艾里尔天然气压缩机和艾里尔公司
刘 锡 麟
原发表于《天然气汽车》杂志1999年第3期
新浪博客《秋林红似火》
摘 要 作者依据在艾里尔公司学习考察的体验和艾里尔天然气压缩机的运行实践，详细论述了艾里尔天然气压缩机的先进技术和性能特点，并对艾里尔公司的工艺技术和质量管理经验进行了简要介绍，这对提高我国天然气压缩机制造业的技术水平，促进天然气汽车产业的发展都是一个有益的借鉴。
关 键 词 天然气 压缩机
艾里尔公司（ARIEL）是美国著名压缩机生产商之一，位于俄亥俄州（OHIO）的芒特沃农（Mount Vernon）工业园区，距州首府哥伦布(COLUMBUS)大约50分钟的车程。艾里尔公司成立于1966年，主要生产往复式气体压缩机，规格从5匹马力到6000匹马力。这些压缩机广泛应用于各种领域，如天然气采集，管道输送、天然气储存、气动开采、涡轮燃气、制冷系统、海上测量、氢气回收等。天然气压缩机仅占很小的比例。近年来，随着天然气汽车和CNG加气站的飞速发展，艾里尔公司（ARIEL）已为越来越多的中国用户所熟悉。
1998年6月我有幸去美国艾里尔公司（ARIEL）进行了短期的学习和考察，使我对艾里尔压缩机和艾里尔公司（ARIEL）有了更进一步的认识和了解。
= 1 \* DBNUM3 一、艾里尔压缩机的结构特点和技术参数
= 1 \* GB1 ⒈结构特点
= 1 \* GB2 ⑴水平卧式对称平衡结构
采用这种结构形式，压缩机在运转时，活塞连杆机构产生的惯性力，可以得到最大程度的平衡，不需设置平衡惯性力的飞轮（仅有一个平衡螺母）。因而，压缩机振动很小，驱动机的功率脉动也小。由于采用水平卧式结构，压缩机的占地面积相对较大。
= 2 \* GB2 ⑵标准化的模块式部件设计
压缩机整体设计采用了标准化的模块式结构，其主要部件，如曲轴箱、机架、机头、气缸等，按照系统排量、进、排气压力、介质、驱动机、冷却方式等条件，形成了7个系列、40个型号和数百种规格。可根据用户的不同需要方便地进行组合。而且不同机架所用的同类部件最大程度的标准化，具有很高的互换性，可以大大降低用户的备件储存量。（压缩机的标准型号规格详见表1）
= 3 \* GB2 ⑶压缩机的空气冷却方式
压缩机气缸和各级级间压缩天然气的冷却，采用了空气冷却方式进行，简化了结构，降低了成本，减少了冷却系统的维修量。尤其适用于橇装式加气站。
一方面创新的非冷却气缸设计，具有宽大口径的气体通道，去掉了水冷缸套，使气缸结构大大简化。和水冷气缸相比有很多优点，比如，设计的宽气道，使气体通透量更大，气流更稳定。由于降低了压力落差损失，减少了气体的脉动和压降，而且导入的气体又无须预热，使总效率大大提高。另一方面，采用空冷每级压比可以设计得较低，有效地降低了每一级压缩后气体温度的上升幅度，每一级的排温就可以相应较低，减轻了冷却器的热负荷。也不需要在气缸周围设置专门的散热翅片。由于天然气在压缩过程中，每一级压缩后都需要经过冷却和冷凝过滤，所设置的空气冷却器，在冷却天然气的同时，也使压缩机气缸得到冷却。
表1 艾里尔天然气压缩机系列规格表（部分）
|
系统流量
进气压力 |
50SCFM 87Nm3/h |
100SCFM 173Nm3/h |
150SCFM 260Nm3/h |
200SCFM 346Nm3/h |
300SCFM 520Nm3/h |
500SCFM 870Nm3/h |
1000SCFM 1730Nm3/h |
1500SCFM 2600Nm3/h |
|
5PSIG 0.03MPa |
JGP/2-4 31BHP 23.1kW |
JPG/2-5 58BHP 43.3kW |
JGA/4-4 86BHP 64.1kW |
JGA/4-4 112BHP 83.5kW |
JGA/4-4 155BHP 115.6kW |
JGA/4-5 264BHP 196.9kW |
JGJ/4-5 515BHP 384.0kW |
JGH/4-5 771BHP 574.9kW |
|
20PSIG 0.14MPa |
JGP/2-4 27BHP 20.1kW |
JGP/2-4 50BHP 37.3kW |
JGA/4-4 77BHP 57.4kW |
JGA/4-4 99BHP 73.8kW |
JGA/4-4 144BHP 107.4kW |
JGA/4-4 229BHP 170.8kW |
JGR/4-4 457BHP 340.8kW |
JGH/4-4 669BHP 498.9kW |
|
40PSIG 0.28MPa |
JGP/2-4 22BHP 16.4kW |
JGP/2-4 45BHP 33.6kW |
JGP/2-4 65BHP 48.5kW |
JGP/2-4 85BHP 63.4kW |
JGA/2-4 123BHP 91.7kW |
JGW/2-4 210BHP 156.6kW |
JGR/4-4 399BHP 297.5kW |
JGJ/4-4 624BHP 465.3kW |
|
50PSIG 0.34MPa |
JGP/2-4 22BHP 16.4kW |
JGP/2-3 43BHP 32.1kW |
JGP/2-3 61BHP 45.5kW |
JGP/2-4 81BHP 60.4kW |
JGA/2-4 117BHP 87.2kW |
JGA/2-4 203BHP 151.4kW |
JGW/4-4 380BHP 283.4kW |
JGJ/4-4 581BHP 433.3kW |
|
150PSIG 1.03MPa |
JGP/2-3 18BHP 13.4kW |
JGP/2-3 34BHP 25.4kW |
JGP/2-3 48BHP 35.8kW |
JGM/2-3 57BHP 42.5kW |
JGP/2-3 86BHP 64.1kW |
JGA/2-3 148BHP 110.4kW |
JGA/4-3 295BHP 220.0kW |
JGR/4-3 431BHP 321.4kW |
|
300PSIG 2.07MPa |
|
JGI/1-2 25BHP 18.6kW |
JGM/1-2 33BHP 24.6kW |
JGP/2-3 51BHP 38.0kW |
JGP/2-3 70BHP 52.2kW |
JGM/2-3 109BHP 81.3kW |
JGA/4-3 235BHP 175.2kW |
JGW/4-3 346BHP 258.0kW |
|
400PSIG 2.76MPa |
|
JGI/1-2 20BHP 14.9kW |
JGI/1-2 31BHP 23.1kW |
JGM/1-2 39BHP 29.1kW |
JGP/2-3 66BHP 49.2kW |
JGP/2-3 100BHP 74.6kW |
JGA/4-3 207BHP 154.4kW |
JGA/4-3 300BHP 223.7kW |
注：表中SCFM为美国的标准状态，温度是15℃；而Nm3/h则表示中国标准，温度是20℃。
= 4 \* GB2 ⑷直联驱动、高速运行
艾里尔天然气压缩机，一般都采用电机或天然气发动机直联驱动的方式高速运行，其中电机驱动一般取同步转速为1500转/分；而天然气发动机驱动一般取1800转/分。这样，在气缸和压缩机整体较小的情况下，可产生较大的气体排量。当然这样的转速对压缩机的设计和制造工艺水平提出了较高的要求，否则就会加剧机件的磨损，缩短运动件的使用寿命。
= 5 \* GB2 ⑸气缸采用少油润滑方式
少油润滑是指压缩机通过一个专门的润滑油分配机构定时、定量地将润滑油加入气缸壁和密封机构等处，以保证活塞在气缸中运动和密封的需要。另外专门设计的刮油环，可以防止曲轴箱内的润滑油，被活塞杆带入气缸，而增加消耗。与有油润滑相比，这种润滑方式使润滑油的消耗量大大减少；和无油润滑相比，这种方式降低了压缩机在气缸、活塞环的设计、选材及制造工艺等方面的苛刻要求。缺点是在每一级天然气排气管路中，需设计一个高质量的油气冷凝分离器。
= 6 \* GB2 ⑹独特的密封结构和十字头设计
专门设计的密封腔用于把气缸和曲轴箱隔开，它收集通过填料密封泄漏来的气体并送入气体回收装置，其中的辅助环有效的积聚了压力，并阻止气体漏入曲轴箱，这样利用持续且纯净的气体可使压缩机获得完全密封的能力。活塞杆上的填料密封用于限制天然气经活塞环间隙向曲轴箱内的泄漏。采用直接全压润滑的十字头导向设计使活塞能保持良好的往复直线运动，有助于降低活塞运动时的侧向力，大大减少气缸和活塞环的磨损，还可以有效地减少双作用活塞运动时压缩天然气的泄漏。
= 7 \* GB2 ⑺先进的链条传动
驱动润滑油泵的辅助传动装置采用了链条传动，并处于完全封闭的曲轴箱内，使噪音大大降低。
= 8 \* GB2 ⑻创新的阀门设计
按照已有的低阀速标准，选取了为现代速度设计的板阀。活塞速度不超过74.5米/分时，压缩机采用金属阀板，超过274.5米/分时，采用非金属阀板，许多应用中也采用了高效率提升阀。活塞冲程与阀门的精密配合，使阀门速率和寿命最优化。
= 9 \* GB2 ⑼严密的负载计算
材料受力和轴承载荷都经过精确计算和反复测试，以便消除应力破坏的任何可能性。
= 2 \* GB1 ⒉技术参数
这里仅就用于天然气的部分系列压缩机的技术参数作一简要介绍。
= 1 \* GB2 ⑴压缩机机架
|
型 号 |
JGM（JGP） |
JGN（JGQ） |
JG（JGA） |
JGW |
JGR |
JGJ |
|
机头数 |
/1,/2 |
/1,/2 |
/2,/4（/2,/4,/6） |
/2,/4 |
/2,/4 |
/2,/4/6 |
|
冲 程 （mm） |
89（76） |
89（76） |
89（76） |
108 |
108 |
89 |
|
转 数 （RPM） |
1500（1800） |
1500（1800） |
1500（1800） |
1200 |
1200 |
1800 |
|
活塞速度（m/s） |
4．45（4.57） |
4.45（4.57） |
4.45（4.57） |
4.32 |
4.32 |
5.33 |
|
机头功率 （kW） |
63（63） |
94(104) |
188(209) |
242 |
321 |
462 |
= 2 \* GB2 ⑵活塞杆、连杆、十字头和曲轴
|
全部载荷 （N） |
53379 |
80068(88964) |
106757 |
142343 |
186825 |
|
|
拉 力 （N） |
26689 |
40034(44482) |
53379 |
71172 |
93413 |
|
|
压 力 （N） |
31138 |
44482(48930) |
66723 |
88964 |
102309 |
|
|
主轴径 （mm） |
82.55 |
82.55 |
104.78 |
|||
|
曲 轴 |
延性铁 |
锻钢 |
延性铁 |
锻钢 |
||
|
連 杆 |
延性铁 |
锻钢 |
延性铁 |
锻钢 |
||
|
十字头 |
灰铁 |
延性铁 |
灰铁 |
延性铁 |
||
|
十字头轴衬 |
无 |
青铜 |
无 |
青铜 |
||
|
中心距 （mm） |
209.55 |
260.35 |
||||
|
活塞杆直径（mm） |
28.58 |
38.10 |
||||
|
中心轴高 （mm） |
234.95 |
260.35 |
304.80 |
|||
|
|
机架相同 |
机架相同 |
机架相同 |
|||
= 3 \* GB2 ⑶压缩机气缸
|
级 别 |
操 作 方 式 |
材 料 |
孔 径 |
最大工作压力 |
|
8 SP |
串列—单向作用 |
延性铁 |
191，203 mm |
3 MPa |
|
3-3/4 SP |
串列—单向作用 |
延性铁 |
89，95 mm |
8.7 MPa |
|
4-3/8 SP |
串列—单向作用 |
延性铁 |
105，111 mm |
6.4 MPa |
|
3 JGT |
串列—单向作用 |
球墨铸铁 |
70，76 mm |
15.1 MPa |
|
3-5/8 JGT |
串列—单向作用 |
球墨铸铁 |
86，92 mm |
9.1 Mpa |
|
3 JG |
双动 |
球墨铸铁 |
70，76 mm |
15.2 Mpa |
|
3-5/8 JG |
双动 |
球墨铸铁 |
86，92 mm |
9.1 Mpa |
|
4-1/8 JG |
双动 |
灰铁 |
98，105 mm |
8.8 Mpa |
|
5-1/8 JG |
双动 |
灰铁 |
121，130 mm |
6.0 Mpa |
|
6-1/2 JG |
双动 |
球墨铸铁 |
156，165 mm |
4.4 Mpa |
|
7-1/2 JG |
双动 |
灰铁 |
181，191 mm |
4.1 Mpa |
|
级 别 |
操 作 方 式 |
材 料 |
孔 径 |
最大工作压力 |
|
8-7/8 JG |
双动 |
灰铁 |
216，225 mm |
2.6 Mpa |
|
11 JG |
双动 |
灰铁 |
267，279 mm |
1.0 Mpa |
|
13-1/2 JG |
双动 |
灰铁 |
330，343 mm |
0.8 Mpa |
注：括号中的JGP、JGQ、JGA仅适用于工频为60Hz的电机
= 2 \* DBNUM3 二、压缩机的制造工艺技术
艾里尔（ARIEL）天然气压缩机不仅在设计上具有独到之处，而且在工艺技术方面更胜一筹。
= 1 \* GB1 ⒈树脂砂精密铸造
曲轴箱、机架、气缸体等外壳部件都采用树脂砂精密铸造，使这些零件在满足强度要求的条件下体积最小，消耗的材料最少。
= 2 \* GB1 ⒉离子氮化处理
活塞杆和气缸内表面经离子氮化处理，增加了表面的硬度，提高了表面光洁度，大大减少了密封环和气缸内表面的磨损。
= 3 \* GB1 ⒊强力锻造和精密研磨加工
曲轴和连杆都采用合金钢经强力锻造而成，重型曲轴上带整体式平衡锤，表面经淬火变硬，增加耐磨性。配合面又经过精密研磨加工，使表面粗糙度大大降低，提高了配合精度，也延长了零件的使用寿命。
= 4 \* GB1 ⒋活塞和活塞杆加工工艺
活塞由耐磨的球墨铸铁或铸钢铸造成型，并经精密加工。活塞杆由合金钢精密研磨加工而成，带一个锁紧十字接头螺母。
= 5 \* GB1 ⒌十字头组合件制造工艺
十字头组合件包括十字头导向滑块、十字接头、十字头销、和十字头销衬套等件。导向滑块由灰铁铸造而成，顶部和底部加工有油孔，可得到直接全压润滑使磨损最小；十字接头用球墨铸铁铸成，具有巴氏合金瓦表面、全浮动十字头销、带“贯穿螺栓”及端盖；十字头销由合金钢制成，表面经淬火处理硬化到HRC60；十字头销衬套由青铜加工而成。
= 3 \* DBNUM3 三、严格的质量控制
艾里尔公司（ARIEL）为了使自己的产品保持世界一流水平，不仅在生产过程中对工艺流程进行了严格的控制，而且从产品设计、生产制造、经营销售、到售后服务的全过程都规定了十分苛刻的质量要求。由于他们在质量控制和企业管理方面的杰出成就，被评为美国150个A级MRPⅡ制造厂（MRPⅡ是集库存、调度、规划、生产和制造为一体，并拥有收发货的完整机构）。同时于1995年获得了国际ISO9001标准的质量认证。
= 1 \* GB1 ⒈严格控制工艺流程
这种控制不是单靠行政管理，而是依靠整个组织系统。艾里尔（ARIEL）生产过程的基本单元是小组。艾里尔（ARIEL）的小组群就像一个小公司，他们共同负责生产高质量的产品。因此小组能够自由选择自己的工作方式，小组成员可以决定他们自己的工作分工、工作方式、甚至平面布置图。
= 2 \* GB1 ⒉操作工编制数控程序
为了生产高质量的零部件，艾里尔（ARIEL）注意培养数控机床操作工自己编制加工程序，因为他们最熟悉对机床的精确调整，所编程序更能保证零件的加工质量。
= 3 \* GB1 ⒊人人对加工质量负责
为了对加工的质量负责，每个零件上都标有加工者的工号。以便进行质量检查，同时也容易发现质量好的加工工人，进行表彰。
= 4 \* GB1 ⒋严密的组装标准
压缩机的组装遵守一整套严格的标准，保证符合艾里尔（ARIEL）公司严厉的质量控制要求。
= 5 \* GB1 ⒌一丝不苟的压力试验
艾里尔（ARIEL）生产的所有气缸均要接受压力达到最大允许工作压力150%的水压试验，合格后方可进行下道工序。
= 6 \* GB1 ⒍十分严格的预调试车
艾里尔（ARIEL）在每一台压缩机出厂前，都要使用特种磨合油，为每台机器进行至少四小时的试车，以确保各部件的兼容性，并预调所有润滑系统。试车后，对整台机器进行彻底的内部检验，然后将检查员铭片贴在合格的设备上出厂。
= 7 \* GB1 ⒎基础理论研究永不松懈
为了保持产品的技术优势，艾里尔（ARIEL）非常重视基础理论研究，不断推出新的研究课题，并能将最新研究成果、新材料、新技术及时应用在产品上，从而使艾里尔（ARIEL）压缩机始终保持一流水平。
= 8 \* GB1 ⒏鼓励员工革新创造
从公司最高层领导到基层各部门，艾里尔（ARIEL）鼓励员工不断改革工作方式和工作方法，以生产最好的产品。他们还投入了大量资金对员工进行技术培训，不断提高他们的业务能力和技术水平。
= 9 \* GB1 ⒐严密的销售网络
艾里尔（ARIEL）公司只授权其分销商和组装商销售其产品。组装商通过艾里尔（ARIEL）公司提供的技术资料对压缩机的橇装、驱动机、管道系统、冷却系统、阀门配置和控制系统进行装配。组装质量对压缩机是至关重要的。为了确保组装质量，艾里尔（ARIEL）公司挑选最有资格、最有经验的分销商从事这项工作（分销商要经过严格考核认定）。
= 10 \* GB1 ⒑优良的售后服务
为了帮助用户正确地使用好压缩机，艾里尔（ARIEL）公司十分重视对用户的技术培训。他们在公司总部投资建立了完备的技术培训学校，准备了内容丰富的教材，由各方面的专家授课，为用户培训技术人员。同时他们结合设备调试进行现场教学，他们把每次对用户的访问都视为帮助培训现场人员的一次机会。
艾里尔（ARIEL）公司先进的设计和制造技术，以及严格的质量管理，使其制造的压缩机成为世界一流产品，不仅仅在美国市场上占有绝对优势，而且许多国家的CNG加气站制造商都采用了艾里尔（ARIEL）公司的天然气压缩机。艾里尔产品在我国的应用，必将有力的促进我们天然气汽车产业的发展，也会为我国压缩机的生产制造提供有益的借鉴。
