CN109058088A - 一种基于温度和压比的往复压缩机排量气量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度和压比的往复压缩机排量气量控制方法，实现了往复压缩机的排气量在进气温度变化下的自动调节修正，达到了稳定压缩机排量的目的。为了克服大部分企业无法实现无级气量调节***根据设定流量或者压力进行全自动调节的技术缺点，压缩机各级进气阀配备卸荷装置，实现气量0～100％满量程无级调节。采用手动设定的机组实际需要的排量与实时采集的进气温度修正后的额定排量进行比值计算一级负荷比；二级、三级和四级采用设定压比方式运用PID控制器自动计算负荷比，最终实现在不同进气温度下，保持机组级间压比和排气量不变。

Description

一种基于温度和压比的往复压缩机排量气量控制方法

技术领域

本发明涉及一种往复式压缩机排气量控制方法，实现了往复压缩机的排气量在进气温度变化下的自动调节修正，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。往复压缩的额定排气量是在出厂时就设计完成，由于其结构特点自身无法进行排气量调节。然而在许多往复压缩机的运用领域中，由于工况变动如进气量不足、排气需求降低等，都需要进行气量调节，在保证工艺稳定的同时实现优化节能运行。如何使机组运行于实际生产需要的负荷不造成大量能源被浪费是企业都要面对的问题，也是企业进行节能改造重要突破口。

目前调节压缩机排气量的方法有旁路调节、余隙容积调节、顶开进气阀调节、转速调节等几种调节方式。旁路回流调节方式是将经过压缩的高压级气体通过旁路回流阀和旁路管道引到入口进行调节，调节方式简单灵活、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，回流量越多浪费的能量越多。

部分行程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阀片，当活塞方向运动到某一指定位置时撤销强制力，进气阀由于气体力的作用下自动关闭，压缩机开始对剩下在气缸中的气体进行压缩，这种调节方式使得在原工作循环中增加了一个缸内气体回流的过程，每个压缩机工作行程将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。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。这些调节方法在实际进行流量调控时几乎都是通过设定的排气量或者排气压力进行负荷自动计算。然而，在手动给定机组负荷时，由于进气温度变化会造成流量调控不准。

在大部分企业中，处于对工艺稳定的考虑或者硬件条件不允许，往往实现不了气量调节全自动运行，即气量调节***根据设定的流量或者压力全自动调节压缩机各级的负荷比，只能采用手动设定机组负荷或者设定排气量的形式进行气量调节。对于多级气缸空气压缩的机组来说，在昼夜温差大地区，环境温度的变化会导致机组级间进排气温度和压力发生变化，进而在设定的负荷下运行时机组排气量和级间压力会出现较大的变化，使得机组排气量与实际需要的不匹配，造成能源浪费。为了防止这种由于进气温度变化造成的排气量变化，就需要根据环境温度自动修正机组的负荷。

发明内容

1、本发明涉及一种基于温度和压比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，各级额定进气温度设计值为T_i，单位为K，开尔文，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，机组满负荷运行的总压比为ε，各级压比为ε_i，i＝1,2…N，ε＝ε₁×ε₂×...×ε_N，机组各级进气压力为P_i，i＝1,2…N；

(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)Nm³/min，此时各级进气温度为T_is(t)，单位为K，则第1级气缸额定排气量修正为T₁第1级额定进气温度设计值。则往复压缩机第1级气量在t时刻的负荷比为：

(4)调节后的各级压比设为ε_is，i＝1,2…N，ε＝ε_1s×ε_2s×...×ε_Ns，总压比保持不变，设第1级的进气压力为P_1s，第i+1级进气压力P_(i+1)s为P_is×ε_is，i＝1，2…N-1；

(5)根据第2到N级气缸进气压力，计算第2到第N级负荷比η₂(t),…，η_N(t)；

(6)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，计算各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(5)建立的第i(i＝2...N)级气缸基于PID控制算法的负荷比计算方法：

1)分别在除一级外其他各级负荷比η_i施加阶跃信号，采集各级进气压力的值P_i，第i级进气压力的第L个采样值为

β_iL＝P_i(LZ_s),L＝1,2...D

式中，Z_s为阶跃响应采样时间，β_iL为第i级进气压力在LZ_s时刻的幅值，D表示采样总长度；

2)除一级外其他各级进气压力的在施加负荷比阶跃信号后某一时刻M之后趋于稳定，压力上下波动小于5％，则可用向量

作为预测模型向量，M为模型的时域长度；

3)在某时刻k起第i级未来M时刻负荷比增量向量为得到在未来M个时刻第i级的进气压力预测输出值：

式中,表示无负荷比增量时，第i级进气压力的预测初始值，等式右边第一项是在第(k-M+n-1)时刻的控制作用下的压力稳态值，第二项为时刻k前M个时刻负荷比增量Δη_i(k-1)、Δη_i(k-2)、…、Δη_i(k+n-M)所产生的压力变化值；

4)采集当前的过程输出测量值P_i(k)与模型的预测值进行比较，用其偏差来c_i(k)来修正模型输出的预测值

P_i ^c(k+n)＝P^m _i(k+n)+αc(k),n＝1,2...M

式中，P_i ^c(k+n)为修正后的时刻k+n预测值，P^m _i(k+n)为模型时刻k+n预测输出值，即为P_i(k)为实际采集压力值，α为加权系数，取值为1；

5)P_iss为第i级进气压力的设定值，为了避免出现输入和输出的急剧变化,保证压力P_i(k+m)沿着某一平滑的参考曲线达到设定值P_iss，参考曲线

P_i ^r(k+m)＝δⁿP_i(k)+(1-δⁿ)P_iss,m＝1,2...P`

式中，δ＝exp(Z_s/Z_r)，Z_s为采样时间；Z_r为参考曲线时间常数,P为控制域长度；

6)通过在线校正得到***的修正预测值和参考曲线,进而得到预测偏差

e_i(k+m)＝P_i ^r(k+m)-P_i ^c(k+m),m＝1,2...P

7)计算第i级负荷比增量Δη_i(k+m-1)为

Δη_i(k+m-1)＝A_ie_i(k+m-1)-B_ie_i(k-2+m)+C_ie_i(k-3+m),m＝1...P

式中：Z_s为采样时间，K_pi为第i级PID比例增益，T_Ii为第i级PID积分时间常数，T_di为第i级PID微分时间常数，K_pi、T_Ii、T_di均通过采集各级进气压力利用反应曲线法进行整定获得；

8)实际第i级在时刻k的负荷η_i(k)为

η_i(k)＝η_i(k-1)+Δη_i(k),i＝2...N

式中，η_i(k-1)为k-1时刻的负荷比。

3、与现有技术相比，本发明的优点在于：当气量调节***无法实现全自动调节时，设定机组实际需要的排量后，可以根据进气温度自动调整一级的负荷比，二级、三级、四级负荷比根据PID算法自动调节，保证机组的排气量稳定。

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3PID计算负荷比流程图示意图；

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。

如图1所示，本发明涉及的四级四缸空气往复压缩机，在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一级的负荷比通过设定的机组实际需要排量与机组当前温度下修正后的额定排量进行比值计算获得，设定往复压缩机各级的压比后，PID控制算法利用实时采集的二级、三级和四级的进气压力计算出二级、三级和四级的负荷比，本发明的PID控制算法的计算负荷比流程图如图3所示。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

进气压力P_s＝0.1MPa

曲柄连杆比λ＝0.2

机组额定排量M₀＝34.4Nm³/min(进气温度温20℃)

机组的总压比ε＝32

获取压缩机实际需求气量Q Nm³/min和一级进气温度T_s，一级气量负荷比根据上述方案计算公式确定，二级、三级和四级在自动模式下由PID控制器接收实际进气压力值、进气压力设定值，经过运算得到需要的气量负荷比。本实例中环境温度分别设为0℃、10℃、15℃、20℃、30℃。各级的设定压比ε_1s＝2，ε_2s＝2.6，ε_3s＝2.1，ε_4s＝2.8通过温度修正计算气执行卸荷机构撤回的角度。机组实际需求排气量为Q＝29.6Nm³/min下，各级外侧进气阀延时在不同进气温度下关闭相位角θ_r如下表所列，内侧延时关闭相位与外侧相差180°：

为了满足机组设定的排气量和压缩机压比不变，采用本发明基于温度和压比往复压缩机流量调控方法，当进气温度发生变化时，一级的负荷比通过实时的温度进行修正，保证机组总的进气量不变。二级、三级和四级的负荷比通过各自的PID控制器进行调节，以保证各级的压比不变。由上表可知，当进气温度升高时，为了保持机组排量不变，一级的负荷比会增大，进气气阀关闭相位角度提前；为了维持各级压比，二级、三级和四级的负荷比同样也会增大。

Claims (2)

1.一种基于温度和压比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，各级额定进气温度设计值为T_i，单位为K，开尔文，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，机组满负荷运行的总压比为ε，各级压比为ε_i，i＝1,2…N，ε＝ε₁×ε₂×...×ε_N，机组各级进气压力为P_i，i＝1，2…N；

(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)Nm³/min，此时各级进气温度为T_is(t)，单位为K，则第1级气缸额定排气量修正为T₁第1级额定进气温度设计值；则往复压缩机第1级气量在t时刻的负荷比为：

(4)调节后的各级压比设为ε_is，i＝1，2…N，ε＝ε_1s×ε_2s×...×ε_Ns，总压比保持不变，设第1级的进气压力为P_1s，第i+1级进气压力P_(i+1)s为P_is×ε_is，i＝1，2…N-1；

(5)根据第2到N级气缸进气压力，计算第2到第N级负荷比η₂(t)，…，η_N(t)；

(6)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，计算各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所述的基于温度和压比的往复压缩机排量控制方法，其特征在于所述步骤(5)建立的第i级气缸基于PID控制算法的负荷比计算方法：

1)分别在除一级外其他各级负荷比η_i施加阶跃信号，采集各级进气压力的值P_i，第i级进气压力的第L个采样值为

β_iL＝P_i(LZ_s),L＝1,2...D

式中，Z_s为阶跃响应采样时间，β_iL为第i级进气压力在LZ_s时刻的幅值，D表示采样总长度；

2)除一级外其他各级进气压力的在施加负荷比阶跃信号后某一时刻M之后趋于稳定，压力上下波动小于5％，则用向量

作为预测模型向量，M为模型的时域长度；

3)在某时刻k起第i级未来M时刻负荷比增量向量为得到在未来M个时刻第i级的进气压力预测输出值：

式中，表示无负荷比增量时，第i级进气压力的预测初始值，等式右边第一项是在第(k-M+n-1)时刻的控制作用下的压力稳态值，第二项为时刻k前M个时刻负荷比增量Δη_i(k-1)、Δη_i(k-2)、…、Δη_i(k+n-M)所产生的压力变化值；

4)采集当前的过程输出测量值P_i(k)与模型的预测值进行比较，用其偏差来c_i(k)来修正模型输出的预测值

P_i ^c(k+n)＝P^m _i(k+n)+αc(k),n＝1,2...M

式中，P_i ^c(k+n)为修正后的时刻k+n预测值，P^m _i(k+n)为模型时刻k+n预测输出值，即为P_i(k)为实际采集压力值，α为加权系数，取值为1；

5)P_iss为第i级进气压力的设定值，为了避免出现输入和输出的急剧变化,保证压力P_i(k+m)沿着某一平滑的参考曲线达到设定值P_iss，参考曲线

P_i ^r(k+m)＝δⁿP_i(k)+(1-δⁿ)P_iss,m＝1,2...P`

式中，δ＝exp(Z_s/Z_r)，Z_s为采样时间；Z_r为参考曲线时间常数,P为控制域长度；

6)通过在线校正得到***的修正预测值和参考曲线，进而得到预测偏差

e_i(k+m)＝P_i ^r(k+m)-P_i ^c(k+m),m＝1,2...P

7)计算第i级负荷比增量Δη_i(k+m-1)为

Δη_i(k+m-1)＝A_ie_i(k+m-1)-B_ie_i(k-2+m)+C_ie_i(k-3+m),m＝1...P

式中：Z_s为采样时间，K_pi为第i级PID比例增益，T_Ii为第i级PID积分时间常数，T_di为第i级PID微分时间常数，K_pi、T_Ii、T_di均通过采集各级进气压力利用反应曲线法进行整定获得；

8)实际第i级在时刻k的负荷η_i(k)为

η_i(k)＝η_i(k-1)+Δη_i(k),i＝2...N

式中，η_i(k-1)为k-1时刻的负荷比。