(1.中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆408099；2.沈阳申元气体压缩机有限责任公司，辽宁沈阳110141；3.西安交通大学，陕西西安710049)引言大型往复式缩机的启机过程较为复杂，而且发生的时间较短。在短时间内压缩机的转速从零升到额定转速；压缩机的各级排气压力、温度上升至稳定运作时的状态。在该过程中常常会发生电机启动电流大、排气温度高、振动过大等启机故障。由于启机过程中机器动态工作过程复杂，这些故障原因很难确定，因此极有必要对压缩机的启机过程进行研究，明确各参数的变化规律。对于启机过程的研究，很多是针对小型制冷压缩机展开[1～3]，包括启动负载特性、电机启动转矩与最大转矩。这些研究对于多级高压往复式压缩机的研究具有借鉴意义。但由于级数多，系统复杂，高压多级往复式的动态启机过程的参数变化很难把控。在实际工程中，首先是做到合理的启机逻辑设计[4]，保证顺利启机，若有故障也能及时有效地发现，保护压缩机。针对启机中出现的故障，多是根据操作者的经验逐层摸排[5，6]，少有文献对启机过程中压缩机的参数变化、电机扭矩等进行定量研究及分析。基于上述现状，本文对一台高压四级四列的往复式压缩机的启机过程进行实验和深入分析，实验测量了压缩机的动态参数变化，并按文献[7]的方法，获得了压缩机轴系的扭转固有频率。实验机组本文研究对象为一台高压无油润滑往复压缩机，其结构为四列四级对动平衡式，压缩机采用空气作为介质，往复机的入口气体为螺杆压缩机增压后的空气与压缩机末级排气降压后气体的混合气。额定入口压力为0.7MPa(G)。电机为变频电机，转速为0～720r/min。压缩机参数如表1所示。压缩机启机过程测试实验机组配有众多测量仪表，能够监测压缩机各级进、排气压力、各级进、排气温度、冷却水压、润滑油压，这些参数连入PLC控制管理系统，对压缩机运作时的状态统一监控、报警及联锁。本次测试条件为：一级入口压力为0.55MPa，末级排气压力为14.4MPa，压缩机转速设定为300r/min。3.1进排气压力测试为了研究压缩机启机过程中各级间压力和温度的变化，将各级进、排气压力和温度测点设置于压缩机各级进、排气缓冲器上。动态压力及温度数据由PLC统记录。3.2扭矩测试为了测试往复压缩机启机过程的轴系的扭矩变化，在压缩机电机轴侧粘贴应变片进行扭转振动测试[7]，如图3所示。测试传感器采用电阻应变片，电阻值为350.8Ω，灵敏度系数为2.11%，测量电路采取双臂全桥，如图1所示。全桥测量电路由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线的方向上有最大正应力和，其值为，相应的变形为和，当测得应变后，便可算出。测量时应变片沿与轴线个电阻都沿与轴线的方向粘贴于轴系表面，应变片在轴的扭转过程中只受拉压应力，不受切向应力，电阻值大小及电阻值在扭转过程中的变化大小都相等，且1，3与2，4号电阻的大小变化相反，可得U0=EKε其中U0——输出电压E——材料的弹性模量K——应变片灵敏度ε——应变因此，依据输出的电压值得到构件的应变值大小。测试结果往复压缩机启机过程包括从电机轴开始转动到压缩机达到规定转速，各级压力分别开始上升至稳定的过程。本部分将分析启机过程中各级压力的变化、启机过程扭矩的变化，并根据测试结果得到压缩机轴系的扭振固有频率以及压缩机的机械效率。4.1启机过程各级压力的变化通过导出PLC上的各级压力的数据，经数据可视化处理，得到启机过程各级压力的变化，如图5所示。可知，在刚启机的时候，系统的背压低，压缩机只需要对气体略微压缩就能克服管道的阻力，气体贯穿各级气缸、管道，进入四级排气罐，在排气罐内聚集，此阶段各级吸、排气压力大致相等。随着排气罐内气体慢慢的变多，各级的排气压力，同步上升。直到一级排出的气体容积基本被二级吸入，一级排气压力趋于稳定，后面各级排气压力继续上升；同理，当二级排出气体基本被三级吸入，二级排气压力趋于稳定，后两级排气压力继续上升。以此类推，直到各级排出的气体容积完全被下一级吸入，各级的排气压力达到稳定，压缩机进入稳定工作状态。启机至稳定过程约为400启机过程各级压力的变化4.2启机过程扭矩的变化经测试得到往复式压缩机启机过程中的动态扭矩数据，如图3所示。从图中能够准确的看出，在启机瞬间，扭矩出现一个较大峰值。这是由于电机轴起步转动逐步提速，启动扭矩和阻力矩不匹配造成的。因为刚开始启动的时候，驱动电机的启动扭矩必须大于压缩机的阻力矩，用来克服启动过程中运动机构的摩擦力、作用在活塞上的气体力、管道的阻力损失等。整个启机过程大概持续400s。当压缩机达到规定转速后，扭矩变化随着各级压力的提高稳步上升，直至各级达到稳定运行压力，扭矩也趋于稳定。4.3轴系的扭转固有频率电机启动过程是转速从零提升至规定转速的过程，激励力的频率也从零上升至额定频率。将图3所示启机过程的动态扭矩数据来进行傅里叶变换，得到图4示的扭矩频域图。由图4可知，在56.2Hz处，扭矩出现峰值，表明此时轴系发生了扭转共振，因此压缩机轴系的扭转固有频率为56.2Hz。压缩机在运行过程中应避免在共振频率对应的转频下运行，避免轴系发生共振，对机组造成危害。电机启动过程的扭矩频域图4.4压缩机的机械效率轴功率的计算公式为其中T——转矩，单位为Nmn——转速，单位为r/min根据图5所示的动态扭矩得到启机过程轴功率的变化，如图5所示。随着各级压力的提升，轴功率成比例升高，当压力基本稳定时，压缩机轴功率为45.50kW。压缩机升压时轴功率的变化在相同转速下(300r/min)，让压缩机空载运行，采用相同方法获得此时压缩机轴功率为7.06kW，约占实验工况轴功率的15%。压缩机的轴功率为压缩机完成实际循环所需的指示功率、各运动部件摩擦功率、驱动附属机构所需功率之和。空载时压缩机消耗的功率主要为各运动部件摩擦功率以及驱动附属机构所需功率。因此，在实验工况下压缩机的机械效率为85%。总结本文对多级高压往复压缩机的启机过程进行了实验和分析。测试和分析了多级往复式压缩机各级压力的建立过程。采用无线扭矩测量系统测试了往复压缩机启机过程中扭矩的变化，并通过对动态扭矩进行频域分析，获得了压缩机轴系的扭振固有频率。根据启机过程的动态扭矩获得了压缩机升压过程中轴功率的变化，通过与空载时的轴功率比较，得到在实验工况下压缩机的机械效率为85%。-全文完-

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