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摘 要： 本文以华菱星马汽车（集团）股份有限公司节能环保大功率天然气发动机实验室项目为例，结合活塞式天然气压缩机在发动机实验室的实际生产应用，重点阐述了活塞式天然气压缩机系统的功能、组成结构、工作流程、实际安装布置及使用效果等，对于行业内天然气发动机试验台架系统应用及天然气发动机新产品的性能开发具有一定的参考意义。
关键词： 活塞式压缩机；压缩机结构、原理；设计应用
中图分类号：TB492 文献标识码：A
引言
近年来，随着社会经济水平的发展和人类文化素质的提高环保已经进入到人类的生活的方方面面。日常生产中到处可以见到清洁、环保、低碳等字体，这些都体现了社会的发展和人类环保意识的增加，加之石油资源的不断减少，开发新型可再生能源显得尤为迫切，天然气成为了新型能源的典型代表。天然气相比常规燃料而言有燃烧后无固体残留、无有毒有害气体排放等优点，它的开发利用已经开始逐步代替常规燃料的位置。目前广泛应用于工业生产中的压缩机有活塞式天然气压缩机，它是一种容积式压缩机，常用于提高天然气的压力和输送天然气。近年来，许多发动机的制造厂家也开始研发天然气发动机用于提供汽车的动力。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实验室，获得了国家国际科技合作项目的支持。生产的发动机产品为公司的重型载货汽车整车配套，兼顾提供社会市场配套。[1，2]
1 天然气压缩机设计意义及选型
天然气的开发，无论是在生活和工业上的应用都要解决天然气的运输和储存的问题，天然气的储存与运输也成为一个非常重要的环节，市场上对于压缩机的需求也变得越来越大。压缩机是应用十分广泛的流体机械，遍布工农业、交通运输、国防甚至生活各个领域。根据压缩机压缩气体的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。容积式压缩机主要是靠工作腔容积的变化来压缩气体；动力式压缩机是首先增加气体分子动能然后使动能转化成压能；其中容积式压缩机又可为分“往复式”和“回转式”。
天然气作為汽车动力能源是一种非常大的科技进步，它不仅改善了石油能源匮乏的压力，同时也减少了尾气排放和处理尾气的问题。由于天然气发动机在开发过程中需要进行较长时间的性能试验及耐久试验，消耗能耗量很大，试验中要求提供不间断的供气。传统气瓶倒运及撬罐车运输均不能很好的满足开发试验需要，综合考虑上述因素，结合天然气发动机的开发需求，最终选择了采用活塞式压缩机进行加压供气的方案。[2，8，9]
2 实验室天然气加气站项目背景
华菱星马汽车（集团）股份有限公司天然气发动机实验室加气站选用的活塞式压缩机主要为保证实验室内天然气发动机试验的正常运行提供不间断供气。
实验室加气站活塞式压缩机选用的是撬装式往复活塞式天然气压缩机，它具有耗能少、噪音低、振动小、可靠性高、无油润滑、操作简便等特点。加气站系统设计吸气压力0.3MPa，管道设计压力0.4MPa，排气压力2.5MPa，管道设计压力3.0MPa。天然气压缩机站房需给实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，天然气站房的安全稳定运行是整个实验室重要的关键生产部位之一。
活塞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功能，从而控制调节供气压力。有效避免了凭经验、靠手动就地调节系统输出压力的不足，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。[3-7]
3实验室天然气加气站活塞式压缩机方案设计
3.1 活塞式压缩机结构特征
压缩机处在易燃、易爆、高压和重载的工作环境中运行，压缩机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，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。
本文中选用的活塞式压缩机为V型两列活塞式压缩机，机体（如图1所示）主要由曲轴箱体、曲轴部件、油泵部件、连杆部件、填料部件、一级活塞部件、二级活塞部件、润滑、气路及冷却系统等组成。曲轴箱（如图2所示）由灰铸铁制成，上面有两个互成90°的加工平面，并开有两个直径相同的孔供安装十字头滑道之用。曲轴箱下部可贮存润滑油供压缩机使用，并安装有过滤润滑油的粗滤油器部件。曲轴箱的两侧面高有手孔盖，在其中一个盖上装有测油杆和加油口。曲轴箱的另两个端面上开有供安装轴承、轴承座和油泵的孔，轴承座安装有骨架式橡胶油封，以便密封曲轴箱内的润滑油，使其不能向外渗漏。[10，11]
系统曲轴箱（如图2所示）由灰铸铁制成，上面有两个互成90°的加工平面，并开有两个直径相同的孔供安装十字头滑道之用。曲轴箱下部可贮存润滑油供压缩机使用，并安装有过滤润滑油的粗滤油器部件。曲轴箱的两侧面设有手孔盖，在其中一个盖上装有测油杆和加油口。曲轴箱的另两个端面上开有供安装轴承、轴承座和油泵的孔，轴承座安装有骨架式橡胶油封，以便密封曲轴箱内的润滑油，使其不能向外渗漏。
活塞式压缩机一级气缸部件（如图3所示）是由一级气缸盖、一级气缸、一级气缸座、一级进、排气阀及其相关连接件等组成，一级气缸盖、一级气缸、一级气缸座由灰铸铁制成；一级气缸盖上对称布置着两个吸气阀孔和两个排气阀孔，其上安装有两个一级进气阀和两个一级排气阀；一级气缸上铸有气道、水道，供通气和冷却气缸所用。一级气缸座上也开有两个一级吸气阀孔和两个一级排气阀孔以及填料筒的安装孔。二级气缸部件的结构和一级气缸部件的结构基本相似。
3.2压缩机润滑系统
压缩机有二个独立的润滑系统
1）. 轴承、曲轴、连杆和十字头导轨润滑 本系统采用油泵强制润滑和飞溅润滑两种方式。压缩机主机的轴承、曲轴、连杆采用独立油泵强制润滑。润滑油先经过装在曲轴箱底部的粗滤油器，通过油泵加压，进入油泵体，调压后进入精滤体，然后进入位于曲轴箱外部的给油腔内。保持一定压力的润滑油经过曲轴、连杆上的小孔，润滑油可到达各润滑点。曲轴的滚动轴承是通过飞溅油而得到润滑的。
禁止煤油或汽油冲洗油底壳，以免发生爆炸危险。
2）. 气缸润滑
一、二级气缸的润滑是通过气缸镜面与填充聚四氟乙烯制成的支承环，活塞环之间形成极薄的固体润滑膜，起自润滑作用，而不需润滑油。
3.3压缩机冷却方式
压缩机冷却形式分为水冷（换热器）、风冷和油冷三种。本文中的机型采用的是闭式水冷却系统，主要由一、二级缸座、缸盖，一、二级气缸组、一、二级冷却器组、阀门以及与以上部件相连的水管路等组成。冷却水水量通过阀门进行调节，调节量的大小可根据压缩机的排气温度来决定，通过水量调节阀可使水量得到控制，从而保证冷却水的出口水温。这样即避免了气缸在机器空转时的过度冷却，又节约了冷却水。
3.4压缩机控制系统
常规的压缩机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，由人工进行手动控制，已经远不能满足设备安全稳定运行及发展的需要。因此，为了适应项目需要，加气站活塞式压缩机在方案设计时，充分考虑压缩机控制系统自动化设计，保证设备根据试验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。
根据设计要求及试验任务需要，结合考虑控制系统的性价比，控制系统选用了Siemens PLC和HMI， 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。
系统通过防爆压力变送器对进气压力、油压、水压、仪表空气压力、排气压力进行自动控制与保护；并通过防爆温度变送器对各级排气温度进行自动控制与保护。还能对各主、辅电机进行过载、短路、欠压等保护。系统运行工况图（如图4所示）界面力求简明、精练，操作信息、系统进气压力、系统出气压力、润滑油压力、冷却水压力等设备运行关键信息均得到有效体现。
4 压缩机现场调试试验
压缩机安装完毕后，对压缩机系统进行调试试验，压缩机进气压力为0.3MPa，压缩机出口压力上限为2.5MPa。开机前将氮气充入机组进气端，再缓慢打开进气阀门通入天然气，并对所有焊接接头和连接部位进行初次检查，如无泄漏则手动开启机组升压到1.0MPa，继续测漏，如无泄漏、异常现象，逐级升压，直到2.5MPa，保压30分钟，然后降到0.3MPa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。
加气站活塞式压缩机的正常启停直接关系到整个实验室发动机试验的正常运行与否，项目竣工调试时，对活塞式压缩机系统进行了手动/自动开机供气试验。试验选择了2个试验间进行发动机满负荷试验，活塞式压缩机压力设定为1.6MPa，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：活塞式压缩机加压供气效果明显，满足发动机性能及耐久试验的要求。 [2]
5 结语
本文主要以安徽华菱星马汽车（集团）股份有限公司发动机实验室天然气加气站活塞式压缩机的设计应用为例做出分析总结。活塞式压缩机成功运用于实验室天然气加气站，实现了真正意义上的无人值守，且大大减少了现场操作人员的工作量，提高了实验室的运行效率，降低了设备故障隐患。变频器的结合应用使得节能效果更明显，从而降低了用气损耗和电能，降低了企业能耗成本。总之，其在发动机实验室天然气加气站的成功应用，对同行内的实验室建设发展具有重要的意义。
参考文献
[1] GB50156-2002，汽车加油加气站设计与施工规范[S].
[2] 吕林，刘世锋，毛开清。螺杆式天然气压缩机在发动机试验室的设计应用。科技创业月刊，2016，第17期：138-139.
[3] 朱玉峰。往复式压缩机制冷系统研究。北京：化学工业出版社，2008.
[4] 张国辉，李世杰。活塞式压缩机设计的基本原则。科技论坛，2000，第六期：117-121.
[5] 活塞式压缩机设计编写组。活塞式压缩机设计。北京：机械工业出版社，1973.
[6] 王洪伟，李君。压缩机活塞标断裂原因分析。材料工程，2009，（12）：35-37.
[7] 林梅。活塞式压缩机原理。北京：机械工业出版社，1987.
[8] 郁永章。容积式压缩机技术手册。北京：机械工业出版社，2000.
[9] 冯辛安。機械制造装备设计。北京：机械工业出版社，2002.
[10] SrarovskyL.Solid-Liquid Separation.Butteworths，1977.
[11] Willus C A.Chemical Engineering Progress。1973，（9）.
关键词： 活塞式压缩机；压缩机结构、原理；设计应用
中图分类号：TB492 文献标识码：A
引言
近年来，随着社会经济水平的发展和人类文化素质的提高环保已经进入到人类的生活的方方面面。日常生产中到处可以见到清洁、环保、低碳等字体，这些都体现了社会的发展和人类环保意识的增加，加之石油资源的不断减少，开发新型可再生能源显得尤为迫切，天然气成为了新型能源的典型代表。天然气相比常规燃料而言有燃烧后无固体残留、无有毒有害气体排放等优点，它的开发利用已经开始逐步代替常规燃料的位置。目前广泛应用于工业生产中的压缩机有活塞式天然气压缩机，它是一种容积式压缩机，常用于提高天然气的压力和输送天然气。近年来，许多发动机的制造厂家也开始研发天然气发动机用于提供汽车的动力。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实验室，获得了国家国际科技合作项目的支持。生产的发动机产品为公司的重型载货汽车整车配套，兼顾提供社会市场配套。[1，2]
1 天然气压缩机设计意义及选型
天然气的开发，无论是在生活和工业上的应用都要解决天然气的运输和储存的问题，天然气的储存与运输也成为一个非常重要的环节，市场上对于压缩机的需求也变得越来越大。压缩机是应用十分广泛的流体机械，遍布工农业、交通运输、国防甚至生活各个领域。根据压缩机压缩气体的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。容积式压缩机主要是靠工作腔容积的变化来压缩气体；动力式压缩机是首先增加气体分子动能然后使动能转化成压能；其中容积式压缩机又可为分“往复式”和“回转式”。
天然气作為汽车动力能源是一种非常大的科技进步，它不仅改善了石油能源匮乏的压力，同时也减少了尾气排放和处理尾气的问题。由于天然气发动机在开发过程中需要进行较长时间的性能试验及耐久试验，消耗能耗量很大，试验中要求提供不间断的供气。传统气瓶倒运及撬罐车运输均不能很好的满足开发试验需要，综合考虑上述因素，结合天然气发动机的开发需求，最终选择了采用活塞式压缩机进行加压供气的方案。[2，8，9]
2 实验室天然气加气站项目背景
华菱星马汽车（集团）股份有限公司天然气发动机实验室加气站选用的活塞式压缩机主要为保证实验室内天然气发动机试验的正常运行提供不间断供气。
实验室加气站活塞式压缩机选用的是撬装式往复活塞式天然气压缩机，它具有耗能少、噪音低、振动小、可靠性高、无油润滑、操作简便等特点。加气站系统设计吸气压力0.3MPa，管道设计压力0.4MPa，排气压力2.5MPa，管道设计压力3.0MPa。天然气压缩机站房需给实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，天然气站房的安全稳定运行是整个实验室重要的关键生产部位之一。
活塞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功能，从而控制调节供气压力。有效避免了凭经验、靠手动就地调节系统输出压力的不足，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。[3-7]
3实验室天然气加气站活塞式压缩机方案设计
3.1 活塞式压缩机结构特征
压缩机处在易燃、易爆、高压和重载的工作环境中运行，压缩机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，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。
本文中选用的活塞式压缩机为V型两列活塞式压缩机，机体（如图1所示）主要由曲轴箱体、曲轴部件、油泵部件、连杆部件、填料部件、一级活塞部件、二级活塞部件、润滑、气路及冷却系统等组成。曲轴箱（如图2所示）由灰铸铁制成，上面有两个互成90°的加工平面，并开有两个直径相同的孔供安装十字头滑道之用。曲轴箱下部可贮存润滑油供压缩机使用，并安装有过滤润滑油的粗滤油器部件。曲轴箱的两侧面高有手孔盖，在其中一个盖上装有测油杆和加油口。曲轴箱的另两个端面上开有供安装轴承、轴承座和油泵的孔，轴承座安装有骨架式橡胶油封，以便密封曲轴箱内的润滑油，使其不能向外渗漏。[10，11]
系统曲轴箱（如图2所示）由灰铸铁制成，上面有两个互成90°的加工平面，并开有两个直径相同的孔供安装十字头滑道之用。曲轴箱下部可贮存润滑油供压缩机使用，并安装有过滤润滑油的粗滤油器部件。曲轴箱的两侧面设有手孔盖，在其中一个盖上装有测油杆和加油口。曲轴箱的另两个端面上开有供安装轴承、轴承座和油泵的孔，轴承座安装有骨架式橡胶油封，以便密封曲轴箱内的润滑油，使其不能向外渗漏。
活塞式压缩机一级气缸部件（如图3所示）是由一级气缸盖、一级气缸、一级气缸座、一级进、排气阀及其相关连接件等组成，一级气缸盖、一级气缸、一级气缸座由灰铸铁制成；一级气缸盖上对称布置着两个吸气阀孔和两个排气阀孔，其上安装有两个一级进气阀和两个一级排气阀；一级气缸上铸有气道、水道，供通气和冷却气缸所用。一级气缸座上也开有两个一级吸气阀孔和两个一级排气阀孔以及填料筒的安装孔。二级气缸部件的结构和一级气缸部件的结构基本相似。
3.2压缩机润滑系统
压缩机有二个独立的润滑系统
1）. 轴承、曲轴、连杆和十字头导轨润滑 本系统采用油泵强制润滑和飞溅润滑两种方式。压缩机主机的轴承、曲轴、连杆采用独立油泵强制润滑。润滑油先经过装在曲轴箱底部的粗滤油器，通过油泵加压，进入油泵体，调压后进入精滤体，然后进入位于曲轴箱外部的给油腔内。保持一定压力的润滑油经过曲轴、连杆上的小孔，润滑油可到达各润滑点。曲轴的滚动轴承是通过飞溅油而得到润滑的。
禁止煤油或汽油冲洗油底壳，以免发生爆炸危险。
2）. 气缸润滑
一、二级气缸的润滑是通过气缸镜面与填充聚四氟乙烯制成的支承环，活塞环之间形成极薄的固体润滑膜，起自润滑作用，而不需润滑油。
3.3压缩机冷却方式
压缩机冷却形式分为水冷（换热器）、风冷和油冷三种。本文中的机型采用的是闭式水冷却系统，主要由一、二级缸座、缸盖，一、二级气缸组、一、二级冷却器组、阀门以及与以上部件相连的水管路等组成。冷却水水量通过阀门进行调节，调节量的大小可根据压缩机的排气温度来决定，通过水量调节阀可使水量得到控制，从而保证冷却水的出口水温。这样即避免了气缸在机器空转时的过度冷却，又节约了冷却水。
3.4压缩机控制系统
常规的压缩机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，由人工进行手动控制，已经远不能满足设备安全稳定运行及发展的需要。因此，为了适应项目需要，加气站活塞式压缩机在方案设计时，充分考虑压缩机控制系统自动化设计，保证设备根据试验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。
根据设计要求及试验任务需要，结合考虑控制系统的性价比，控制系统选用了Siemens PLC和HMI， 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。
系统通过防爆压力变送器对进气压力、油压、水压、仪表空气压力、排气压力进行自动控制与保护；并通过防爆温度变送器对各级排气温度进行自动控制与保护。还能对各主、辅电机进行过载、短路、欠压等保护。系统运行工况图（如图4所示）界面力求简明、精练，操作信息、系统进气压力、系统出气压力、润滑油压力、冷却水压力等设备运行关键信息均得到有效体现。
4 压缩机现场调试试验
压缩机安装完毕后，对压缩机系统进行调试试验，压缩机进气压力为0.3MPa，压缩机出口压力上限为2.5MPa。开机前将氮气充入机组进气端，再缓慢打开进气阀门通入天然气，并对所有焊接接头和连接部位进行初次检查，如无泄漏则手动开启机组升压到1.0MPa，继续测漏，如无泄漏、异常现象，逐级升压，直到2.5MPa，保压30分钟，然后降到0.3MPa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。
加气站活塞式压缩机的正常启停直接关系到整个实验室发动机试验的正常运行与否，项目竣工调试时，对活塞式压缩机系统进行了手动/自动开机供气试验。试验选择了2个试验间进行发动机满负荷试验，活塞式压缩机压力设定为1.6MPa，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：活塞式压缩机加压供气效果明显，满足发动机性能及耐久试验的要求。 [2]
5 结语
本文主要以安徽华菱星马汽车（集团）股份有限公司发动机实验室天然气加气站活塞式压缩机的设计应用为例做出分析总结。活塞式压缩机成功运用于实验室天然气加气站，实现了真正意义上的无人值守，且大大减少了现场操作人员的工作量，提高了实验室的运行效率，降低了设备故障隐患。变频器的结合应用使得节能效果更明显，从而降低了用气损耗和电能，降低了企业能耗成本。总之，其在发动机实验室天然气加气站的成功应用，对同行内的实验室建设发展具有重要的意义。
参考文献
[1] GB50156-2002，汽车加油加气站设计与施工规范[S].
[2] 吕林，刘世锋，毛开清。螺杆式天然气压缩机在发动机试验室的设计应用。科技创业月刊，2016，第17期：138-139.
[3] 朱玉峰。往复式压缩机制冷系统研究。北京：化学工业出版社，2008.
[4] 张国辉，李世杰。活塞式压缩机设计的基本原则。科技论坛，2000，第六期：117-121.
[5] 活塞式压缩机设计编写组。活塞式压缩机设计。北京：机械工业出版社，1973.
[6] 王洪伟，李君。压缩机活塞标断裂原因分析。材料工程，2009，（12）：35-37.
[7] 林梅。活塞式压缩机原理。北京：机械工业出版社，1987.
[8] 郁永章。容积式压缩机技术手册。北京：机械工业出版社，2000.
[9] 冯辛安。機械制造装备设计。北京：机械工业出版社，2002.
[10] SrarovskyL.Solid-Liquid Separation.Butteworths，1977.
[11] Willus C A.Chemical Engineering Progress。1973，（9）.