CN103233884A - 一种往复压缩机负荷无级调节方法 - Google Patents

Abstract

一种往复压缩机负荷无级调节方法，它在压缩机上设置一个能够压开吸气阀的执行机构和一个控制系统，通过执行机构和控制系统对压缩机负荷进行调节，即通过计算机控制系统或PLC系统将编辑好的程序确定每个气缸控制顺序及各自气缸轴侧、盖侧加载、空载先后顺序，从而可以实现各气缸压力、流量的协调控制。本发明可以对压缩机的排气量从0～100%进行无级调节，使压缩机在启动时缓慢升压，使系统和机组的可靠性增加，使驱动电机对电网的冲击更小。

Description

一种往复压缩机负荷无级调节方法

技术领域

本发明涉一种往复压缩机负荷的调节方法。

背景技术

往复压缩机（以下简称压缩机）被广泛应用于制冷、发动机、化工过程、气体输送、机械制造以及几乎各个需要输送或者压缩气体的场所。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，都有一定的余量。另一方面，在实际使用中，进气工况的变化、生产需求的改变等经常发生，导致实际气体的需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，即要求压缩机的负荷率可以调节。压缩机负荷调节方法有很多，但能够实现对大型工艺往复式压缩机进行连续、经济、高效、快捷、精准调节的方式并不多。常用的有驱动机转速调节、 余隙腔调节、旁通回流调节、开停机调节等。驱动机转速调节气量调节连续，功率消耗小，但大功率、高压变频器价格昂贵，投资巨大；余隙腔调节可以实现连续调节，但需要较多的人工干涉，响应速度慢，系统可靠性较差，易损件多，难于维护，不适用于现有设备的改造；旁通回流调节比较灵活，而且简单易行，配上自动控制系统调节精度也比较高，但是因为多余气体的全部压缩功都损耗掉，所以经济性差；开停机控制调节调节幅度较大，阶梯形控制，只适用于粗调节。

通过压开吸气阀进行负荷调节的方法节能效果明显，它包括部分行程压开吸气阀和全行程压开吸气阀等。

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确定，从而在减少排气量的同时降低功耗。这可通过执行机构使吸气阀不停地通过压叉被压开、关闭，每个工作循环内吸气阀压开、关闭的时刻经过快速、精确的计算和控制，排气量可在0—100%调节。压缩机压叉必须在吸气阀正常开启、关闭的工作循环周期内完成吸气阀片压下——保持——释放，这样一来需要执行机构的响应速度和寿命都有极高的要求。

另一种全行程压开吸气阀方法是将压缩机部分或全部吸气阀压开卸载的调节。采用这种方式只能提供阶跃式的调节，如对每一级都是单个双作用气缸的压缩机来说，可实现0、50%、100%三档流量调节；如对单级有两个同样的双作用气缸则可实现0、25%、50%、75%、100%五档流量调节。

中国专利、公告号为CN 101173658、“一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法”则采用占空比的概念使压缩机间断性的进行压开吸气阀进行负荷调节。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的缺陷、提供一种往复压缩机负荷无级调节方法，它可以实现排气量在0～100%负荷内连续、节能、可靠地进行排气量调节。

本发明所述目的是以下述技术方案实现的：

一种往复压缩机负荷无级调节方法，它在压缩机上设置一个能够压开吸气阀的执行机构和一个控制系统，通过执行机构和控制系统对压缩机负荷进行调节，所述调节按如下步骤进行：

A.  确定压缩机负荷率W，所述压缩机负荷率W是压缩机实际排气量与额定排气量的比值,在0—100%范围内输入压缩机需要负荷率W或控制系统根据需求自动调整负荷率W；

B.  根据负荷率W确定控制周期的活塞动作循环数N，即压开吸气阀的执行机构在一个控制周期内完成一整套动作，包括压下——保持——释放所经历的活塞动作循环数；1个循环包含1个吸气行程和1个排气行程，由N个循环组成一个控制周期；其中， N为大于1的正整数，如N=1，则为部分行程压开吸气阀气量调节；为尽量减少负荷波动，一般N根据负荷率W的大小而变化,W越大则N越大;W越小则N越小；

C.  压缩机先执行不足一个活塞动作循环部分的空载，然后执行不足一个活塞动作循环部分的加载，即第一个循环先空载再加载；

D.  然后压缩机执行其余整数的加载循环；

E.  再执行其余整数空载循环；

F.   重复上述步骤C—E，如负荷率进行了调整，则根据调整后的参数重复步骤3—5 。

上述往复压缩机负荷无级调节方法，所述步骤C、D中，加载工作是连续的，后续步骤E～C空载工作也是连续的；根据生产要求，为追求更加均匀的排气量，只需将N值缩小即可；为追求更少的加载、空载动作频率，只需将N值增大即可。

上述往复压缩机负荷无级调节方法，所述压缩机若为单缸双作用压缩机，则将轴侧、盖侧分别执行上述加载、空载循环，并将加载时间刻意错开，则压缩机排气量会更加均匀；

所述压缩机若为多缸、双作用压缩机，则将每个气缸的轴侧、盖侧分别执行上述加载、空载循环，并将加载时间刻意错开。

以单缸单作用压缩机负荷率W=60%为例，可活塞动作循环数N=4,：加载循环=4×60%=2.4个，空载循环=4×（1-60%）=1.6个，即压缩机需在1个控制周期（即4个循环）内执行2.4个加载循环，2.4个空载循环。具体执行顺序为：先执行0.6个空载，然后执行0.4个加载，再继续执行2个加载，最后执行1个空载，如此循环进行。

若上述为单缸双作用压缩机，则将轴侧、盖侧分别执行上述加载、空载循环，并将加载时间刻意错开，则压缩机排气量会更加均匀。

本发明中，先执行空载或者先执行加载在一个控制周期中并不是非常重要，重要的是，在1个控制周期内压缩机执行机构只执行1次空载与1次加载动作，并且下一个控制周期可以延续上1个控制周期结束时的加载或空载动作。

压缩机的1个控制周期时间开始的信号由在飞轮或曲轴、十字头上产生一个指示活塞位置的脉冲信号并送给控制系统。

本发明所述方法不仅仅适用于压缩机的一个单作用气缸。当存在多个气缸，或双作用、多个列时，可认为每一个气缸的轴侧、盖侧都是独立的，可以分别加以控制：每个吸气阀安装一个独立的执行机构，各自气缸轴侧、盖侧吸气阀分别实施以上步骤，即一个气缸的轴侧吸气阀同时执行同一动作，盖侧吸气阀同时执行另外一动作；整机共用一个控制系统，通过计算机控制系统或PLC等编辑好的程序确定每个气缸控制周期及各自气缸轴侧、盖侧加载、空载先后顺序，从而可以实现各气缸压力、流量的协调控制。

本发明的特点在于：若将压缩机每个控制周期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；全行程压开吸气阀方法是将压缩机部分或全部吸气阀压开卸载的调节，采用这种方式只能提供阶梯的调节。公告号为CN 101173658、“一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法”则采用占空比的概念，使压缩机间断性的对某些工作循环进行全行程压开吸气阀负荷调节。本发明通过在一个控制周期内对其中1个工作循环排气量进行部分调节，对其余工作循环排气量全行程加载或空载调节。采用本发明后排气量较部分行程压开吸气阀方法可以提高控制系统和执行机构的寿命，较所述全行程压开吸气阀及“公告号 CN 101173658 B”的专利方法更为均匀。

本发明可以对压缩机的排气量从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。本发明与部分压开吸气阀调节相比，吸气阀被强制开启的次数减少，可以提高控制系统和执行机构的寿命；与全行程压开吸气阀调节方式相比，调节可以在0～100%进行无级调节；与“公告号 CN 101173658 B”相比排气量波动更小。另外，本发明还可以使压缩机在启动时缓慢升压，使系统和机组的可靠性增加，使驱动电机对电网的冲击更小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图l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是中国专利、公告号为CN 101173658的调节方法示意图；

图4是本发明所述排气量调节方法示意图；

图5是实施例1所述排气量调节方法示意图；

图6是本发明执行机构原理示意图。

图中各标号清单为：1、吸气阀；2、卸荷器；3、液压缸；4、控制阀；5、单向阀；6、液压油站；7、执行机构。

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l，表示的是压缩机中一个双作用气缸部分行程压开吸气阀调节方法的原理。横轴为时间轴，上部的窄矩形条分别表示轴侧吸气、排气循环过程；下部的矩形分别表示盖侧吸气、排气循环过程。图形中无色部分代表气缸吸气过程；灰色部分代表气缸排气时压开吸气阀的过程；黑色部分代表气缸排气时正常排气的过程。这种技术调节气量时对每个排气过程都进行调节，调节可以在0—100%范围任意进行。

参见图2，表示的是某压缩机的一个双作用气缸全行程压开吸气阀调节方法的原理。横轴为时间轴，上部的窄矩形条分别表示轴侧吸气、排气循环过程；下部的矩形分别表示盖侧吸气、排气循环过程。图形中无色部分代表气缸吸气过程；黑色部分代表气缸排气时正常排气的过程。这种技术调节气量时只能对轴侧或盖侧所有行程进行调节，每个轴侧或盖侧只有0和100%两种状态，整个气缸的调节只能按0、50%、100%三个档进行。

参见图3，“公告号 CN 101173658 B”调节方法的示意图，图中无色框代表压开吸气阀无排气，黑色框代表正常排气。这种技术调节气量时对每个控制周期内的几个排气过程进行控制，即无色框部分排气循环完全压开吸气阀不排气，黑色框部分整个排气循环正常排气。但不管是否正常排气，其对单个的排气循环来说只会是排气或不排气其中的一种。该调节理论上可以在0—100%范围任意进行，但排气过程波动较大。

参见图4，表示的是某压缩机的一个双作用气缸气量调节原理，即本发明所述排气量调节方法。图中每一个控制周期有2个活塞动作循环，即N为2。横轴为时间轴，上部的窄矩形条分别表示轴侧吸气、排气循环过程；下部的矩形分别表示盖侧吸气、排气循环过程。当然，由于压缩机的吸排气过程中气量的变化与时间的函数关系比较复杂，因此，图4仅是实际吸排气过程的示意图。图形中无色部分代表气缸吸气过程；灰色部分代表气缸排气时吸气阀压开状态的过程；黑色部分代表气缸排气时正常排气的过程。如图4所示总负荷0%，第1、2活塞动作循环全过程压开吸气阀，没有气体通过排气阀排出气缸，总负荷0%。如图4所示总负荷40%，第1活塞动作循环，全过程压开吸气阀，没有气体通过排气阀排出气缸，负荷0%；第2活塞动作循环，首先继续保持压开吸气阀，气缸开始排气时没有气体通过排气阀排出气缸，然后，释放吸气阀，压缩并排出第2活塞动作循环中剩余的80%气体，总负荷为：(0%+80%)/2=40%。如图4所示总负荷60%，第1活塞动作循环，首先压开吸气阀，气缸开始排气时没有气体通过排气阀排出气缸，然后，释放吸气阀，压缩并排出第1活塞动作循环中剩余的20%气体；第2活塞动作循环始终释放吸气阀状态，负荷为100%，总负荷为：(20%+100%)/2=60%。如图4所示总负荷100%，第1、2活塞动作循环全过程释放吸气阀，所有气体通过排气阀排出气缸，总负荷100%。这种技术调节气量时对每个控制周期内的排气过程进行联合调节，既有完全压开吸气阀的排气过程；也有部分压开吸气阀的排气过程；还有正常的释放吸气阀排气过程。即在1个控制周期内只需完成1次对吸气阀“压下——保持——释放”的调节过程，通过控制释放的时间点实现对排气量的调节，使排气量可以在0—100%范围进行任意调节。

实施例l的调节方法见之于图5：

以转速为420r/min单缸双作用压缩机为例，按本发明需要配备一套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．在0—100%范围内输入压缩机需要负荷或控制系统根据需求自动调整负荷，本实例确定负荷率W=60%，见图5中总负荷60%处所示；

    2. 确定控制周期的活塞动作循环数N，本实例选择N=4。将负荷均匀分配给轴侧、盖侧（也可以将负荷不均匀分配给轴侧、盖侧），则轴侧、盖侧1个控制周期分别负责各自4个循环的60%，即加载循环=6×40%=2.4个，空载循环=4×（1-60%）=1.6个； 

3.在第1个控制周期，压缩机可先执行轴侧不足1个活塞动作循环部分的空载，即先空载循环0.6个；然后执行不足一个活塞动作循环部分的加载，即加载0.4个；然后压缩机执行轴侧其余整数的加载循环，即2个加载循环； 

4. 在第1个控制周期，压缩机同时执行盖侧1个整数的加载循环；然后执行1个空载循环；再执行不足1个活塞动作循环部分的空载，即空载循环0.6个；再然后执行不足一个活塞动作循环部分的加载，即加载0.4个；最后压缩机执行盖侧其余整数加载循环，即1个加载循环；盖侧与轴侧一般错开空载时间；

5. 在第2个控制周期，压缩机延续第1个控制周期的动作过程（可以看出，在1个控制周期内，压缩机执行1次加载、空载过程）；

6. 重复上述步骤3—5，如负荷参数进行了调整，则根据调整后的参数重复步骤3—5 ，如此不断循环进行。

在以上各实施例中，步骤1中的负荷率W可以通过程序编辑进行更改，可以事先设定在控制系统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手动修改，也可通过数据通信方式远程手动修改，还可以利用程序接受的数据经过运算处理后自动修正。步骤2中的控制周期的活塞动作循环数N为预先根据W的变化设定的相对应的常数。整机共用一个控制系统，1个控制周期时间开始的信号由在飞轮或曲轴、十字头上产生一个指示活塞位置的脉冲信号并送给控制系统，通过计算机控制系统或PLC等编辑好的程序确定每个气缸控制顺序及各自气缸轴侧、盖侧加载、空载先后顺序，从而可以实现各气缸压力、流量的协调控制。

本发明与部分行程压开吸气阀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，如图6所示。图中液压油站6提供液压油，液压油通过液压缸3的作用，使卸荷器2压住吸气阀阀片1，延迟关闭吸气阀，使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管；控制阀4接受指令，并控制液压油的通、闭及流向等，实现对压缩机吸气阀1通、闭的控制，单向阀5控制液压油的流向。

本发明执行机构7的动力，可以采用气动、液压、电动或其他任何可以产生足够驱动力的方式。

本发明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，这些步骤以可执行程序的形式事先存储于程序存储器中，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。控制系统可以接收直接负荷信号，也可以根据需求自动调整负荷。

Claims (3)

1.一种往复压缩机负荷无级调节方法，其特征在于，在压缩机上设置一个能够压开吸气阀的执行机构（7）和一个控制系统，通过执行机构（7）和控制系统对压缩机负荷进行调节，所述调节按如下步骤进行：

A. 确定压缩机负荷率W，所述压缩机负荷率W是压缩机实际排气量与额定排气量的比值,在0—100%范围内输入压缩机需要负荷率W或控制系统根据需求自动调整负荷率W；

B.根据负荷率W确定控制周期的活塞动作循环数N，即压开吸气阀的执行机构在一个控制周期内完成一整套动作，包括压下——保持——释放所经历的活塞动作循环数；1个循环包含1个吸气行程和1个排气行程，由N个循环组成一个控制周期；其中， N为大于1的正整数，如N=1，则为部分行程压开吸气阀气量调节；为尽量减少负荷波动，一般N根据负荷率W的大小而变化,W越大则N越大;W越小则N越小；

C. 压缩机先执行不足一个活塞动作循环部分的空载，然后执行不足一个活塞动作循环部分的加载，即第一个循环先空载再加载；

D. 压缩机执行其余整数的加载循环；

E. 再执行其余整数空载循环；

F.  重复上述步骤C—E，如负荷率进行了调整，则根据调整后的参数重复步骤3—5 。

2.根据权利要求1所述的一种往复压缩机负荷无级调节方法，其特征在于，所述步骤C、D中，加载工作是连续的，后续步骤E～C空载工作也是连续的；根据生产要求，为追求更加均匀的排气量，只需将N值缩小即可；为追求更少的加载、空载动作频率，只需将N值增大即可。

3.根据权利要求2所述的一种往复压缩机负荷无级调节方法，其特征在于，所述压缩机若为单缸双作用压缩机，则将轴侧、盖侧分别执行上述加载、空载循环，并将加载时间刻意错开，则压缩机排气量会更加均匀；

所述压缩机若为多缸、双作用压缩机，则将每个气缸的轴侧、盖侧分别执行上述加载、空载循环，并将加载时间刻意错开。

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