CN108999772A - 往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及方法，涉及往复式压缩机领域。该调节系统，在压缩机每个气缸轴侧、盖侧均安装有电动执行机构，流量调节范围为0%～100%全流量调节，调节范围远大于目前的电液伺服控制的调节范围；电驱方式取代液压驱动，取消了液压油站和相应的液压管路，不存在液压油泄漏和由此可能引发的火灾、设备损坏和对压缩机气缸内气体的污染，最大限度减少安装、维护费用，将是往复式压缩机节能的最佳方式之一。

Description

往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及方法

技术领域

本发明涉及往复式压缩机领域，特别涉及往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及方法。

背景技术

由于往复式活塞压缩机通常按照最大工况流量定制，而实际运行工况所需流量通常小于设计流量，所以导致大量压缩机存在能源浪费现象。余隙调节是往复式活塞压缩机流量调节一种节能的调节方式，工作原理为压缩机气缸内余隙容积的大小与流量成反比，通过改变余隙容积的大小，可以改变压缩机流量，压缩机主电机轴功率随流量变化几乎成正比例变化，可以简单理解为余隙容积大小与主电机轴功率大小成反比。

目前采用电液伺服控制的余隙自动无级调节系统技术已经应用于石油、化工和气体工业往复压缩机。

采用电液伺服控制的余隙无级调节装置，一般仅调节压缩机气缸盖侧气量，气量调节范围一般为额定流量的60%～100%，不能对压缩机进行全流量调节；需要配备大型、精密的液压油站，对操作、维护的要求高；需要在现场配置复杂的液压管路，液压油的跑冒滴漏情况很难避免，一旦发生管路断裂会导致火灾、设备损坏和影响压缩机运行；余隙调节执行机构的液压油缸活塞杆漏油会导致污染压缩机气缸内气体。不能完全满足石油、化工和气体工业对无油润滑、防火防爆和长周期安全运行的要求，高昂的投资也限制了在小型压缩机上的应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及方法。

本发明所采用的技术方案是： 一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，包括可调余隙缸、电动执行机构和控制系统，其中的可调余隙缸主要由余隙缸筒、余隙活塞、活塞杆和法兰组成，其技术要点是，所述的电动执行机构包括电动机、扭矩控制器、减速箱和传动锁位机构，所述传动锁位机构主要由安装在推力轴承座内的第一推力轴承、安装在冷却水套内的第二推力轴承、丝杠及丝母组成,所述的电动机与扭矩控制器连接，扭矩控制器与减速箱连接，减速箱与推力轴承座连接，推力轴承座与冷却水套连接，冷却水套通过法兰分别与余隙缸筒和压缩机气缸连接，减速箱通过键与带有推力盘的丝杠连接，所述的推力盘位于第一推力轴承和第二推力轴承之间，丝杠与固定在活塞杆上的丝母螺接，活塞杆一端与安装在余隙缸筒内的余隙活塞连接，在余隙缸筒上还设有防止余隙活塞与压缩机活塞发生碰撞的限位止口，余隙活塞上安装有防止余隙活塞转动的导向杆，丝杠随电动机旋转带动丝母左右移动，余隙活塞随丝母一起在余隙缸筒内左右移动，用于改变压缩机余隙容积。

上述方案中，在余隙缸筒壳体上还设有用于降低余隙缸筒温度的散热翘片。

上述方案中，余隙活塞外还设有用来防止余隙活塞发生自转的导套。

上述方案中，在法兰上还连接传感器套筒，导向杆位于传感器套筒内，在传感器套筒上安装位置传感器，位置传感器的磁环安装在导向杆上，磁环随着余隙活塞移动，用于实时反馈余隙活塞的位置给控制系统。

上述方案中，在法兰上设置有平衡孔，所述的平衡孔与余隙活塞的平衡腔相贯通，通过调节平衡腔的压力来平衡余隙活塞两侧压力，使余隙调节电动机功率降低。

上述方案中，在所述的余隙活塞与余隙缸筒之间设有用于隔离余隙活塞左右气体的密封圈。

上述方案中，在所述的活塞杆与法兰之间设有用于阻止平衡腔内气体向冷却水套方向泄漏的第一密封圈和用于阻止通过第一密封圈的气体向冷却水套泄漏的第二密封圈。

上述方案中，在所述的第一密封圈和第一密封圈之间设泄漏检测口；

上述方案中，在所述的泄漏检测口安装泄漏检测传感器，与泄漏检测传感器连接的控制系统根据接收到的检测信号确定是否发出报警或联锁控制停机信号。

一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节方法，包括如下调节步骤：

对压缩机数据采集的步骤，用于采集压缩机控制变量和压缩机实际运行中的各级进排气压力、各级进排气温度、压缩机流量，并传送到控制系统中；

对余隙活塞数据采集的步骤，用于实时检测电动执行机构中实际余隙活塞的位置信号，并传送到控制系统中；

对电动执行机构进行控制的步骤，用于在接收到的信号中选择某一信号作为控制变量，若控制系统判断负荷需要增加时，控制系统发出电机正转指令，接通动力电源，电机正转，余隙活塞向一侧移动，余隙减少，压缩机气量增加；

若控制系统判断负荷需要减少，控制系统发出电机反转指令，反向接通动力电源，电机反转，余隙活塞向另一侧移动，余隙增加，压缩机气量减少；

控制系统判断负荷不变时，控制系统发出电机停止指令，断开动力电源，电机停止，传动锁位机构锁位动作，余隙活塞停止动作，余隙不变，压缩机气量不变。

本发明的有益效果是：该往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统及调节方法，在压缩机每个气缸轴侧、盖侧均安装有电动执行机构，流量调节范围为0%～100%全流量调节，调节范围远大于目前的电液伺服控制的调节范围；电驱方式取代液压驱动，取消了液压油站和相应的液压管路，不存在液压油泄漏和由此可能引发的火灾、设备损坏和对压缩机气缸内气体的污染，最大限度减少安装、维护费用，将是往复式压缩机节能的最佳方式之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中带导向杆的电动机构结构示意图；

图2为本发明实施例中采用偏心结构的电动执行机构意图；

图3为本发明实施例中电动执行机构在压缩机上安装位置示意图；

图4为本发明实施例中流量余隙无级调节控制系统的控制原理图；

图中序号说明如下： 1电动机、2扭矩控制器、3减速箱、4推力轴承座、5推力轴承、6冷却水套、7丝杠、8泄露检测口、9法兰、10平衡孔、11丝母、12密封圈、13活塞杆、14限位止口、15余隙活塞、16密封圈、17余隙缸筒、18散热翅片、19导向杆、20磁环、21冷却水口、22传感器套筒、23推力盘、24键、25位置传感器、26盖侧电动执行机构、27压缩机气缸、28轴侧电动执行机构。

具体实施方式

使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图4和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例中采用的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，如图1所示，包括可调余隙缸、电动执行机构及控制系统，其中的可调余隙缸主要由余隙缸筒17、余隙活塞15、活塞杆13和法兰9组成；电动执行机构包括电动机1、扭矩控制器2、减速箱3和传动锁位机构，电动机1可以是普通异步电动机、直流电动机和步进电机中任意一种，不同于一般采用高成本步进电机或复杂且容易漏油的液压系统，电动执行机构可选配现场手动操作。扭矩控制器和减速箱构成扭矩控制及放大机构，将电动机1输出的小扭矩进行扭矩控制、保护电动机1不超载，减速箱同时将扭矩放大。传动锁位机构主要由安装在推力轴承座4内的推力轴承5、安装在冷却水套内的丝杠6及丝母10组成, 控制系统采用工业常规控制系统，可以是可编程控制器（PLC）、集散控制系统（DCS）和安全仪表系统（SIS）中的任意一种。本实施例中构成余隙无级调节系统的各部件的连接结构如下：

电动机1与扭矩控制器2连接，扭矩控制器2与减速箱3连接，减速箱3与推力轴承座4连接，推力轴承座4与带有冷却水口21的冷却水套6连接，冷却水套6通过法兰9分别与余隙缸筒17和压缩机气缸27连接，减速箱3通过键24与带有推力盘23的丝杠7连接，其中的推力盘23位于两个推力轴承5之间，丝杠7与固定在活塞杆13上的丝母11螺接，活塞杆13一端与安装在余隙缸筒17内的余隙活塞15连接，本实施例中的余隙活塞15及活塞杆13采用同心配合结构。在余隙缸筒17上还设有防止余隙活塞15与压缩机活塞发生碰撞的限位止口14，余隙活塞15上安装有防止余隙活塞15转动的导向杆19，丝杠7随电动机1旋转带动丝母11左右移动，余隙活塞15随丝母11一起在余隙缸筒17内左右移动，用于改变压缩机余隙容积。

在法兰9通过螺栓与传感器套筒22固定连接，且在传感器套筒22上安装位置传感器25，导向杆19位于传感器套筒22内，位置传感器25的磁环20安装在导向杆19上，磁环20随着余隙活塞15移动，用于实时反馈余隙活塞15的位置给控制系统（图中未示出）。

在法兰9上设置有平衡孔10，平衡孔10与余隙活塞15的平衡腔相贯通，改变平衡孔与压缩机某级的入口、出口或放空系统的连接方式，可以改变平衡腔的压力，有效平衡余隙活塞15两侧压力，达到降低余隙调节电动机1功率目的。在余隙活塞15与余隙缸筒17之间设有用于隔离余隙活塞15左右气体的密封圈16。在活塞杆13与法兰9之间设有用于阻止平衡腔内气体向冷却水套6方向泄漏的密封圈12和用于阻止通过密封圈12的气体向冷却水套6泄漏的第二密封圈。在密封圈12的第一密封圈与第二密封圈之间设泄漏检测口8，在泄漏检测口8安装泄漏检测传感器，与泄漏检测传感器连接的控制系统根据接收到的检测信号确定是否发出报警或联锁控制停机信号。在余隙缸筒17壳体上还设有用于降低余隙缸筒17温度的散热翘片18。

本实施例中的余隙无级调节系统按使用场合可采用防爆元器件，能够满足使用现场防爆ⅡC区要求，使用范围可以覆盖所有现场具有动力电源的往复式活塞压缩机设备。

本实施例在压缩机每个气缸轴侧、盖侧均安装有电动执行机构，流量调节范围为0%～100%全流量调节，调节范围远大于目前的电液伺服控制的调节范围。电驱方式取代液压驱动，取消了液压油站和相应的液压管路，不存在液压油泄漏和由此可能引发的火灾、设备损坏和对压缩机气缸内气体气体的污染，最大限度减少安装、维护费用，将是最安全、可靠的余隙无级调节系统。其中，盖侧电动执行机构26通常安装于压缩机缸盖处，处于压缩机气缸27轴线上，轴侧电动执行机构28通常安装于压缩机阀孔和气道处，处于压缩机气缸27的径向方向上，电动执行机构的余隙缸筒17与压缩机气缸27直接相通，如图2所示。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，用冷却水套替代散热翘片18套接在余隙缸筒17外表面。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，在法兰外设冷却系统，冷却系统可采用风冷翅片或液体冷却腔，如采用冷却水套作为液体冷却腔。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于，采用偏心结构的电动执行机构代替余隙活塞及活塞杆的同心配合结构。这种方式可以防止余隙活塞15旋转。具体结构为：取消导向杆19，将位置传感器25直接安装在扭矩控制及放大机构中减速箱3上即可，其他结构与实施例1类似再此不再赘述。如图2所示。

实施例5：

本实施例中采用的全流量余隙无级调节方法，压缩机控制变量和压缩机实际运行中的各级进排气压力、各级进排气温度、压缩机流量和执行机构泄漏量等数据均由常规变送器进行采集，并传送到控制系统中。

余隙活塞位置通常由位置传感器对信号进行采集，位置传感器可以是磁致式或编码器式位置传感器，带导杆电动执行机构适合采用磁致式位置传感器，偏心结构电动执行机构适合采用编码器，位置传感器可以实时检测出电动执行机构中余隙活塞的实际位置，并传送到控制系统中。

控制系统根据压缩机控制变量、采集到压缩机实际运行参数和位置传感器返回实际位置参数进行计算，发出校正指令，控制电动执行机构的运行或停止。

控制系统根据泄漏传感器检测到泄漏量发出报警或联锁控制信号。

例如将压缩机所需流量作为控制变量数据时，压缩机所需流量被转换为0～100%负荷值，此时实时位置信号显示压缩机负荷为某一值G，压缩机所需流量为另一数值H。当H＞G时，即需求量大于实际量，系统控制电机正转；当H=G时，即需求量等于实际量，系统控制电机保持锁位；当H＜G时，即需求量小于实际量，系统控制电机反转。

又例如将压缩机入口压力作为控制变量数据时，压缩机入口实际压力数据与入口所需压力数据进行对比，此时入口实际压力为G，工艺需求为H。当H＞G时，即需求值大于实际值，此时要求压缩机适当降低流量使得入口压力上升，系统控制电机反转；当H=G时，即需求值等于实际值，系统控制电机保持锁位；当H＜G时，即需求值小于实际值，此时要求压缩机适当增加流量使得入口压力下降，系统控制电机正转。

将压缩机所需流量作为控制变量数据，压缩机所需流量被转换为0～100%负荷值，此时实时位置信号显示压缩机负荷为某一值G，压缩机所需流量为另一数值H，当H＞G时，即需求量大于实际量，系统控制电机正转；当H=G时，即需求量等于实际量，系统控制电机保持锁位；当H＜G时，即需求量小于实际量，系统控制电机反转。

又例如将压缩机入口压力作为控制变量数据时，压缩机入口实际压力数据与入口所需压力数据进行对比，此时入口实际压力为G，工艺需求为H。当H＞G时，即需求值大于实际值，此时要求压缩机适当降低流量使得入口压力上升，系统控制电机反转；当H=G时，即需求值等于实际值，系统控制电机保持锁位；当H＜G时，即需求值小于实际值，此时要求压缩机适当增加流量使得入口压力下降，系统控制电机正转。

由于压缩机余隙调节控制方法在低负荷运行时，容积效率很低，可能会引起气缸温度和排气温度过高的温升、气阀阀片的颤动或断裂、甚至使压缩机气缸损坏的可能，又由于压缩机超负荷运行存在比这更多的安全隐患，所以为了实现压缩机在安全运行范围内全流量0～100%负荷调节运行，需要实时监测运行数据并对压缩机组实时控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，包括可调余隙缸、电动执行机构和控制系统，其中的可调余隙缸主要由余隙缸筒、余隙活塞、活塞杆和法兰组成，其特征在于，所述的电动执行机构包括电动机、扭矩控制器、减速箱和传动锁位机构，所述传动锁位机构主要由安装在推力轴承座内的第一推力轴承、安装在冷却水套内的第二推力轴承、丝杠及丝母组成,所述的电动机与扭矩控制器连接，扭矩控制器与减速箱连接，减速箱与推力轴承座连接，推力轴承座与冷却水套连接，冷却水套通过法兰分别与余隙缸筒和压缩机气缸连接，减速箱的输出轴通过键与带有推力盘的丝杠连接，所述的推力盘位于第一推力轴承和第二推力轴承之间，丝杠与固定在活塞杆上的丝母螺接，活塞杆一端与安装在余隙缸筒内的余隙活塞连接，在余隙缸筒上还设有防止余隙活塞与压缩机活塞发生碰撞的限位止口，余隙活塞上安装有防止余隙活塞转动的导向杆，丝杠随电动机旋转带动丝母左右移动，余隙活塞随丝母一起在余隙缸筒内左右移动，用于改变压缩机余隙容积。

2.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在余隙缸筒壳体上还设有用于降低余隙缸筒温度的散热翘片。

3.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，余隙活塞外还设有用来防止余隙活塞发生自转的导套。

4.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在法兰上还连接传感器套筒，导向杆位于传感器套筒内，在传感器套筒上安装位置传感器，位置传感器的磁环安装在导向杆上，磁环随着余隙活塞移动，用于实时反馈余隙活塞的位置给控制系统。

5.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在法兰上设置有平衡孔，所述的平衡孔与余隙活塞的平衡腔相贯通，通过调节平衡腔的压力来平衡余隙活塞两侧压力，使余隙调节电动机功率降低。

6.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在所述的余隙活塞与余隙缸筒之间设有用于隔离余隙活塞左右气体的密封圈。

7.如权利要求1所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在所述的活塞杆与法兰之间设有用于阻止平衡腔内气体向冷却水套方向泄漏的第一密封圈和用于阻止通过第一密封圈的气体向冷却水套泄漏的第二密封圈。

8.如权利要求6所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在所述的第一密封圈和第一密封圈之间设泄漏检测口。

9.如权利要求7所述的往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节系统，其特征在于，在所述的泄漏检测口安装泄漏检测传感器，与泄漏检测传感器连接的控制系统根据接收到的检测信号确定是否发出报警或联锁控制停机信号。

10.一种往复式压缩机自动电驱全流量余隙无级调节方法，其特征在于，包括如下调节步骤：

对压缩机数据采集的步骤，用于采集压缩机控制变量和压缩机实际运行中的各级进排气压力、各级进排气温度、压缩机流量，并传送到控制系统中；

对余隙活塞数据采集的步骤，用于实时检测电动执行机构中实际余隙活塞的位置信号，并传送到控制系统中；

对电动执行机构进行控制的步骤，用于在接收到的信号中选择某一信号作为控制变量，若控制系统判断负荷需要增加时，控制系统发出电机正转指令，接通动力电源，电机正转，余隙活塞向一侧移动，余隙减少，压缩机气量增加；

若控制系统判断负荷需要减少，控制系统发出电机反转指令，反向接通动力电源，电机反转，余隙活塞向另一侧移动，余隙增加，压缩机气量减少；

控制系统判断负荷不变时，控制系统发出电机停止指令，断开动力电源，电机停止，传动锁位机构锁位动作，余隙活塞停止动作，余隙不变，压缩机气量不变。