CN109026642B - 基于温度和进气压力的往复压缩机流量调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于温度和进气压力的往复压缩机流量调控方法，实现了多级往复压缩机在温度和进气压力变化时排气量保持不变，达到了稳定压缩机排量的目的。为了克服机组实际排量受温度和进气压力变化影响的技术缺点，本发明采用基于顶开进气阀调节原理的执行卸荷装置。设定机组实际需求排气量，实时采集压缩机机组一级的进气温度和进气压力并计算机组当前状态下满负荷流量，并进行标准状转化；各级气量负荷比通过设定的机组实际需求排气量与当前进气温度和压力下的满负荷流量进行比值计算获得。

Description

基于温度和进气压力的往复压缩机流量调控方法

技术领域

本发明涉及了一种往复式压缩机排气量控制方法，实现了多级往复压缩机在温度和进气压力变化时排气量保持不变，达到了稳定压缩机排量的目的。

背景技术

往复式压缩机作为一种容积式压缩机，其工作稳定性较好、适应性强和热效应较高等特点广泛应用于石油、化工、炼油、采气、注气、输气等领域。往复压缩机的选型都是按照装置最大产能完成的，当入口条件变化(入口温度和入口压力)或者装置产能不足、生产波动时，往复压缩机由于结构固有限制，只能按照额定最大排气量进行工作，若耗气量小于压缩机的排气量时，多出装置生产需要的大量气体在被压缩后通过回流阀返回至进气管道，没有被利用。这导致机组做了大量无用功并严重浪费了电能，给企业造成了无意义的电费负担。往复压缩机的节能降耗问题已成为节能环保领域的热点问题，如何优化调控压缩机，保持安全稳定高效运行，越来越受到广泛的关注。

部分行程压开进气阀调节的方式是在压缩机工作行程的特定时间强制压开进气阀，当活塞到达指定的位置时撤销强制力，进气阀自动关闭，只压缩所需要气量的气体。部分行程压开进气阀调节的方式以其调节范围广，省功效果明显的特点被广泛应用；基于该调节方式的调节装置有：美国专利US5833209中公开的调节装置有液压油站、高频快速响应开关阀和控制执行机构等组成，高压油进入油缸推动执行机构动作，顶开吸气阀，实现压缩机气量的无级调节。中国专利CN103244399B通过止点信号确定控制周期，调节脉冲信号的占空比，从而使电磁阀驱动压缩机盖侧和轴侧进气阀的强制开启时间发生变化，实现压缩机周期气量调节。上述的调节装置在实际进行流量调控时有两种方式，一是都是通过设定的排气流量或者排气压力进行机组负荷比自动计算，二是手动设定机组负荷。然而，在手动设定负荷时由于进气温度和压力变化会造成流量调控不准。为了防止这种由于进气温度和压力变化造成的排气量变化，就需要根据进气温度和压力对机组的各级负荷进行自动空置调整，保证机组排气量不变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供了一种基于温度和进气压力的往复压缩机流量调控方法，实现机组设定排气量后，当温度和进气压力发生变化时，机组实际排气量可根据温度和进气压力进行自动修正调节，使机组始终保持在设定排气量。

为了解决上述技术问题，本发明基于顶开进气阀调节气量的基本原理，在压缩机各级气缸装配基于部分行程顶开吸气阀的卸荷装置，同时采集各级进气的压力和温度，运用进气温度和压力等参数计算各级负荷比，技术方案如下：

1、本发明涉及一种基于进气温度和压力的往复压缩机排量控制方法，其特征在于：

(1)在往复压缩机吸气阀上安装卸荷器，通过控制吸气阀延时撤回角度调节机组排气量；

(2)压缩机的压缩级数为N，各级进气温度为T_is，单位为K，开尔文，各级进气阀数量为S_i，i＝1,2…N；在设计温度工况下，设往复压缩机的额定排气量是Q₀，单位为Nm³/min，即标准立方米毎分钟，机组满负荷运行时的各级进气压力为P_i，i＝1,2…N，单位为Pa；

(3)进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位Nm³/min；

(4)应用狭窄通道流量模型进行机组排气流量计算，绝热流动的理想气体在气阀狭窄通道中的质量流量方程为：

上式中，m代表气体质量，单位kg，α为流量系数，A为通道面积，k为比热比，ν为气缸内气体比容，P_in和P_out分别表示流进和流出窄通道气体的压力，T_in为留紧窄通道的气体温度，R_g为气体常数，

R为通用气体常数,为8.314J/(mol*K)，M为气体的摩尔质量；

求得往复压缩机第一级气缸在吸气过程中的质量流量方程为：

上式中，α_1sv为第1级气缸吸气阀流量系数；A_1sv为第1级气缸吸气阀通道面积；ω为压缩机转速，单位rad/秒；P_1cy和P₁分别表示第1级气缸内压力和第1级进气压力，T_1s为第1级气缸吸气阀进气温度，k为比热比，θ为相对于活塞外止点曲轴转过的角度，定义活塞位于外止点时θ＝0°，m_1s为第1级气缸吸气阀的进气质量；

(5)计算吸气温度为T_1s时第1级气缸单周期满负荷吸气量M_1s：

将第1级气缸的吸气质量M_1s转化为到标准状态下气体流量Q_1s，单位为Nm³/min；

(6)进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位是Nm³/min，往复压缩机各级气缸在t时刻的负荷比为：

η_i＝Q(t)/Q_1s

(7)根据负荷比转化公式

式中，λ_i为压缩机各级的连杆长度与曲轴半径之比，计算第i级气缸卸荷器延时撤回的角度θ_i：

设定第i级气缸数量为W_i，定义第i级第j个气缸活塞位于外止点时，曲轴转角θ_ij＝0，活塞位于内止点时，曲轴转角θ_ij＝180；若气缸为外侧单作用气缸，则对第i级的W_i个气缸，每个气缸的吸气阀卸荷器在θ_ij＝180+θ_i时完成撤回；若气缸为内外侧双作用气缸，则对第i级的W_i个气缸，每个气缸外侧的吸气阀卸荷器在θ_ij＝180+θ_i时完成撤回，每个气缸内侧的吸气阀卸荷器在θ_ij＝θ_i时完成撤回；卸荷器对气阀的控制实现了机组排气量和各级的压比的调节；

所述步骤(4)建立的第1级气缸缸内压力P_1cy的计算方法：

上式中V_1cy为压缩机第1级气缸内活塞运动时的气缸容积，计算方法为：

其中α_1h为第1级气缸余隙系数、V_1h为第1级气缸活塞行程容积、λ₁为第1级气缸连杆长度与曲轴半径之比、V₁₀为第1级气缸余隙容积，上述参数α_1h、V_1h、λ₁、V₁₀通过查阅压缩机基本设计参数获得；

所述步骤(5)建立的第1级气缸气体流量Q_1s的计算方法，：

上式中，R为通用气体常数，为8.314J/(mol*K)，T为绝对零度，为273.15K，M为气体的摩尔质量，P为标准大气压，ω为压缩机转速，单位rad/秒。

4、与现有技术相比，本发明的优点在于：当气量调节系统无法实现全自动调节时，设定机组实际需要的排量后，可以根据进气温度和压力自动调整各级的负荷比，保证排气量不随进气温度和压力的变化而变化。

附图说明

图1本发明中配置部分行程顶开进气阀执行卸荷装置后的往复压缩机结构拓扑示意图；

图2部分行程顶开进气阀执行卸荷装置的结构示意图；

图3往复压缩机单个周期不同进气温度下满负荷进气流量变化示意图；

图4往复压缩机单个周期不同进气压力下满负荷进气流量变化示意图

图5采用温度和进气压力多参数修正气量调节方式计算流程图

图中：1-进气缓冲罐 2-上位机 3-插槽式控制器 4-液压油站 5-比例调压阀 6-驱动电机 7-排气缓冲罐 8-往复压缩机 9-执行卸荷器装置 10-执行油缸 11-压缩机阀盖12-顶杆 13-压叉 14-压缩机进气阀

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。

本发明涉及的四级四缸对称平衡式空气往复压缩机，该机组配置部分行程顶开进气阀执行卸荷装置后的往复压缩机结构拓扑示意图如图1所示。压缩机一级至四级的所有进气阀配备上如图2所示的执行卸荷装置，通过控制吸气阀延时撤回角度调节机组排气量。本发明的机组排量调控方法是实时采集进气温度和进气压力，通过图5所示的计算流程计算当前状态下机组满负荷的吸气流量，并把该吸气流量转化到标准状态下。一级的负荷比通过设定的机组实际需要排量与当前状态下机组满负荷的吸气流量(标准状态转化)进行比值计算获得。其他各级的负荷比与一级负荷比相同。

本实例中机组信息如下：

往复压缩机相关参数如下：

压缩机转速ω＝44.4rad/s；

曲柄连杆比λ＝0.2；

一级气缸行程容积V¹ _h＝0.2364；

二级气缸行程容积V² _h＝0.0935；

三级气缸行程容积V³ _h＝0.0382；

四级气缸行程容积V⁴ _h＝0.0170；

获取压缩机实际需求气量Q＝28Nm³/min和压缩机的进气温度T_1s分别为0℃、10℃、20℃、30℃，进气压力P₁为0.1Mpa。根据图5的求解流程图分别计算机组满负荷吸气量Q_1s、各级气量负荷比η_i和各级外侧进气阀延时关闭相位角θ_r ⁱ如下表1所示：

表1

压缩机的进气温度T_1s为20℃，进气压力P₁分别为0.09Mpa，0.1Mpa，0.11Mpa。根据图5的求解流程图分别计算机组满负荷吸气量Q'_1s、各级气量负荷比η_i和各级外侧进气阀延时关闭相位角θ_r ⁱ如下表2所示：

表2

采用本发明基于进气温度和压力的多级往复压缩机流量调控方法，根据机组的进气温度和压力计算气量负荷比。保证在进气温度和压力发生变化时，自动调整各级气缸的气量负荷比保证机组的排量不变。不同进气温度下，进气阀单周期进气质量流量变化曲线如图3所示，不同进气压力下，进气阀单周期进气质量流量变化曲线如图4所示，由此可知各级气缸单周期满负荷进气质量流量与进气温度变化成反比关系，与进气压力变化成正比关系，即进气温度逐渐增大或进气压力减小时单周期满负荷进气质量流量会降低，当进气温度升高和进气压力减低时，为了满足设定的排气量，进气阀关闭需要提前。通过调整卸荷执行机构撤回的相位，可稳定压缩机排气量。

Claims (3)

1.一种基于温度和进气压力的往复压缩机排量控制方法，其特征在于：

(1)在往复压缩机吸气阀上安装卸荷器，通过控制吸气阀延时撤回角度调节机组排气量；

(2)压缩机的压缩级数为N，各级进气温度为T_is，单位为K，开尔文，各级进气阀数量为S_i，i＝1,2…N；在设计温度工况下，设往复压缩机的额定排气量是Q₀，单位为Nm³/min，即标准立方米毎分钟，机组满负荷运行时的各级进气压力为P_i，i＝1,2…N，单位为Pa；

(3)进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位Nm³/min；

(4)应用狭窄通道流量模型进行机组排气流量计算，绝热流动的理想气体在气阀狭窄通道中的质量流量方程为：

上式中，m代表气体质量，单位kg，α为流量系数，A为通道面积，k为比热比，ν为气缸内气体比容，P_in和P_out分别表示流进和流出狭窄通道气体的压力，T_in为流进狭窄通道的气体温度，R_g为气体常数，

R为通用气体常数,为8.314J/(mol*K)，M为气体的摩尔质量；

求得往复压缩机第一级气缸在吸气过程中的质量流量方程为：

上式中，α_1sv为第1级气缸吸气阀流量系数；A_1sv为第1级气缸吸气阀通道面积；ω为压缩机转速，单位rad/秒；P_1cy和P₁分别表示第1级气缸内压力和第1级进气压力，T_1s为第1级气缸吸气阀进气温度，k为比热比，θ为相对于活塞外止点曲轴转过的角度，定义活塞位于外止点时θ＝0°，m_1s为第1级气缸吸气阀的进气质量；

(5)计算吸气温度为T_1s时第1级气缸单周期满负荷吸气量M_1s：

将第1级气缸的吸气质量M_1s转化为到标准状态下气体流量Q_1s，单位为Nm³/min；

(6)进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位是Nm³/min，往复压缩机各级气缸在t时刻的负荷比为：

η_i＝Q(t)/Q_1s

(7)根据负荷比转化公式

式中，λ_i为压缩机各级的连杆长度与曲轴半径之比，计算第i级气缸卸荷器延时撤回的角度θ_i：

设定第i级气缸数量为W_i，定义第i级第j个气缸活塞位于外止点时，曲轴转角θ_ij＝0，活塞位于内止点时，曲轴转角θ_ij＝180；若气缸为外侧单作用气缸，则对第i级的W_i个气缸，每个气缸的吸气阀卸荷器在θ_ij＝180+θ_i时完成撤回；若气缸为内外侧双作用气缸，则对第i级的W_i个气缸，每个气缸外侧的吸气阀卸荷器在θ_ij＝180+θ_i时完成撤回，每个气缸内侧的吸气阀卸荷器在θ_ij＝θ_i时完成撤回；卸荷器对气阀的控制实现了机组排气量和各级的压比的调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度和进气压力的往复压缩机排量控制方法，其特征在于步骤(4)建立的第1级气缸缸内压力P_1cy的计算方法：

上式中V_1cy为压缩机第1级气缸内活塞运动时的气缸容积，计算方法为：

其中α_1h为第1级气缸余隙系数、V_1h为第1级气缸活塞行程容积、λ₁为第1级气缸连杆长度与曲轴半径之比、V₁₀为第1级气缸余隙容积，上述参数α_1h、V_1h、λ₁、V₁₀通过查阅压缩机基本设计参数获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于温度和进气压力的往复压缩机排量控制方法,其特征在于步骤(5)建立的第1级气缸气体流量Q_1s的计算方法，：

上式中，R为通用气体常数，为8.314J/(mol*K)，T为绝对零度，为273.15K，M为气体的摩尔质量，P为标准大气压，ω为压缩机转速，单位rad/秒。

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