CN101776071B - 对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称平衡式自由活塞压缩机，尤其是涉及一种对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，1)在控制装置上设定目标余隙H、初始换向位置S；2)根据ΔH_n确定本压缩周期T_n同一气缸活塞的换向位置S_n；3)根据位移传感器测量的该气缸活塞的位置信号与S_n向液压装置发出换向指令；4)通过位移传感器测量本压缩周期T_n的实际终点位置并计算实际余隙H_n；在本压缩周期步骤2)前、或者上一压缩周期T_n-1步骤4)后，根据H、上一压缩周期实际余隙H_n-1计算本压缩周期T_n该气缸活塞的余隙修正量ΔH_n；首个压缩周期T₁的换向位置为S。通过对H的补偿，避免了实际余隙随压差的增大而增大，提高了压缩机效率。

Description

对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法

技术领域

本发明涉及一种对称平衡式自由活塞压缩机，尤其是涉及一种对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法。

背景技术

对称平衡自由活塞压缩机通常包括两个或多个对称布置在油缸两侧的气缸，压缩机可以是一级压缩的压缩机，上述气缸即压缩缸；当压缩机为二级压缩机时，每个气缸由气缸活塞分隔为两个压缩缸。以此类推，当压缩机液压缸两端均同轴对称串联多个气缸，各气缸分别有隔板分开，每个气缸内均有气缸活塞分隔为两个压缩腔，各气缸活塞以及油缸活塞用同一活塞杆固定连接，可共同自由运动，便成为多级压缩的压缩机。

活塞杆及其同轴固定的多个活塞组成唯一的运动部件，其余油缸缸体及气缸缸体以及隔板等组成固定部件。运动部件的往返运动形成两侧各个压缩缸容积变化交替对气体压缩，同时两侧气缸分别位于不同的压缩行程。如一级压缩的对称平衡压缩机，一侧压缩缸处于压缩排气行程时，另一侧的压缩缸处于复位吸气行程。压缩机吸、排气过程普遍采用进排气阀两端靠气体压差克服弹簧力实现自动的单向配流，无特殊外力作用在进排气阀上进行强制配流。因而，缸体布局对称平衡，活塞的自由往复、行程不固定，进排气阀的自由配流，决定了该类压缩机的显著特点。

压缩机活塞杆在工作过程中除了受到油缸的液压驱动力以外，还受到两侧气缸气压差的作用力。因此，在活塞杆的换向过程中，油缸换向阀开始切换到中位，再由中位切换到另一方向位的过程中，液压缸卸载液压力，活塞杆克服两侧气缸气压差做惯性减速运动，因此该气压差对两侧气缸活塞的最终位置起到决定性的作用，也即对余隙起到决定性作用。压差越大，余隙越大，而余隙的增大，必然导致排出气体的减少、压缩机效率的降低。而当上述气压差足够大时，甚至可能导致活塞杆回弹，压缩机无法排出气体。

上述压差在通常情况下是恒定的，但在天然气子站等使用场合，压缩机将拖车气罐内的气体压缩后灌入储气井、罐内或直接供应售气机，拖车气罐中气体逐渐减少、气压逐渐减小，而储气井、罐内气压变化不大处于高压或者略有增加，因此随着气体输送的进行，上述压差逐渐增大，压缩机余隙也逐渐增大，压缩机效率逐渐降低直至效率为零。压缩机效率越来越低，浪费能源、时间，拖车气罐内大量气体无法排出，严重影响了气体运输的效率，增加了运输成本。

虽然目前市场上的传统机械活塞式压缩机均配置有余隙调节装置或称余隙气量调节装置，但其主要是为了调整压缩机的吸气量或排气量，通过改变活塞的平衡位置或者气缸端盖的位置改变气缸的大小，使得压缩机排气量与生产进度的调整相适应，进而通过压缩机负荷的改变得到节能的目的。但上述各类余隙气量调节装置主要针对传统压缩机机械连杆刚性驱动方式固有的强制式进排气，气体压差对活塞行程没有影响的特点相适应的。对于阀配流式的自由活塞式压缩机，其特有的运动行程的可变不固定特点，使得传统的余隙调整方式对于该类型压缩机无法实施或成本太高，经济性不佳。因而，目前此类型的采用阀配流式的自由活塞式压缩机，在余隙控制上存在难度，已有的类似机型采用如接近开关加背压阻尼等方式实现的粗放式控制，控制精度不高，造成实际运行余隙变化大，制约了其实际压缩效率，市场认可度不佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据进气、排气气压差对余隙进行快速补偿的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，1)在控制装置上设定目标余隙H、初始换向位置S；2)控制系统根据余隙修正量ΔH_n确定本压缩周期T_n同一气缸活塞的换向位置S_n；3)控制系统根据位移传感器测量的该气缸活塞的位置信号与换向位置S_n进行比较，等于S_n时向液压装置的换向阀发出换向指令；4)控制系统通过位移传感器测量该气缸活塞在本压缩周期T_n的实际终点位置并计算实际余隙H_n；控制系统在本压缩周期T_n的步骤2)之前、或者上一压缩周期T_n-1步骤4)之后，根据H及同一气缸活塞在上一压缩周期T_n-1的实际余隙H_n-1计算本压缩周期T_n该气缸活塞的余隙修正量ΔH_n＝H-H_n-1；该气缸首个压缩周期T1的换向位置S₁为初始换向位置S。

本发明的有益效果是：上述控制模式将采集的信号滞后一个周期实现反馈控制，即将所采集的上一周期的信号与本周期的信号比较判断，得出随本周期活塞控制需要的余隙修正量ΔH_n。该余隙修正量ΔH_n与目标余隙H之间的误差来源于在本周期内冲程C因为进气、排气气压差变化引起的变化量，该变化量也正是下一周期的余隙修正量ΔH_n+1。因此通过上述余隙修正量ΔH_n的补偿、修正，使同一气缸活塞不断趋近于目标余隙H，保证压缩机运行过程的压缩效率和运行稳定性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，1)在控制装置上设定目标余隙H、初始换向位置S；2)控制系统根据余隙修正量ΔH_n确定本压缩周期T_n同一气缸活塞的换向位置S_n；3)控制系统根据位移传感器测量的该气缸活塞的位置信号与换向位置S_n进行比较，等于S_n时向液压装置的换向阀发出换向指令；4)控制系统通过位移传感器测量该气缸活塞在本压缩周期T_n的实际终点位置并计算实际余隙H_n；控制系统在本压缩周期T_n的步骤2)之前、或者上一压缩周期T_n-1步骤4)之后，根据H及同一气缸活塞在上一压缩周期T_n-1的实际余隙H_n-1计算本压缩周期T_n该气缸活塞的余隙修正量ΔH_n＝H-H_n-1；该气缸首个压缩周期T₁的换向位置S₁为初始换向位置S。

上述上一压缩周期步骤4)之后余隙修正量ΔH_n的计算也可以设置在本压缩周期T_n的步骤2)之前，但设置在上一压缩周期步骤4)之后，计算时间更充足，为加快压缩周期、提高工作频率提供了可能。

在天然气子站的使用场合，压缩机工作过程中进气压力由25～22MPa逐步下降到2MPa，排气压力基本保持25MPa恒定。上述控制模式将采集的信号滞后一个周期实现反馈控制，即将所采集的上一周期的信号与本周期的信号比较判断，得出本周期活塞控制需要的余隙修正量ΔH_n。该余隙修正量ΔH_n与目标余隙H之间的误差来源于在本周期内冲程C因为进气、排气气压差变化引起的变化量，该变化量也正是下一周期的余隙修正量ΔH_n+1。上述冲程C即活塞在换向阀开始动作到换向完成这段时间，活塞在自身惯性的作用下移动的距离。

随着活塞往复运行周期的逐步进行，进气压力逐步降低，进气与排气压差逐步加大，活塞在每周期的换向时的惯性冲程逐步减小，同时同一气缸活塞在所计算的余隙修正量ΔH_n控制下实际余隙H_n不断逼近目标余隙H。随着周期的进行，实际余隙H_n也将呈现在某个合理数值范围内正负波动且不断趋近于目标值的变化趋势，从而实现控制目的。因此通过上述余隙修正量ΔH_n的补偿、修正，使同一气缸活塞不断趋近于目标余隙，保证压缩机运行过程的压缩效率和运行稳定性。

具体的，上述S_n＝S_n-1+ΔH_n，在样机上通过上述控制方法和该计算方法进行的试验，实际余隙可控制在目标余隙值附近最大误差±1.5mm，平均范围误差±1mm内，因此该计算方法简单有效，能够满足控制精度的要求。当然根据压缩机活塞结构、控制精度的不同，也可以采用S_n＝S_n-1+a*H_n，其中a为比例系数；或者如经验公式等其他方式进行计算。

上述控制方法可以用于二级压缩的压缩机，也可以用于一级压缩的压缩机。以二级压缩的压缩机为例，压缩机活塞一个工作循环包含四个压缩周期，由于压缩机工作频率高，一个工作循环内的压缩周期工况接近，因此可以仅通过上述控制方法监控一侧气缸的两个压缩周期并将计算结果分别用于两侧气缸各个压缩周期余隙的控制。但为了更好的对余隙进行控制，以消除活塞在往、返行程运动中所受缸体摩擦，内泄漏，气阀开启压力差异等因素造成的实际受力的不同，最好分别对每一工作循环内的往和返行程进行监控并分别在控制装置上设定往、返行程四个压缩周期的目标余隙H，通过控制装置分别计算、控制气缸每一压缩周期的余隙。一级压缩的压缩机与二级压缩同理且更为简单。以此类推，多级压缩机可用同样方式处理。

但上述控制方法存在如下风险：(一)实际使用过程当中，出现排气压力突然下降，如由于用户对压缩机后储气设备内高压气体的排放，使压缩机排气压力由25MPa在很短的时间内变成了10MPa，造成进气、排气气压差在一个周期内的下降变化过大，(二)当两个气缸中的一个或几个气阀失效，如进气或排气阀严重漏气等情况下，造成在一个周期内作用在气缸活塞上的整体气压合力减小。当压缩机为二级压缩的压缩机时，还存在如下风险：当一侧或两侧气缸的一级气阀突然失效，如一级进气或排气阀严重漏气等情况下，造成在一个周期内作用在两边气缸活塞上的一级气压差减小。在上述情况下，由于一级或二级气压差的减小，均会造成作用在活塞杆上的整体气压差减小，导致活塞冲程C由负增长变为正增长，由于S_n＝S_n-1+ΔH_n，气缸长度为L＝2*(C_n+H_n+S_n)＝2*(C_n-1+H_n-1+S_n-1)，因此ΔC＝H_n-1-H_n+S_n-1-S_n＝H_n-1-H_n+ΔH_n＝H-H_n，因此当冲程C的增加量ΔC≥H-ΔH_n，也即ΔH_n≥H_n时，活塞将撞上气缸壁。

为了规避上述的风险，在控制装置上设定检测位置及临界压差ΔP，在所述步骤2)之前设置有步骤a)控制装置根据位移传感器的信号通过压力传感器检测活塞通过检测位置时两侧气缸的压差P_n；b)控制装置根据上一周期的压差P_n-1与本周期压差P_n计算周期压差ΔP_n＝P_n-1-P_n；c)当ΔP_n≤ΔP时，进入步骤2)；当ΔP_n＞ΔP时，控制系统向液压装置的换向阀发出换向指令，控制系统初始化且压缩机进入下一压缩周期。

上述检测位置应该满足以下条件：(一)检测位置距离缸壁的距离满足大于最低压差下的最大冲程即可，如进排气压力相等、总压差为零的状态下，气缸活塞的惯性冲程C_max。(二)检测位置满足活塞在该位置所受的气压差接近于活塞实际换向时所受的气体压差，即活塞在该位置的受力状态与活塞实际换向时的受力状态接近，在进排气压差发生大幅变化时，活塞运动到该位置所受的气体压力变化能够足够反应上述的进排气压差的变化，理论上检测位置越接近活塞在每个周期实际换向点越好。

上述检测位置可以根据C_max设置，或根据经验设置。最好的，所述检测位置是气缸活塞的初始换向位置S，该值由工程试验获得，既尽量靠近了目标余隙，又避免了实际操作中各种压差状况可能导致的活塞撞上气缸壁。

具体的，所述ΔP＝0。在检测到ΔP_n≤0时，表明两侧气缸之间的气压差增加，由于随着压缩进程的开展，进气气压逐渐减小，压差增大，因此此时视为正常，进入步骤2)执行余隙补偿；在检测到ΔP_n＞0时，表明两侧气缸之间的压差值正在发生减小趋向而非正常的增加趋势，控制系统立即在检测位置执行换向指令，直接跳过步骤2)、3)、4)余隙补偿量的执行，然后直接返回循环控制起点，也即压缩周期数清零，并将下一压缩周期作为首个压缩周期根据控制装置的初始化条件从新开始控制。

在实际工程中，也可设定ΔP为接近于零的某一比较小的正值，以防止气体压缩过程当中的供油管路自身的周期压力波动或者由于气压正常波动导致的供油压力波动以及由于过于灵敏的数据漂移造成误判读，导致正常的余隙补偿程序无法真正执行。当然由于数据漂移、传感器精度等，或者在某些特殊应用中，ΔP也可以为接近于零的某一比较小的负值。

值得注意的是对于一级压缩的压缩机而言，P_n为单纯进排气压差；对于两级或多级压缩的压缩机而言，P_n其实为各级压差、各级活塞作用面积加权后的叠加效果，满足公式P_n＝P_{油 n}＝∑P_ni*A_i/A_油，其中A_i代表i级气缸活塞有效作用面积，A_油代表油缸活塞作用面积，P_油n可理解为去除管损、泄漏和缸体损耗等以后为平衡气压负载的理论油压。但无论两侧缸体内气压差如何变化，无论一级压差变化或二级压差变化，均会同步反应在油压的变化上，因此，所述上一周期的压差P_n-1与本周期压差P_n分别等于上一周期的油压P_油n-1与本周期油压P_油n。通过检测油压的变化，可以同步体现出气压的变化，并且避免了检测气体压力的局限性和复杂性，尤其是多级压缩的压缩机。

为了进一步的避免活塞将撞上气缸壁，在控制装置上设定余隙警报点H_min，在所述步骤4)之后还设置有步骤d)若Hn≤H_min，则发出停机信号。H_min是与控制精度相适应的，从而避免了在H_n≤H_min时，由于控制误差导致的在下一压缩周期活塞撞上气缸壁，随控制精度的提高，H_min减小。

上述的控制装置是PLC，当然也可以采用单片机、工控电脑等。

上述目标余隙H、初始换向位置S、检测位置也即初始换向位置S、临界压差ΔP、警报点H_min，均是在压缩机设计参数指导下通过工程试验进行确定，当然也可以通过理论计算进行确定，但理论计算误差较大。

本发明通过对活塞位移、气缸和油缸压力的监控，实现了对活塞运动状态和受力情况的实时监控，通过控制装置的分析计算，自适应的确定合理的换向点，使活塞的实际终点位置与气压差的变化相适应，余隙基本保持恒定，保证了压缩机的效率，节能、环保，节省气体转移时间，能够基本排尽拖车气罐内的气体，节省了运输成本。

该控制方法的工程实践优势在于，对于开式大流量液压系统避免了系统设计为提高控制精度而采用昂贵的比例伺服系统等复杂系统构造所带来的成本增加和控制难度，实现了对于普通开环液压系统进行闭环的控制，在满足控制要求的前提下大大简化了系统复杂度，具有良好的经济效益和实践价值。

Claims (7)

1.对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征在于：

1）在控制装置上设定目标余隙H、初始换向位置S；

2）控制系统根据余隙修正量ΔH_n确定本压缩周期T_n同一气缸活塞的换向位置S_n；

3）控制系统根据位移传感器测量的该气缸活塞的位置信号与换向位置S_n进行比较，等于S_n时向液压装置的换向阀发出换向指令；

4）控制系统通过位移传感器测量该气缸活塞在本压缩周期T_n的实际终点位置并计算实际余隙H_n；

控制系统在本压缩周期T_n的步骤2）之前、或者上一压缩周期T_n-1步骤4）之后，根据H及同一气缸活塞在上一压缩周期T_n-1的实际余隙H_n-1计算本压缩周期T_n该气缸活塞的余隙修正量ΔH_n＝H-H_n-1；该气缸首个压缩周期T₁的换向位置S₁为初始换向位置S。

2.如权利要求1所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：所述S_n=S_n-1+ΔH_n。

3.如权利要求1所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：在控制装置上设定检测位置及临界压差ΔP，在所述步骤2）之前设置有步骤a）控制装置根据位移传感器的信号通过压力传感器检测活塞通过检测位置时两侧气缸的压差P_n；b）控制装置根据上一周期的压差P_n-1与本周期压差P_n计算周期压差ΔPn=P_n-1-P_n；c）当ΔP_n≤ΔP时，进入步骤2）；当ΔP_n＞ΔP时，控制系统向液压装置的换向阀发出换向指令，控制系统初始化且压缩机进入下一压缩周期。

4.如权利要求3所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：所述检测位置是气缸活塞的初始换向位置S。

5.如权利要求3所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：所述ΔP=0。

6.如权利要求3所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：所述上一周期的压差P_n-1与本周期压差P_n分别等于上一周期的油压P_油n-1与本周期油压P_油n。

7.如权利要求1所述的对称平衡式自由活塞压缩机的余隙控制方法，其特征是：在控制装置上设定余隙警报点H_min，在所述步骤4）之后还设置有步骤d）若H_n≤H_min，则发出停机信号。

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