CN108691760B - 一种局部行程回流的往复压缩机气量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部行程回流的往复压缩机气量调节方法，基于控制进气阀延时关闭让多余气体回流的基本原理，提出了一种通过只调节部分进气阀实现气量0～100％无级调节的方法，采用自适应调控方法实现机组气量的实时调节，该方法可大幅度降低了一台往复压缩机增加无级气量调节装置的投入成本，并且简化了控制系统。

Description

一种局部行程回流的往复压缩机气量调节方法

技术领域

本发明涉及一种局部行程回流的往复压缩机气量调节方法，通过卸荷器控制的进气阀调节气缸中被压缩的气体量，自适应调节往复压缩机排气量，实现压缩机的高效经济运行。

背景技术

压缩机是工业装备中的关键设备，其性能的好坏和效率的高低直接影响着工艺生产。同时压缩机作为工艺生产中的一个环节，其实际的排量完全受前后端的工艺的影响通常不总是恒定在最大的额定排量。但是对于一台往复式压缩机，其容积式的结构原理决定了机组每个周期排出的气体均为吸气状态下的一个气缸体积的气体量。实际的生产中需要压缩机装置能够根据工艺流程的变化，原料种类的变更，以及市场需求的变化在较大的范围内进行自适应调节并只压缩所需的气体，实现压缩机装置的最经济运行。通过控制进气阀启闭气体回流的原理是目前主流的气量无级调节原理，基于该原理能够实现机组0～100％范围内的全量程无级调节，并且只压缩所需气量的气体能够最大限度减小能源浪费。

目前国内外已有数套基于控制进气阀启闭气体回流原理的气量调节装置。一种调节装置是通过步进电机或特定装置实现气阀与阀座之间旋转运动，控制旋转角度和频率调节进气阀启闭的时间实现气量的调节，如美国专利US-A-5695325通过特定装置在气阀与阀座之间旋转，采用旋转调节密封面积控制吸气阀的密封面积实现气量的调节；国内与此方法类似的发明有合肥通用机械研究院发明的专利CN102220958A。该方法气阀与阀座相互旋转运动时密封面一直存在相对运动，磨损会影响气阀的密封性能，不利于长期稳定运行。

西安交通大学发明的另外一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法，见专利CN101173658B，该方法通过一个控制系统和一个或者多个能够压开吸气阀的执行机构，控制吸气阀的强制开启；若驱动装置动作则进气阀在整个压缩机工作周期中被开启，该周期气缸空载排气量为零；若驱动装置不动作则气阀正常启闭，该周期气缸满载，通过控制空载和满载的周期比例实现气量的调节。但此方法要实现全量程无级调节所需的控制周期变化较大，控制精度低。

另外一种调节装置是在所有进气阀上加装驱动和执行器控制气阀阀片的往复运动调节气阀的开闭时间，在每个压缩机周期中多余的气体会由进气阀回流至气腔，只压缩了需要体积量的气体实现了气量的无级调节。奥地利贺尔碧格公司研发的HydroCOM无级气量调节系统通过在所有进气阀上加装伺服电液阀控制气阀的开启和关闭，已申请了中国专利CN03158561.2、美国专利US6641371B2和US007331767B2、欧洲专利EP-A-0893605。国内专利CN103244399B通过在所有进气阀上加装脉冲信号控制的电磁阀驱动压缩机进气阀的强制开启时间来实现气量的控制。该方法和装置是目前主流的调节装置，在石油石化行业得到了应用。但该方法每个气阀上均需要安装精密的伺服控制装置，而大型往复压缩机的气阀数量通常比较多，这使得大型压缩机配套该调节装置的投入成本和维护成本很高，同时每个电液伺服阀为一个控制点，控制系统复杂。

发明内容

本发明基于控制进气阀延时关闭让多余气体回流的基本原理，提出了一种往复压缩机无级气量调节方法，可通过只调节部分进气阀实现气量0～100％全量程无级调节，采用自适应调控方法实现机组气量的实时适时调节。采用该方法设计了一套往复压缩机无级气量调节装置，大幅度降低了一台往复压缩机增加无级气量调节装置的投入成本，并且简化了控制系统。

本发明涉及一种往复压缩机无级气量调节方法，其特征在于：

1)设定机组总的进气阀数量为N，在往复压缩机所有进气阀中选取部分进气阀上安装气量调节卸荷器，控制气阀开闭，剩余的进气阀保持自动启闭；未加装卸荷器的进气阀数量为m，加装了卸荷器的进气阀数量为N-m；

2)确定压缩机参数，包括：往复压缩机转速ω，曲轴转角θ，曲柄连杆比λ，曲轴长度r，气缸直径D_cy，阀片最大行程H_s，进气阀片质量M_s，进气压力P_s，排气压力P_d，进气阀面积A_p，卸荷器作用在阀片上的面积A_f，气缸余隙容积V_cle，气体膨胀容积V_exp，额定最大排气量Q_max，单个进气阀阀簧个数Z，阀簧刚度K_sp，驱动力F_f，气体常数R,，热压缩系数k，进气温度T_s；

3)计算下列参数，包括：行程容积

容积变化率

气阀弹簧力F_sp＝ZK_sph_s，其中h_s为进气阀位移，当进气阀开启和关闭时h_s∈[0，H_s]，单个进气阀有效通流面积α_sA_s；

4)确定往复压缩机工作负荷比η(η∈[0,1])，实际排气量为Q＝ηQ_max，设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，V_s为吸气气体容积；根据公式

计算一次设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角(θ_r)₁；

5)确定调节气量时进气阀关闭相位角(θ_r)₁对应的气缸压力P₂：

首先，计算本方法调节往复压缩机气量时气阀的受力状态，即：m个自由启闭的气阀受进气压力、气缸压力和弹簧力的综合作用，运动状态描述为

其中(h_s)_i为第i个进气阀的位移，(M_s)_i为第i个进气阀运动质量，(F_sp)_i为第i个进气阀弹簧力，(A_p)_i为第i个进气阀阀片有效作用面积，(A_p-A_f)_i为第i个进气阀阀座通道出口处面积，ΔP为气体由进气腔进入气阀流道后的压力降；N-m个卸荷器驱动的气阀受进气压力、气缸压力、弹簧力和驱动力的综合作用，运动状态描述为

其中(F_f)_i为作用在第i个卸荷器驱动的气阀上的驱动力；

其次，进气阀的不同运动状态决定了气量调节工况下压缩机吸气和回流两个过程中气缸的压力变化，即：

I.吸气过程：全部进气阀开启，气体流经所有N个气阀进入气缸中，气缸压力变化

II.回流过程：N-m个气阀保持开启，气体反向流经气阀进入进气腔，气缸压力变化

最后，取求解步长为

采用数值算法求解吸气过程和回流过程中气缸内压力值，得到设定关闭相位角(θ_r)₁处的气缸内压力值P₂；

6)计算压力系数λ_p：由于气体经过部分进气阀回流过程中的阻力，使回流终了压力升高至P₂，相比于进气状态的压力P_s产生了压力偏差ΔP＝P₂-P_s；ηV_s体积P₂压力的气体折合到压力P_s，气体容积量增加了(ΔV_s)₁，增加的气体容积量满足

设压力系数

则

得到增加的气体容积量为(ΔV_s)₁＝(λ_p-1)ηV_s；

7)判断修正系数是否满足(λ_p)₁-1<ε，其中ε为允许的气体量偏差百分比，通常取ε∈(0,0.03]，调节的精度越高ε的取值越小：

I.若修正系数满足精度要求，则得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r＝(θ_r)₁；

II.若修正系数不满足精度要求，则将该气体容积量增加量(ΔV_s)₁负补偿到设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，得到气体容积修正量ηV_s-(ΔV_s)₁；根据公式

第二次计算设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角(θ_r)₂；重复步骤(5)、(6)分别计算调节气量时进气阀关闭相位角(θ_r)₂对应的气缸压力和压力系数λ_p，再次判断修正系数是否满足精度要求；如此反复计算，直至满足要求。

本发明涉及的往复压缩机局部行程部分进气阀回流无级气量调节方法有效减小了需要安装驱动控制装置的气阀数量，使得一台往复压缩机配套无级气量调节装置的投入成本大幅度降低，较大程度简化了控制系统。

附图说明

图1是局部行程回流调节过程进气阀在θ＝0°时工作状态示意图；

图2是局部行程回流调节过程进气阀在吸气过程开始时工作状态示意图；

图3是局部行程回流调节过程进气阀在吸气过程结束前工作状态示意图；

图4是局部行程回流调节过程进气阀在回流过程中工作状态示意图；

图5是局部行程回流调节过程进气阀在回流过程结束时工作状态示意图；

图6是局部行程回流调节过程非受控气阀位移及启闭角度示意图；

图7是局部行程回流调节过程受控气阀位移、启闭角度及驱动器加载—卸载控制信号示意图；

图8是局部行程回流调节过程受控气阀关闭角度计算图；

图9是两缸对称平衡式往复压缩机部分气阀回流气量调节系统外形图；

图中标号：1—电机 2—活塞外止点指示传感器 3—飞轮 4—上位机 5—插槽式控制器 6—气缸 7—气阀 8—加装驱动器气阀 9—液压油路 10—控制信号线 11—液压油站(配套油压、油温、液位传感器)

图10是回流气量调节控制方法流程图；

图11是局部行程回流调节过程负荷为50％时受控气阀位移、启闭角度及驱动器加载—卸载控制信号实例图；

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。

本发明基于控制进气阀延时关闭让多余气体回流的基本原理，仅让部分进气阀在压缩机每个工作周期中的局部行程保持开启回流气体，调节排气量实现机组排气量0～100％全量程的无级调节。

1)下面以盖侧缸为例说明本发明方法的调节原理：

a)参见附图1，针对于双作用式的压缩机以活塞处于外止点时(活塞位移x_p＝0)的曲轴角度为起始点，活塞从外侧开始往里侧运动。假设气缸一侧有N个进气阀，其中1～m个进气阀未加装驱动装置，实现自动启闭；仅m～N气阀上加装驱动装置，该驱动装置通过一个爪式卸荷器作用在气阀阀片上，通过驱动装置的加载和卸载分别控制气阀的开启的关闭。在外止点位置所有进气阀均保持关闭，随着活塞的运动，外侧气缸体积逐渐增加。

b)参见附图2，外侧气缸运动至图示位置时，气体膨胀过程结束，图中阴影部分为膨胀过程体积；膨胀过程结束时，1～m号进气阀在气体压差力的作用下自动开启，m～N号气阀上在驱动装置加载力作用下被动同步开启，气体开始由气腔流经气阀至气缸中。

c)参见附图3，曲轴运动至180°相位角时活塞到达内支点(活塞位移x_p＝2r)，从附图3位置活塞开始反向运动，活塞反向前后1～m号进气阀由开启转为关闭，吸气过程结束，图中阴影部分为吸气过程体积；m～N号气阀依然被强制保持在开启位置，当活塞反向运动过程中气体开始由气缸反向流经气阀至气腔中。

d)参见附图4和附图5，曲轴运动至设定气量对应相位角θ_r处时，驱动器卸载，爪式卸荷器和气阀阀片一同撤回，气阀完成关闭；气缸形成密闭腔体，附图5中阴影部分面积为设定气量下压缩气体的体积。

e)轴侧缸进气阀的启闭原理与上述盖侧缸的相同，附图6为盖侧与轴侧的非受控气阀位移以及对应的启闭曲轴角度，盖侧与轴侧的1～m号进气阀分别保持同步开启和关闭。盖侧气阀在0°之后θ_e处开启，在180°处关闭；轴侧在180°之后θ_e处开启，在360°处关闭。

f)附图7为盖侧与轴侧的受控气阀位移以及对应的启闭曲轴角度，盖侧与轴侧的m～N号气阀分别保持同步开启和关闭。驱动器需要保证盖侧气阀在0°之后θ_e处开启，在180°之后设定的相位角θ_r处关闭；同样轴侧驱动器需在180°之后θ_e处打开进气阀，在360°(0°)之后设定的相位角θ_r处关闭。在设定的位移曲线中

为驱动器加载区域，

为驱动器卸载区域。因此得到驱动器加载和卸载信号的占空比及相位角。

2)膨胀过程结束角度θ_e和设定气量对应相位角θ_r的计算原理：

在指定的负荷值η下，轴侧和盖侧主动控制进气阀位移时候需要确定两个关键参数，膨胀过程结束角度θ_e和设定气量对应相位角θ_r。其中膨胀过程结束角度θ_e可根据常规的膨胀过程方程确定，本发明中主要涉及设定气量对应相位角θ_r的计算。参见附图8，在采用部分气阀局部行程回流气量调节时，在活塞反向运动的回流阶段气缸内压力沿着曲线1-2变化，回流结束时气体开始压缩，压缩过程曲线为2-3。

a)首先确定设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，见图中a点位置，根据公式

第一次计算对应的受控进气阀关闭时曲轴的相位角(θ_r)₁；根据热力学分析求解得设定关闭相位角为(θ_r)₁时气缸压力的变化曲线，即曲线1—2′和2′—3′，得到回流终了时气缸内压力P₂′，见图中2'点位置。

b)根据气缸体积为ηV_s、气缸压力P₂′及曲线1—2′确定折合到吸气压力P_s时气体容积量增加量(ΔV_s)₁，见图中a'点位置，气体容积修正系数

c)判断修正系数是否满足(λ_p)₁-1<ε，其中ε为允许的气体量偏差百分比，通常取ε∈(0,0.03]，调节的精度越高ε的取值越小；若满足则得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r＝(θ_r)₁；若不满足则将该气体容积量增加量(ΔV_s)₁负补偿到设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，得到气体容积修正量ηV_s-(ΔV_s)₁，见图中a″点位置。

d)根据气体容积修正量ηV_s-(ΔV_s)₁，第二次计算对应的受控进气阀关闭时曲轴的相位角(θ_r)₂、气缸压力P₂″及曲线2″—3″，重复b)计算过程得到容积量增加量(ΔV_s)₂，得到气体容积修正系数

e)判断修正系数是否满足(λ_p)₂-1<ε，若满足则得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ＝(θ_r)₂；若不满足则将该气体容积量增加量(ΔV_s)₂负补偿到设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s-(ΔV_s)₁，得到气体容积修正量ηV_s-(ΔV_s)₁-(ΔV_s)₂。

f)如此反复计算直至修正系数满足λ_p-1<ε，ε设定的允许偏差百分比，得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r，以及进气阀实际关闭时的气缸体积V_c。

g)设定气量对应相位角θ_r的计算过程参见附图9。

3)以一台单级两缸对称平衡式往复压缩机为例，说明本发明的详细实施方式如下：

机组信息如下，针对该机组的气量调节系统拓扑图见附图10。

附图10中液压油站11(配套油压、油温、液位传感器)、加装驱动器气阀8、活塞外止点指示传感器2、上位机4、插槽式控制器5、液压油路9均为局部行程压开部分进气阀调节的常规组件。针对示例中的压缩机选择在一半进气阀上加装驱动器，即m＝1，N＝2，由上位机输出控制信号、液压系统提供动力控制驱动器加载和卸载。

在压缩机气量调节过程中，由PLC和DCS组成的上位机4根据上游和下游的工艺状况计算机组所需的负荷值η(η∈[0,1])。本实例中以η＝0.5为例求解设定气量对应相位角。

a)计算确定设定气量负荷比对应的受控进气阀理想关闭位置相位角(θ_r)₁＝263°，取求解步长为

采用数值算法根据热力学分析求解得设定关闭相位角为(θ_r)₁＝263°时气缸压力P₂′＝119.2kPa；

b)根据气量负荷比η＝0.5、气缸压力P₂′＝119.2kPa及回流压力曲线确定折合到吸气压力P_s＝100kPa时气体容积量增加量(ΔV_s)₁，将该气体容积量增加量(ΔV_s)₁负补偿到设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s-(ΔV_s)₁，得到气体容积修正系数λ_p′＝1.214；

c)判断λ_p′-1＝0.214>ε＝0.03，再次计算对应的受控进气阀关闭位置相位角(θ_r)₂＝269.5°，重复a)和b)过程计算λ_p″；

d)如此17次反复计算后压力系数满足λ_p-1<ε，得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r＝281.6°。

e)因此，该压缩机在局部行程部分气阀回流调节时50％气量百分比对应的受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r＝281.6°。

f)最终确定了盖侧与轴侧的受控气阀位移、对应的启闭曲轴角度以及驱动器加载和卸载控制信号见附图11。

Claims (1)

1.一种局部行程回流的往复压缩机气量调节方法，其特征在于：

1)设定机组总的进气阀数量为N，在往复压缩机所有进气阀中选取部分进气阀上安装气量调节卸荷器，控制进气阀开闭，剩余的进气阀保持自动启闭；未加装卸荷器的进气阀数量为m，只在N-m个进气阀加装了卸荷器；

2)确定压缩机参数，包括：往复压缩机转速ω，曲轴转角θ，曲柄连杆比λ，曲轴长度r，气缸直径D_cy，阀片最大行程H_s，进气阀片质量M_s，进气压力P_s，进气阀面积A_p，卸荷器作用在阀片上的面积A_f，气缸余隙容积V_cle，额定最大排气量Q_max，单个进气阀阀簧个数Z，阀簧刚度K_sp，驱动力F_f，气体常数R,，热压缩系数k，进气温度T_s；

3)计算下列参数，包括：行程容积

容积变化率

气阀弹簧力F_sp＝ZK_sph_s，其中h_s为进气阀位移，当进气阀开启和关闭时h_s∈[0，H_s]；

4)确定往复压缩机工作负荷比η，其中η∈[0,1]，实际排气量为Q＝ηQ_max，设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，其中V_s为吸气气体容积；根据公式

计算一次设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角(θ_r)₁，其中V_exp为气体膨胀容积；

5)确定调节气量时进气阀延时关闭相位角(θ_r)₁对应的气缸压力P₂：

首先，计算本方法调节往复压缩机气量时进气阀的受力状态，即：m个自由启闭的进气阀受进气压力、气缸压力和弹簧力的综合作用，运动状态描述为

其中(h_s)_i为第i个进气阀的位移，(M_s)_i为第i个进气阀运动质量，(F_sp)_i为第i个进气阀弹簧力，(A_p)_i为第i个进气阀阀片有效作用面积，(A_p-A_f)_i为第i个进气阀阀座通道出口处面积，ΔP为气体由进气腔进入进气阀流道后的压力降；N-m个卸荷器驱动的进气阀受进气压力、气缸压力、弹簧力和驱动力的综合作用，运动状态描述为

其中(F_f)_i为作用在第i个卸荷器驱动的进气阀上的驱动力；

其次，进气阀的不同运动状态决定了气量调节工况下压缩机吸气和回流两个过程中气缸的压力变化，即：

I.吸气过程：全部进气阀开启，气体流经所有N个进气阀进入气缸中，气缸压力P的变化满足

其中α_sA_s为单个进气阀有效通流面积，α_s为进气阀通道的流量系数，V_cy为气缸容积；

II.回流过程：N-m个进气阀保持开启，气体反向流经进气阀进入进气腔，气缸压力变化

最后，取求解步长为

采用数值算法求解吸气过程和回流过程中气缸内压力，得到设定进气阀延时关闭相位角(θ_r)₁处的气缸内压力P₂；

6)计算压力系数λ_p：由于气体经过部分进气阀回流过程中的阻力，使回流终了压力升高至P₂，相比于进气状态的压力P_s产生了压力偏差ΔP＝P₂-P_s；ηV_s体积P₂压力的气体折合到压力P_s，气体容积量增加了(ΔV_s)₁，增加的气体容积量满足

设压力系数

则

得到增加的气体容积量为(ΔV_s)₁＝(λ_p-1)ηV_s；

7)判断修正系数是否满足(λ_p)₁-1<ε，其中(λ_p)₁为压力系数的第一次计算结果，ε为允许的气体量偏差百分比，通常取ε∈(0,0.03]，调节的精度越高ε的取值越小：

I.若修正系数满足精度要求，则得到受控进气阀实际关闭位置相位角θ_r＝(θ_r)₁；

II.若修正系数不满足精度要求，则将该气体容积量增加量(ΔV_s)₁负补偿到设定气量负荷比对应气缸体积为ηV_s，得到气体容积修正量ηV_s-(ΔV_s)₁；根据公式

第二次计算设定气量负荷比对应的进气阀延时关闭相位角(θ_r)₂；重复步骤(5)、(6)分别计算调节气量时进气阀延时关闭相位角(θ_r)₂对应的气缸压力和压力系数λ_p，再次判断修正系数是否满足精度要求；如此反复计算，直至满足要求。

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