CN101270741A - 应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复式压缩机排气量无级调节系统。系统组成包括防爆液压油站、液压分配器、伺服电机、伺服电机减速箱、卸荷器、防爆控制箱、传感器和曲轴编码器等组成。加装此系统使大型往复压缩机排气量能无级连续调节，同时使压缩机耗电量随排气量减少而减少。在压缩机运行过程中，分配器始终严格保持1/2转速与往复压缩机同步旋转，从油站输出的高压液压油经液压分配器作用后生成一周期性压力脉冲波。此压力脉冲波的周期时长同压缩机旋转周期相同，每个周期的起点在往复式压缩机压缩行程之前，且压力作用时间压力脉冲宽度是可调的。此调节系统采用了防爆设计，能够在爆炸性气体区域(防爆等级：EExd II CT4)使用的往复式压缩机上应用。

Description

应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统

技术领域

本发明涉及旋转活塞或摆动活塞的液体变容式机械，尤其是涉及一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统。

背景技术

在石油化工行业、输送中小分子量气体、高压缩比的气体压缩场合，往复式压缩机因其本身固有的特性为其它类型的压缩机不可替代。针对于工艺运行中大型往复式压缩机排气量的不可变性，需对其增加一套排气量无级连续调节系统使之适应实际工况变化，并保证其工艺流程的平稳运行。

目前关于往复式压缩机排气量的无级调节系统已有数套公示。美国专利文献US4775299、US6641371B2说明了通过改变气缸的余隙容积来调节排气量。通过人为控制附加余隙的大小使压缩机的排气量无级可调。同顶开进气阀的气量调节装置相比，此种装置可应用于高速压缩机的排气量调节，但由于附加余隙容积缸体积是有限的，排气量调节范围和适应的压缩比相当有限。

另有美国专利文献US5833209A中公开的装置。此装置实现气量调节的原理是部分行程顶开进气阀。部分行程顶开进气阀调节原理如图1所示，未调节工况下PV图是a-b-c-d。随进气阀顶开时间增加，气体回流越多，剩余被压缩机的气体越少a-e-f-c-d，达到了无级减少压缩机排气量目的。对于专利中报道的装置，压力脉冲波产生是通过高频开关电磁阀来实现的。为此，必须把电磁阀控制元气件和进气阀顶开机构组合为一个整体部件以便满足工业现场的防爆要求。对于普通300转/分的压缩机，高频电磁阀的开关动作一年达到了1.7×10⁸次以上，为保证压缩机连续运行，就对电磁阀材料的疲劳可靠性提出了很高的要求。同时卸荷部件顶开进气阀引起的周期性强烈振动也对内部电路的抗振设计提出了很高要求。采用RS485接口的来实现远程控制增加了信号受外部干扰的可能性，远距离信号传输尤其对活塞止点信号TDC影响极大。另有浙江大学化工机械研究所同国内炼油厂合作，已先期研发成功了50-100％排气量无级调节系统，并已成功工业应用。调节装置采用了气膜头作为执行机构，在进气阀阀片上作用一个恒力顶开进气阀，靠回流气体力的变化来被动关闭进气阀，从而调节排气量。若在回流气体力达到最大，即活塞在气缸中间位置，对应于50％的排气量时，气体力还达不到关闭进气阀所需的作用力，则进气阀为全行程顶开，因此装置不能实现50％排气量以下的无级调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统，通过液压分配器输出压力脉冲波作用于卸荷器上，顶开进气阀实现了10～100％排气量的无级调节，并使其功耗随排气量降低而下降。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括防爆液压油站、两个以上结构相同液压分配器、装在两个以上压缩机气缸上的卸荷器、防爆控制箱、活塞止点传感器和曲轴编码器；每个液压分配器的一端装有与同步伺服电机减速箱相连的同步伺服电机，液压分配器的另一端装有与调节伺服电机减速箱相连的调节伺服电机，防爆液压油站输出的高压液压油进入液压分配器进油孔，再从液压分配器两个出油孔流出，分别与两个以上卸荷器的进油孔相连，液压分配器的两个回油孔与防爆液压油站的回油泵相连，安装于同步伺服电机端的分配器止点传感器、安装于调节伺服电机端的分配器调节限位传感器、安装于压缩机电机飞轮上的活塞止点传感器和曲轴编码器、以及伺服电机控制线均接入防爆控制箱，卸荷器漏油孔与回油泵相连。

所述的卸荷器由上部的卸荷器液压缸和下部的顶开进气阀的压叉并由压杆相连，其中上部液压缸的连接头安装在压缩机进气阀阀盖，两者由密封平垫片密封，连接头的另一端同卸荷器液压缸由螺栓固定，液压缸活塞安装在缸体内部同压杆相连，卸荷器液压缸由两个密封O型圈密封，压叉安装在进气阀上由压叉内弹簧同进气阀相连可相对于进气阀上下移动。

所述的防爆控制箱包括变压器、固态继电器、PLC、伺服电机控制器、开关电源、接线柱；外部进来的活塞止点传感器、曲轴编码器、油站液位传感器、油站温度传感器、油站压力传感器、分配器止点传感器、分配器限位传感器经接线柱再与PLC相连，同步伺服电机控制线、调节伺服电机控制线经接线柱与伺服电机控制器相连，伺服电机控制器再与PLC相连，固态继电器同PLC相连并与接线柱相接，开关电源给PLC的各个模块供电，而变压器则给伺服电机控制器供电，PLC同上位机或DCS由通讯电缆经接线柱相连。

所述的液压分配器数目由压缩机级数决定。

本发明具有的有益效果是：

本发明所述装置通过卸荷器顶开进气阀实现了10～100％排气量的无级调节，使其功耗随排气量降低而下降。相对于原先往复式压缩机排气量的分级间断调节，此系统实现了往复式压缩机排气量全量程无级调节；相对于其它如回流等排气量无级调节系统，此系统实现了往复式压缩机的节能环保运行。应用于石油化工和煤炭等行业的往复式压缩机一般都是压缩爆炸性气体。这对包括油站、各个传感元器件、控制箱在内的电气单元都提出了防爆的要求。因此整个系统都达到了应用与爆炸性气体区域EExd II CT4以上的防爆等级标准。

附图说明

图1是顶开进气阀调节过程PV图。

图2是典型的往复式压缩机排气量无级调节系统构成。

图3是控制箱内各个元器件连接示意图。

图4是卸荷器结构原理图。

图5是同步伺服电机控制框图。

图6是调节伺服电机控制框图。

图中：1、活塞止点传感器，2、曲轴编码器，3、压缩机气缸，4、卸荷器，5、压缩机电机，6、调节伺服电机，7、分配器调节限位传感器，8、液压分配器，9、分配器止点传感器，10、同步伺服电机减速箱，11、同步伺服电机，12、调节伺服电机减速箱，13、油站液位传感器，14、油站温度传感器，15、油站压力传感器，16、防爆液压油站，17、防爆控制箱，18、上位机或DCS通讯线缆，19、固态继电器，20、PLC，21、伺服电机控制器，22、接线柱，23、变压器，24、开关电源，25、卸荷器液压缸，26、液压缸活塞，27、密封O型圈，28、连接头，29、密封O型圈，30、密封平垫片，31、压缩机进气阀阀盖，32、压杆，33、压叉，34、压叉内弹簧，35、进气阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明包括防爆液压油站16、两个以上结构相同液压分配器8、装在两个以上压缩机气缸上的卸荷器4、防爆控制箱17、活塞止点传感器1和曲轴编码器2；每个液压分配器8的一端装有与同步伺服电机减速箱10相连的同步伺服电机11，液压分配器8的另一端装有与调节伺服电机减速箱12相连的调节伺服电机6，防爆液压油站16输出的高压液压油进入液压分配器8进油孔，再从液压分配器8两个出油孔流出，分别与两个以上卸荷器4的进油孔相连，液压分配器8的两个回油孔与防爆液压油站16的回油泵相连，安装于同步伺服电机11端的分配器止点传感器9、安装于调节伺服电机6端的分配器调节限位传感器7、安装于压缩机电机5飞轮上的活塞止点传感器1和曲轴编码器2、以及伺服电机控制线均接入防爆控制箱17，卸荷器4漏油孔与回油泵相连。

所述的液压分配器数目由压缩机级数决定，双作用压缩机每级至少安装一个卸荷器。

防爆液压油站17输出的高压液压油经液压分配器8调节后输出一周期时长和在一周期内压力作用时间均可调的液体压力脉冲波，此脉冲波作用于卸荷器液压缸中的活塞，推动与其相连的进气阀压叉，在压缩行程开始之前顶开至少一个进气阀，使得原先已吸入气缸的部分气体在压缩机活塞的作用下又回流到进气腔中。在气缸内剩余气体满足排气量要求时卸荷器4内压力卸除，进气阀关闭，气缸内剩余气体则被压缩。这种可以人为控制实际被压缩气体量多少的气量调节方式实现了往复式压缩排气量的全量程无级调节。

卸荷器结构示意图如图4所示，其结构包括上部的液压缸和下部的顶开进气阀压叉33。其中，上部液压缸固定在进气阀阀盖31上，它包括缸体25，活塞26，连接头28，密封O型圈27、29，密封平垫片30等。液压分配器8输出的高压油经油管在卸荷器上部进油孔输入液压缸中，此液压顶开力作用于活塞26上，通过压杆32推动压叉33顶开进气阀35。在液压顶开力卸除后，进气阀35在气缸内气体力和压叉内弹簧34弹簧力作用下，向上推动压叉33，进气阀也随之关闭。

电气部分的实现包括PLC 20、同步伺服电机11、调节伺服电机6、曲轴编码器2、活塞止点传感器1、分配器止点传感器9、分配器调节限位传感器7、伺服电机控制器21，固态继电器19、接线柱22，开关电源24、油站液位传感器13、油站温度传感器14、油站压力传感器15等。防爆控制箱17内各元器件连接图如附图3所示，图中未表示出部件如传感器安装位置等则见图2所示。

活塞止点传感器1和曲轴编码器2安装在压缩机电机5的飞轮上，提供活塞止点信号和曲轴旋转的转速脉冲信号，这两个信号作为同步控制信号输入PLC 20中。PLC 20是控制单元的核心，给出模拟量或者高速脉冲信号驱动伺服电机控制器21，驱动同步伺服电机6动作，保持液压分配器8相对于压缩机电机5的转速和相位同步。为此，PLC 20采用了如下的控制方案，控制流程图见附图5。以活塞止点作为起始相位，以编码器脉冲数作为两者PID控制的偏差量。在PLC 20初始化过程中，先对同步伺服电机6初始化，以保证液压分配器8相位在初始位置，此位置对应于压缩机吸气行程未端、压缩行程开始之前，一般取为活塞止点位置。系统运行过程中，存在压缩机与分配器相位不同步的情况有：压缩机电机5先到活塞止点(压缩机转速快)或者液压分配器8先到活塞止点(液压分配器转速快)。对于压缩机电机5先到活塞止点，程序则在液压分配器8到达止点时，计算此时相对与压缩机电机5止点脉冲信号转过的角度(编码器脉冲数)，进行PID计算，最后发出纠偏后的控制信号给伺服电机控制器21。对于液压分配器8先到止点，程序则在压缩机电机5到达止点时，判断此时压缩机电机5相对于液压分配器止点脉冲信号转过的角度，进行PID计算，最后发出纠偏后的控制信号给伺服电机控制器21。多级压缩机的进行气量调节时，为了避免在同一时刻各级液压分配器8发出多个同步脉冲信号而引起信号间相互干扰，进而影响PLC 20反馈控制精度，各个液压分配器8间应预设一个极小的脉冲数偏差(角度差)。同时，液压分配器8和压缩机电机5转速相差不应过大，因为PID运算只在10％的误差范围内能够保证收敛。对于因管路、弯头和液压分配器8内部结构引起的卸荷器压力相对与液压分配器8出口的压力滞后，必须通过合理设置液压分配器8止点相对于压缩机电机5止点的相位提前量，将液压分配器8输出压力波的相位提前，才能在压缩行程开始之前顶开进气阀。

PLC 20也对上位机(或者DCS)的排气量调节信号作出响应，两者间的连接通过上位机(或DCS)通讯电缆18相连，调节伺服电机控制框图见附图6。PLC 20对上位机的给定值和测量值比较，驱动伺服电机控制器21控制调节伺服电机6动作。上位机(或者DCS控制)控制方式可采排气量作为控制目标，依使用工艺流程的不同也可采用出口压力或者级间压力作为控制目标。通过与排气量(或者压力)的设定值比较，进行PID调节运算，获得液压分配器8的调节信号值。一般而言，由于工业流程中装置都比较大，压缩机排气量(压力)变化要经过较长一段时间才能反应出来，为此应采取较大PID值，并在上次调节结束后，过一段时间让系统稳定后再进行下一次调节。上位机或者DCS通讯信号通过通讯线缆8连接。

此系统采用380V供电，而伺服电机控制器21则采用经变压器23输出的80V三相交流电，开关电源24则为220V两相交流供电。系统采用了移动式防爆液压油站16，各级液压分配器8实现单独供油并单独设置蓄能器，同时把液压分配器8的回油和卸荷器4的漏油集中起来，一起用回油泵集中抽回。防爆液压油站16的状态由油站液位传感器13、油站温度传感器14、油站压力传感器15监控，并作为系统报警信号提供给PLC 20，实现报警联锁。

本发明采用了本申请人2006月12月22号申请的发明专利“一种基于时间控制顶开活塞压缩机进气阀的方法及装置”申请号：200610155395.8中的核心部件液压分配器。

Claims (4)

1、一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统，其特征在于：包括防爆液压油站(16)、两个以上结构相同液压分配器(8)、装在两个以上压缩机气缸上的卸荷器(4)、防爆控制箱(17)、活塞止点传感器(1)和曲轴编码器(2)；每个液压分配器(8)的一端装有与同步伺服电机减速箱(10)相连的同步伺服电机(11)，液压分配器(8)的另一端装有与调节伺服电机减速箱(12)相连的调节伺服电机(6)，防爆液压油站(16)输出的高压液压油进入液压分配器(8)进油孔，再从液压分配器(8)两个出油孔流出，分别与两个以上卸荷器(4)的进油孔相连，液压分配器(8)的两个回油孔与防爆液压油站(16)的回油泵相连，安装于同步伺服电机(11)端的分配器止点传感器(9)、安装于调节伺服电机(6)端的分配器调节限位传感器(7)、安装于压缩机电机(5)飞轮上的活塞止点传感器(1)和曲轴编码器(2)、以及伺服电机控制线均接入防爆控制箱(17)，卸荷器(4)漏油孔与回油泵相连。

2、根据权利要求所述的一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统，其特征在于：所述的卸荷器(4)由上部的卸荷器液压缸(25)和下部的顶开进气阀(35)的压叉(33)并由压杆(32)相连，其中上部液压缸的连接头(28)安装在压缩机进气阀阀盖(31)上，两者由密封平垫片(30)密封，连接头(28)的另一端同卸荷器液压缸(25)由螺栓固定，液压缸活塞(26)安装在缸体内部同压杆(32)相连，卸荷器液压缸(25)由两个密封O型圈(27、29)密封，压叉(33)安装在进气阀(35)上由压叉内弹簧(34)同进气阀(35)相连可相对于进气阀(35)上下移动。

3、根据权利要求所述的一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统，其特征在于：所述的防爆控制箱(17)包括变压器(23)、固态继电器(19)、PLC(20)、伺服电机控制器(21)、开关电源(24)、接线柱(22)；外部进来的活塞止点传感器(1)、曲轴编码器(2)、油站液位传感器(13)、油站温度传感器(14)、油站压力传感器(15)、分配器止点传感器(9)、分配器限位传感器(7)经接线柱(22)再与PLC(20)相连，同步伺服电机(6)控制线、调节伺服电机(11)控制线经接线柱(22)与伺服电机控制器(21)相连，伺服电机控制器(21)再与PLC(20)相连，固态继电器(19)同PLC(20)相连并与接线柱相接(22)，开关电源(24)给PLC(20)的各个模块供电，而变压器(23)则给伺服电机控制器(21)供电，PLC(20)同上位机或DCS由通讯电缆(18)经接线柱(22)相连。

4、根据权利要求所述的一种应用于爆炸性气体区域的往复压缩机无级气量调节系统，其特征在于所述的液压分配器(8)数目由压缩机级数决定。

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