1、前言

　　目前國內(nèi)生產(chǎn)的充氣用高壓空氣壓縮機(jī)壓力低、單臺機(jī)流量小,為達(dá)到快速充氣要求,工程上需配置多臺機(jī)組并聯(lián),但多臺機(jī)組運(yùn)行占地面積大,控制復(fù)雜,可靠性低,往往難以達(dá)到正�？焖俪錃庖�求。20世紀(jì)90年代,某充氣站從俄羅斯引進(jìn)了3臺大排量高壓空氣壓縮機(jī)組很好地解決了快速充氣要求,但引進(jìn)的機(jī)型技術(shù)比較落后,噪聲高、振動大,故障率高,系統(tǒng)包括高壓干燥裝置、排污系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,均為獨(dú)立分散式布置,占地面積較大,操作繁雜,管理不便,同時存在進(jìn)口備品、備件、維修和供應(yīng)不及時等一系列問題。

　　合肥通用機(jī)械研究院在研究國內(nèi)外先進(jìn)壓縮機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)有機(jī)型不足,設(shè)計研制了一臺大排量高壓空氣壓縮機(jī)組。新機(jī)組包括控制系統(tǒng)和干燥裝置設(shè)計,為撬裝一體式。主機(jī)設(shè)計為螺桿與活塞串聯(lián)結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)的活塞式高壓空壓機(jī)相比,壓力比小、溫度低,減少了氣閥數(shù)量和積碳,提高了使用壽命;機(jī)組良好的動平衡設(shè)計使得振動小且噪聲低;自動控制部分采用PLC可編程序控制器,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)控;配套設(shè)計的高壓干燥凈化裝置,提高了供氣質(zhì)量。

　　該機(jī)組流量大、壓力高,可以為用戶提供高品質(zhì)氣體;技術(shù)先進(jìn),操作方便,安全可靠,可滿足快速、機(jī)動供氣的需求。

2、大排量高壓空氣壓縮機(jī)組總體設(shè)計

　　根據(jù)研制要求,本項(xiàng)目重點(diǎn)開展螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)串聯(lián)匹配的研究、高壓段關(guān)鍵技術(shù)研究、機(jī)組自動控制與排污裝置研究和高壓空氣干燥凈化裝置研究。

　　該機(jī)組壓縮氣體為空氣,主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo):排氣量為8m3/min;吸氣溫度為-10～40℃;吸氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;結(jié)束壓力為39.2MPa (可調(diào)壓25MPa) ; 壓縮級數(shù)為5級; 噪聲(聲壓級) 為85dB(A) ;功率為160kW;冷卻水量為15～25t/h;露點(diǎn)(常壓)≤-55℃;含油量≤1 mg/m³ ;含塵量≤5μm。

　　機(jī)組采用撬裝結(jié)構(gòu),所屬主、輔設(shè)備設(shè)置在一公共底架上。整機(jī)包括有雙軸伸驅(qū)動電機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、活塞壓縮機(jī)、自動控制系統(tǒng)、自動排污裝置、壓縮機(jī)級間冷卻器、機(jī)組油冷卻器、油氣分離器、高壓空氣干燥凈化裝置和公共底架。機(jī)組系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1　大排量高壓空氣壓縮機(jī)組系統(tǒng)流程示意

　　自動控制包括各級排氣溫度和壓力的超溫、超壓保護(hù),潤滑油溫度或壓力的過臨界點(diǎn)保護(hù),冷卻水溫度過高或壓力過低的保護(hù),電機(jī)或控制系統(tǒng)出現(xiàn)短路或過載時能自動報警或報警后停車,緊急停車等功能;起動采用軟起動方式,減小對電網(wǎng)的沖擊;電氣元件選型具備抗電磁干擾能力。

2.1、螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)串聯(lián)匹配研究

　　螺桿壓縮機(jī)承擔(dān)低壓部分氣體的壓縮,其流量特性在強(qiáng)制排氣狀態(tài)下,隨背壓的變化其流量特性與活塞機(jī)有所差異,機(jī)組起、停以及升壓過程流量變化特性亦有所不同,兩種機(jī)型的聯(lián)動技術(shù)一直是研究者所關(guān)注的,增壓的活塞壓縮機(jī)實(shí)際流量難以準(zhǔn)確地測定,需進(jìn)行模擬等壓力比試驗(yàn),由理論計算數(shù)值進(jìn)一步修正,在泄漏系數(shù)的選定和考慮溫度相對的影響方面,不同的結(jié)構(gòu)型式其修正方法也不一樣,因此螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計和選型尤為重要,應(yīng)充分考慮流量和壓力設(shè)計特性,研究右旋驅(qū)動的螺桿壓縮機(jī)陰、陽轉(zhuǎn)子設(shè)計;兼顧螺桿壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計的配套輔助部件(包括級間冷卻器、油冷卻器、油氣分離器、溫控裝置和進(jìn)氣裝置等) 。必要的螺桿壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速、變壓力和超壓力試驗(yàn),確定其符合要求的流量特性以及轉(zhuǎn)速和壓力。

　　為解決螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)之間的匹配,緩沖脈動氣流,活塞壓縮機(jī)的進(jìn)氣中設(shè)計有外置平衡腔結(jié)構(gòu),以確保在螺桿機(jī)加載、卸載時避免活塞機(jī)進(jìn)氣出現(xiàn)不利的超壓或真空,同時平衡腔結(jié)構(gòu)跨接兩列直立缸體,增強(qiáng)了機(jī)組剛性,減少了振動。

2.2、高壓段關(guān)鍵技術(shù)

　　機(jī)組設(shè)計最高壓力達(dá)39.2MPa ,活塞段的氣閥、填料和活塞環(huán)是重要的零部件,氣閥的好壞直接影響壓縮機(jī)的性能及運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,需進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計、計算;設(shè)計中需要考慮的包括可靠性、耐久性、阻力損失、密封、余隙結(jié)構(gòu)、噪聲等方面因素,機(jī)組的Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級進(jìn)、排氣閥設(shè)計為低升程網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),閥片啟閉一致,摩擦小、噪聲低,特別設(shè)計了適合于高壓段的Ⅴ級氣閥具有低升程環(huán)狀組合結(jié)構(gòu),該閥結(jié)構(gòu)緊湊、余隙小、效率高。十字頭結(jié)構(gòu)的活塞機(jī)其活塞桿的密封靠高壓填料實(shí)現(xiàn),并委托奧地利賀爾比格公司對兩組填料進(jìn)行了專門研制。活塞與氣缸之間的滑動密封通常是靠活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)的,設(shè)計的重點(diǎn)是高壓級活塞環(huán),高壓段密封壓差大、尺寸小,傳統(tǒng)的整體活塞環(huán)無法直接應(yīng)用,因此將活塞研究設(shè)計成組合式,通過內(nèi)外隔距環(huán)和活塞環(huán)組合構(gòu)成一個個密封單元以滿足高壓級密封壓差大要求,高壓段共設(shè)計有十六道組合密封單元解決了高壓力差的氣體動密封問題。

2.3、自動控制與排污系統(tǒng)的設(shè)計

　　機(jī)組自動控制部分包括電控柜、起動柜,電控柜采用PLC可編程控制器;軟起動方式,以有效減小設(shè)備起動時對電網(wǎng)的沖擊;操控面設(shè)計帶有嵌入版組態(tài)軟件的觸摸屏,可以完成機(jī)組運(yùn)行控制、顯示和參數(shù)的設(shè)定,控制工藝設(shè)計保護(hù)包括各級排氣溫度和壓力過高,潤滑油溫度或壓力的過高,冷卻水溫度或壓力的過高,電機(jī)或控制系統(tǒng)出現(xiàn)短路或過載時能自動報警或報警后停車,并聯(lián)緊急停車等功能。電控柜、起動柜選用高防護(hù)等級柜體,達(dá)到有效的防腐和抗干擾功能。

　　機(jī)組多級排污裝置共設(shè)計有五級, Ⅰ、Ⅱ級電磁閥直接排污, Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級高壓氣動閥排污,由PLC控制定時自動排污,做到排污時機(jī)組負(fù)荷變化平緩,提高了高壓排污的可靠性;同時在控制柜面板設(shè)置各級手動排污,卸荷功能等,操作簡便、安全、可靠。