简析螺杆式天然气压缩机在发动机试验室的设计应用论文
0引言
发动机是汽车的“心脏”，对整车的综合性能起着至关重要的作用。其市场范围及容量直接受最终产品——整车的市场范围和容量制约。随着我国社会消费水平和国民购买力的逐年提高，汽车工业生产规模和车型档次的不断上升，对发动机的配套数量和产品水平都提出了更高的要求。安徽华菱星马汽车(集团)股份有限公司自主开发的天然气发动机正是基于这种背景环境下而设计研发，其配套建设的发动机试验室，获得了国家国际科技合作项目的支持。发动机产品主要为安徽华菱汽车有限公司的重型载货汽车配套，兼顾提供社会市场配套。
1CNG加气站螺杆式压缩机设计意义及选型
随着全球汽车数量越来越多、使用范围越来越广，汽车污染已经日益成为全球性问题。因此，发展新型能源汽车就成了每个国家目前迫切的需求。天然气作为一种清洁能源，在民用、工业领域及促进经济持续发展和能源消费结构调整等方面凸显出重要作用。同时，城市燃气成为国家发改委规定的天然气优先利用领域，车用天然气(CNG)又是城市燃气重要组成部分，发展天然气汽车，不仅是治理汽车尾气污染的有效途径，且对改变交通能源结构，缓解成品油供应紧张局面、降低燃料成本起到直接作用。
目前，国内使用的天然气压缩机主要有：活塞式压缩机和螺杆式压缩机。活塞式压缩机属于中高压压缩机，整机效率高、气量足、可靠性高、寿命相对较长、振动小、噪音小、排气温度低、油耗低。但活塞式压缩机结构复杂、不适用低压，压缩机运行噪音相对螺杆式较高，零部件容易损坏，维修频率也较高。螺杆式压缩机整体结构全封闭、体积小、低噪音、振动小、效率高、无需安装基础，且运行稳定可靠，压缩后的气体质量较高，更加节能。二者相比，螺杆式压缩机相对于活塞式压缩机运行比较稳定，使用寿命较长，零部件不易被损坏，且一次性投入后，后期维护费用低，有利于工艺生产的要求。综合考虑上述因素，结合试验室发动机的性能参数，最终选择了螺杆式压缩机进行加压的方案。
2试验室CNG加气站项目背景
华菱星马汽车(集团)股份有限公司天然气发动机试验室CNG加气站螺杆式压缩机主要为保证试验室内天然气发动机试验的正常运行提供保障供气。
试验室CNG加气站螺杆式压缩机系统设计吸气压力0.3MPa，管道设计压力0.4MPa，排气压力1.6MPa，管道设计压力1.76MPa。由于发动机试验工艺要求天然气压缩机站房需给试验室发动机提供不间断供气，且由于天然气属于可燃介质，安全控制相对比较复杂，故CNG站房的安全稳定运行与否直接关系到试验室所有发动机试验的正常，是整个试验室的关键生产部位之一。
CNG加气站共设计二台螺杆式天然气压缩机(一用一备)，管路连接上每台压缩机都配有独立的阀门，管路经分支后汇总成一个主管，目的是为了当其中的一台压缩机或是管路发生故障时，可以继续启用其他的压缩机，而不至于供气中断，导致试验间末端发动机停机。螺杆式压缩机均由交流变频器控制。通过变频器可控制压缩机的输出压力，并具备过需方、欠压、过载和输出短路等多种保护，从而控制调节供气压力。有效避免了以前凭经验、靠手动就地调节系统输出压力，导致整个系统控制滞后且不精确，节能效果不大及现场操作存在一定危险性的劣势，实现了真正意义上的远程自动控制。
3试验室CNG加气站螺杆式压缩机方案设计
3.1螺杆式压缩机工作原理及结构特征
CNG加气站内的螺杆式压缩机处在易燃、易爆、高压和重载的工作环境中运行，装置的自动化水平高低直接决定了系统的经济运行指标和安全运行的可靠性。因此，螺杆式压缩机系统实行调试、运行自动化的控制管理，以PLC(可编程逻辑控制器)为核心，采用变频启动，系统油压、电流、气压自动监控。
压缩机主机采用螺杆式，它是一种高速回转机械，属于容积式压缩机，兼有活塞式压缩机和离心式压缩机两者之优点;转子采用先进的双边非对称全圆弧及其包络线转子型线，使得压缩机具有较高的效率。流量调节装置使压缩机可进行15%～100%的流量无级调节，同时可实现最小负荷启动，节省运行费用。
螺杆式压缩机主要由机体、吸气端座、排气端座、油缸体、排气端盖、转子、主轴承、集装式轴封、平衡活塞、能量调节滑阀及油活塞、能量指示器等组成。油缸体、吸气端座、机体、排气端座用螺栓和定位销联成一体。吸气端座和排气端座上安装了主轴承，阴、阳转子由主轴承支撑，排气端侧各装有一对角接触球轴承。阳转子吸气端装有平衡活塞，阳转子轴伸通过联轴器与电机相连。能量调节滑阀、油活塞通过滑阀导杆相连和油缸共同组成能量调节机构。能量指示器安装在油缸盖板上，与能量调节机构相连。
市政进气口0.2-0.4MPaG低压天然气进入压缩机压缩，压缩到2.0MPaG后进入油分离器分油，进入气体冷却器，冷却到55℃以下，然后进入气液分离器进行分离后供给后端设备。对于压缩机油路循环，压缩机排气进入油分离器，分离下的油经过油过滤器之后，通过油泵送入风冷油冷却器，与空气进行换热，热量被空气带走，润滑油再回到压缩机，主要通过油温调节阀调节进入油冷的油量来维持供油温度的恒定。
3.2螺杆式压缩机进排气结构原理
螺杆式压缩机通过机内的.一对相互啮合，按一定传动比旋转的阴、阳转子，产生周期性的容积变化，完成气体的吸入、压缩和排出。吸入过程，吸入结束，压缩开始，压缩过程，压缩结束，排出过程，排出结束。螺杆式压缩机的能量调节通过控制能量油活塞两侧润滑油的进出，改变其两侧的压力，带动能量滑阀在转子腔内移动，从而改变转子的有效工作长度，实现压缩机的能量无级调节。
3.3螺杆式压缩机冷却系统
压缩机冷却设备主要是冷却器(换热器)和冷却塔。冷却形式分为水冷和风冷二种。
水冷却器多采用管壳式结构，主要由换热管束冷、外壳、用于固定换热管的端板(也称管板)、热膨胀补偿装置以及折流板、封头、法兰等构成。
风冷却器基本都是翅片管结构，目的在于增大管外侧换热面积，有些是套片式，有些是直接在管外轧制翅片，有些是在光管外再紧密套上一根外翅片管。本文中的压缩机设备采用风冷系统进行冷却。
3.4螺杆式压缩机系统控制
以往的螺杆式压缩机控制上主要采用单一的继电器加接触器的控制方式。这种控制系统控制水平低，由人工手动控制，已经远远不能满足现有设备安全稳定运行及发展的需要。由于试验室内发动机用气量会根据试验工况的不同而不断变化，需要不停地调整设备的运行状态，这样对现场操作人员及自动化控制都提出了更高的要求。因此，为了适应项目要求，华菱试验室CNG加气站螺杆式压缩机在方案设计实施时，充分考虑螺杆式压缩机的控制系统自动化设计，保证所有设备根据生产需要自动调节和控制，实现设备的最佳运行状态，保持平衡供气，节约电能，降低供气供电成本，确保安全生产。
根据项目的设计要求及工艺生产要求，结合考虑控制系统的性价比，控制系统选用了SiemensS7-200PLC，HMI为Siemens10寸触摸屏，它是取代传统的控制面板和键盘的智能操作工具，它的实践应用大大减少了操作台上的开关、按钮等，也使操作人员可以快速、直观地操作。HMI与PLC的有效结合，使得现场操作提示、故障提示及报警、运行参数显示、控制参数设定及设备控制和I/O状态得以有效显示。
系统充分考虑到此项目的最终适用对象为工人和普通工作人员，因此在进行组态时力求做到操作画面简单，易学易会，不需要掌握过多的专门知识。系统运行工况图界面力求简明、精练，操作信息、系统进气压力、系统出气压力、加载位、运行时间、油温等设备运行关键信息均得到有效体现。构，目的在于增大管外侧换热面积，有些是套片式，有些是直接在管外轧制翅片，有些是在光管外再紧密套上一根外翅片管。本文中的压缩机设备采用风冷系统进行冷却。
4螺杆式压缩机现场调试试验
压缩机安装完毕后，应对压缩机系统进行气密试验，压缩机入口前低压侧试验压力为0.75MPa，压缩机出口后高压侧试验压力为2.3MPa。机组配置氮气充入管组和氮气排放管组。对于压缩机入口前的低压侧，应先缓缓升压至0.075MPa，保压5min，并对所有焊接接头和连接部位进行初次检查，如无泄漏继续升压到0.374MPa，如无异常现象，其后按0.075MPa逐级升压，直到0.75MPa，保压30分钟，然后降到0.65MPa保压足够时间进行检查，如有泄漏，泄压修复后再按上述规定重新试验。对于压缩机出口后的高压侧，应先缓缓升压至0.23MPa，保压5min，并对所有焊接接头和连接部位进行初次检查，如无泄漏继续升压到2.3MPa，如无异常现象，其后按0.23MPa逐级升压，直到2.3MPa，保压30min，然后降到2.0MPa保压足够时间进行检查，如有泄漏，泄压修复后再按上述规定重新试验。
由于试验室发动机性能开发及耐久试验工艺要求相对复杂，故CNG加气站螺杆式压缩机的正常启停直接关系到整个试验室发动机试验的正常运行与否。项目竣工调试时，对螺杆式压缩机系统进行了手动/自动加压供气试验。试验室选择了2个试验间进行发动机试验，螺杆式压缩机压力设定为1.2MPa，先通过手动操作开油冷、开油泵、开主机，当压力加载到设定值后，压缩机自动进行降频减载，避免压力继续增大。再通过模式选择将压缩机切换成自动模式。观察发现压缩机运行平稳。分析整个试验情况得出：螺杆式压缩机加压效果明显，满足了发动机性能及耐久试验的要求。
5结语
本文主要以华菱星马汽车(集团)股份有限公司发动机试验室CNG加气站螺杆式压缩机的设计应用为例做出分析总结。螺杆式压缩机成功运用于天然气压缩，具有单台加气量大，压比高，实现了无人值守，且大大的减少了现场操作人员的工作量，提高了装置的整体运行平稳性，降低了许多故障隐患因素，PLC与变频器的结合使用使得节能效果更明显，从而降低了用气损耗和电能，降低了企业生产成本。总之，其在发动机试验室CNG加气站的成功应用，对同行内的试验室建设发展具有重要的意义。
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