CN110748477A - 一种实现压缩机气量无级调节的方法及*** - Google Patents

一种实现压缩机气量无级调节的方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种实现压缩机气量无级调节的方法及***，该***包括压缩机运动***、伺服驱动***和控制***，所述压缩机运动***、伺服驱动***分别与控制***连接；所述伺服驱动***用于驱动压缩机进气阀的强制开启与关闭；所述控制***实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并给伺服驱动***发出控制指令，所述伺服驱动***根据控制指令控制进气阀开启与关闭的时间，从而实现压缩机的排气量在0～100％范围内无极调节，实现了压缩机的节能环保运行。

Description

一种实现压缩机气量无级调节的方法及***
技术领域
本发明涉及压缩机气量调节技术领域，具体涉及一种实现压缩机气量无级调节的方法及***；可广泛应用于化工厂、炼油厂、气体储运厂及联合热电厂等领域。
背景技术
在炼油、石油化工等工艺流程中，由于工况变化和其它因素，压缩机气量需要随时调节，对调节的要求是：能实现流量的连续调节，使流量随时和耗气量相等；调节***力求简单可靠，操作方便；单位流量的功率消耗不增加。最为常用的是打回流，余隙调节和气阀调节。打回流的调节方式浪费能量；余隙调节方式调节范围小，能部分引起压力与温度重新分布；这些调节方式中都不能避免开机时快速升压造成对机组及***的冲击，级间压比不能调节，能耗过高等问题。
压开吸气阀进行气量调节在众多方法中，以其省能耗、结构简易和安装方便等优势得到了广泛的应用，早在上世纪20年代已经出现。压开吸气阀气量调节主要有两种方式：一种为全行程压开吸气阀，即在压缩机工作过程中，使某一吸气阀保持全开；另一种为部分行程压开吸气阀，即在部分压缩过程中，吸气阀保持开启状态，而剩余压缩过程吸气阀关闭。但查阅众多资料发现，迄今国内对压开吸气阀排气量调节的应用绝大部分都局限在全行程压开技术，故只能实现问断调节(如0-50％-100％)。因此，亟需一种能实现压缩机气量无级调节的方法及***，使得压缩机的气量可以在0-100％范围内无极调节。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种实现压缩机气量无级调节的方法及***，能实现压缩机排气量从0～100％范围内无级调节。
气量无级调节的原理为，当下级气量消耗低于压缩机气量输出时，输出压力增大，在C到Cr的压缩过程中，强制进气阀打开，多余的气量在内外压差作用下通过进气阀回流到进气管中，然后再关闭进气阀，使这部分气量不经压缩而重新回流到进气总管中。通过控制回流过程时间的长短即Cr的位置，使压缩机在一个工作循环周期中只压缩实际生产需要的气量，所消耗的功率相应减少，实现了压缩机的节能环保运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种实现压缩机气量无级调节的方法，包括以下步骤：
计算满负荷下压缩机实际进气体积；
设定气缸顶的位置为O点，活塞上止点位置为A点，气缸刚开始吸气时活塞的位置为B点，活塞下止点位置为C点，气缸刚开始压缩时活塞的位置为Cr点，气缸刚开始排气时活塞的位置为D点；
设定压缩机余隙与行程之比为a，余隙长度OA＝2ar，r为曲轴半径；压缩比为b＝P2/P1，P1为进气压力，P2为排气压力；活塞位于A点时气缸内气体压强为P2，活塞位于B点时气缸内气体压强为P1；由于膨胀过程中活塞运动到B点后才开始吸气，因此AB为压缩机循环过程中的无效膨胀行程，则压缩机的实际进气行程为AC-AB＝BC；
根据克拉伯龙方程PV＝nRT可知，恒温下气体膨胀后的体积与压力成反比，则有：
P2/P1＝OB/OA，OB＝2abr；
无效膨胀行程为：
AB＝OB-OA＝2abr-2ar＝2ar(b-1)
实际进气体积V1为：
V1＝S×BC＝S×(AC-AB)＝S×(2r-2ar(b-1)) (1)
其中，S为活塞截面积；
计算压缩机实际排气体积；
由于活塞从C点运动到Cr点的过程中，进气阀都处于强制开启状态，因此，CCr为无效压缩行程，压缩过程中从进气阀溢出的气体体积为V2＝S×CCr，则实际排出的气体体积为V3＝V1-V2；
根据流量负荷计算时间负荷；
设流量负荷为f，0≤f≤1，流量负荷f为从排气阀排除的气体体积与从进气阀吸入气体的体积之比，即f＝V3/V1；
无效压缩行程为：
CCr＝V2/S＝(V1-V3)/S＝V1(1-f)/S
实际压缩行程为：
ACr＝AC-CCr＝2r-(2r-2ar(b-1))(1-f)＝2rf+2ar(b-1)(1-f) (2)
根据活塞位移换算公式，可得活塞顶部到上止点的距离x与曲轴旋转的角度θ的关系为：
Figure BDA0002291260580000021
其中，r为曲轴半径，λ＝r/l，l为连杆长度；
结合式3与式2可得：
Figure BDA0002291260580000031
式4中，曲轴半径r、连杆长度l、余隙a、压缩比b均已知，即可根据设定的流量负荷f计算得到曲轴旋转角度θ，进而得到时间负荷t＝θ/π；伺服驱动***再根据时间负荷控制压缩机进气阀强制开启的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节。
与上述气量无级调节方法相对应的，本发明还提供了一种实现压缩机气量无级调节的***，包括压缩机运动***、伺服驱动***和控制***，所述压缩机运动***、伺服驱动***分别与控制***连接；所述伺服驱动***用于驱动压缩机进气阀的强制开启与关闭；所述控制***实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并给伺服驱动***发出控制指令，所述伺服驱动***根据控制指令控制进气阀开启与关闭的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节；
所述伺服驱动***包括：液压缸、电磁阀、单向阀、液压油站，所述液压油站用于向液压缸供油；所述电磁阀用于控制液压缸进油油路的通断；所述液压缸内的高压柱塞通过顶杆与压缩机的进气阀连接；通过液压油站和电磁阀控制高压柱塞的动作，进而通过顶杆控制带有卸荷器的进气阀的开启和关闭；
所述控制***包括上位机和下位机，所述上位机采用触摸屏进行策略控制和行为控制，对压缩机的状态数据进行监控，对伺服驱动***的动作进行控制；所述下位机采用PLC控制器，所述PLC控制器分别与触摸屏、压缩机和伺服驱动***连接。
具体地，所述液压油站至少包括油箱、油泵和油压传感器；所述油压传感器与PLC控制器连接。
具体地，所述压缩机内设有止点传感器，所述止点传感器通过检测曲轴旋转的角度获取活塞在气缸内部的位置信息；所述止点传感器与控制***连接。
具体地，所述压缩机内设有气压传感器，用于检测气缸内气体的压力数据；所述气压传感器与控制***连接。
具体地，所述控制***具有自动模式和手动模式两种控制模式；在自动模式下，控制***在预先设定好的气量范围内自动进行气量的无级调节；在手动模式下，控制***根据操作员在气量范围内设定的数值，计算进气阀强制开启的时间负荷，通过伺服驱动***对压缩机的气量进行无级调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据下级耗气量设定压缩机的负荷比，通过控制***实时监测压缩机的状态数据，并根据状态数据及设定的负荷比控制伺服驱动***动作，进而控制压缩机进气阀强制开启的时间，从而实现压缩机的排气量在0～100％范围内无极调节，实现了压缩机的节能环保运行。
附图说明
图1为本发明中伺服驱动***的结构示意图；
图2为本发明中压缩机循环工作一个周期的结构示意图；
图3为本发明中控制***与压缩机、伺服驱动***的连接结构示意框图；
图4为本发明中一种实现压缩机气量无级调节的方法流程示意图；
图5为本发明实施例中温度检测程序示意图；
图6为本发明实施例中PID调节程序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本实施例提供了一种实现压缩机气量无级调节的方法，包括以下步骤：
计算满负荷下压缩机实际进气体积；
如图2所示，设定气缸顶的位置为O点，活塞上止点位置为A点，气缸刚开始吸气时活塞的位置为B点，活塞下止点位置为C点，气缸刚开始压缩时活塞的位置为Cr点，气缸刚开始排气时活塞的位置为D点；
设定压缩机余隙与行程之比为a，余隙长度OA＝2ar，r为曲轴半径；压缩比为b＝P2/P1，P1为进气压力，P2为排气压力；活塞位于A点时气缸内气体压强为P2，活塞位于B点时气缸内气体压强为P1；由于膨胀过程中活塞运动到B点后才开始吸气，因此AB为压缩机循环过程中的无效膨胀行程，则压缩机的实际进气行程为AC-AB＝BC；
根据克拉伯龙方程PV＝nRT可知，恒温下气体膨胀后的体积与压力成反比，则有：
P2/P1＝OB/OA，OB＝2abr；
无效膨胀行程为：
AB＝OB-OA＝2abr-2ar＝2ar(b-1)
实际进气体积V1为：
V1＝S×BC＝S×(AC-AB)＝S×(2r-2ar(b-1)) (1)
其中，S为活塞截面积；
计算压缩机实际排气体积；
由于活塞从C点运动到Cr点的过程中，进气阀都处于强制开启状态，因此，CCr为无效压缩行程，压缩过程中从进气阀溢出的气体体积为V2＝S×CCr，则实际排出的气体体积为V3＝V1-V2；
根据流量负荷计算时间负荷；
设流量负荷为f，0≤f≤1，流量负荷f为从排气阀排除的气体体积与从进气阀吸入气体的体积之比，即f＝V3/V1；
无效压缩行程为：
CCr＝V2/S＝(V1-V3)/S＝V1(1-f)/S
实际压缩行程为：
ACr＝AC-CCr＝2r-(2r-2ar(b-1))(1-f)＝2rf+2ar(b-1)(1-f) (2)
根据活塞位移换算公式，可得活塞顶部到上止点的距离x与曲轴旋转的角度θ的关系为：
Figure BDA0002291260580000051
其中，r为曲轴半径，λ＝r/l，l为连杆长度；
结合式3与式2可得：
Figure BDA0002291260580000052
本实施例中，曲轴半径r＝140mm、连杆长度l＝850mm、λ＝r/l≈0.165；余隙a＝0.1、压缩比b＝2.2均已知，即可根据设定的流量负荷f＝0.5计算得到曲轴旋转角度θ＝86.46°，进而得到时间负荷t＝θ/π＝48.2％；伺服驱动***再根据时间负荷控制压缩机进气阀强制开启的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节。
本实施例提供了某型炼油加氢精制装置，包括两台往复式压缩机(一用一备)，并网运行，将氢气经过两级压缩后传输至反应***，供给加氢所需氢源；两台压缩机额定功率为900KW，额定转速为371r/min，有四个进气阀，其中一级、二级各有2个，均为双作用气缸。设计部分行程顶开进气阀的方式进行无极气量调节，进气阀在部分压缩行程中被强制顶开，气体在内外压差作用下通过进气阀回流，并在预设时间关闭进气阀，压缩机工作循环周期内仅炼油加氢装置所需氢气气量，降低了能耗。
本实施例的气量无极调节***包括压缩机运动***、伺服驱动***和控制***，所述压缩机运动***、伺服驱动***分别与控制***连接；所述伺服驱动***用于驱动压缩机进气阀的强制开启与关闭；所述控制***实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并给伺服驱动***发出控制指令，所述伺服驱动***根据控制指令控制进气阀开启与关闭的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节；
所述伺服驱动***包括：液压缸、电磁阀、单向阀、液压油站，所述液压油站用于向液压缸供油；所述电磁阀用于控制液压缸进油油路的通断；所述液压缸内的高压柱塞通过顶杆与压缩机的进气阀连接；通过液压油站和电磁阀控制高压柱塞的动作，进而通过顶杆控制带有卸荷器的进气阀的开启和关闭；
所述控制***包括上位机和下位机，所述上位机采用触摸屏进行策略控制和行为控制，对压缩机的状态数据进行监控，对伺服驱动***的动作进行控制；所述下位机采用PLC控制器，所述PLC控制器分别与触摸屏、压缩机和伺服驱动***连接。
用户指令通过触摸屏输入并传送给PLC，下位机采集压缩机各级实时压力和温度并传送给PLC，通过PID算法计算负荷比并转化为开关时间，由伺服阀驱动液压缸，改变压缩机进气阀开关时间，根据信号反馈实时调节，以保证***平稳运行，如图3所示。
液压***通过伺服阀控制四个进气阀的打开关闭，每级阀门的开闭时间相同。气阀负荷为压缩过程中进气阀关闭时间占整个压缩过程的百分比，即Cr-Dr时间占C-Dr时间的比重，100％时进气阀完全关闭，0％时则完全打开，无极连续调节在0-100％中间实现。
执行机构的信号来源为压缩机的上止点信号，例如上止点信号在上个周期里面的间隔为160ms，若时间占比0％负荷，则从80-160ms一直顶开，100％负荷则一直不顶开，50％负荷为80-120ms顶开，正常工作下的执行器发送方波脉冲数量与上止点信号应相等。
部分行程顶开进气阀是实现气量无极调节的关键，设计由伺服阀驱动液压缸双向动作，控制进气阀的打开和关闭，使部分气体回流，改变压缩环节的气体气量。选用伺服阀作为执行机构，是因其直线性好、动态响应好、死区小、精度高，伺服***结构如图1所示。
本发明的控制***采用的PLC控制器能够采集15个模拟量输入，一级8路(进口压力×2+进口温度×2+出口压力×2+出口温度×2)、二级4路(二级出口压力×2+二级出口温度×2)以及液压油站3路(液压油站油温、油压和液位)；同时还需要15个数字量输出，将采集的15路模拟量信号转换为数字量信号实时通讯给触摸屏，实时显示在控制***人机操作主界面，实时监控。通过PLC采集压缩机各级压力和温度，通过逻辑运算计算负荷比，将负荷比转化为开关时间，PLC按照要求转变为电信号，所以PLC需要发出4路模拟量电信号给伺服驱动***，进而由伺服阀驱动液压缸，改变压缩机进气阀开关时间，同时保持工作过程中各级压缩机的实时信息反馈，根据实时反馈状态调整运行机构，最终保证压缩机气量无级调节***的平稳运行。本实施例中，PLC选用S7-200SMART ST40型作为控制主机。
本实施例中，***在使用温度传感器来检测模拟量时，所采集的是电压值，需将其换算成温度检测的实际值，这需要按比例放大采集的模拟量。***所选用温度传感器在最低检测温度Tmin时,其输出电压值为Vmin，在最高检测温度Tmax时,其输出电压值为Vmax，通过采集得到的电压值V经温度检测程序转换为实际检测温度值T。计算公式为：
Figure BDA0002291260580000071
温度检测程序如图5所示：
其中，VD1012值对应Tmax，VD1016值对应Tmin，VD1008值对应Vmax，VD1004值对应Vmin，VD1000值对应V，VD2000值对应T。
本实施例中PLC采集各路数据，计算出压缩机各级压力和温度的负荷比，通过PID程序处理后将负荷比转换为进气阀开关时间，PID调节程序如图6所示：
其中，VW1000为负荷比计算值，VD2000为设定值，M0.0为手动/自动切换识别，VD2004为手动输入气量调节量IB0换算值，VW1002为PID程序调节输出。
PID程序通过试凑法调试，调试时检测二级排气口压力，若高于预设值，说明通过一级进气阀的气量过大，应增大给定值，伺服阀驱动执行器件使进气阀压叉顶开力增大，回流气量增多，一级进气阀气量减少，反向调节过程与之类似，不再赘述。
经实际调试，确定手动一级40％负荷，二级40％负荷的情况下，一级出口压力变化较大，二级出口压力变化较小，在一分钟内的变化如下表1所示：
表1进出口压力变化表
最终确定PID参数为：一级PID参数，比例5.0，积分时间10000分钟；二级PID参数，比例3.0，积分时间10000分钟；一级压力偏差波动得到抑制，偏差0.05-0.1mpa；二级压力较为稳定，波动小于0.05Mpa。
本须域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施列的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每--流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现压缩机气量无级调节的方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算满负荷下压缩机实际进气体积；
设定气缸顶的位置为O点，活塞上止点位置为A点，气缸刚开始吸气时活塞的位置为B点，活塞下止点位置为C点，气缸刚开始压缩时活塞的位置为Cr点，气缸刚开始排气时活塞的位置为D点；
设定压缩机余隙与行程之比为a，余隙长度OA＝2ar，r为曲轴半径；压缩比为b＝P2/P1，P1为进气压力，P2为排气压力；活塞位于A点时气缸内气体压强为P2，活塞位于B点时气缸内气体压强为P1；由于膨胀过程中活塞运动到B点后才开始吸气，因此AB为压缩机循环过程中的无效膨胀行程，则压缩机的实际进气行程为AC-AB＝BC；
根据克拉伯龙方程PV＝nRT可知，恒温下气体膨胀后的体积与压力成反比，则有：
P2/P1＝OB/OA，OB＝2abr；
无效膨胀行程为：
AB＝OB-OA＝2abr-2ar＝2ar(b-1)
实际进气体积V1为：
V1＝S×BC＝S×(AC-AB)＝S×(2r-2ar(b-1)) (1)
其中，S为活塞截面积；
计算压缩机实际排气体积；
由于活塞从C点运动到Cr点的过程中，进气阀都处于强制开启状态，因此，CCr为无效压缩行程，压缩过程中从进气阀溢出的气体体积为V2＝S×CCr，则实际排出的气体体积为V3＝V1-V2；
根据流量负荷计算时间负荷；
设流量负荷为f，0≤f≤1，流量负荷f为从排气阀排除的气体体积与从进气阀吸入气体的体积之比，即f＝V3/V1；
无效压缩行程为：
CCr＝V2/S＝(V1-V3)/S＝V1(1-f)/S
实际压缩行程为：
ACr＝AC-CCr＝2r-(2r-2ar(b-1))(1-f)＝2rf+2ar(b-1)(1-f) (2)
根据活塞位移换算公式，可得活塞顶部到上止点的距离x与曲轴旋转的角度θ的关系为：
Figure FDA0002291260570000021
其中，r为曲轴半径，λ＝r/l，l为连杆长度；
结合式3与式2可得：
Figure FDA0002291260570000022
式4中，曲轴半径r、连杆长度l、余隙a、压缩比b均已知，即可根据设定的流量负荷f计算得到曲轴旋转角度θ，进而得到时间负荷t＝θ/π；伺服驱动***再根据时间负荷控制压缩机进气阀强制开启的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节。
2.一种实现压缩机气量无级调节的***，基于权利要求1所述的气量无级调节的方法，其特征在于，包括压缩机运动***、伺服驱动***和控制***，所述压缩机运动***、伺服驱动***分别与控制***连接；所述伺服驱动***用于驱动压缩机进气阀的强制开启与关闭；所述控制***实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并给伺服驱动***发出控制指令，所述伺服驱动***根据控制指令控制进气阀开启与关闭的时间，从而实现压缩机排气量的无级调节；
所述伺服驱动***包括：液压缸、电磁阀、单向阀、液压油站，所述液压油站用于向液压缸供油；所述电磁阀用于控制液压缸进油油路的通断；所述液压缸内的高压柱塞通过顶杆与压缩机的进气阀连接；通过液压油站和电磁阀控制高压柱塞的动作，进而通过顶杆控制带有卸荷器的进气阀的开启和关闭；
所述控制***包括上位机和下位机，所述上位机采用触摸屏进行策略控制和行为控制，对压缩机的状态数据进行监控，对伺服驱动***的动作进行控制；所述下位机采用PLC控制器，所述PLC控制器分别与触摸屏、压缩机和伺服驱动***连接。
3.根据权利要求2所述的一种实现压缩机气量无级调节的***，其特征在于，所述液压油站至少包括油箱、油泵和油压传感器；所述油压传感器与PLC控制器连接。
4.根据权利要求2所述的一种实现压缩机气量无级调节的***，其特征在于，所述压缩机内设有止点传感器，所述止点传感器通过检测曲轴旋转的角度获取活塞在气缸内部的位置信息；所述止点传感器与控制***连接。
5.根据权利要求2所述的一种实现压缩机气量无级调节的***，其特征在于，所述压缩机内设有气压传感器，用于检测气缸内气体的压力数据；所述气压传感器与控制***连接。
6.根据权利要求2所述的一种实现压缩机气量无级调节的***，其特征在于，所述控制***具有自动模式和手动模式两种控制模式；在自动模式下，控制***在预先设定好的气量范围内自动进行气量的无级调节；在手动模式下，控制***根据操作员在气量范围内设定的数值，计算进气阀强制开启的时间负荷，通过伺服驱动***对压缩机的气量进行无级调节。
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