【壓縮機網(wǎng)】往復壓縮機流量無級調(diào)控系統(tǒng)具有很好的節(jié)能特性，其能夠使工藝系統(tǒng)中的壓縮機具備較好的流量自適應調(diào)節(jié)性能，降低工藝系統(tǒng)的運行成本。利用氣閥主動控制的方法實現(xiàn)大型往復壓縮機的流量調(diào)節(jié)，具有較好的節(jié)能效果。

 

　　一、基于氣閥主動控制的流量無級調(diào)控原理

　　基于氣閥主動控制的流量無級調(diào)控具體控制原理是，當控制系統(tǒng)以排氣壓力作為控制參數(shù)時，安裝在排氣管道或級間緩沖罐上的級間壓力傳感器實時檢測壓縮機排氣壓力并將信號反饋至控制系統(tǒng)。排氣壓力高于設定值時，表明后續(xù)工藝流程氣體的消耗量較低，壓縮機排出的高壓氣體聚集在壓縮機排氣側(cè)，需要降低壓縮機實際排氣量?？刂葡到y(tǒng)利用檢測的實際壓力值與設定值計算系統(tǒng)工況偏離程度，將壓力偏差轉(zhuǎn)換為吸氣閥延遲關(guān)閉時間，并輸出模擬量控制信號。電液伺服機構(gòu)根據(jù)控制信號執(zhí)行動作，強制延遲吸氣閥的關(guān)閉時刻，使氣缸內(nèi)更多的氣體回流至吸氣管道，降低壓縮機的排氣量，直至壓力偏差消失。

　　對于多級、多列往復壓縮機，其流量則根據(jù)排氣壓力和級間壓力共同控制，既要保證壓縮機的流量，又要保證壓縮機各級間的正常壓比。

　　需要指出，流量調(diào)節(jié)過程是一個動態(tài)過程，調(diào)節(jié)過程中實際壓力偏差存在動態(tài)波動，目標壓力的穩(wěn)定取決于系統(tǒng)的機組結(jié)構(gòu)參數(shù)，管道系統(tǒng)特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)響應速度，控制策略，PID（proportion,integral, derivative）參數(shù)等多種因素。

　　吸氣閥的延遲關(guān)閉是通過增加強制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)的，對于常規(guī)的往復壓縮機，吸氣閥的動作取決于氣缸內(nèi)的氣體壓力。當吸氣壓力與氣缸內(nèi)氣體壓力差值無法克服閥片彈簧力時，吸氣閥將自動關(guān)閉，此時氣缸容積即對應壓縮機的實際吸氣量。當引入流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，吸氣閥被強制頂開而無法自動關(guān)閉，氣缸內(nèi)的氣體將伴隨活塞的運動而從吸氣閥回流至吸氣管道，直至強制力撤銷時氣缸內(nèi)氣體才開始進入壓縮過程，即壓縮過程因吸氣閥的延遲關(guān)閉而被推遲。流量調(diào)控系統(tǒng)的節(jié)能體現(xiàn)在延遲了壓縮過程的起點，降低了實際被壓縮氣體的流量。因此，系統(tǒng)節(jié)能量的大小與壓縮機實際運行負荷有關(guān)，壓縮機運行負荷越低，流量調(diào)節(jié)幅度越大，減少功耗越多。

　　壓縮機流量調(diào)控是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過實時吸氣或排氣壓力與設定壓力的差值反饋，實現(xiàn)吸氣閥延遲關(guān)閉的控制。控制系統(tǒng)檢測到設定壓力與實際壓力的偏差，根據(jù)壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)及PID參數(shù)將壓力偏差轉(zhuǎn)換的吸氣閥延遲關(guān)閉的時間，結(jié)合鍵相傳感器信號輸出電液伺服機構(gòu)動作信號，利用液壓系統(tǒng)提供的液壓力完成吸氣閥的延遲關(guān)閉。

 

　　二、系統(tǒng)構(gòu)成

　　基于主動控制吸氣閥的大型往復壓縮機流量無級調(diào)控系統(tǒng)中，原壓縮機吸氣閥被更換為帶有執(zhí)行機構(gòu)的可調(diào)吸氣閥，再配套相應系統(tǒng)即可使用，不改變壓縮機結(jié)構(gòu)尺寸，也可獨立于壓縮機原控制裝置執(zhí)行。

　　該系統(tǒng)主要包含有：

　　1.液壓系統(tǒng)

　　液壓系統(tǒng)的功能是為了執(zhí)行機構(gòu)提供驅(qū)動力，由液壓站、液壓管和附件等部件組成，包括液壓泵、箱體、油冷卻器、油加熱器、油分配器、電磁閥、油過濾器、傳感器、管路附件等組件。箱體內(nèi)的液壓油由液壓泵增壓后，經(jīng)高壓油過濾器后進入油分配器，并分別由液壓管路輸送至調(diào)節(jié)氣閥上所安裝的液壓伺服機構(gòu)，用于提供伺服機構(gòu)驅(qū)動力。從液壓伺服機構(gòu)回流的低壓油在油分離器內(nèi)匯流，經(jīng)油冷卻器及低壓過濾器回至箱體內(nèi)。在高壓油管路與低壓管路之間裝有溢流閥，用于將部分高壓油回流至低壓側(cè)以調(diào)節(jié)油分配器內(nèi)液壓油壓力。油分配器的進出口裝有泄壓電磁閥，用于啟動、停機及緊急情況下泄壓以確保液壓伺服機構(gòu)不被損壞。為降低執(zhí)行機構(gòu)動作過程造成的供油壓力被動，在油分配器前端裝有壓力傳感器，以保證供油壓力的穩(wěn)定。液壓管路、箱體內(nèi)裝有壓力傳感器及液位傳感器，用以實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)。

　　2.可調(diào)吸氣閥

　　可調(diào)吸氣閥是在傳統(tǒng)吸氣閥基礎上，增加了執(zhí)行機構(gòu)和相關(guān)附件，使原吸氣閥具備自動閥和強制閥兩種功能。執(zhí)行機構(gòu)由導桿和壓叉組成，其中導桿與液壓伺服機構(gòu)的動力輸出端連接，壓叉作用于閥片上，兩者利用液壓伺服機構(gòu)輸出的動力頂開閥片。復位彈簧安裝在執(zhí)行機構(gòu)與閥體之間，用于將下行的執(zhí)行機構(gòu)復位。

　　可調(diào)吸氣閥的特殊機構(gòu)確保了其可在自動閥和強制閥兩種狀態(tài)下運行，是實現(xiàn)流量無級調(diào)節(jié)的基本條件，與傳統(tǒng)吸氣閥在結(jié)構(gòu)上存在差異，但并不改變氣閥全體安裝尺寸，即在壓縮機氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、安裝位置、限位尺寸均不需改變的情況下，即可完成可調(diào)吸氣閥對傳統(tǒng)吸氣閥的更換，特別適用于在設定壓縮機組改造。

　　3.電液伺服機構(gòu)

　　電液伺服機構(gòu)由殼體、電磁閥、液壓缸、液壓活塞和密封等組件構(gòu)成，其功能是將液壓根據(jù)控制要求轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動力。

　　兩位三通電磁閥安裝在液壓缸上方的殼體內(nèi)，利用通斷電控制液壓缸內(nèi)液壓油流動方向。液壓缸內(nèi)裝有液壓活塞，并與可調(diào)吸氣閥的導桿相連，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)向下運動。液壓缸體、可調(diào)吸氣閥導桿與殼體之間裝有密封裝置，并在殼體上預留排氣孔口和排液孔口。當控制系統(tǒng)要求打開吸氣閥時，電磁閥通電，液壓缸通過電磁閥與供油管路連通，高壓油進入液壓缸并驅(qū)動液壓活塞向下移動，并推動執(zhí)行機構(gòu)下行直至吸氣閥打開。當控制系統(tǒng)關(guān)閉吸氣閥時，電磁閥斷電，液壓缸與回油管路連通，復位彈簧驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)上行，并推動液壓活塞向上移動，液壓油經(jīng)電磁閥排出液壓缸外。

　　4.控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)包含有硬件和軟件系統(tǒng)。

　　硬件主要包括傳感器和控制器。傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器和相位傳感器。它們分別安裝在壓縮機、電液伺服機構(gòu)及液壓系統(tǒng)中，用于測量壓縮機各級吸氣壓力、排氣壓力、曲軸相位以及電液伺服機構(gòu)中閥控溫度，液壓系統(tǒng)中供油壓力、供油溫度、液壓油液位等參數(shù)?？刂破餍枰哂休^高的數(shù)據(jù)輸入，輸出相應速度，可采用PLC、單片機或其他數(shù)據(jù)采集控制硬件。

　　大型往復壓縮機往往配置旁通調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其旁通調(diào)節(jié)閥開度、壓縮機吸排氣溫度、吸排氣壓力等數(shù)據(jù)均被DCS采集，壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過與DCS通信，共享原系統(tǒng)傳感器采集數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)控制、監(jiān)測等，便于控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)的協(xié)同兼容。

　　控制系統(tǒng)軟件包括控制程序和人機交互界面?？刂瞥绦虬惭b在控制器中，通過計算設定壓力與實際壓力的偏差計算吸氣閥延遲關(guān)閉時間，再轉(zhuǎn)換為電磁閥控制信號輸出，用于調(diào)節(jié)液壓伺服機構(gòu)中電磁閥的通斷電時間，以實現(xiàn)流量調(diào)控?？刂瞥绦蚴茄b置調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)定性、精確度的關(guān)鍵之一，需考慮液壓系統(tǒng)、電液伺服機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)等控制硬件的響應時間，確保不造成控制周期絮亂，且盡量不額外干預閥片運動規(guī)律。對于不同機構(gòu)形式，不同運行參數(shù)的往復壓縮機，其控制程序與控制參數(shù)均有所差異，單獨設計和整定。

　　人機交互界面是針對現(xiàn)場工程操作人員的用戶交界面，用于實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)。通常具備壓縮機狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、故障報警、聯(lián)鎖保護及手動參數(shù)輸入等功能。

 

　　三、系統(tǒng)動態(tài)響應分析

　　往復壓縮機流量無級調(diào)控系統(tǒng)利用電液伺服機構(gòu)改變吸氣閥運動規(guī)律，使壓縮機的壓縮過程自動適應系統(tǒng)所需氣量，實現(xiàn)壓縮機流量的自適應無級調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)過程中控制系統(tǒng)實時檢測壓縮機運行狀態(tài)，并發(fā)送控制命令，調(diào)整吸氣閥動作，吸氣閥運動規(guī)律的改變又反饋至壓縮機運行參數(shù)，最終形成一個閉環(huán)控制。

　　往復壓縮機流量無級調(diào)控裝置通過精確控制吸氣閥動作實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，必然要求機械部分、電控部分、液壓部分協(xié)同工作，各部分關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能有很大影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)設計不合理或控制參數(shù)偏高嚴重，甚至會導致調(diào)節(jié)系統(tǒng)失效，因此，合理設計液壓伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化控制參數(shù)是提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的參數(shù)主要包括液壓缸直徑、復位彈簧剛度、供油孔直徑、執(zhí)行機構(gòu)與閥片間隙，液壓站供油壓力、液壓力作用時間等。

　　往復壓縮機在非調(diào)節(jié)工況下，利用氣閥兩側(cè)的壓差自動完成吸氣閥和排氣閥的打開與關(guān)閉過程，進而實現(xiàn)壓縮機的吸氣—壓縮—排氣過程。其吸氣閥的打開過程完全依靠吸氣壓力與缸內(nèi)氣體壓力間的差值實現(xiàn)，打開和關(guān)閉速度受結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行工況等影響。吸氣閥打開過程中，閥片運動速度逐漸增大，當閥片與升程限制器發(fā)生碰撞時，閥片改變運動方向，且有部分能量損失，經(jīng)反復碰撞后閥片完全貼靠在升程限制器上。吸氣閥關(guān)閉時，閥片同樣在發(fā)生碰撞后落在閥座上。無論流量無級調(diào)控系統(tǒng)是否投入運行，壓縮機排氣閥始終處于自動打開和自動關(guān)閉狀態(tài)，該特性也確保了調(diào)節(jié)吸氣閥改變流量的過程，并不影響壓縮機的實際排氣壓力。

　　執(zhí)行機構(gòu)和閥片的動態(tài)響應時間受結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)的共同影響。閥片與執(zhí)行機構(gòu)的打開、關(guān)閉過程所需要的時間直接影響系統(tǒng)動態(tài)響應速度，進而影響系統(tǒng)控制精度。對于打開過程，閥片以自動閥方式打開，其響應時間與其自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸排氣參數(shù)有關(guān)，而執(zhí)行機構(gòu)打開過程則由液壓力與復位彈簧力的差值決定，差值越大，打開過程越迅速。執(zhí)行機構(gòu)的復位時刻是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵因素，也是系統(tǒng)調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)；其復位角度的增大，意味著閥片被延遲關(guān)閉的時間變長，流量和功率隨之降低。流量無級調(diào)控系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在壓縮工藝流程需要的氣體量，從而實現(xiàn)節(jié)能。

 

　　四、系統(tǒng)調(diào)控過程

　　往復壓縮機流量調(diào)節(jié)是以匹配工藝流程實際需要氣量的自適應調(diào)節(jié)過程，實際過程中需要保持壓縮機的吸氣或排氣壓力不受工藝流程耗氣量的影響。為實現(xiàn)吸氣或排氣壓力控制，需要利用實際壓力與設定壓力間的差值反饋控制信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為吸氣閥打開時間。在此過程中，利用PID控制算法，將PID輸出值轉(zhuǎn)換為吸氣閥打開時間，再將該時間轉(zhuǎn)換為伺服機構(gòu)中電磁閥的打開時間，進而利用高壓油流入、流出液壓缸來實現(xiàn)吸氣閥的控制過程。

　　考慮到壓縮機一般均配置排氣緩沖罐以降低排氣壓力脈動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際控制的是排氣緩沖罐內(nèi)的壓力恒定不變。由于壓縮機的流量與排氣儲罐內(nèi)壓力變化相互關(guān)聯(lián)，利用儲罐內(nèi)氣體壓力間接控制壓縮機流量具有可行性。當流程所需氣量降低時，排氣罐內(nèi)氣體增多，導致罐內(nèi)壓力增大，反之亦然。調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)儲罐內(nèi)氣體壓力與設定壓力的差值，利用PID原理輸出控制參數(shù)，控制執(zhí)行機構(gòu)打開和復位時刻，并通過壓縮機實際排氣量的變化維持儲罐內(nèi)壓力穩(wěn)定?；谥鲃涌刂莆鼩忾y的往復壓縮機的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在壓縮機的每個運行周期時吸氣閥片進行控制，通過改變壓縮機每轉(zhuǎn)排氣量實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

 

　　五、系統(tǒng)動態(tài)仿真

　　往復壓縮機流量無級調(diào)控系統(tǒng)是一個集液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)為一體的機—電—液耦合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制參數(shù)等的合理設計有利于提高吸氣閥的控制精度，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能。利用成熟的多系統(tǒng)仿真平臺，可以研究不同部件或系統(tǒng)的穩(wěn)定和動態(tài)性能。

 

　　流量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)由三部分組成：液壓站、執(zhí)行機構(gòu)和控制模塊?？刂颇K根據(jù)吸氣或排氣壓力信號控制一個兩位三通的電磁閥的通斷，當電磁閥通電時，高壓油路與液壓缸連通，執(zhí)行機構(gòu)強制頂開氣閥；反之，電磁閥斷電時，回油路與液壓缸連通，執(zhí)行機構(gòu)在復位彈簧的作用下復位，氣閥在氣體力與閥的彈簧力的作用下迅速關(guān)閉，壓縮機進入壓縮排氣階段。由于壓縮機處于高速運行狀態(tài)，要精確控制氣閥的開啟與關(guān)閉，對整個系統(tǒng)包括控制、液壓—機械部分的動態(tài)響應速度的要求非常高。

　　在利用仿真平臺建立流量無級調(diào)控系統(tǒng)仿真模型時，液壓站與液壓缸等元件在液壓庫中有相應的模型元件，可直接調(diào)用，賦予其實際參數(shù)值。實際的控制過程是一個閉環(huán)控制，根據(jù)吸氣或排氣壓力信號由PID輸出一個不斷變化的脈沖信號，但仿真時很難模擬壓力的實際變化，只能利用信號庫的信號發(fā)生器發(fā)出一個固定的脈沖；用一個函數(shù)發(fā)生器控制的力源來近似模擬，函數(shù)值根據(jù)回流過程氣缸壓力值近似確定。例如：液壓站的工作壓力是系統(tǒng)運行時的重要參數(shù)，通過改變仿真模型中液壓站溢流閥的溢流壓力值，可模擬調(diào)節(jié)液壓站的工作壓力。

 

　　六、氣閥力學性能

　　氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作過程中，執(zhí)行機構(gòu)對閥片的強制作用改變了吸氣閥片的運動規(guī)律，出現(xiàn)了閥片的沖擊碰撞問題。

　　當壓縮機投入氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，執(zhí)行機構(gòu)如果與閥片相互碰撞，則會在閥片上產(chǎn)生附加應力，加速閥片的損壞，縮短其使用壽命。執(zhí)行機構(gòu)與閥片的作用會出現(xiàn)：（1）閥片靜止在升程限制器上時，受到執(zhí)行機構(gòu)的撞擊；（2）執(zhí)行機構(gòu)靜止時，閥片以一定的速度撞擊執(zhí)行機構(gòu)。在分析計算這兩種情況時，材料模型的選型是有限元數(shù)值模擬中一個非常重要的部分，其選用的合適與否對分析結(jié)果的精度和可靠性有很大影響。對于往復壓縮機的環(huán)狀氣閥，通常閥片在與執(zhí)行機構(gòu)碰撞時不會發(fā)生塑性變形和損壞。

　　首先，執(zhí)行機構(gòu)碰撞閥片過程中閥片和執(zhí)行機構(gòu)上出現(xiàn)最大應力的單元上的等效應力、位移、速度會隨時間變化。當閥片與執(zhí)行機構(gòu)材料及其形狀不發(fā)生改變時，碰撞應力的大小與速度有關(guān)。在氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計時，不同的液壓系統(tǒng)參數(shù)會導致執(zhí)行機構(gòu)對氣閥的運動規(guī)律產(chǎn)生不同的影響，從而影響閥片與執(zhí)行機構(gòu)相互碰撞過程中的動態(tài)應力。閥片和執(zhí)行機構(gòu)上碰撞最大應力都是隨碰撞速度的增大而增大，在較低速度時的碰撞都有較高的值。由于碰撞過程中執(zhí)行機構(gòu)與閥片接觸面積較小，容易產(chǎn)生較大的彎曲變形，閥片發(fā)生更加劇烈的振顫，形成較大的碰撞應力。這種碰撞的發(fā)生，不僅會加速閥片的損壞，還會縮短閥片的壽命，嚴重時會導致閥片損壞。

　　其次，閥片對升程限制器和閥座的碰撞產(chǎn)生的應力隨著縮短的增大而增大，有限元法求解得到的最大碰撞應力的值基本隨速度變化呈線性關(guān)系。同時，在速度較低時，第一次碰撞時的應力為最大應力，當碰撞速度過大時閥片會與升程限制器及閥座發(fā)生多次碰撞，而最大應力一般出現(xiàn)在后續(xù)的最后一次較明顯的接觸碰撞中。因此一般在設計氣閥時要控制其碰撞速度，防止閥片在與升程限制器與閥座接觸碰撞過程中發(fā)生劇烈的振顫，使得動態(tài)應力過高。

　　金屬閥片具有很長的應用歷史，有很多優(yōu)良的性能，但由于其耐腐蝕性較差，易氫脆等都會影響閥片使用壽命，在有些場合的使用受限。同時，隨著材料科學的發(fā)展，特別是改性后PEEK非金屬材料，其抗沖擊，抗疲勞能力要比金屬閥片更加優(yōu)越，具有很高的沖擊韌度，能吸收大量的沖擊動能，受到越來越多的關(guān)注。

　　往復壓縮機基于氣閥氣動控制的流量無級調(diào)控系統(tǒng)具有很好的節(jié)能特性，能夠使工藝系統(tǒng)中的壓縮機具備較好的流量自適應性能，降低工藝系統(tǒng)的運行成本。

 

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