CN107228068A - 一种往复式压缩机排气量调节方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种往复式压缩机无级气量调节方法，达到了机组经济运行的目的。为了克服旁路回流调节、变余隙容积调节、压开进气阀调节等压缩机排气量调节方法的各种技术缺点，本发明基于顶开进气阀调节气量的基本原理，采用全周期变力值加载控制往复式压缩机气量，实现气量0～100％满量程无级调节，节能效果明显，结构简单，无需高频快速响应阀，不造成阀片磨损，基本适用于所有转速机组，适用范围广；本发明的一个关键点在于液压调压回路的设计和变负荷下液压强制卸荷力的计算。

Description

一种往复式压缩机排气量调节方法与装置

技术领域

本发明涉及一种往复式压缩机排气量调节方法与装置，实现了往复压缩机排气流量的无级调节，达到了机组经济运行的目的。

背景技术

往复式压缩机作为一种容积式压缩机，压缩机作为工业技术装备中的关键设备，广泛应用于石油、化工、炼油、采气、注气、输气等领域。往复压缩机在许多特定的领域中，都需要进行气量调节和灵活控制，如进气量不足、排气需求降低等，实现优化节能运行和联机运行。如何使机组运行于生产需要的负荷是企业都要面对的问题，处理不好则会使机组处于低效运行状态，机组工况改变、大量能源被浪费。

目前调节压缩机排气量的方法有：旁路回流调节、变余隙容积调节、压开进气阀调节、变转速调节。旁路回流调节方式是将经过压缩的高压级气体通过旁路管道引到低压机入口进行调节，调节方式简单灵活、安全可靠、操作方便，是常规的气量调控方法，广泛应用于各类往复压缩机。但在该调节方式下压缩机始终处于满载工况运行，多余的气体由高压级回流至低压级被反复压缩，造成了大量的能量浪费。

为了实现往复机组排气量可调，实现机组的节能经济运行，CN100434695C公开了一种往复式压缩机余隙调节方法，该方法在往复式压缩机的装配过程中，通过十字头与活塞杆连接处的调整环之间形成的密封腔的轴向尺寸的改变，调整处于止点位置时活塞与气缸盖壁面间的间隙，从而达到调节往复式压缩机余隙的目的。CN103291596A公开了一种基于余隙调节的压缩机流量调节系统，利用执行电机控制调节气缸容积变化，改变压缩机气缸余隙容积大小，实现压缩机流量调节。武汉理工大学提出了活塞往复式压缩机余隙调节装置(CN201225264Y)，通过液压动力系统及控制系统调节余隙缸容积实现压缩机排气量的调节。但采用调节余隙调节气量通常只能在盖侧缸加装调节装置单侧气量，并且人为增大余隙容积会导致部分气体在气缸中反复压缩膨胀无法排出，导致气体温度大幅度升高；另外多级压缩机每级都采用余隙调节方式会使压缩机方向角减小，会对压缩机造成不利影响。

压开进气阀调节通过在工作过程中顶开进气阀实现无级调节排气量，能够最大限度的降低耗能，调节效果最优，是目前研究及应用较多的一种调节方式。CN101173658B 中公开了一种通过压缩机加载循环与空载循环间隔分布调节机组排气量的方法；CN103047123B通过设定参数K及系统响应时间间歇性顶开进气阀调节气体流量。这两种调节方法均为全行程顶开进气阀调节，即在卸载周期中整个周期全程顶开进气阀，加载周期中进气阀正常开闭。该调节方式调节精度与加载和卸载的总周期数相关，通过加大总周期数来增大负荷调节精度，要实现1％的气量负荷精度需要总周期数增至100，增大了调控时间不利于压力调节。

另外一种压开进气阀调节的方式是在每个压缩机工作行程的特定时间压开进气阀，保持进气阀开启直至设定活塞位置时撤销强制力，进气阀自动关闭，在原工作循环中增加了一个缸内气体回流至进气腔的过程，每个工作行程汇总多余的气体回流只压缩所需要气量的气体。基于该调节方式的调节装置已有所公示：美国专利US5833209及 US7331767中公开的调节装置通过高频快速响应开关阀打开或切断液压动力回路，控制进气阀顶开机构动作，实现压缩机每周期排气量的调节。该调节装置调节精度高，节能效果明显，但需要关键核心部件液压开关阀高频切换、快速响应，一年的开关次数高达上亿次，对阀的性能疲劳寿命要求极高；中国专利CN103244399B通过脉冲信号控制电磁阀驱动压缩机盖侧和轴侧进气阀的强制开启时间来实现压缩机周期气量调节，调节装置中同样需要关键的高频动作电磁阀；CN102937084A中采用由执行电机驱动吸气阀压杆轴向移动，吸气阀压杆的前端通过压叉控制控制吸气阀阀片位置，使吸气阀按照控制要求延时关闭，实现压缩机气量的自动无级调节，该方法在实际操作中存在较大难度且不能有效的实时调整气量；专利CN1987098A中公开的装置采用步进电机带动旋转液压分配器产生液压动力脉冲，驱动顶开机构动作，但其整套装置结构复杂，维护使用不方便。

另外，中国专利CN102220958A公开了一种调节装置，通过步进电机带动旋转阀片转动，阀片扇面转动至阀座扇形流道位置时气阀关闭，阀片扇形转动至阀座扇形流道位置时气阀开启。该调节方法及装置很容易造成阀片的磨损，使得阀片寿命大幅度降低。

发明内容

为了克服上述技术的缺点，本发明基于顶开进气阀调节气量的基本原理，提供了一种往复式压缩机无级气量调节方法与系统，实现气量0～100％满量程无级调节，节能效果明显，结构简单，无需高频快速响应阀，不造成阀片磨损，基本适用于所有转速机组，适用范围广。

全周期变力值加载控制的往复式压缩机无级气量调节的实现：

1)本方法需要依靠一套调节系统，包括加装在吸气阀上的卸荷机构、液压动力单元、信号采集变送单元、驱动控制器；

2)液压动力单元由液压柱塞缸、液压力控制阀、油泵、隔膜蓄能器、液压力变送器组成，实现快速升压—稳定保压—精确调压功能；信号采集变送单元由气体压力变送器、温度压力变送器、安全栅，前置器等组成，实现活塞位移信号采集、气体压力信号采集、液压缸温度信号采集、液压力信号采集等；驱动控制器将上位机系统输送过来的气体流量负荷信号转化为每级卸荷机构的加载力，最终转化为电流信号输出到液压力控制阀；

3)全周期变力值加载控制的往复式压缩机无级气量调节方法是通过给定持续电流，在压缩机全周期中持续加载液压力至液压柱塞缸，液压力传递途径为：液压柱塞缸→卸荷机构→进气阀阀片，最终在进气阀阀片上作用一个持续加载的强制外力，通过该强制力影响进气阀的开启和关闭时机，进而调节进气阀开启时间实现气量的调节；

4)在无外力强制作用于进气阀时，压缩机满气量运行，进气阀为自动启闭阀。进气阀开启关闭均由气缸内压力、进气腔压力、气阀弹簧力决定，如图1所示，膨胀过程中气缸内压力P_cy逐渐降低，当阀片前后压差力大于气阀弹簧力，即P_cy≤(P_s-ΔP)-F_sp/A_p时，式中A_p表示进气阀面积，F_sp表示进气阀阀簧力，ΔP表示压力损失，P_s表示进气压力，气阀离开阀座向升程限制器运动开始吸气过程；同理，当活塞反向运动后气缸容积开始减小，缸内压力P_cy上升，当阀片前后压差力小于弹簧力时，即P_cy≥(P_s-ΔP)-F_sp/A_p，气阀关闭开始压缩过程；

5)进气阀上加载持续强制力时，进气阀依然为自动启闭阀，进气阀阀片上除了受气缸内压力、进气腔压力、气阀弹簧力外，还受到爪式卸荷器强制力作用，如图2所示，爪式卸荷器通过阀座流道作用在阀片密封环面上。膨胀过程中气缸内压力P_cy逐渐降低，当阀片前后压差力与强制力的和大于气阀弹簧力，即 P_cyA_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f时，式中A_f表示爪式卸荷器作用在阀片上的面积，气阀离开阀座向升程限制器运动开始吸气过程，；当活塞反向运动后气缸容积开始减小，缸内压力P_cy上升，当阀片前后压差力与强制力的和小于弹簧力时，即 P_cyA_p+F_sp≥(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f，气阀关闭开始压缩过程；当作用了强制力F_f后，使进气阀关闭需要的气缸压力升高，活塞反向后气缸压力不足以立即关闭进气阀，需活塞继续运动，气缸容积进一步减小使气缸内压力P_cy提升至P_{cy_close}后，满足P_{cy_close}＝[(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f-F_sp]/A_p，进气阀才开始关闭，进气阀延迟关闭，活塞反向至进气阀关闭这段时间进气阀保持开启，气体回流至进气腔内；

6)式P_cyA_p+F_sp≥(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f中进气压力P_s、压力损失ΔP、进气阀阀簧力F_sp均为可测量的定值，强制力F_f为外部施加的强制力，力的大小可变，逐渐增大强制力F_f大小，进气阀开始关闭需要的气缸压力P_{cy_close}越高，气阀关闭越滞后，压缩排出的气体量越少；通过液压压力控制阀及液压动力单元改变强制力F_f大小，可实现压缩机排气量的调节，并且强制力F_f大小连续变化便能够实现气量的全量程无级调节；并且强制力F_f大小连续变化便能够实现气量的全量程无级调节；当F_f持续增大， P_{cy_max}A_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f，式中P_{cy_max}表示压缩过程中气缸最大气体压力，气缸气体压力不足以使进气阀关闭，整个工作过程中进气阀均保持开启，无压缩过程和排气过程，机组排气量为0；

7)获得压缩机相关参数，包括：压缩机转速ω，进气阀片质量M_s，进气压力P_s，进气阀面积A_p，爪式卸荷器作用在阀片上的面积A_f，进气阀阀簧力F_sp，气缸余隙容积 V_cle，气缸行程容积V_str，曲柄连杆比λ、进气阀流系数α_s，气体常数R,等热压缩系数k，进气温度T_s；

8)获取压缩机调控工艺参数—气量负荷比η(η∈[0,1])，气量负荷比根据不同控制模式按照不同的计算公式确定，手动控制模式下气量负荷比直接输入获得；自动模式下由控制器接收实际排气压力值、排气压力设定值，经过PID运算得到需要的气量负荷比；

9)获得气量负荷比η后，根据公式得到设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角θ_r，θ_r∈[π,2π]，当θ∈[π,θ_r]时， P_cyA_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f进气阀保持开启，1-η的气体经过进气阀回流至进气腔；当θ∈[θ_r，2π]时，P_cyA_p+F_sp＞(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f进气阀关闭，剩余η负荷比的气体经过压缩排出；

10)计算获得了进气阀延时关闭相位角θ_r后，采用龙格库塔数值算法求解进气阀关闭时的气缸内压力；取求解步长为根据进气阀强制打开气体回流的微分方程式求解得到进气阀关闭相位角θ_r处的气缸内压力值式中θ表示相位角，压比系数气缸容积

11)根据进气阀关闭行程时允许的最大速率确定进气阀阀片运动中的速率变化率结合10)计算得到的进气阀延时关闭相位角θ_r处气缸内压力值根据式计算出设定负荷下η的强制顶出力F_f；强制顶出力由柱塞缸液压力提供，因此所需持续液压力P_f＝F_f/A_c，A_c表示柱塞缸缸径；

12)液压力输出，通过采用泵—蓄能器稳压，控制器输出相应的电流值至比例调压阀，调节各路作用在柱塞缸上的液压力P_f，同级所有气缸所有进气阀执行液压缸均采用同一路调节阀控制，同级进气阀上全周期加载卸荷力，调节进气阀阀片自动延时关闭时间实现调节气量目的，加载不同大小卸荷力实现不同负荷气量的调控；

13)与现有的顶开进气阀调节方法相比，本发明为全周期加载卸荷力无需活塞外止点信号来确定活塞的位置；本发明只需保证在确定负荷下液压缸保持恒定液压力即可，无需高频快速动作的电磁阀；本发明同一级所有进气阀调节均采用一组调压阀，实现“一阀带一级”的简化配置；本发明是通过进气阀关闭行程时允许的最大速率确定的液压卸荷力，保证了进气阀阀片关闭时的碰撞速率优化提高了进气阀阀片的使用寿命。

附图说明

图1往复压缩机进气阀结构及满负荷工况进气阀工作原理示意图

图2卸荷器强制力顶开吸气阀气量调节方式原理图及进气阀阀片受力图

图3采用全周期变力值加载气量调节方式计算流程图

图4气量调节系统液压系统结构示意图

图5单级两缸对称平衡式往复压缩机气量调节系统拓扑图

图6采用全周期变力值加载气量调节系统不同负荷下示功图

其中

①—液压液温计 ②—网式滤油器 ③—温度传感 器④—定量泵 ⑤—防爆电⑥—单向阀 ⑦—电接点压力表 ⑧—隔膜蓄能器 ⑨—溢流阀 ⑩—比例减压 —执行油缸 比例溢流阀

15阀座通道 16阀座 17阀片 18弹簧 19升程限制器

21进气缓冲罐 22—上位机 23—插槽式控制器 24—液压油站 25—比例调压阀26—驱动电机 27—排气缓冲罐 28—往复压缩机 29—执行油缸

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。

本发明的调节系统由一套专门设计的液压执行机构和两套一备一用的冗余控制系统组成。由液压动力单元提供液压驱动力，液压系统构成图如图4所示。液压单元主供油回路由油泵—蓄能器保持系统主路压力稳定，系统主回路压力下降至某规定值时，压力继电器动作由逻辑切换模块控制油泵启动，液压泵像蓄能器供油；当供油压力升高至电接点压力表的调定值时，压力继电器动作由逻辑切换模块控制油泵关闭，由蓄能器保压。

液压缸驱动回路由比例减压阀、比例溢流阀、单向阀构成，液压缸伸出时供油压力由减压阀保持稳定，液压缸缩回时压力由溢流阀保持稳定。调节输入比例减压阀和溢流阀的电流，即可使得分支油路无级调压实现液压缸不同持续力加载。系统压力控制阀与执行油缸的配置采用“一阀带一级”形式，同一级所有进气阀上加装的液压执行油缸的调节均采用同一组调压阀调节。如图4所示一级回路由一组减压阀和溢流阀调控该级所有驱动油缸液压力，进而控制该级进气阀阀片动作。控制器为卡槽式结构，一个卡槽控制器最多输出8路控制电流信号，驱动8个液压缸执行动作，可根据实际机组级数、各级进气阀数选择配置各级控制器个数。

以一台单级两缸对称平衡式往复压缩机为例，针对该机组的气量调节系统拓扑图见图 5，机组信息如下：

往复压缩机相关参数如下：

压缩机转速ω＝34.8rad/s

进气阀片质量M_s＝0.05Kg

进气压力P_s＝0.1MPa

曲柄连杆比λ＝0.2

气缸余隙容积V_cle＝1.26e06mm³

气缸行程容积V_str＝8.83e06mm³

进气阀阀簧等效刚度7.9N/mm

爪式卸荷器作用在阀片上的面积A_f＝0.00244m³

液压缸活塞面积A_c＝78mm²

获取压缩机调控工艺参数—气量负荷比η(η∈[0,1])，气量负荷比根据不同控制模式按照不同的计算公式确定，手动控制模式下气量负荷比由上位机输入值确定；自动模式下由控制器接收实际排气压力值、排气压力设定值，经过PID运算得到需要的气量负荷比。本实例中分别设定负荷η为1、0.8、0.5、0.2、0，通过全周期加载相应的强制力实现设定负荷的调节。

本实例中机组为一级压缩，所有进气阀均采用同一组压力控制阀调节，多余不同气量负荷比η，根据图3的求解流程图分别计算出进气阀延时关闭相位角θ_r、进气阀关闭相位角θ_r处的气缸内压力值强制顶出力F_f所需持续液压力P_f，如下表所列：

采用本发明全周期变力值加载控制的往复式压缩机无级气量调节方法及系统，调节机组不同负荷下的示功图如图6所示。可以看出当逐渐增大强制力F_f大小，进气阀关闭需要的气缸压力越高，气阀关闭越滞后，压缩排出的气体量越少，示功图面积越小；通过液压压力控制阀及液压动力单元改变强制力F_f大小，可实现压缩机排气量的调节，并且强制力F_f大小连续变化便能够实现气量的全量程无级调节；当F_f持续增大至300N 后，气缸气体压力不足以使进气阀关闭，整个工作过程中进气阀均保持开启，无压缩过程和排气过程，机组排气量为0。

Claims (1)

1.一种往复式压缩机无级气量调节方法，，其特征在于：

1)通过在压缩机全周期中持续加载液压力至液压柱塞缸，液压力传递途径为：液压柱塞缸→卸荷机构→进气阀阀片，最终在进气阀阀片上作用一个持续加载的强制外力，通过该强制力影响进气阀的开启和关闭时机，进而调节进气阀开启时间实现气量的调节；

2)进气阀上加载持续强制力时，进气阀阀片上除了受气缸内压力、进气腔压力、气阀弹簧力外，还受爪式卸荷器强制力作用，爪式卸荷器通过阀座流道作用在阀片密封环面上；膨胀过程中气缸内压力P_cy逐渐降低，当阀片前后压差力与强制力的和大于气阀弹簧力，即P_cyA_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f时，式中A_p表示进气阀面积，A_f表示爪式卸荷器作用在阀片上的面积，F_sp表示进气阀阀簧力，P_s表示进气压力，F_f表示强制力，ΔP表示压力损失，气阀离开阀座向升程限制器运动开始吸气过程；当活塞反向运动后气缸容积开始减小，缸内压力P_cy上升，当阀片前后压差力与强制力的和小于弹簧力时，即P_cyA_p+F_sp≥(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f，气阀关闭开始压缩过程；当作用了强制力F_f后，使进气阀关闭需要的气缸压力P_cy升高，活塞反向后气缸压力不足以立即关闭进气阀，需活塞继续运动，气缸容积进一步减小使气缸内压力P_cy提升至P_{cy_close}后，满足P_{cy_close}＝[(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f-F_sp]/A_p，进气阀才开始关闭，进气阀延迟关闭，活塞反向至进气阀关闭这段时间进气阀保持开启，气体回流至进气腔内；

3)式P_cyA_p+F_sp≥(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f中进气压力P_s、压力损失ΔP、进气阀阀簧力F_sp均为可测量的定值，强制力F_f为外部施加的强制力，力的大小可变，逐渐增大强制力F_f大小，进气阀开始关闭需要的气缸压力P_{cy_close}越高，气阀关闭越滞后，压缩排出的气体量越少；通过改变强制力F_f大小，可实现压缩机排气量的调节，并且强制力F_f大小连续变化便能够实现气量的全量程无级调节；当F_f持续增大，P_{cy_max}A_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f，式中P_{cy_max}表示压缩过程中气缸中最大气体压力，气缸气体压力不足以使进气阀关闭，整个工作过程中进气阀均保持开启，无压缩过程和排气过程，机组排气量为0；

4)获得压缩机相关参数，包括：压缩机转速ω，进气阀片质量M_s，进气压力P_s，进气阀面积A_p，爪式卸荷器作用在阀片上的面积A_f，进气阀阀簧力F_sp，气缸余隙容积V_cle，气缸行程容积V_str，曲柄连杆比λ、进气阀流系数α_s，气体常数R,等热压缩系数k，进气温度T_s；

5)获取压缩机调控工艺参数—气量负荷比η(η∈[0,1])，气量负荷比根据不同控制模式按照不同的计算公式确定，手动控制模式下气量负荷比直接输入获得；自动模式下由控制器接收实际排气压力值、排气压力设定值，经过PID运算得到需要的气量负荷比；

6)获得气量负荷比η后，根据公式得到设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角θ_r，θ_r∈[π,2π]，当θ∈[π,θ_r]时，P_cyA_p+F_sp≤(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f进气阀保持开启，1-η的气体经过进气阀回流至进气腔；当θ∈[θ_r,2π]时，P_cyA_p+F_sp>(P_s-ΔP)(A_p-A_f)+F_f进气阀关闭，剩余η负荷比的气体经过压缩排出；

7)计算获得了进气阀延时关闭相位角θ_r后，采用龙格库塔数值算法求解进气阀关闭时的气缸内压力；取求解步长为根据进气阀强制打开气体回流的微分方程式求解得到进气阀关闭相位角θ_r处的气缸内压力值式中θ表示相位角，压比系数气缸容积

8)根据进气阀关闭行程时允许的最大速率确定进气阀阀片运动中的速率变化率结合7)计算得到的进气阀延时关闭相位角θ_r处气缸内压力值根据式计算出设定负荷下η的强制顶出力F_f；强制顶出力由柱塞缸液压力提供，因此所需持续液压力P_f＝F_f/A_c，

A_c表示柱塞缸缸径。