【壓縮機網】本文討論了無油工藝氣螺桿壓縮機是否需要增設平衡管的問題，介紹平衡管壓降原理以及估算公式；在需要增加平衡管的情況下，討論平衡管在螺桿壓縮機組上的安裝位置，分析不同的架設方式的平衡效果；通過案例，分析在實際運用中如何優化平衡管能給機組帶來z*優的效果，歸納出現階段比較可行的架設方案，展望未來平衡管改良方式。

　　1、引言

　　工藝螺桿壓縮機屬于容積式壓縮機，它在所有壓縮機械中，壓縮能力屬于中等級別，排氣壓力多在0.3～4.5MPa之間。由于排端的壓力高，壓縮機組密封組件的密封壓力通常不會太高。

　　為了保證密封組件的正常運行，我們需要在螺桿壓縮機組上增設平衡管，以此來降低排端密封前的工藝氣壓力，z*終保障機組的正常運行?，F在以筆者對平衡管淺顯的理解來介紹應用于螺桿壓縮機上的平衡管。

　　據調查研究，目前中國新興工業園區內氮氣工況一般在0.3～0.7MPa。平衡管的作用是降低密封組件前工藝氣的壓力，故排氣壓力較低的螺桿壓縮機不一定需要加設平衡管，暫且將區間定排氣壓力低于0.3MPa。

　　平衡管還有一個作用是：當氣體很臟時，為防止介質氣接觸密封組件，降低其使用壽命，通常會增加緩沖氣吹掃。此時若不加平衡管容易造成氣體反串至氮氣管線。使用機械密封的噴液壓縮機，防止噴入的液體進入油里發生乳化作用，也需要增設平衡管。

　　干式螺桿壓縮機是否增加平衡管需要按照項目實際工況而定，因為平衡管的回流作用，相當于給壓縮機多設了一路循環回流。對于機型較小的機組來說有時候是致命的，功率升高，排氣溫度增加，不利于干式機組運行。

　　2、平衡腔原理

　　以321螺桿壓縮機為例，詳見圖1。平衡管將漏至排氣端迷宮密封間隙里的高壓工藝氣引至進氣端迷宮密封間隙里，途經排端迷宮密封、排端平衡腔孔口、平衡管、進端平衡腔孔口、進端迷宮密封，見圖2。我們將其分解為5個獨立過程，每個過程都會產生壓降，分析每一個過程就能得出平衡管的平衡效果。

　　假定螺桿壓縮機的內容積比為2.5，排氣角約為90毅，此內容積比下只可能存在一個處于排氣階段的腔體。因此當端面壓力z*大時各個腔體的所處工作階段及壓力如圖3所示，單位MPa（A）。排氣終了時的內壓力為[1]。


　　式中εV——內容積比
　　k ——絕熱指數
　　pi——排氣壓力
　　ps——吸氣壓力
　　排氣壓力與進氣壓力都已知，壓縮過程中的腔體壓力只能通過轉角與齒間容積曲線求出，比較麻煩。故我們通常將排氣端面的壓力值簡化為

　　以此我們提出平衡管壓力pb為

　　如果要計算迷宮密封阻隔，需要采用Egli計算方法來計算迷宮密封的泄露模型。該方法將迷宮的流動視為通過一系列銳邊孔口的流動，考慮動能裁越效應，修正了Martin公式

　　其中，膨脹函數

　　動能載越效應修正系數  ,φ、γ及節流流量系數C為0.71。

　　如果管道壓降模型需要考慮：壓強降低和體積膨脹，溫度往往要下降。這時需要采用下式

 

　　為了更嚴謹地計算這個過程，我們采用INPLANT軟件進行管道阻力的計算。

　　3、平衡腔架設方式與開孔位置

　　3.1 排氣端座與進氣端座連接

　　408（轉子直徑mm）及以下型號的螺桿壓縮機進排氣形式多為上進上出。由于這個限制，平衡腔開孔選擇在機頭側面或者下面，如圖4、5所示。

　　通常選擇在壓縮機底部開孔，尺寸大小為準15，將進端與排端連接。當我們采用噴液冷卻時，工藝氣往往夾雜著小液滴一起往迷宮密封泄漏，并匯集成凝液灌進平衡管里，這使得平衡腔內流道縮小。根據流體力學管道沿程摩擦阻力損失為[2]。

　　式中 l——沿程長度，m
　　d——平均直徑，m
　　Cm——氣流平均速度，m/s
　　λ——膜阻系數λ=f

　　從上式可以看出，l越小或d越大，沿程摩擦阻力就越小，平衡效果越好。故通常在壓縮機平衡腔孔口接出來的時候選擇擴徑。在下部架設的平衡管容易因為帶入的液滴形成凝液而使得平衡管氣體流通面積縮小，d相應縮小，摩擦阻力H上升。在壓縮機停車時積蓄的凝液若不及時排除，容易將平衡管堵塞，冬天易凍壞管道。因此設置排凝閥來防止此現象。

　　為了優化帶入的小液滴影響平衡效果情況，我們將架設形式改為在壓縮機機頭側面，或是額外增設兩路平衡管，增加平衡腔的平衡效果。

　　3.2 排氣端與氣缸體連接

　　采用這種開孔方式，需考慮噴入壓縮機的液滴對孔口造成的壓強。設噴液的速度為10m/s，由下式可得

　　液體對孔口的壓力為0.05MPa，這種開孔方式可以規避進端迷宮密封處的壓力降。

　　3.3 排氣端與入口短接連接

　　408（轉子直徑mm）以上型號的螺桿壓縮機由于機型大，油站高度高。考慮到回油通暢性多采用二層平臺布置，機型較大，采用水平剖分便于檢修。一般壓縮機進排氣形式為上進下出的合理布局方式。

　　上進下出的機型可以在壓縮機機頭上部開孔，這樣液滴更不容易被帶入平衡管內，平衡效果更加優良。這樣架設的平衡管上應增加一個放空口，壓縮機停車時排放掉管內的氣體。

　　這種連接方式不存在進氣端的阻力，故壓降更小，平衡效果更為明顯。

　　對于機型較小的機組來說是需要辯證考慮的。

　　因為直接接入口的關系，不存在入口迷宮阻力降，回流量較大，z*大可高達10%的回流量。

　　4、案例分析

　　4.1 中化某石化LG40/0.9火炬氣螺桿壓縮機組

　　干氣密封設計參數：前置密封氣0.05MPa，10Nm³/h；主密封氣0.35MPa，0.8Nm³/h。調試過程中，發現干氣密封在保證額定設計壓力情況下，未能達到額定流量（為額定一半）。

　　干氣密封前置密封氣壓力隨壓縮機壓力上升而上升（壓縮機排氣壓力為0MPa時，前置密封氣壓力為0.05MPa；壓縮機排氣壓力為0.5MPa時，前置密封氣壓力為0.1MPa；壓縮機排氣壓力為0.9MPa時，前置密封氣壓力為0.2MPa）。當壓縮機排氣壓力為0.6MPaG左右時，平衡管壓力為0.03MPa左右。

　　當脫開密封系統前置密封氣對外法蘭時，前置密封氣流量會急劇增大，壓力幾乎降至零。猜測：（1）前置密封氣壓力升高可能是因為壓縮機前置氣進氣孔節流造成；（2）干氣密封設計不合理，未考慮平衡腔壓力，導致設計壓力過低，工藝氣反串進入前置密封。

　　同時增大主密封氣壓力（升至0.5MPa（G））、前置密封氣壓力。發現前置密封氣流量有明顯上升，可達到8～9MPa（G）。經與密封廠家討論，發現密封廠家設計時以平衡腔壓力為0MPa設計，導致整體設計壓力偏小。解決方案：密封廠家修改設計壓力，目前機組運行良好。

　　4.2山東某石化LG346/0.01-0.7壓縮機

　　該機在使用的過程中，出現密封泄漏的情況，主要表現在油箱的高位放空出現大量的介質氣。根據初步分析，主要顯示是螺桿壓縮機的軸封失效所致。為了改善密封的環境，降低密封腔的壓力，對密封的外接管平衡效果進行核算，為后續的整改提供理論依據。

　　通過建立密封泄漏模型、平衡管管阻模型，見圖6。運用INPLANT軟件計算得出：在額定排氣壓力的工況下，螺桿壓縮機的平衡管線將有88kPa（A）的壓降，即平衡腔壓力為788kPa（A）。屬于平衡效果較好的情況，因此，擴孔的效果較為有限。

　　5、結論

　　綜述，一般來說平衡管選擇：408（轉子直徑mm）以上機組宜采用排端與壓縮機入口短接連接方式；408（轉子直徑mm）及以下機組宜采用進氣端座和排氣端座連接，具體情況還需具體分析?，F場機組運行時，可以短暫關閉平衡管來校驗理論計算，從而對今后的估算有個經驗衡量標準。

　　今后是否能夠通過改進壓縮機殼體加工工藝，在殼體內部直接鑄造出連接進、排氣端的平衡管道？

　　參考文獻
　　[1] 邢子文.螺桿壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2000.
　　[2] 張鳴遠.流體力學[M].北京：高等教育出版社，2010.