CN101173658A - 一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法，该方法由压缩机的满负荷运行的最大排气量和实际所需排气量确定占空比，通过一个控制系统和一个或多个能够压开吸气阀的执行机构，控制压缩机吸气阀的强制压开或自由开闭，使压缩机加载循环与空载循环间隔分布并符合占空比，从而均匀的提供所需排气量。本发明具有可实现排气量0～100％连续调节、压力波动小、节能降噪、简单可靠的调节效果。

Description

一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法

技术领域

本发明涉及一种流量调节方法，特别涉及一种往复活塞压缩机排气量的调节方法。

背景技术

往复活塞压缩机(以下简称压缩机)被广泛应用于工业与日常生活中，是国民经济的各个部门尤其是石油化工等流程工业中必不可少的关键设备之一。压缩机的额定排气量在正常操作条件下容积流量基本保持不变，一般是按工艺要求的最大流量进行设计或选型的，排气量都有一定的富余。另一方面，在实际使用中，进气压力、温度、介质组分等耗气设备工况的变化、生产条件的改变以及市场需求的变化等是经常发生的，导致用户对气体的耗用量也是不断变化的，这就需要对压缩机排气量进行调节以适应不断变化的要求。目前生产中应用最多的调节方法包括压缩机起停调节(包括单机间断运行、多机并联后备运行)、管路调节(包括进气节流、切断进气、旁路节流)和余隙容积调节等。其普遍的缺点是浪费的能量过高，调节的精度也不高，而且对压缩机甚至对电力网的正常运行存在着不利影响。随着生产工艺的不断改进和能源形势的日益紧张，这些传统方法已经严重落后了。

通过压开吸气阀进行流量调节的方法因节能效果明显而引起极大关注，它包括部分行程压开吸气阀和全行程压开吸气阀。部分行程压开吸气阀是通过特定装置使吸气阀延时关闭，让一部分气体在压缩前回流到进气腔，延时的长短根据需要的流量计算得出，从而在减少排气量的同时降低功耗。这可通过主动式执行机构实现，如专利EP-A-0893605中所公开的电液控制技术驱动直线运动的压叉将吸气阀压开，排气量可调至10％。专利US-A-5695325则公开了另一种系统，它是通过特定装置在进气阀和其阀座之间往复的旋转运动而实现的，同样可以在某一需要的时刻使进气阀关闭。另一方面，浙江大学化机研究所研制了被动式气量调节系统(《往复压缩机压开吸气阀气量调节的理论与实验研究》，浙江大学硕士学位论文，2006年)，依靠液压分配器和可调回流阀，排气量可调至50％。无论采用被动式还是主动式、直线运动还是旋转运动，关键是每个工作循环内进气阀关闭时刻的快速、精确计算和控制。若压缩机转速1000r/min，每个行程只有33ms，压叉必须在比这更短的时间内将完成吸气阀片压下-保持-释放，这样一来对执行机构的响应速度和寿命提出了极高的要求。吸气阀在每转中都必须延迟关闭，造成吸气阀动作频繁，很容易损坏，降低了气阀的寿命，而且气阀噪声大。对于被动式关闭的方案，由于其特性较软，气体回流到进气腔时的流道阻力变大，实际可调流量下限无法做得很低，且会增加额外的功耗。

另一种方法是全行程压开吸气阀的调节，在整个排气行程中吸气阀始终被强制压开。由于仅需提供压开吸气阀的作用力，功耗进一步降低。但目前的全行程压开技术是基于开关控制策略，即当排气缓冲罐内压力达到设定的上限值时，利用某种机构压开吸气阀、压缩机空载运行；当压力下降到设定的下限值时，释放吸气阀，压缩机加载运行；如此反复执行。采用这种方式只能提供阶跃式的调节，如对单列双作用或双列单作用气缸，可实现0、50％、100％三档流量调节；对双列双作用气缸可实现0、25％、50％、75％、100％五档流量调节。而管道内的压力会在上下限之间摆动，严重时造成管道振动，对生产工艺也会有不良影响。在用气量变化比较频繁时，影响更剧烈。增大压缩机排气缓冲容积可减缓压力波动，但无法削弱其幅度；若缩小上下限的压差，又会加快波动的频率。这是开关控制策略无法克服的固有缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种往复活塞压缩机排气量的调节方法，可实现排气量0～100％连续调节、节能降噪、简单可靠的排气量调节。

为达到所述目的，本发明是在全行程压开吸气阀的基础上，将压开吸气阀的开关控制改变为占空比控制。

本发明同样需要依靠一套能够压开吸气阀的执行机构及其控制系统来实现。执行机构的动力，可以采用气动、液压、电动或其他任何能够产生足够驱动力的方式。其中液压执行机构响应速度快、控制精确，因此是最佳执行机构。其控制系统是一种能够依据本发明所述方法自动执行其步骤的智能装置，如工业控制计算机或可编程控制器等，这些步骤以可执行程序的形式事先存储于其中的存储器，并允许远程计算机通过数据通信随时修改程序的步骤或参数。

为叙述方便，将吸气阀被强制压开、压缩机空载运行时的工作循环称为空载循环，将吸气阀被释放、允许其自由关闭、压缩机加载运行时的工作循环称为加载循环。

本发明的具体步骤是：

(1)确定执行机构的特征参数N，其意义是执行机构完成一整套动作，包括压下-保持-释放，所经历的最少工作循环数，所以N由具体执行机构的响应速度决定，由N个工作循环组成一个工作单元。

(2)预先输入压缩机铭牌上的标准工况下的排气量，或现场标定的排气量，此值即为该压缩机满负荷运行的最大排气量Qm。

(3)由生产实际所需排气量Qr，按下式确定压缩机运行的占空比：

R％＝[Qr/Qm×100]％

上式中，方括号表示结果圆整为整数。R的范围为0～100。

(4)执行机构按如下方式动作：以100个工作单元为一个控制周期，先执行R个加载工作单元，即R×N个工作循环，然后执行(100-R)个空载工作单元，即(100-R)×N个空载循环；最终加载工作单元占控制周期的比重为R％，压缩机按占空比进行工作。

(5)重复上述步骤(3)～(4)。

步骤(1)中的特征参数N、步骤(2)中的最大排气量Qm为预先设定的常数，存储于控制系统内部的非易失性存储器中。

步骤(3)中的生产实际所需排气量Qr，可以事先存储于控制系统内部的非易失性存储器中作为系统开机的初始值，在运行过程中可通过控制系统所包含的输入装置，如拨码开关或按键等进行修改，也可由远程计算机通过数据通信方式修改。

步骤(4)中，一个控制周期在实际运用中可放大或缩小，表示为[K×100]个工作单元，此时一个控制周期内加载工作单元个数和空载工作单元个数分别为[K×R]和[K×100]-[K×R]，缩放系数K值为正有理数，在运行中可以根据需要进行设定或修改。

步骤(4)中，加载工作单元是连续的，后续空载工作单元是也连续的；为追求更加均匀的排气量，可打乱这种连续性，在一个控制周期内使加载工作单元和空载工作单元在时间上的排列呈现随机分布，一种比较简便的方法是：由控制系统按顺序产生[K×100]个0～1区间的随机数，若新产生的数小于R％则执行一个加载工作单元，否则执行一个空载工作单元；最终作适当调整保证加载工作单元占控制周期的比重为R％。

本发明中，执行机构每次压下或者释放吸气阀的时刻在一个工作循环中并不是非常重要，但是在吸气行程中开始时压下比在压缩-排气行程压下需要更少的顶推力和更低的功耗，因此最佳的动作过程是：在曲轴上产生一个指示活塞处于阀侧止点位置的脉冲信号并送给控制系统，在这个脉冲的后沿，即刚开始吸气时，控制系统向执行机构发出压下或释放吸气阀的指令。

本发明所述方法不仅仅适用于压缩机的一个气缸。当存在多个气缸，如双作用或多个列时，可采用集散控制策略：每个气缸安装一个独立的执行机构，通过分散执行分别实施以上步骤；整机共用一个控制系统，通过集中控制确定每个气缸各自的占空比和控制周期，从而可以实现各气缸压力、流量的协调控制。

若将压缩机每个工作循环的排气量及其在时间上的排列，则可以清楚的看出本发明与现有技术方案的区别：部分行程压开吸气阀对每个工作循环排气量的大小进行调节，相当于调幅；现有的全行程压开吸气阀则是先连续经历空载循环，直至排气缓冲罐压力下降到下限，又转而连续经历加载循环直至排气缓冲罐压力上升到上限，如此反复，属于开关控制。本发明通过在一个控制周期内改变加载循环所占的比重来适应流量的需求，采用的是脉宽调制策略。在整个开机时间尺度上考察压缩机的排气量，则采用本发明后排气量较现有的全行程压开吸气阀方法更均匀，较部分行程压开吸气阀方法更简单可靠。

采用本发明所述方法，可以对压缩机的排气从0～100％进行无级调节。由于压缩机的能耗主要与实际压缩气量成比例，因此实施本发明所述方法可以有效地实现节能。与现有的全行程压开吸气阀开关式调节方式相比，占空比调节方式下排气管道内的压力波动得以削弱。与部分压开吸气阀调节相比，气阀自由开启的次数减少，可以有效避免气阀提前损坏，提高气阀使用寿命，却对控制系统和执行机构无特殊要求，适应面广。采用本发明，还可以使压缩机在启动时缓慢升压，避免对压缩机的过大冲击，使系统和机组的可靠性增加。对于有多个气缸的压缩机，当工况变化时，本发明所述方法可以实现各气缸的压力、流量协调控制。采用数字自动控制，可以使本发明相容于企业的计算机控制系统。

附图说明

图1是现有的部分行程压开吸气阀排气量调节方法示意图。

图2是现有的全行程压开吸气阀排气量调节方法的示意图。

图3是本发明所述排气量调节方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和实施方式详细加以描述。

参见图1，表示的是部分行程压开吸气阀调节方法的原理。每个窄矩形条表示一个工作循环，亦即一个排气脉冲；其中灰色部分的相对高度代表这个工作循环的相对排气量，对排气量的调节转化为对每个排气脉冲幅值进行调制，即调幅调节。

参见图2，表示的是现有的全行程压开吸气阀调节方法的原理。每个窄矩形条表示一个工作循环，亦即一个排气脉冲；每个脉冲只有0和100％两种状态，先连续经历空载循环，直至排气缓冲罐压力下降到下限，又转而连续经历加载循环直至排气缓冲罐压力上升到上限，如此反复，对排气量的调节属于开关控制，即位式调节。

参见图3，表示的是本发明所述排气量调节方法。每个窄矩形条表示一个工作单元，亦即N个排气脉冲；排气脉冲虽然也只有0和100％两种状态，但是在时间上的分布采用占空比控制策略，对排气量的调节转化为对排气脉冲的宽度进行调制即占空比调节。

实施例1：

以转速为980r/min，额定排气量为3m³/min的单级空气压缩机为例，。实施本发明需要一个能够压开吸气阀的执行机构和一个控制系统，控制系统按如下步骤操作：

(1)确定执行机构的特征参数N，其意义是执行机构完成一整套动作，包括压下-保持-释放，所经历的最少工作循环数，所以N由具体执行机构的响应速度决定。本实施例执行机构的特征参数N＝10，则由10个工作循环组成一个工作单元。

(2)该压缩机满负荷运行的最大排气量取Qm＝3m³/min。

(3)假定生产实际所需排气量Qr＝2.4m³/min，则占空比为：

R％＝[Qr/Qm×100]％＝[2.4/3×100]％＝80％

(4)执行机构按如下方式动作：以100个工作单元为一个控制周期，先执行80个加载工作单元，即800个工作循环；然后执行20个空载工作单元，即200个空载循环；加载循环个数占工作循环总数的比重为80％，压缩机按占空比进行工作。图3中示意性的表示了排气量80％时的大致情况，图中加载工作单元即灰色窄矩形条的个数占工作循环总数的比重为80％。

(5)如果生产所需排气量没有变化，则重复上述步骤(4)；若需要改变，则执行(3)～(4)以新的需求气量进行计算。

例如，若需求的气量Qr＝1.2m³/min，则步骤(3)中新的占空比为：

R％＝[Qr/Qm×100]％＝[1.2/3×100]％＝40％

此时步骤(4)中一个控制周期所含100个工作循环中，先经历40个加载工作单元，再经历60个空载工作单元，加载循环个数占工作循环总数的比重为40％。

依照上述步骤进行操作，则当占空比R％＝0时压缩机全部空载运转，排气量为0；当占空比为100％时压缩机满负荷运转，排气量为最大排气量100％；占空比为中间数值时，排气量与最大流量的比值与占空比相对应，例如占空比为40％时，相对排气量也为40％；占空比为80％时，相对排气量也为80％。

实施例2：

在实施例1中，以100个工作单元为一个控制周期，当对排气的均匀性提出更高要求时，可将控制周期加以调整。操作步骤如下：

步骤(1)、(2)同实施例1。

步骤(3)仍假定生产实际所需排气量Qr＝2.4m³/min，则占空比为：

R％＝[Qr/Qm×100]％＝[2.4/3×100]％＝80％

(4)执行机构按如下方式动作：以40个工作循环为一个控制周期，先执行32个加载工作单元，然后执行8个空载工作单元；加载工作单元占控制周期的比重为80％，压缩机仍按占空比进行工作。

(5)如果生产所需排气量没有变化，则重复上述步骤(4)；若需要改变，则执行步骤(3)～(4)以新的需求气量进行计算。

例如，若需求的气量Qr＝1.2m³/min，则步骤(3)中新的占空比为：

R％＝[Qr/Qm×100]％＝[1.2/3×100]％＝40％

此时，步骤(4)中一个控制周期取为50个工作单元，其中包含20个加载工作单元和30个空载工作单元，它们在时间上的排列可以如前所述，先经历连续20个加载循环，然后是30个连续空载循环。也可以呈随机分布，一种比较简便的方法是：可由控制系统按顺序产生50个0～1区间的随机数，若新产生的数小于R％则执行一个加载工作单元，否则执行一个空载工作单元；最终作适当调整保证加载工作单元占控制周期的比重为40％。图3中排气量40％的两个控制周期示意性的表示了这两种排列方法的大致区别。

依照上述步骤进行操作，则当占空比R％＝0时压缩机全部空载运转，排气量为0；当占空比为100％时压缩机满负荷运转，排气量为最大排气量100％；占空比为中间数值时，排气量与最大流量的比值与占空比相对应，例如占空比为40％时，相对排气量也为40％；占空比为80％时，相对排气量也为80％。

实施例3：

以某台L-13/7-250型天然气压缩机为例，转速740r/min，额定排气量780m³/h，分3级，共3个气缸，按流程分别为气缸1、气缸2和气缸3。实施本发明需要一个集中控制系统，而3个气缸各安装一个能够压开吸气阀的执行机构，集中控制系统按如下步骤操作：

(1)确定各执行机构的特征参数N1、N2、N3，其意义是各执行机构独立完成一整套动作，包括压下-保持-释放所经历的最少工作循环数，所以N1～N3由具体执行机构的响应速度决定。本实施例执行机构的特征参数N1＝10，N2＝20，N3＝25。

(2)该压缩机满负荷运行的最大排气量Qm＝780m³/h。

(3)假定生产实际所需排气量Qr＝600m³/h，则占空比为：

R％＝[Qr/Qm×100]％＝[600/780×100]％＝77％

(4)各气缸的执行机构按相同的占空比进行动作，控制各自的气阀工作状态。其中：

气缸1以100个工作单元为一个控制周期，先执行77个加载工作单元，即770个工作循环；然后执行23个空载工作单元，即230个空载循环；加载工作单元占控制周期的比重为77％。

气缸2以0.5×100＝50个工作单元为一个控制周期，先执行38个加载工作单元，即760个工作循环；然后执行12个空载工作单元，即240个空载循环；加载工作单元占控制周期的比重为76％，接近占空比的数值。

气缸3以0.4×100＝40个工作单元为一个控制周期，先执行31个加载工作单元，即775个工作循环；然后执行9个空载工作单元，即225个空载循环；加载工作单元占控制周期的比重为77.5％，接近占空比的值。

这样保证整机系统按占空比进行工作。

(5)如果生产所需排气量没有变化，则重复上述步骤(4)；若需要改变，则执行(3)～(4)以新的需求气量进行计算。

依照上述步骤进行操作，则当占空比为0时压缩机全部空载运转，排气量为0；当占空比为100％时压缩机满负荷运转，排气量为最大排气量100％；占空比为中间数值时，排气量与最大流量的比值与占空比相对应，例如占空比为40％时，排气量也为40％；占空比为80％时，排气量也为80％。

对于本实施例，各个气缸采用相同的占空比，当对级间压力提出附加要求时，也可采用不同的占空比。

需要说明的是，在以上各实施例中，步骤(1)中的特征参数N、步骤(2)中的最大排气量Qm为预先设定的常数，存储于控制系统内部的非易失性存储器中。步骤(3)中的生产实际所需排气量Qr，可以事先存储于控制系统内部的非易失性存储器中作为系统开机的初始值，在运行过程中可通过控制系统所包含的输入装置，如拨码开关或按键等进行修改，也可由远程计算机通过数据通信方式修改。步骤(4)中执行机构每次压下、释放吸气阀的时刻按如下方式确定：在曲轴上产生一个阀侧止点位置的脉冲信号并送给控制系统，在这个脉冲的后沿即刚开始吸气时，控制系统向执行机构发出压下或者释放吸气阀的指令。

Claims (7)

1.一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法，通过一个能够压开吸气阀的执行机构和一个控制系统对压缩机排气量进行调节，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)确定执行机构的特征参数N，其意义是执行机构完成一整套动作，包括压下-保持-释放所经历的最少工作循环数，N由具体执行机构的响应速度决定，由N个工作循环组成一个工作单元；

(2)预先输入压缩机铭牌上的标准工况下的排气量，此值即为该压缩机满负荷运行的最大排气量Qm；

(3)由生产实际所需排气量Qr，按下式确定压缩机运行的占空比，

R％＝[Qr/Qm×100]％

式中R的范围为0～100；

(4)执行机构按如下方式动作，以100个工作单元为一个控制周期，先执行R个加载工作单元，即R×N个工作循环；然后执行(100-R)个空载工作单元，即(100-R)×N个空载循环；而加载工作单元占控制的比重为R％，压缩机按占空比进行工作；

(5)重复上述步骤(3)～(4)。

2.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，其步骤(1)中所述的执行机构的特征参数N、步骤(2)中所述的最大排气量Qm为预先设定的常数，存储于控制系统内部的非易失性存储器中。

3.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，其步骤(3)中的生产实际所需排气量Qr，可事先存储于控制系统内部的非易失性存储器中作为系统开机的初始值，在运行过程中可通过控制系统所包含的输入装置进行修改，也可由远程计算机通过数据通信方式修改。

4.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，其步骤(4)中，一个控制周期在实际运用中可放大或缩小，表示为[K×100]个工作单元，此时一个控制周期内加载工作单元个数和空载工作单元个数分别为[K×R]和[K×100]-[K×R]，缩放系数K值为正有理数，在运行中可以根据需要进行设定或修改。

5.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，其步骤(4)中，在一个控制周期内加载工作单元和空载工作单元在时间上的排列还可以采用如下方式确定：由控制系统按顺序产生[K×100]个0～1区间的随机数，若新产生的数小于R％则执行一个加载工作单元，否则执行一个空载工作单元；最终作适当调整保证加载工作单元占控制周期的比重为R％。

6.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，其步骤(4)中，执行机构每次压下、释放吸气阀的时刻按如下方式确定：在曲轴上产生一个阀侧止点位置的脉冲信号并送给控制系统，在这个脉冲的后沿即刚开始吸气时，控制系统向执行机构发出压下或者释放吸气阀的指令。

7.如权利要求1所说的调节方法，其特征在于，当存在多个气缸时，每个气缸安装一个独立的执行机构，整机共用一个控制系统，通过集中控制确定每个气缸各自的占空比和控制周期，各个执行机构按其所在气缸对应的占空比和控制周期，独立操作各自的吸气阀，实现各气缸压力、流量的协调控制。

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