文96地下储气库注气压缩机的负荷反向与连杆分析

摘要：在往复活塞式气体压缩机的使用中，会遇到连杆小头铜套烧损的问题，这与连杆小头铜套的不良有关。导致连杆小头铜套不良的最主要原因可能是活塞杆负荷不能反向，使铜套与销之间的间隙不能持续一定的时间，油无法充分地进入并发挥作用，使十字头、销及铜套在几分钟的运行时间里产生高温并烧损。通过对文96储气库注气压缩机组计算，可验证活塞杆的负荷反向问题，改善连杆铜套的，保证注气压缩机的安全使用。

关键词：储气库 压缩机 负荷反向 措施

随着天然气需求的不断增加，往复活塞式天然气压缩机的应用越发广泛。尤其在储气库的应用工艺中，往复活塞式气体压缩机更是起着不可替代的作用。文96地下储气库集注站注气压缩机有3台。其中两台进口注气压缩机为艾斯德伦成橇的德莱赛蓝压缩机，型号为7.0+6.0×7HOS2，采用两缸两级风冷式压缩，一级压缩缸配有可调余隙缸，二级压缩缸配有尾杆，进气压力5―7MPa，日排气量设计值为62×104m3/d，排气压力23.5MPa；驱动机为ABB高压隔爆型鼠笼式电动机，型号为AMD710M6T BSBM，额定电压6000V，额定电流为174A，额定功率1550KW，额定转速995rpm。压缩机组采用空冷器冷却，空冷器由单独的隔爆电机驱动。国产压缩机组为江汉三机厂生产的压缩机，采用四缸二级压缩，一级气缸两个，配有可调余隙，二级气缸两个进气压力5―7MPa，日排气量设计值为48.14-84.38×104m3/d，排气压力12―23.5MPa；驱动机采用高压隔爆型电机；压缩机组采用空冷器冷却，空冷器由单独的隔爆电机驱动。

在以往往复活塞式气体压缩机的使用过程中，我们有时会遇到连杆小头铜套烧损的问题，故障通常发生在新（大修）机组试运、卸载的时候。经分析可能与工况突变情况下连杆小头铜套的效果被改变有关。导致连杆小头铜套不良的原因很多，如油道堵塞、油压过低、活塞杆负荷不能反向等，其中活塞杆负荷反向问题是影响连杆的最重要原因。 在这儿重点探讨一下往复活塞式压缩机的负荷反向对连杆小头铜套的影响。

一、往复活塞式压缩机活塞杆负荷反向的因素分析

（一）受力分析

活塞杆所受负荷是往复运动惯性力、气体力、摩擦力的合力称之为综合活塞力。

1、活塞组件往复惯性力和往复摩擦力的合力

活塞组件往复惯性力Fj和往复摩擦力Fmp（忽略未计）是沿气缸轴线方向作用于活塞上的力。往复惯性力Fj的计算公式是：

Fj=1.4208×10-5×WT×ST×rpm2×[cosα+ST/2RL×（1-2×sinα）]

WT：往复运动的活塞组总重量，ST：冲程，rpm：转速，RL：连杆长度，α曲轴转角（活塞在缸头端死点为0）。

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2、气体力

气体力Fg是工艺气压缩在活塞两端产生的压力差，即两端各自工艺气压力与两端各自受力面积的成绩的差。

活塞杆受压时气体力Fg=3.1416/4×[Pd×Dp2-Ps×（Dp2-Dr2）]

活塞杆受拉时气体力Fg=3.1416/4×[Pd×（Dp2-Dr2）-Ps×Dp2]

Pd：排气压力，Ps：进气压力，Dp：活塞外径，Dr：活塞杆外径。

活塞杆受力的正负方向规定与两个力相同，数值上等于两个力的代数和。

F活塞杆=Fg+Fj

根据以上受力分析我们可知，要想实现活塞杆负荷反向，必须使活塞往复惯性力和往复摩擦力和气体力的合力始终大于连杆施加的拉力或压力。假如连杆的拉力或压力用F连杆表示。那么：

F连杆< F活塞杆必须始终成立。

二、主要影响活塞杆负荷反向的因素

（一）活塞组重量与活塞直径

在文96储气库一、二号压缩机注气工艺中，压缩机末级排气压力设计为23.5MPa/cm2A，该级的进气压力在12MPa/cm2A左右，根据排量和活塞杆负荷需要选用了6″气缸和2.5″活塞杆，活塞重量为23.6kg。通过计算，在标准工况下，活塞杆压力是23956kg，而拉力是12880kg，压力和拉力均为正数，负荷存在反向过程，轴和轴瓦以及销与销孔的安全得到有效保证。

在文96储气库三号压缩机注气工艺中，压缩机末级排气压力设计为23.5MPa/cm2A，该级的进气压力在12MPa/cm2A左右，根据排量和活塞杆负荷需要选用了4.5″气缸和2.5″活塞杆（每级压缩采用两个压缩缸），活塞重量为17.8kg。通过计算，在标准工况下，活塞杆压力是15126kg，而拉力是3962kg，压力和拉力虽然相差大但均为正值，说明负荷存在反向过程，轴和轴瓦以及销与销孔的安全也能得到有效保证。

（二）气缸缸径与活塞杆的匹配会对反向角产生影响，特别是在小缸径在大压比的工况下，活塞将会产生较大的气体力，引起无反向角或反向角过小。

（三）余隙的大小也会引起综合活塞力的分布， 在压比一定的情况下，余隙的大小决定了气体膨胀过程的长短，因此其也会对反向角造成一定的影响。

三、改善负荷反向与连杆的措施

（一）从影响活塞杆负荷反向的因素可以看出，故障一般发生于二级压缩活塞。对于高压比、小缸径的活塞，一般采用活塞尾杆结构，利用活塞尾杆使活塞两端面受压面积相等或接近来减小压力，还要严格按规范选择活塞的重量，定期检查气阀工作情况。如前所述，一、二号注气压缩机组二级压缩缸采用了尾杆设计，而三号注气压缩机组采用的是每级两个压缩缸的设计，增加了活塞组件的重量降低了气体力，以上两种结构均较好的满足了活塞负载反向的要求。

（二）压缩机运行中应避免工况出现大的波动变化，强烈的、反复的气体回流也会破坏活塞杆的负荷反向，导致连杆铜套出现不良故障。为此，结合实际情况在制定操作规程时制定了详细的回流时间。并定期对机组的气阀阀盖温度进行检测，发现异常及时停机进行检修。

（三）保证压缩机机身油品品质符合要求，避免发生磨粒磨损或油道阻塞。每月对机身油进行检测，检测指标包括：运动粘度、水分、闪点、光谱分析、铁谱分析以及磨粒磨损分析等内容，确保油的品质符合要求。