNG加氣站螺桿式壓縮機方案設計
3.1螺桿式壓縮機工作原理及結(jié)構(gòu)特征
CNG加氣站內(nèi)的螺桿式壓縮機處在易燃、易爆、高壓和重載的工作環(huán)境中運行，裝置的自動化水平高低直接決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟運行指標和安全運行的可靠性。因此，螺桿式壓縮機系統(tǒng)實行調(diào)試、運行自動化的控制管理，以PLC(可編程邏輯控制器)為核心，采用變頻啟動，系統(tǒng)油壓、電流、氣壓自動監(jiān)控。
壓縮機主機采用螺桿式，它是一種高速回轉(zhuǎn)機械，屬于容積式壓縮機，兼有活塞式壓縮機和離心式壓縮機兩者之優(yōu)點;轉(zhuǎn)子采用先進的雙邊非對稱全圓弧及其包絡線轉(zhuǎn)子型線，使得壓縮機具有較高的效率。流量調(diào)節(jié)裝置使壓縮機可進行15%～100%的流量無級調(diào)節(jié)，同時可實現(xiàn)最小負荷啟動，節(jié)省運行費用。
螺桿式壓縮機主要由機體、吸氣端座、排氣端座、油缸體、排氣端蓋、轉(zhuǎn)子、主軸承、集裝式軸封、平衡活塞、能量調(diào)節(jié)滑閥及油活塞、能量指示器等組成。油缸體、吸氣端座、機體、排氣端座用螺栓和定位銷聯(lián)成一體。吸氣端座和排氣端座上安裝了主軸承，陰、陽轉(zhuǎn)子由主軸承支撐，排氣端側(cè)各裝有一對角接觸球軸承。陽轉(zhuǎn)子吸氣端裝有平衡活塞，陽轉(zhuǎn)子軸伸通過聯(lián)軸器與電機相連。能量調(diào)節(jié)滑閥、油活塞通過滑閥導桿相連和油缸共同組成能量調(diào)節(jié)機構(gòu)。能量指示器安裝在油缸蓋板上，與能量調(diào)節(jié)機構(gòu)相連。
市政進氣口0.2-0.4MPaG低壓天然氣進入壓縮機壓縮，壓縮到2.0MPaG后進入油分離器分油，進入氣體冷卻器，冷卻到55℃以下，然后進入氣液分離器進行分離后供給后端設備。對于壓縮機油路循環(huán)，壓縮機排氣進入油分離器，分離下的油經(jīng)過油過濾器之后，通過油泵送入風冷油冷卻器，與空氣進行換熱，熱量被空氣帶走，潤滑油再回到壓縮機，主要通過油溫調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進入油冷的油量來維持供油溫度的恒定。
3.2螺桿式壓縮機進排氣結(jié)構(gòu)原理
螺桿式壓縮機通過機內(nèi)的一對相互嚙合，按一定傳動比旋轉(zhuǎn)的陰、陽轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生周期性的容積變化，完成氣體的吸入、壓縮和排出。吸入過程，吸入結(jié)束，壓縮開始，壓縮過程，壓縮結(jié)束，排出過程，排出結(jié)束。螺桿式壓縮機的能量調(diào)節(jié)通過控制能量油活塞兩側(cè)潤滑油的進出，改變其兩側(cè)的壓力，帶動能量滑閥在轉(zhuǎn)子腔內(nèi)移動，從而改變轉(zhuǎn)子的有效工作長度，實現(xiàn)壓縮機的能量無級調(diào)節(jié)。
3.3螺桿式壓縮機冷卻系統(tǒng)
壓縮機冷卻設備主要是冷卻器(換熱器)和冷卻塔。冷卻形式分為水冷和風冷二種。
水冷卻器多采用管殼式結(jié)構(gòu)，主要由換熱管束冷、外殼、用于固定換熱管的端板(也稱管板)、熱膨脹補償裝置以及折流板、封頭、法蘭等構(gòu)成。
風冷卻器基本都是翅片管結(jié)構(gòu)，目的在于增大管外側(cè)換熱面積，有些是套片式，有些是直接在管外軋制翅片，有些是在光管外再緊密套上一根外翅片管。本文中的壓縮機設備采用風冷系統(tǒng)進行冷卻。
3.4螺桿式壓縮機系統(tǒng)控制
以往的螺桿式壓縮機控制上主要采用單一的繼電器加接觸器的控制方式。這種控制系統(tǒng)控制水平低，由人工手動控制，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)有設備安全穩(wěn)定運行及發(fā)展的需要。由于試驗室內(nèi)發(fā)動機用氣量會根據(jù)試驗工況的不同而不斷變化，需要不停地調(diào)整設備的運行狀態(tài)，這樣對現(xiàn)場操作人員及自動化控制都提出了更高的要求。因此，為了適應項目要求，華菱試驗室CNG加氣站螺桿式壓縮機在方案設計實施時，充分考慮螺桿式壓縮機的控制系統(tǒng)自動化設計，保證所有設備根據(jù)生產(chǎn)需要自動調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)設備的最佳運行狀態(tài)，保持平衡供氣，節(jié)約電能，降低供氣供電成本，確保安全生產(chǎn)。
根據(jù)項目的設計要求及工藝生產(chǎn)要求，結(jié)合考慮控制系統(tǒng)的性價比，控制系統(tǒng)選用了SiemensS7-200PLC，HMI為Siemens10寸觸摸屏，它是取代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤的智能操作工具，它的實踐應用大大減少了操作臺上的開關、按鈕等，也使操作人員可以快速、直觀地操作。HMI與PLC的有效結(jié)合，使得現(xiàn)場操作提示、故障提示及報警、運行參數(shù)顯示、控制參數(shù)設定及設備控制和I/O狀態(tài)得以有效顯示。
系統(tǒng)充分考慮到此項目的最終適用對象為工人和普通工作人員，因此在進行組態(tài)時力求做到操作畫面簡單，易學易會，不需要掌握過多的專門知識。系統(tǒng)運行工況圖界面力求簡明、精練，操作信息、系統(tǒng)進氣壓力、系統(tǒng)出氣壓力、加載位、運行時間、油溫等設備運行關鍵信息均得到有效體現(xiàn)。構(gòu)，目的在于增大管外側(cè)換熱面積，有些是套片式，有些是直接在管外軋制翅片，有些是在光管外再緊密套上一根外翅片管。本文中的壓縮機設備采用風冷系統(tǒng)進行冷卻。
4螺桿式壓縮機現(xiàn)場調(diào)試試驗
壓縮機安裝完畢后，應對壓縮機系統(tǒng)進行氣密試驗，壓縮機入口前低壓側(cè)試驗壓力為0.75MPa，壓縮機出口后高壓側(cè)試驗壓力為2.3MPa。機組配置氮氣充入管組和氮氣排放管組。對于壓縮機入口前的低壓側(cè)，應先緩緩升壓至0.075MPa，保壓5min，并對所有焊接接頭和連接部位進行初次檢查，如無泄漏繼續(xù)升壓到0.374MPa，如無異�，F(xiàn)象，其后按0.075MPa逐級升壓，直到0.75MPa，保壓30分鐘，然后降到0.65MPa保壓足夠時間進行檢查，如有泄漏，泄壓修復后再按上述規(guī)定重新試驗。對于壓縮機出口后的高壓側(cè)，應先緩緩升壓至0.23MPa，保壓5min，并對所有焊接接頭和連接部位進行初次檢查，如無泄漏繼續(xù)升壓到2.3MPa，如無異常現(xiàn)象，其后按0.23MPa逐級升壓，直到2.3MPa，保壓30min，然后降到2.0MPa保壓足夠時間進行檢查，如有泄漏，泄壓修復后再按上述規(guī)定重新試驗。
由于試驗室發(fā)動機性能開發(fā)及耐久試驗工藝要求相對復雜，故CNG加氣站螺桿式壓縮機的正常啟停直接關系到整個試驗室發(fā)動機試驗的正常運行與否。項目竣工調(diào)試時，對螺桿式壓縮機系統(tǒng)進行了手動/自動加壓供氣試驗。試驗室選擇了2個試驗間進行發(fā)動機試驗，螺桿式壓縮機壓力設定為1.2MPa，先通過手動操作開油冷、開油泵、開主機，當壓力加載到設定值后，壓縮機自動進行降頻減載，避免壓力繼續(xù)增大。再通過模式選擇將壓縮機切換成自動模式。觀察發(fā)現(xiàn)壓縮機運行平穩(wěn)。分析整個試驗情況得出：螺桿式壓縮機加壓效果明顯，滿足了發(fā)動機性能及耐久試驗的要求。
5結(jié)語
本文主要以華菱星馬汽車(集團)股份有限公司發(fā)動機試驗室CNG加氣站螺桿式壓縮機的設計應用為例做出分析總結(jié)。螺桿式壓縮機成功運用于天然氣壓縮，具有單臺加氣量大，壓比高，實現(xiàn)了無人值守，且大大的減少了現(xiàn)場操作人員的工作量，提高了裝置的整體運行平穩(wěn)性，降低了許多故障隱患因素，PLC與變頻器的結(jié)合使用使得節(jié)能效果更明顯，從而降低了用氣損耗和電能，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本�？傊湓诎l(fā)動機試驗室CNG加氣站的成功應用，對同行內(nèi)的試驗室建設發(fā)展具有重要的意義。
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