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往復壓縮機是最早被人類發(fā)明和使用的一種流體機械，隨著材料、機械設(shè)計和制造工藝等學科的技術(shù)發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)布置的往復壓縮機被應(yīng)用到各個工業(yè)領(lǐng)域。往復壓縮機發(fā)展到現(xiàn)在，其設(shè)計和制造技術(shù)已經(jīng)達到了較高水平。今后往復壓縮機技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒅饕性趬嚎s機實際運行工況下性能的提高和壓縮機可靠性的提高兩個方面。

此外，為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，適應(yīng)各類特種和極端條件的往復壓縮機也是今后技術(shù)發(fā)展的方向之一。

1、隨著電機技術(shù)發(fā)展，直線電機驅(qū)動的往復壓縮機——直線（線性）壓縮機在冰箱等領(lǐng)域?qū)⒊晒?yīng)用。

2、傳感技術(shù)的發(fā)展?；跀?shù)據(jù)采集分析處理的往復壓縮機在線監(jiān)測故障診斷技術(shù)逐漸得到發(fā)展。尤其是工藝往復壓縮機，因其故障引起的事故，該技術(shù)可以獲得往復壓縮機的實時運行狀態(tài)，提前捕捉故障信息，達到故障預警的目的。

3、材料學科的發(fā)展。各種具有機械強度高，耐高溫，耐沖擊，阻燃，耐酸堿，耐水解，耐磨和耐疲勞等多方面優(yōu)越的新材料將被逐步應(yīng)用到往復壓縮機的零部件中。

4、一些如海洋工程中要求壓縮機體積小、質(zhì)量輕、可靠性高和噪聲振動低等特殊領(lǐng)域?qū)ν鶑蛪嚎s機將提出新的要求。

一、往復壓縮機的應(yīng)用發(fā)展趨勢

1、流體工業(yè)

隨著流程工業(yè)普遍朝著大型化、規(guī)模化和集成化方向發(fā)展，尤其石化通用設(shè)備向大型化、高精度、長壽命方向發(fā)展，將更多地按石化生產(chǎn)工藝參數(shù)要求采用專用設(shè)計、個性化和制造，以使設(shè)備在最佳設(shè)計工況下運行，因而對往復壓縮機的要求也在逐漸提高。流體機械及其系統(tǒng)的大型化對往復壓縮機的設(shè)計方法，關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)，運行狀態(tài)實時監(jiān)控和故障診斷技術(shù)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，開發(fā)適用于大型化的設(shè)計與制造技術(shù)是往復壓縮機大型化發(fā)展的基本路線。

2、海洋工程裝備

往復壓縮機是海上石油和天然氣開發(fā)作業(yè)平臺上用于氣體處理、運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。從天然氣的處理和集輸?shù)桨l(fā)動機提供高壓燃料氣，應(yīng)用非常廣泛。往復壓縮機由于效率高，制造技術(shù)成熟，排氣壓力高且對于氣體組分波動具有較好的適應(yīng)性，成為海洋工程油氣開采中應(yīng)用最為廣泛的壓縮機。

海洋油氣開發(fā)的特殊環(huán)境對海洋工程油氣開發(fā)作業(yè)平臺上的設(shè)備提出了諸多要求，如體積小，振動噪聲低，可靠性高等。另外，海上工況環(huán)境比陸上工況環(huán)境更為苛刻，因而陸上的常規(guī)天然氣壓縮機已不能滿足海上平臺的要求，而開發(fā)出滿足海上作業(yè)的大功率往復壓縮機，意義重大。

二、往復壓縮機技術(shù)進展及應(yīng)用

（一）壓縮機性能計算技術(shù)

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，詳細的數(shù)值分析技術(shù)逐漸被應(yīng)用到壓縮機的設(shè)計計算，性能模擬及優(yōu)化，強度分析與計算和動力學分析等方面。

1、設(shè)計優(yōu)化與性能模擬技術(shù)

首先，往復壓縮機設(shè)計過程中的熱力學和動力學計算，可利用計算機進行編程，通過計算軟件完成整個計算過程。

在熱力計算過程中，需根據(jù)設(shè)計條件（如流量、吸排氣壓力、氣體組分等）確定壓縮機的級數(shù)、各級壓比、轉(zhuǎn)速、功率和效率等參數(shù)。通過各種經(jīng)驗系數(shù)的選取和氣體壓縮過程的計算，得到排氣溫度、功率、氣缸直徑等重要設(shè)計參數(shù)。

在往復壓縮機設(shè)計軟件開發(fā)過程中，可將氣體物理性數(shù)據(jù)植于軟件中，從而獲得單一組分氣體或多組分混合氣體的準確物理性數(shù)據(jù)，保證設(shè)計精度。特別是對于實際氣體，該方法可以準確得到壓縮過程中實際氣體各種狀態(tài)點的物理性數(shù)值，準確計算壓縮和級間冷卻造成的氣體冷凝析出等。在計算軟件編制過程中，熱力計算與容積流量有關(guān)的各種系數(shù)（如進氣系數(shù)、泄漏系數(shù)和析水系數(shù)等參數(shù)）可以制成數(shù)據(jù)庫，需要時可以利用計算軟件自動查表和采用插植的方法求取。

往復壓縮機的動力計算，主要是確定其主要運動部件的受力，解決慣性力和慣性力矩的平衡，計算壓縮機的切向力和確定壓縮機飛輪矩等。對于多列壓縮機，計算軟件可根據(jù)各列的布置方案，并根據(jù)各列相差的轉(zhuǎn)角(相位角)進行相應(yīng)疊加，可快速得到總的切向力及飛輪矩。

其次，往復壓縮機的理想工作過程由等壓吸氣、氣熵壓縮、等壓排氣和等熵膨脹四個過程組成，而壓縮機的實際工作過程受到泄露、流動損失和傳熱等因素的影響，上述四個過程都會與理想過程發(fā)生偏離。

在壓縮機熱力計算過程中，可以通過各種系數(shù)對壓縮機的實際工作過程進行修正，以便使壓縮機的設(shè)計更接近實際工作過程。但這種方法不能精確反應(yīng)壓縮機的真實工作過程和性能，也不能很好地為壓縮機的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

因而，計算機技術(shù)的發(fā)展使得通過數(shù)值計算方法模擬壓縮機真實工作過程成為可能。例如：氣閥是往復壓縮機的關(guān)鍵部件之一，其性能對壓縮機運行的可靠性、經(jīng)濟性都有很大影響。氣閥是往復壓縮機易損部件之一，延長氣閥的壽命對保證壓縮機可靠性具有重要意義。由于壓縮機工作過程中氣體流經(jīng)氣閥的流動損失占總氣體流動損失的比例較大，氣閥設(shè)計的好壞對壓縮機的經(jīng)濟性有著直接影響。因此，在實際工作中，可以通過模型假設(shè)，對其工作過程建立模型，在各種工況條件下，分別模擬往復壓縮機的工作過程和氣閥運行規(guī)律，通過計算機計算結(jié)果和分析找出最佳工況和選擇最優(yōu)工作過程，以延長氣閥壽命。

2、強度計算與分析

往復壓縮機工作過程中，其曲軸、活塞桿和連桿等關(guān)鍵運動部件受到各種力作用，且大多為周期性交變作用力。當壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或運行工況偏離設(shè)計工況時，往往會造成這些關(guān)鍵部件產(chǎn)生裂紋、斷裂，甚至進一步造成爆炸等惡性安全事故。因此，在往復壓縮機的設(shè)計階段需要對這些關(guān)鍵部件進行力學分析，以確保壓縮機的壽命和可靠性。

曲軸的強度計算包括靜強度計算和疲勞強度計算。靜強度計算的目的是求出曲軸的應(yīng)力分布，找出曲軸薄弱部件。疲勞強度計算的目的是求出曲軸在承受交變作用下的最小強度儲備，以安全系數(shù)的形式表示。曲軸強度的常用計算有普通計算法和有限元法。在曲軸設(shè)計時，初步強度校核或進行方案比較可采用經(jīng)驗公式的辦法初步計算應(yīng)力集中系數(shù)，從而得到圓角處的最大應(yīng)力。但在精度要求高的場合，應(yīng)采用有限元方法進行曲軸的應(yīng)力場和應(yīng)變場的數(shù)值分析。數(shù)值分析曲軸的彎扭疲勞強度是壓縮機曲軸強度計算向前跨出的重要一步。

在往復壓縮機設(shè)計過程中，除了需計算其疲勞強度，還應(yīng)對曲軸的動力學特性進行分析，而結(jié)構(gòu)件的模擬分析可評估其動力特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮結(jié)構(gòu)的受激頻率是否接近該結(jié)構(gòu)的自然頻率。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的一種有效手段。通過分析結(jié)構(gòu)的動特性可建立結(jié)構(gòu)在動態(tài)模擬條件下的響應(yīng)預測模擬，預測結(jié)構(gòu)在實際工作狀態(tài)下的行為及其對環(huán)境的影響。

（二）往復壓縮機的平衡技術(shù)

往復壓縮機的工作過程中，需要將軸的回轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑瓦\動，這一功能通常由壓縮機的曲柄連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。往復壓縮機的運動特點導致其工作過程中產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，它們的大小和方向隨著曲軸的轉(zhuǎn)動做周期性變化。這些力和力矩對壓縮機來說是外力，如果機器內(nèi)沒有相應(yīng)的力和力矩加以平衡，則會導致整機振動。為了保證機組平穩(wěn)運行，在壓縮機設(shè)計時應(yīng)力需求所有外力在壓縮機內(nèi)部平衡。例如：單列壓縮機往往設(shè)置相應(yīng)的平衡質(zhì)量對這些力進行平衡，多列壓縮機在方案布置時盡量讓壓縮機各列產(chǎn)生的力和力矩能夠相互平衡。

在壓縮機設(shè)計階段，會盡量平衡其各種慣性力。但由于往復壓縮機自身特點和設(shè)計方案的局限性，設(shè)計過程中往往并不能平衡所有力和力矩，這一情況造成了壓縮機運行過程中的振動，這也是往復壓縮機高速化的一個重要基礎(chǔ)瓶頸。為了提高壓縮機轉(zhuǎn)速，以滿足特殊領(lǐng)域?qū)ν鶑蛪嚎s機的要求，發(fā)展全平衡結(jié)構(gòu)的往復壓縮機技術(shù)與產(chǎn)品，可以完全平衡結(jié)構(gòu)的往復壓縮機的慣性力和慣性力矩，但這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，加工及裝配精度要求極高，增加了設(shè)備的設(shè)計制造難度，降低了機組的可靠性。

（三）氣流脈動及管道振動技術(shù)

管道振動是往復壓縮機運行過程中經(jīng)常遇到的問題，直接影響系統(tǒng)安全，其對壓縮機組的影響主要表現(xiàn)在以下方面：

1、管道及其附件產(chǎn)生疲勞損壞，特別是管道的連接部位發(fā)生松動和破裂。

2、壓縮機工況惡劣，閥片過早損壞。

3、管道上或附件儀表失真或毀壞。

4、噪聲增大。

5、壓縮機運行效率降低。

往復壓縮機吸排氣管道及其附屬裝置和與之相連接的各種動力設(shè)備、裝置構(gòu)成一個復雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的振動是由多種原因引起的，主要有以下三種：

1、由氣流脈動引起，氣流脈動增發(fā)管路做機械振動。

2、管道發(fā)生共振，從而造成管路系統(tǒng)的振動。

3、動平衡差或基礎(chǔ)設(shè)計不當引起的管道振動。

往復壓縮機的吸排氣過程是間歇性的，因而氣體的壓力和速度呈周期性變化，進而導致管道內(nèi)氣體呈脈動狀態(tài)，致使管內(nèi)氣體參數(shù)（如壓力、速度、密度等）不僅隨位置變化，而且隨時間做周期性變化，這也就產(chǎn)生了氣流脈動。生產(chǎn)中遇到的往復壓縮機管系振動絕大多數(shù)是由氣流脈動引起的。管道振動反過來又會引起機組的振動，因而要消除管道振動，首要的問題是消除氣流脈動。

目前，采用管系的有限元分析法提供了進行應(yīng)力分析，解決管道振動問題的有效手段。用有限元方法分析管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動，實質(zhì)上是用有限個自由度的離散系統(tǒng)替代無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng)，即用有限個結(jié)點和結(jié)點的運動替代實際系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的運動。通過這種方法改造后的進氣管道系統(tǒng)，氣流脈動明顯降低，從而直接導致振動激發(fā)力降低，同時，振動結(jié)構(gòu)也有明顯改變，分離器出口和管道的標高降低使得剛度顯著加強，有效避開低階共振。管道系統(tǒng)匯管前后段管道結(jié)構(gòu)振動明顯減少，主激發(fā)頻率，氣柱固有頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率基本錯開，從根本上避免了共振。

（四）在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的實質(zhì)是了解和掌握設(shè)備在運行過程中的狀態(tài)，評價、預測設(shè)備未來的一段時間在役運行的可靠性，早期發(fā)現(xiàn)故障并對其原因、部位、危險程度等進行識別，預報故障的發(fā)展趨勢。

往復壓縮機是石化、煤化工等重要流程工業(yè)的核心裝備，但其結(jié)構(gòu)復雜，易損件多，若不能及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，易造成事故，給生產(chǎn)帶來巨大損失。因此，隨著計算機、傳感器、信號處理等相關(guān)技術(shù)的進步，往復壓縮機在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)也在近些年得到了較快發(fā)展。

壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測是壓縮機故障診斷的基礎(chǔ)，開展往復壓縮機狀態(tài)監(jiān)測需要實現(xiàn)以下四個目的：

1.通過監(jiān)測優(yōu)化檢修計劃，減少非計劃停機，延長運轉(zhuǎn)周期，降低維修維護費用。

2.通過監(jiān)測了解機器的運行工況，優(yōu)化運行參數(shù)，提高設(shè)備運行效率。

3.通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的部位，使檢修做到有的放失，縮短檢修時間。

4.及時預警，提前采取有效措施，降低故障的發(fā)生率，特別預防災難性事故的發(fā)生。

目前，往復壓縮機采用的監(jiān)測方法主要有工程熱力學參數(shù)法（壓力、溫度、流量等），振動監(jiān)測分析法、沖動振動分析法、噪聲監(jiān)測分析法、氣體泄漏檢測法、磨損位移監(jiān)測法、油液分析法等。例如：氣缸內(nèi)氣體壓力，溫度是往復壓縮機氣閥、活塞、氣缸等故障判斷的重要參數(shù)。機殼的振動與活塞桿的下沉可用于判斷曲軸連桿機構(gòu)的振動狀況與活塞環(huán)的磨損情況。通過溫度、壓力、振動、位移、噪聲等各種傳感器在壓縮機重要部位的安裝和運行實時數(shù)據(jù)的采集，可以及時準確獲得壓縮機各部件的各種狀態(tài)。

隨著無線傳感技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的遠程在線技術(shù)的發(fā)展，對往復壓縮機的運行狀態(tài)在線監(jiān)測將越來越深入，而往復壓縮機故障診斷過程包括信號檢測、特征提取、狀態(tài)識別三個步頻，其中特征提取和狀態(tài)識別最為關(guān)鍵。隨著深度，多源信號分析等技術(shù)的發(fā)展，故障診斷系統(tǒng)的智能化水平不斷提高，診斷準確率也在不斷上升。

隨著社會的發(fā)展，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織等技術(shù)標志的工業(yè)發(fā)展，往復壓縮機作為一種流體機械，也將不斷地利用這些技術(shù)向著高度智能的方向發(fā)展。