CN103047123B - 一种往复压缩机无级气量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种往复压缩机无级气量调节方法，用于控制往复压缩机排气量，适应企业生产需要，实现往复压缩机节能降耗的目标；该无级气量调节方法采用间歇性全行程压开进气阀的方式对往复压缩机排气量进行调节，调节范围为0至100%的额定排气压力；该无级气量调节方法采用的设备包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、信号测量系统与配套密封机构；本发明可对各类往复压缩机组排气量进行精确、宽范围的调节，能耗随排气量的减少而降低，同时可显著增加吸气阀阀片寿命；该系统成本低，可靠性高，便于现场推广应用。

Description

一种往复压缩机无级气量调节方法

技术领域

本发明涉及一种往复压缩机无级气量调节方法，用于控制往复压缩机排气量，实现往复压缩机节能降耗的目标。

背景技术

往复压缩机广泛应用于炼油、天然气输送等高压比、压缩介质为小分子的场合。对于一台固定的往复压缩机其额定排气量在结构设计时已确定，但实际生产中，由于生产需要的改变导致往复压缩机实际并非总处于满负荷运行；由于化工、炼油生产过程中，工艺流程的变化，原料种类的变更，以及市场需求的变化都会要求往复压缩机的排气量能在较大的范围内进行调节。

目前生产中应用较多的往复压缩机气量调节方式包括：往复压缩机起停机调节、转速调节、管路调节、余隙容积调节、压开吸气阀调节。往复压缩机起停机调节方式易导致机组起停频繁且易存在闲置机组；转速调节方式通过改变往复压缩机驱动机转速，改变机组运行功率及排气量，对驱动机性能要求高；管路调节方式对不需要的气体同样进行压缩，能源浪费过高且精度不够；余隙调节由于其装置复杂且调节范围有限而受到限制；压开吸气阀调节方法使用广泛，是目前应用较多的一种调节方式。

压开吸气阀调节方法通常包括两种，一种为在往复压缩机工作循环过程中全行程压开吸气阀，通过对往复压缩机多个气缸进行控制，达到调节气量目的，实现气量调节，但调节范围和精度较低，只能达到0％，25％，50％，75％，100％。

另一种为部分行程压开吸气阀，该方法通过在一个往复压缩机工作循环内控制吸气阀压开与关闭，达到在一定程度上控制排气量的目的，气量调节精度与范围超过全行程压开吸气阀方法。如专利US-A-5695325通过特定装置在气阀与阀座之间旋转，实现吸气阀开启关闭；专利EP-A-0893605通过电液控制技术驱动压叉压开吸气阀；已形成产品的包括浙江大学化机研究所研制的气量调节系统，奥地利贺尔碧格公司研发的HydroCOM无级气量调节系统，已申请中国专利CN03158561.2。

本发明涉及的气量调节系统采用间歇性全行程压开吸气阀技术，该技术通过调整压开吸气阀的往复压缩机工作循环个数与不压开吸气阀的工作循环个数之比，达到任意比例控制往复压缩机排量的效果，从而实现降低往复压缩机排气量和节能降耗的目的；该方法在保证调节精度的同时对控制系统精度要求大大降低，因此成本降低，且仍保持了部分行程顶开吸气阀调节方式能耗低、调节范围宽的优点；同时由于作用过程中，降低了吸气阀阀片的启闭次数，可大幅提高吸气阀使用寿命。

与本方法类似的发明有西安交通大学发明的一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法，专利CN101173658B，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。本发明方法与其区别在于：

1)本发明方法通过对下列间隔时间进行综合考虑，确定在输出液压执行机构动作信号前需延时的T₇、T₈、T₉、T₁₀的大小，从而确定液压执行机构的控制规律，具体包括：

获得控制信号到输出控制信号的间隔时间T₀，

输出控制信号到液压执行机构开始动作的间隔时间T₁，

液压执行机构完成顶出最短时间T₂，

执行机构电磁球阀最短放电时间T₃，

执行机构完成撤回最快时间T₄，

往复压缩机吸气平稳过程时间T₅；

一个往复压缩周期开始到吸气阀完全开启的时间为T₆；

2)可由现场操作人员根据往复压缩机后端工艺生产需要计算往复压缩机实际排气量占额定排气量的百分比K，更加贴近现场实际产生实际状态，并自动计算K/100％的最简分数，记为X/Y；

3)液压执行机构实际动作方式需根据T₇、T₈、T₉、T₁₀的大小确定，通常为：控制系统在得到要求顶出动作的信号后，延时T₇或T₈，输出控制信号，液压执行机构执行Y-X个往复压缩机工作循环的顶出动作；控制系统在得到要求撤回动作的信号后，延时T₉或T₁₀，输出控制信号，液压执行机构执行X-N个往复压缩机工作循环的撤回动作，当T₇＝0时，N＝0；当T₇大于0，且介于Q到Q+1个往复压缩循环周期的时间内，N＝Q+1，Q为非负整数；此为无级气量调节系统一个工作周期，此后重复这个工作周期；

4)本方法在整个气量调节系统启动后，通过延时Z个往复压缩机工作循环，Z为正整数，完成气量调节系统的自检工作，并在第Z+1个触发信号到达后，开始气量调节系统周期性工作；整个气量调节系统在获得停止工作的信号后，需在完成正在执行的工作周期后停止工作。

发明内容

一种往复压缩机无级气量调节方法，其特征在于：

1)该无级气量调节方法为间歇性全行程压开吸气阀方法，具体为：在往复压缩机若干个工作循环内强制性全行程压开吸气阀，使气体在压缩过程中通过吸气阀回到吸气管道内；在若干个工作循环内不压开吸气阀，使往复压缩机正常工作；本方法采用的设备包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、信号测量系统与配套密封机构；

2)本方法中，气量调节设定参数为K，K＝0～100％，代表现场往复压缩机实际需求排气量占额定排气量的百分比，K根据现场往复压缩机工艺生产需要进行设定；

3)根据气量调节设定参数K，求得K/100％最简分数，记为X/Y，X为液压执行机构不压开吸气阀的往复压缩机工作循环个数，Y-X为液压执行机构压开吸气阀的往复压缩机工作循环个数；

4)计算信号测量系统、气量调节控制系统与液压执行机构整体响应时间，测算往复压缩单个周期时间，记为T；测算控制系统从获得控制信号到输出控制信号的间隔时间，记为T₀；测算从输出控制信号到液压执行机构开始动作的间隔时间，记为T₁；测算液压执行机构完成顶出最短时间，记为T₂；测算液压执行机构电磁球阀最短放电时间，记为T₃；测算液压执行机构完成撤回最快时间，记为T₄；测算往复压缩机吸气平稳过程时间，记为T₅；测算一个往复压缩周期开始到吸气阀完全开启的时间，记为T₆；

选择液压动力系统需保证T₂<T₅，T₄<T₅，使液压执行机构的顶出与撤回时间在吸气过程内完成，防止在压缩过程中，液压执行机构动作，导致气量调节精度受影响；同时，需保证T₀+T₁<(Y-X)*T与T₀+T₁<X*T同时成立；

5)确定T₇、T₈：若(T₀+T₁+T₂)>(T₅/2+T₆)，为防止液压执行机构在排气过程中压开吸气阀阀片，需在得到控制信号后延时T₇，再输出动作信号，控制液压执行机构顶出动作，T₇＝[(S+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₂)，(T₀+T₁+T₂)<[(S+1)*T+T₅/2+T₆]，T₇小于X个往复压缩循环持续时间，S为非负整数，须小于X；

若T₆≤T₀+T₁+T₂≤T₅/2+T₆，T₇＝0，则可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，即在获得控制信号后立即输出动作信号；

若T₀+T₁+T₂＜T₆，T₇＝0，可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，但需要在得到控制信号后延时T₈，T₈＝(T₅/2+T₆)-(T₀+T₁+T₂)；

6)确定T₉、T₁₀：若(T₀+T₁+T₄)>(T₅/2+T₆)，为防止液压执行机构在排气过程中撤回，需在得到控制信号后延时T₉，再输出动作信号，控制液压执行机构撤回动作，T₉＝[(M+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₄)，(T₀+T₁+T₄)<[(M+1)*T+T₅/2+T₆]，T₉须小于Y-X个往复压缩循环持续时间，M为非负整数，须小于Y-X；

若T₆≤T₀+T₁+T₄≤T₅/2+T₆，T₉＝0，则可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的撤回，即在获得控制信号后立即输出动作信号；

若T₀+T₁+T₄＜T₆，T₉＝0，可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，但需要在得到控制信号后延时T₁₀，T₁₀＝(T₅/2+T₆)-(T₀+T₁+T₄)；

一个调节周期的具体过程为：根据T₀+T₁+T₂与T₅，T₆大小关系，确定T₇，T₈，根据T₀+T₁+T₄与T₅，T₆大小关系，确定T₉，T₁₀；气量调节控制系统在得到要求顶出动作的信号后，延时T₇或T₈，输出控制信号，液压执行机构执行顶出动作，并保持顶出Y-X个往复压缩机工作循环；控制系统在得到要求撤回动作的信号后，延时T₉或T₁₀，输出控制信号，液压执行机构执行撤回动作，并保持撤回X-N个往复压缩机工作循环；

当T₇＝0时，N＝0；当T₇大于0，且介于Q到Q+1个往复压缩循环周期的时间内，N＝Q+1，Q为非负整数。

附图说明

图1是本发明实例气阀运动规律模拟曲线；

图2是本发明实例20％气量下的控制规律示意图；

图3是本发明实例30％气量下的控制规律示意图；

图4是本发明实例50％气量下的控制规律示意图；

具体实施方式

针对一台2D型往复压缩机进行往复压缩机无级气量调节系统开发，该机组工作转速为300r/min，吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.3MPa。

1、该无级气量调节方法采用的设备包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、信号测量系统与配套密封机构。

液压动力与执行机构选用DYX型电液智能控制执行机构，气量调节控制系统由西门子S7-200 224XP型可编程逻辑控制器，欧姆龙固态继电器等组成，信号测量系统由Bently3300xl11mm电涡流传感器及其配套设备组成。

(1)液压系统整体结构包括液压控制柜，可编程逻辑控制器，液压控制柜内的防爆箱，液压油路截止阀，液压油泵，压力表，卸荷阀，蓄能器，电磁逻辑球阀，液压油缸，回油管路，高压油管路；

(2)液压控制柜中安装有安全阀，压力控制继电器，液压油泵驱动电机，单向阀，过滤器，储油箱；

(3)执行机构包括液压油缸紧固螺栓，液压油缸安装法兰，吸气阀压紧螺母、螺栓，吸气阀盖端面密封圈，十字头万向节，吸气阀压盖，吸气阀卸荷器，吸气阀盖端面密封圈，液压油缸活塞杆，吸气阀阀盖。

2、该无级气量调节方法实施与工作过程

(1)吸气阀阀片运动规律的研究

针对往复压缩机进行顶开吸气阀气量调节时，液压执行机构何时顶开或者撤回，直接决定气量调节效果的好坏以及气阀寿命的长短。本发明采用的间歇性全行程压开吸气阀方法，要求在吸气阀完全打开状态下，即往复压缩循环中的吸气阶段，液压执行机构驱动吸气阀卸荷器进行压开吸气阀动作；同时，也在吸气阀完全打开状态下液压执行机构驱动吸气阀卸荷器进行撤回运动。

往复压缩机工作过程分为4个阶段，分别为膨胀、吸气、压缩、排气，当活塞从缸体外止点(缸头)位置换向后，往复压缩机外侧缸首先进入膨胀阶段，持续时间通常为20ms左右(针对300r/min往复压缩机)，之后进入吸气过程。往复压缩机内侧缸与此类似；当活塞从缸体内止点位置换向后，内侧缸首先进入膨胀阶段，持续时间通常为20ms左右(针对300r/min往复压缩机)，之后进去吸气过程。因此研究吸气阀阀片正常工作过程中的运动规律是进行气量调节方法与系统设计的先决条件。

本压缩机采用的吸气阀相关工作参数如下表所示。

对吸气阀阀片运动规律进行模拟，根据气阀阀片运动理论模型采用计算机进行模拟，得到响应的曲线，见附图1。从图1可以看出，吸气阀于曲轴转角50°左右开始开启，到70°完成开启动作；于130°左右开始出现关闭趋势，阀片经过反复波动后，于180°后完全关闭。因此，吸气阀卸荷器最佳的完成顶出运动时间为：曲轴转角70°～130°左右，该阶段吸气阀阀片处于完全打开状态，且稳定的位于阀座上。

根据往复压缩机转速为300r/min，单个往复压缩循环时间为0.2s，曲轴转角70°～130°持续时间约为0.2s/6≈33ms，T₅≈33ms，T₆≈36ms。

(2)信号测量系统、气量调节控制系统、液压执行机构的响应研究

为了获得顶出与撤回控制信号，在往复压缩机飞轮上安装键相块，并在对应位置安装Bently3300xl11mm电涡流传感器，往复压缩机飞轮每转一圈，电涡流传感器将会捕捉到一个脉冲信号，用以控制无级气量调节系统。

计算信号测量系统、气量调节控制系统与液压执行机构整体响应时间：

1)计算从获得控制信号到输出控制信号的间隔时间，T₀≈2ms；

2)计算从输出动作信号到液压执行机构开始动作的间隔时间，T₁≈40ms；

3)计算液压执行机构完成顶出最短时间，记为T₂≈20ms；

4)计算执行机构电磁球阀最短放电时间，记为T₃≈25ms；

5)计算执行机构完成撤回最快时间，记为T₄≈22ms。

由于T₀+T₁+T₂≈62ms大于T₅/2+T₆，需在得到控制信号后延时T₇(T₇＝[(S+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₂)，对T₇进行圆整)，再输出动作信号，使液压执行机构在阀片平稳状态时完成顶出动作；撤回动作与顶出动作类似，由于T₀+T₁+T₄≈64ms大于T₅/2+T₆，需在得到控制信号后延时T₉(T₉＝[(M+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₄)，对T₉进行圆整)再输出动作信号，使液压执行机构在阀片平稳状态时完成撤回动作。

由于该控制方法顶出与撤回动作至少持续一个往复压缩循环，因此T₃≈25ms是满足使用要求的。

(3)实际动作过程

选择20％，30％与50％三种气量调节要求，对本套系统的实际工作过程进行介绍。

已知本实例使用的往复压缩机转速为300r/min，单个往复压缩循环时间为0.2s，T₀≈2ms，T₁≈40ms，T₂≈20ms，T₄≈22ms，在曲轴转角100°左右时完成顶出与撤回动作，S＝0，M＝0，Q＝0，N＝1，T₇≈190ms，T₉≈188ms；令Z＝100，持续时间为20s，完成系统自检工作。

1)20％气量调节要求

X/Y＝20％/100％＝1/5，X＝1，Y＝5。

具体动作过程示意图如图2所示，经过100个往复压缩循环后，在第101个往复压缩循环中获得顶出控制信号，经过延时190ms输出顶出动作控制信号，62ms后完成液压油缸的顶出动作，卸荷器顶开吸气阀，之后保持4个往复压缩循环；在第105个往复压缩循环中获得撤回控制信号，经过延时188ms输出撤回动作控制信号，64ms后完成液压油缸的撤回动作，卸荷器离开吸气阀阀片，直到获得下一个顶出控制信号，此为完成一个气量调节工作周期。

下一个气量调节工作周期开始于第106个往复压缩循环，并重复上述工作过程。

在获得气量调节系统停止工作的指令后，系统将在完成正在执行的气量调节工作周期后停止工作。

2)30％气量调节要求

X/Y＝30％/100％＝3/10，X＝3，Y＝10。

具体动作过程示意图如图3所示，经过100个往复压缩循环后，在第101个往复压缩循环中获得顶出控制信号，经过延时190ms输出顶出动作控制信号，62ms后完成液压油缸的顶出动作，卸荷器顶开吸气阀，之后保持7个往复压缩循环；在第108个往复压缩循环中获得撤回控制信号，经过延时188ms输出撤回动作控制信号，64ms后完成液压油缸的撤回动作，卸荷器离开吸气阀阀片，直到获得下一个顶出控制信号，此为完成一个气量调节工作周期。

下一个气量调节工作周期开始于第111个往复压缩循环，并重复上述工作过程。

在获得气量调节系统停止工作的指令后，系统将在完成正在执行的气量调节工作周期后停止工作。

3)50％气量调节要求

X/Y＝50％/100％＝1/2，X＝1，Y＝2。

具体动作过程示意图如图4所示，经过100个往复压缩循环后，在第101个往复压缩循环中获得顶出控制信号，经过延时190ms输出顶出动作控制信号，62ms后完成液压油缸的顶出动作，卸荷器顶开吸气阀，之后保持1个往复压缩循环；在第102个往复压缩循环中获得撤回控制信号，经过延时188ms输出撤回动作控制信号，64ms后完成液压油缸的撤回动作，卸荷器离开吸气阀阀片，直到获得下一个顶出控制信号，此为完成一个气量调节工作周期。

下一个气量调节工作周期开始于第103个往复压缩循环，并重复上述工作过程。

在获得气量调节系统停止工作的指令后，系统将在完成正在执行的气量调节工作周期后停止工作。

3、本发明的往复压缩机无级气量调节方法可通过对K/100％的最简分数X/Y进行变换，令X₁/Y₁＝const*X/Y，const为正整数，用于提高液压油缸动作时间间隔，放大气量调节系统工作周期，提高液压系统使用寿命。

Claims (1)

1.一种往复压缩机无级气量调节方法，其特征在于：

1)该无级气量调节方法为间歇性全行程压开吸气阀方法，具体为：在往复压缩机若干个工作循环内强制性全行程压开吸气阀，使气体在压缩过程中通过吸气阀回到吸气管道内；在若干个工作循环内不压开吸气阀，使往复压缩机正常工作；本方法采用的设备包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、信号测量系统与配套密封机构；

2)本方法中，气量调节设定参数为K，K＝0～100％，代表现场往复压缩机实际需求排气量占额定排气量的百分比，K根据现场往复压缩机工艺生产需要进行设定；

3)根据气量调节设定参数K，求得K/100％最简分数，记为X/Y，X为液压执行机构不压开吸气阀的往复压缩机工作循环个数，Y-X为液压执行机构压开吸气阀的往复压缩机工作循环个数；

4)计算信号测量系统、气量调节控制系统与液压执行机构整体响应时间，测算往复压缩单个周期时间，记为T；测算控制系统从获得控制信号到输出控制信号的间隔时间，记为T₀；测算从输出控制信号到液压执行机构开始动作的间隔时间，记为T₁；测算液压执行机构完成顶出最短时间，记为T₂；测算液压执行机构电磁球阀最短放电时间，记为T₃；测算液压执行机构完成撤回最快时间，记为T₄；测算往复压缩机吸气平稳过程时间，记为T₅；测算一个往复压缩周期开始到吸气阀完全开启的时间，记为T₆；

选择液压动力系统需保证T₂<T₅，T₄<T₅，使液压执行机构的顶出与撤回时间在吸气过程内完成，防止在压缩过程中，液压执行机构动作，导致气量调节精度受影响；同时，需保证T₀+T₁<(Y-X)*T与T₀+T₁<X*T同时成立；

5)确定T₇、T₈：若(T₀+T₁+T₂)>(T₅/2+T₆)，为防止液压执行机构在排气过程中压开吸气阀阀片，需在得到控制信号后延时T₇，再输出动作信号，控制液压执行机构顶出动作，T₇＝[(S+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₂)，(T₀+T₁+T₂)<[(S+1)*T+T₅/2+T₆]，T₇小于X个往复压缩循环持续时间，S为非负整数，须小于X；

若T₆≤T₀+T₁+T₂≤T₅/2+T₆，T₇＝0，则可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，即在获得控制信号后立即输出动作信号；

若T₀+T₁+T₂＜T₆，T₇＝0，可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，但需要在得到控制信号后延时T₈，T₈＝(T₅/2+T₆)-(T₀+T₁+T₂)；

6)确定T₉、T₁₀：若(T₀+T₁+T₄)>(T₅/2+T₆)，为防止液压执行机构在排气过程中撤回，需在得到控制信号后延时T₉，再输出动作信号，控制液压执行机构撤回动作，T₉＝[(M+1)*T+T₅/2+T₆]-(T₀+T₁+T₄)，(T₀+T₁+T₄)<[(M+1)*T+T₅/2+T₆]，T₉须小于Y-X个往复压缩循环持续时间，M为非负整数，须小于Y-X；

若T₆≤T₀+T₁+T₄≤T₅/2+T₆，T₉＝0，则可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的撤回，即在获得控制信号后立即输出动作信号；

若T₀+T₁+T₄＜T₆，T₉＝0，可在往复压缩机一个工作循环内实现从控制信号的获得到液压执行机构的顶出，但需要在得到控制信号后延时T₁₀，T₁₀＝(T₅/2+T₆)-(T₀+T₁+T₄)；

一个调节周期的具体过程为：根据T₀+T₁+T₂与T₅，T₆大小关系，确定T₇，T₈，根据T₀+T₁+T₄与T₅，T₆大小关系，确定T₉，T₁₀；气量调节控制系统在得到要求顶出动作的信号后，延时T₇或T₈，输出控制信号，液压执行机构执行顶出动作，并保持顶出Y-X个往复压缩机工作循环；控制系统在得到要求撤回动作的信号后，延时T₉或T₁₀，输出控制信号，液压执行机构执行撤回动作，并保持撤回X-N个往复压缩机工作循环；

当T₇＝0时，N＝0；当T₇大于0，且介于Q到Q+1个往复压缩循环周期的时间内，N＝Q+1，Q为非负整数。