CN111810395B - 一种基于p—v图测试的往复式压缩机能效分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，该系统包括硬件模块和软件模块，硬件模块是指压力传感器、压力变送器、温度传感器、键相传感器、互感器、数据采集卡，软件模块包括数据显示、数据处理、数据存储，此系统能够实现往复式压缩机的流量、指示功率、电机功率、效率的实时测量和分析，从而反映往复式压缩机的运行状况。本发明的有益成果有：通过测量的各级气缸的p—V图能得到压缩机流量，不必在压缩机管道上安装流量计；通过测量的各级气缸的p—V图能够反映中间各级气量的变化、各级指示功及总指示功率；基于p—V图测试的压缩机能效分析系统能够完成数据的实时处理，提高了测量效率，而且技术简便易于实现。

Description

一种基于P—V图测试的往复式压缩机能效分析系统
技术领域
本发明属于压缩机技术领域，具体涉及一种往复式压缩机的能效分析系统。
背景技术
大型往复式压缩机是化工合成、天然气集输等工业的关键设备，也是主要的能耗设备。随着生产规模的扩大，往复压缩机的数量、规格都在扩大，很多压缩机功率都在兆瓦级别。从目前压缩机使用情况来看，很多压缩机都存在能耗管理不精细的问题，压缩机的能耗状况不清楚，甚至可能长期运行在低效工况下，造成巨大的能源消耗，降低企业的整体效益。目前，国家正进入十四五阶段，节能减排是国家规划工作的重中之重。因此，对往复式压缩机的能耗状况进行监测、分析，对于提高机器效率、企业效益，乃至促进我国的绿色健康发展都具有重要意义。
压缩机的能耗主要是功耗，大部分情况为电功耗，水耗、油耗占比较小。压缩机的产出为一定流量的高压气体。因此，要评价压缩机的能耗状况，则必须明确压缩机的功耗及流量参数。对于在役的压缩机，要获得上述参数，则要求监测系统尽量不破坏压缩机现有系统，即主机及管路系统。然而进行功耗、流量测量，目前市场上的大部分测量装置都必须要在主机和管路上安装，由于现场安装条件不具备或安全规范不允许，这类测量装置使用具有很大的局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于p—V图测试的压缩机能效分析系统，能够实现往复式压缩机的流量、指示功率、电机功率、效率的实时测量和分析，从而反映往复式压缩机的运行状况。
为了实现上述目的，本发明采用的解决方案是：
一种基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，包括：
硬件模块：获取往复式压缩机能效分析所必须的参数，包括各级进、排气压力、各级进、排气温度、各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流；
软件模块：对硬件模块获取的参数信号进行转换和处理，以各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流为输入，输出往复式压缩机的p—V图、流量、指示功率、电机功率和效率。
所述硬件模块，包括：
压力传感器：安装在往复式压缩机各级气缸示功孔上，用以采集往复式压缩机各级气缸内的压力值；
压力变送器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气压力；
温度传感器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气温度；
键相传感器：安装在近飞轮处，用以获取键相信号，提供信号采集触发，表征往复式压缩机某列活塞运行到外止点的时刻；
互感器：安装在电源的输出线上，用以采集往复式压缩机电机线路的电压、电流值；
数据采集器：用以连接压力传感器、压力变送器、温度传感器、键相传感器、互感器和计算机，将采集到的信号传输至计算机，便于软件处理。
所述软件模块，包括：
数据处理模块：通过对输入的信号即各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流进行滤波处理，剔除干扰，以及进行转换和计算得到所需的输出值，输出值包括各级气缸的p—V图、流量、指示功率、电机功率及效率；
数据显示模块：将计算所得的输出值以图像和表格的形式可视化显示；
数据存储模块：一方面，生成此次测量的报表，报表内容包括计算所得的输出值、测量时间、测量人员与测量相关的信息；另一方面，通过将输入值和输出值都上传至数据库进行存储和备份。
所述数据处理模块进行计算得到所需的输出值的方法为：
1)将压力传感器输入的压力信号和键相传感器输入的键相信号转化为往复式压缩机气缸内的压力p和气缸工作容积V，得到各级气缸的p—V图；此外，由键相信号还能得到往复式压缩机的转速n；
2)利用安装在各级进、排气管道或缓冲罐上的压力变送器得到各级进气压力psi、排气压力pdi，在各级气缸的p—V图中作相应级的进气压力线ps，排气压力线pd，进气压力线ps与p—V图的过程线c-d-a-b交于两点，两点对应于横坐标的气缸工作容积V4和V1，得到往复式压缩机的各级的进气量Vsi＝V1-V4，再将进气量Vsi换算到第一级入口的温度、压力下，得到流量Qi：
Figure BDA0002588589700000041
其中，Qi为流量，单位为m3/min；V4和V1为气缸工作容积，单位为m3；n为往复式压缩机的转速，单位为r/min；Tsi为第i级进气温度，单位为K；psi为第i级的进气压力，单位为Pa；Z为第i级工作容积的个数；最末级的进气量换算至第一级的进气状态近似等于压缩机排出的气量Qd，单位为m3/min；
3)计算第i级气缸p—V图中过程线包围的面积，再根据转速n，得到往复式压缩机第i级的指示功率Pii；过程线由一个个离散的点组成，设c-d-a过程线有N个离散点，对称地，c-b-a过程线也应有N个离散点，则第i级指示功Wii：
Figure BDA0002588589700000042
其中，Wii为第i级指示功，单位为J；pc-b-a(j)和pc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的压力，单位为Pa；Vc-b-a(j)和Vc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的气缸工作容积，单位为m3；
则第i级指示功率Pii：
Figure BDA0002588589700000043
其中，Pii为第i级的指示功率，单位为W；
各级指示功率的总和为压缩机的指示功率Pi：
Figure BDA0002588589700000044
其中，Pi为压缩机的指示功率，单位为W；
4)根据输入的电机电压U和电机电流I，计算得到电机功率PE，结合指示功率Pi得到往复式压缩机的效率η：
PE＝UI cosφ
Figure BDA0002588589700000051
其中，PE为电机功率，单位为W；U为电机电压，单位为V；I为电机电流，单位为A；cosφ为功率因数。
所述转速n的计算方式为：键相信号表征往复式压缩机某一列活塞运转到外止点，此时发出一个脉冲，则相邻两个脉冲之间的时间表示为往复式压缩机运转周期为T，则往复式压缩机的转速n为
Figure BDA0002588589700000052
所述各级气缸的p—V图的转化方式为：键相信号表征往复式压缩机某一列运转到外止点发出一个脉冲，此时对应曲柄转角θ＝0°，下一个脉冲时刻对应曲柄转角θ＝360°，在两个脉冲期间所有测得的数据点对应的曲柄转角均匀分布，根据各级气缸工作容积V与曲柄转角θ的对应关系得到所有数据点的各级气缸工作容积V：
Figure BDA0002588589700000053
其中，V0为余隙容积，单位为m3；Di为第i级气缸内径，单位为m；r为曲柄半径，单位为m；λ为曲柄半径连杆比，为无量纲常量；V0、Di、r、λ均为已知常数；
压力信号与键相信号具有相同的采样率，并同时开始采集数据；则一个周期T内，所有数据点的气缸内的压力p和气缸工作容积V均已知，进而绘制各级气缸的p—V图。
所述数据处理模块中的滤波主要是对压力信号施加的，实现低通滤波，剔除压力信号中的高频噪声。
本发明提出一种基于p—V图测试的压缩机能效分析系统。利用压缩机气缸上的示功孔，进行压缩机p—V图实时测量，进行实时功耗、流量计算，进而分析压缩机的实时能耗状况。该方法不需要在管路上安装流量计，完全不用破坏压缩机主机及管路，而且能全面分析压缩机的效率及运行情况。
与现有通过流量计测量压缩机流量再进行能效分析的技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明通过测量各级气缸的p—V图来测量压缩机流量，不需要在压缩机管道上安装流量计，这对气缸上具有示功孔、不方便现场改动管道的在役压缩机极其方便。
2)本发明测量各级气缸的p—V图，进而能计算各级的进气量，能明确各级气量的变化。而流量计一般只安装在压缩机进气管道或末级排气管道，只能测量一级进气量或末级排气量，不清楚中间各级气量的变化。
3)本发明测量各级气缸的p—V图，进而计算得到各级指示功率及总指示功率。传统测量方法只能测量电机功率。本发明中既能测量指示功率，又能测量电机功率，从而可以得到压缩机的效率。
4)本发明测量的各级气缸的p—V图不仅用于本文所述的压缩机能效分析之目的，后续升级能够用于压缩机故障诊断。
5)本发明所采用的能效分析系统是基于硬件、软件实现的，能够完成数据的实时处理，计算精度高，而且大大减少了后续处理时间，提高了测量效率，降低了人力物力。同时，测量参数以报表和数据库的形式存储，便于后续的研究，便于历史数据的查询；
附图说明
图1是本发明中基于p—V图测试的压缩机能效分析系统的结构示意图。
图2是本发明中基于p—V图测试的压缩机能效分析系统中硬件模块的工作原理图。
图3是本发明中基于p—V图测试的压缩机能效分析系统中软件模块的工作原理图。
图4是本发明中基于p—V图测试的压缩机能效分析系统的原理图。
图5是本发明中往复式压缩机的第i级气缸的p—V图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，包括：
硬件模块：获取往复式压缩机能效分析所必须的参数，包括各级进、排气压力、各级进、排气温度、各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流；
软件模块：对硬件模块获取的参数信号进行转换和处理，以各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流为输入，输出往复式压缩机的p—V图、流量、指示功率、电机功率和效率。
如图2所示，所述硬件模块，包括：
压力传感器：安装在往复式压缩机各级气缸示功孔上，用以采集往复式压缩机各级气缸内的压力值；
压力变送器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气压力；
温度传感器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气温度；
键相传感器：安装在近飞轮处，用以获取键相信号，提供信号采集触发，表征往复式压缩机某列活塞运行到外止点的时刻；
互感器：安装在电源的输出线上，用以采集往复式压缩机电机线路的电压、电流值；
数据采集器：用以连接压力传感器、压力变送器、温度传感器、键相传感器、互感器和计算机，将采集到的信号传输至计算机，便于软件处理。
如图3所示，所述软件模块，包括：
数据处理模块：通过对输入的信号即各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流进行滤波处理，剔除干扰，以及进行转换和计算得到所需的输出值，输出值包括各级气缸的p—V图、流量、指示功率、电机功率及效率；
数据显示模块：将计算所得的输出值以图像和表格的形式可视化显示；
数据存储模块：一方面，生成此次测量的报表，报表内容包括计算所得的输出值、测量时间、测量人员与测量相关的信息；另一方面，通过将输入值和输出值都上传至数据库进行存储和备份。
本发明中基于p—V图测试的压缩机能效分析系统的原理如图4所示，具体如下：
1)通过安装在近飞轮处的键相传感器得到键相信号——表征往复式压缩机某一列活塞运转到外止点，此时发出一个脉冲，则相邻两个脉冲之间的时间表示为往复式压缩机运转周期为T，则往复式压缩机的转速n为
Figure BDA0002588589700000091
2)通过安装在往复式压缩机气缸示功孔上的压力传感器得到气缸内的压力p，而压力传感器和键相传感器具有相同的采样率，并且同时开始采集数据，从键相传感器发出一个脉冲时表征往复式压缩机某一列活塞运转到外止点，开始记录气缸内的压力p，此时对应往复式压缩机的曲柄转角θ＝0°，下一个脉冲时刻对应曲柄转角θ＝360°，在两个脉冲期间所有测得的数据点对应的曲柄转角均匀分布，根据第i级气缸工作容积V与曲柄转角θ的对应关系得到所有数据点的各级气缸工作容积值V：
Figure BDA0002588589700000092
其中，V0为余隙容积，单位为m3；Di为第i级气缸内径，单位为m；r为曲柄半径，单位为m；λ为曲柄半径连杆比，为无量纲常量；V0、Di、r、λ均为已知常数。
以上，完整记录了往复式压缩机一个周期T内，所有数据点的气缸内的压力p和气缸工作容积V，从而在软件平台上可视化，绘制出第i级气缸的p—V图，如图5所示，c-d是往复式压缩机实际循环中的气体膨胀过程线，d-a是往复式压缩机实际循环中的进气过程线，a-b是往复式压缩机实际循环中的气体压缩过程线，b-c是往复式压缩机实际循环中的气体排气过程线；点1、2、3、4是相应级的进气压力线ps和排气压力线pd与各过程线的交点。
3)通过安装在各级进、排气管道或缓冲罐上的压力变送器和温度传感器得到各级进气压力psi、排气压力pdi和进气温度Tsi。利用得到的第i级气缸的p—V图，在图中作相应级进气压力线ps，进气压力线ps与过程线c-d-a-b交于两点，两点对应于横坐标的气缸工作容积V4和V1，得到往复式压缩机的各级的进气量Vsi＝V1-V4，再将进气量Vsi换算到第一级入口的温度、压力下，得到流量Qi：
Figure BDA0002588589700000101
其中，Qi为流量，单位为m3/min；V4和V1为气缸工作容积，单位为m3；n为往复式压缩机的转速，单位为r/min；Tsi为第i级进气温度，单位为K；psi为第i级的进气压力，单位为Pa；Z为第i级工作容积的个数；最末级的进气量换算至第一级的进气状态近似等于压缩机排出的气量Qd，单位为m3/min；
计算第i级气缸的p—V图中过程线包围的面积，得到往复式压缩机第i级的指示功。过程线由一个个离散的点组成，不妨设c-d-a过程线有N个离散点，对称地，c-b-a过程线也应有N个离散点，则第i级指示功Wii：
Figure BDA0002588589700000102
其中，Wii为第i级指示功，单位为J；pc-b-a(j)和pc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的压力，单位为Pa；Vc-b-a(j)和Vc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的气缸工作容积，单位为m3；
则第i级指示功率Pii：
Figure BDA0002588589700000111
其中，Pii为第i级的指示功率，单位为W；
各级指示功率的总和为压缩机的指示功率Pi：
Figure BDA0002588589700000112
其中，Pi为压缩机的指示功率，单位为W；
4)根据输入的电机电压U和电机电流I，计算得到电机功率PE，结合指示功率Pi得到往复式压缩机的效率η：
PE＝UIcosφ
Figure BDA0002588589700000113
其中，PE为电机功率，单位为W；U为电机电压，单位为V；I为电机电流，单位为A；cosφ为功率因数。
基于以上原理，通过数据采集卡将采集到的数据传输到计算机中的LabVIEW平台，通过在LabVIEW中编程实现采集到的数据的处理、显示和存储：
LabVIEW是目前应用较为广泛、发展十分迅速、功能非常强大的图形化软件开发集成环境。LabVIEW采用图形模式的结构框图组成程序代码，它能为数据采集、仪器控制、测量分析等提供便捷，因此，LabVIEW能够通过降低应用系统开发时间与项目筹备成本帮助科学家与工程师们提高效率。
从而，本发明以此作为软件平台，将硬件平台采集到的气缸内的压力、键相信号、电机电压、电流作为输入，通过编程实现数据处理，输出p—V图、流量、指示功率、电机功率、效率，从而提高了测量效率，降低了人力物力。
此外，输出数据一方面以EXCEL报表的形式给予操作人员一定的反馈，便于了解往复式压缩机目前的运行状况，也方便保存测量数据。另一方面，将输入数据和输出数据都上传至SQL Server数据库中集中存储和管理，便于历史数据的查询，也有利于后续的研究。
该具体实施方式仅仅是本发明的较佳示例，并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理且尚未做出创新的情况下，本领域相关技术人员通过修改、替换、改进等方式所获得的所有其他实施例，均应视为在本发明所保护的技术范围内。

Claims (5)

1.一种基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，其特征在于，包括：
硬件模块：获取往复式压缩机能效分析所必须的参数，包括各级进、排气压力、各级进、排气温度、各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流；
软件模块：对硬件模块获取的参数信号进行转换和处理，以各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流为输入，输出往复式压缩机的p—V图、流量、指示功率、电机功率和效率；
所述软件模块，包括：
数据处理模块：通过对输入的信号即各级气缸内压力、键相信号、电机电压和电机电流进行滤波处理，剔除干扰，以及进行转换和计算得到所需的输出值，输出值包括各级气缸的p—V图、流量、指示功率、电机功率及效率；
数据显示模块：将计算所得的输出值以图像和表格的形式可视化显示；
数据存储模块：一方面，生成此次测量的报表，报表内容包括计算所得的输出值、测量时间、测量人员与测量相关的信息；另一方面，通过将输入值和输出值都上传至数据库进行存储和备份；
所述数据处理模块进行计算得到所需的输出值的方法为：
1)将压力传感器输入的压力信号和键相传感器输入的键相信号转化为往复式压缩机气缸内的压力p和气缸工作容积V，得到各级气缸的p—V图；此外，由键相信号还能得到往复式压缩机的转速n；
2)利用安装在各级进、排气管道或缓冲罐上的压力变送器得到各级进气压力psi、排气压力pdi，在各级气缸的p—V图中作相应级的进气压力线ps，排气压力线pd，进气压力线ps与p—V图的过程线c-d-a-b交于两点，两点对应于横坐标的气缸工作容积V4和V1，得到往复式压缩机的各级的进气量Vsi＝V1-V4，再将进气量Vsi换算到第一级入口的温度、压力下，得到流量Qi：
Figure FDA0002972109830000021
其中，Qi为流量，单位为m3/min；V4和V1为气缸工作容积，单位为m3；n为往复式压缩机的转速，单位为r/min；Tsi为第i级进气温度，单位为K；psi为第i级的进气压力，单位为Pa；Z为第i级工作容积的个数；最末级的进气量换算至第一级的进气状态近似等于压缩机排出的气量Qd，单位为m3/min；
3)计算第i级气缸p—V图中过程线包围的面积，再根据转速n，得到往复式压缩机第i级的指示功率Pii；过程线由一个个离散的点组成，设c-d-a过程线有N个离散点，对称地，c-b-a过程线也应有N个离散点，则第i级指示功Wii：
Figure FDA0002972109830000022
其中，Wii为第i级指示功，单位为J；pc-b-a(j)和pc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的压力，单位为Pa；Vc-b-a(j)和Vc-d-a(k)分别为c-b-a过程线和c-d-a过程线上第j个和第k个离散点的气缸工作容积，单位为m3；
则第i级指示功率Pii：
Figure FDA0002972109830000023
其中，Pii为第i级的指示功率，单位为W；
各级指示功率的总和为压缩机的指示功率Pi：
Figure FDA0002972109830000024
其中，Pi为压缩机的指示功率，单位为W；
4)根据输入的电机电压U和电机电流I，计算得到电机功率PE，结合指示功率Pi得到往复式压缩机的效率η：
PE＝UIcosφ
Figure FDA0002972109830000031
其中，PE为电机功率，单位为W；U为电机电压，单位为V；I为电机电流，单位为A；cosφ为功率因数。
2.根据权利要求1所述的基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，其特征在于，所述硬件模块，包括：
压力传感器：安装在往复式压缩机各级气缸示功孔上，用以采集往复式压缩机各级气缸内的压力值；
压力变送器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气压力；
温度传感器：安装在各级进、排气管道或缓冲罐上，用以测量各级进、排气温度；
键相传感器：安装在近飞轮处，用以获取键相信号，提供信号采集触发，表征往复式压缩机某列活塞运行到外止点的时刻；
互感器：安装在电源的输出线上，用以采集往复式压缩机电机线路的电压、电流值；
数据采集器：用以连接压力传感器、压力变送器、温度传感器、键相传感器、互感器和计算机，将采集到的信号传输至计算机，便于软件处理。
3.根据权利要求1所述的基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，其特征在于，所述转速n的计算方式为：键相信号表征往复式压缩机某一列活塞运转到外止点，此时发出一个脉冲，则相邻两个脉冲之间的时间表示为往复式压缩机运转周期为T，则往复式压缩机的转速n为
Figure FDA0002972109830000041
4.根据权利要求1所述的基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，其特征在于，所述各级气缸的p—V图的转化方式为：键相信号表征往复式压缩机某一列运转到外止点发出一个脉冲，此时对应曲柄转角θ＝0°，下一个脉冲时刻对应曲柄转角θ＝360°，在两个脉冲期间所有测得的数据点对应的曲柄转角均匀分布，根据各级气缸工作容积V与曲柄转角θ的对应关系得到所有数据点的各级气缸工作容积V：
Figure FDA0002972109830000042
其中，V0为余隙容积，单位为m3；Di为第i级气缸内径，单位为m；r为曲柄半径，单位为m；λ为曲柄半径连杆比，为无量纲常量；V0、Di、r、λ均为已知常数；
压力信号与键相信号具有相同的采样率，并同时开始采集数据；则一个周期T内，所有数据点的气缸内的压力p和气缸工作容积V均已知，进而绘制各级气缸的p—V图。
5.根据权利要求1所述的基于p—V图测试的往复式压缩机能效分析系统，其特征在于，所述数据处理模块中的滤波主要是对压力信号施加的，实现低通滤波，剔除压力信号中的高频噪声。
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