簡析螺桿式天然氣壓縮機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)用論文
0引言
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，對整車的綜合性能起著至關(guān)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(fèi)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(dòng)機(jī)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(tuán))股份有限公司自主開發(fā)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)正是基于這種背景環(huán)境下而設(shè)計(jì)研發(fā)，其配套建設(shè)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室，獲得了國家國際科技合作項(xiàng)目的支持。發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)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(gè)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(lǐng)域及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面凸顯出重要作用。同時(shí)，城市燃?xì)獬蔀閲野l(fā)改委規(guī)定的天然氣優(yōu)先利用領(lǐng)域，車用天然氣(CNG)又是城市燃?xì)庵匾M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(yīng)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(jī)主要有：活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)�；钊綁嚎s機(jī)屬于中高壓壓縮機(jī)，整機(jī)效率高、氣量足、可靠性高、壽命相對較長、振動(dòng)小、噪音小、排氣溫度低、油耗低。但活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不適用低壓，壓縮機(jī)運(yùn)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(jī)整體結(jié)構(gòu)全封閉、體積小、低噪音、振動(dòng)小、效率高、無需安裝基礎(chǔ)，且運(yùn)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(jī)相對于活塞式壓縮機(jī)運(yùn)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(hù)費(fèi)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(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，最終選擇了螺桿式壓縮機(jī)進(jìn)行加壓的方案。
2試驗(yàn)室CNG加氣站項(xiàng)目背景
華菱星馬汽車(集團(tuán))股份有限公司天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)主要為保證試驗(yàn)室內(nèi)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的正常運(yùn)行提供保障供氣。
試驗(yàn)室CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)吸氣壓力0.3MPa，管道設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，排氣壓力1.6MPa，管道設(shè)計(jì)壓力1.76MPa。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工藝要求天然氣壓縮機(jī)站房需給試驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜，故CNG站房的安全穩(wěn)定運(yùn)行與否直接關(guān)系到試驗(yàn)室所有發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的正常，是整個(gè)試驗(yàn)室的關(guān)鍵生產(chǎn)部位之一。
CNG加氣站共設(shè)計(jì)二臺螺桿式天然氣壓縮機(jī)(一用一備)，管路連接上每臺壓縮機(jī)都配有獨(dú)立的閥門，管路經(jīng)分支后匯總成一個(gè)主管，目的是為了當(dāng)其中的一臺壓縮機(jī)或是管路發(fā)生故障時(shí)，可以繼續(xù)啟用其他的壓縮機(jī)，而不至于供氣中斷，導(dǎo)致試驗(yàn)間末端發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)均由交流變頻器控制。通過變頻器可控制壓縮機(jī)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(hù)，從而控制調(diào)節(jié)供氣壓力。有效避免了以前憑經(jīng)驗(yàn)、靠手動(dòng)就地調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出壓力，導(dǎo)致整個(gè)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(xiǎn)性的劣勢，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。
3試驗(yàn)室CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)
3.1螺桿式壓縮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)特征
CNG加氣站內(nèi)的螺桿式壓縮機(jī)處在易燃、易爆、高壓和重載的工作環(huán)境中運(yùn)行，裝置的自動(dòng)化水平高低直接決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)和安全運(yùn)行的可靠性。因此，螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)實(shí)行調(diào)試、運(yùn)行自動(dòng)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(dòng)，系統(tǒng)油壓、電流、氣壓自動(dòng)監(jiān)控。
壓縮機(jī)主機(jī)采用螺桿式，它是一種高速回轉(zhuǎn)機(jī)械，屬于容積式壓縮機(jī)，兼有活塞式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)兩者之優(yōu)點(diǎn);轉(zhuǎn)子采用先進(jìn)的雙邊非對稱全圓弧及其包絡(luò)線轉(zhuǎn)子型線，使得壓縮機(jī)具有較高的效率。流量調(diào)節(jié)裝置使壓縮機(jī)可進(jìn)行15%～100%的流量無級調(diào)節(jié)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)最小負(fù)荷啟動(dòng)，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
螺桿式壓縮機(jī)主要由機(jī)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(jī)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(jī)相連。能量調(diào)節(jié)滑閥、油活塞通過滑閥導(dǎo)桿相連和油缸共同組成能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。能量指示器安裝在油缸蓋板上，與能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連。
市政進(jìn)氣口0.2-0.4MPaG低壓天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，壓縮到2.0MPaG后進(jìn)入油分離器分油，進(jìn)入氣體冷卻器，冷卻到55℃以下，然后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離后供給后端設(shè)備。對于壓縮機(jī)油路循環(huán)，壓縮機(jī)排氣進(jìn)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(fēng)冷油冷卻器，與空氣進(jìn)行換熱，熱量被空氣帶走，潤滑油再回到壓縮機(jī)，主要通過油溫調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入油冷的油量來維持供油溫度的恒定。
3.2螺桿式壓縮機(jī)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)原理
螺桿式壓縮機(jī)通過機(jī)內(nèi)的一對相互嚙合，按一定傳動(dòng)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(jī)的能量調(diào)節(jié)通過控制能量油活塞兩側(cè)潤滑油的進(jìn)出，改變其兩側(cè)的壓力，帶動(dòng)能量滑閥在轉(zhuǎn)子腔內(nèi)移動(dòng)，從而改變轉(zhuǎn)子的有效工作長度，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的能量無級調(diào)節(jié)。
3.3螺桿式壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)
壓縮機(jī)冷卻設(shè)備主要是冷卻器(換熱器)和冷卻塔。冷卻形式分為水冷和風(fēng)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(bǔ)償裝置以及折流板、封頭、法蘭等構(gòu)成。
風(fēng)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(jī)設(shè)備采用風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。
3.4螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)控制
以往的螺桿式壓縮機(jī)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(dòng)控制，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行及發(fā)展的需要。由于試驗(yàn)室內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)用氣量會根據(jù)試驗(yàn)工況的不同而不斷變化，需要不停地調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這樣對現(xiàn)場操作人員及自動(dòng)化控制都提出了更高的要求。因此，為了適應(yīng)項(xiàng)目要求，華菱試驗(yàn)室CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)在方案設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)，充分考慮螺桿式壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，保證所有設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳運(yùn)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求及工藝生產(chǎn)要求，結(jié)合考慮控制系統(tǒng)的性價(jià)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(shí)踐應(yīng)用大大減少了操作臺上的開關(guān)、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(bào)警、運(yùn)行參數(shù)顯示、控制參數(shù)設(shè)定及設(shè)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(xiàng)目的最終適用對象為工人和普通工作人員，因此在進(jìn)行組態(tài)時(shí)力求做到操作畫面簡單，易學(xué)易會，不需要掌握過多的專門知識。系統(tǒng)運(yùn)行工況圖界面力求簡明、精練，操作信息、系統(tǒng)進(jìn)氣壓力、系統(tǒng)出氣壓力、加載位、運(yùn)行時(shí)間、油溫等設(shè)備運(yùn)行關(guān)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(jī)設(shè)備采用風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。
4螺桿式壓縮機(jī)現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)
壓縮機(jī)安裝完畢后，應(yīng)對壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行氣密試驗(yàn)，壓縮機(jī)入口前低壓側(cè)試驗(yàn)壓力為0.75MPa，壓縮機(jī)出口后高壓側(cè)試驗(yàn)壓力為2.3MPa。機(jī)組配置氮?dú)獬淙牍芙M和氮?dú)馀欧殴芙M。對于壓縮機(jī)入口前的低壓側(cè)，應(yīng)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(jìn)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(shí)間進(jìn)行檢查，如有泄漏，泄壓修復(fù)后再按上述規(guī)定重新試驗(yàn)。對于壓縮機(jī)出口后的高壓側(cè)，應(yīng)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(jìn)行初次檢查，如無泄漏繼續(xù)升壓到2.3MPa，如無異�，F(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(shí)間進(jìn)行檢查，如有泄漏，泄壓修復(fù)后再按上述規(guī)定重新試驗(yàn)。
由于試驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)及耐久試驗(yàn)工藝要求相對復(fù)雜，故CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)的正常啟停直接關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的正常運(yùn)行與否。項(xiàng)目竣工調(diào)試時(shí)，對螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了手動(dòng)/自動(dòng)加壓供氣試驗(yàn)。試驗(yàn)室選擇了2個(gè)試驗(yàn)間進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，螺桿式壓縮機(jī)壓力設(shè)定為1.2MPa，先通過手動(dòng)操作開油冷、開油泵、開主機(jī)，當(dāng)壓力加載到設(shè)定值后，壓縮機(jī)自動(dòng)進(jìn)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(jī)切換成自動(dòng)模式。觀察發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。分析整個(gè)試驗(yàn)情況得出：螺桿式壓縮機(jī)加壓效果明顯，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)性能及耐久試驗(yàn)的要求。
5結(jié)語
本文主要以華菱星馬汽車(集團(tuán))股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室CNG加氣站螺桿式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用為例做出分析總結(jié)。螺桿式壓縮機(jī)成功運(yùn)用于天然氣壓縮，具有單臺加氣量大，壓比高，實(shí)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(yùn)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)室CNG加氣站的成功應(yīng)用，對同行內(nèi)的試驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展具有重要的意義。
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