【壓縮機網(wǎng)】往復壓縮機流量無(wú)級調控系統具有很好的節能特性，其能夠使工藝系統中的壓縮機具備較好的流量自適應調節性能，降低工藝系統的運行成本。利用氣閥主動(dòng)控制的方法實(shí)現大型往復壓縮機的流量調節，具有較好的節能效果。

 

　　一、基于氣閥主動(dòng)控制的流量無(wú)級調控原理

　　基于氣閥主動(dòng)控制的流量無(wú)級調控具體控制原理是，當控制系統以排氣壓力作為控制參數時(shí)，安裝在排氣管道或級間緩沖罐上的級間壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測壓縮機排氣壓力并將信號反饋至控制系統。排氣壓力高于設定值時(shí)，表明后續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，需要降低壓縮機實(shí)際排氣量?？刂葡到y利用檢測的實(shí)際壓力值與設定值計算系統工況偏離程度，將壓力偏差轉換為吸氣閥延遲關(guān)閉時(shí)間，并輸出模擬量控制信號。電液伺服機構根據控制信號執行動(dòng)作，強制延遲吸氣閥的關(guān)閉時(shí)刻，使氣缸內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，流量調節過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，調節過(guò)程中實(shí)際壓力偏差存在動(dòng)態(tài)波動(dòng)，目標壓力的穩定取決于系統的機組結構參數，管道系統特性，調節系統動(dòng)態(tài)響應速度，控制策略，PID（proportion,integral, derivative）參數等多種因素。

　　吸氣閥的延遲關(guān)閉是通過(guò)增加強制執行機構實(shí)現的，對于常規的往復壓縮機，吸氣閥的動(dòng)作取決于氣缸內的氣體壓力。當吸氣壓力與氣缸內氣體壓力差值無(wú)法克服閥片彈簧力時(shí)，吸氣閥將自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)氣缸容積即對應壓縮機的實(shí)際吸氣量。當引入流量調節系統后，吸氣閥被強制頂開(kāi)而無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉，氣缸內的氣體將伴隨活塞的運動(dòng)而從吸氣閥回流至吸氣管道，直至強制力撤銷(xiāo)時(shí)氣缸內氣體才開(kāi)始進(jìn)入壓縮過(guò)程，即壓縮過(guò)程因吸氣閥的延遲關(guān)閉而被推遲。流量調控系統的節能體現在延遲了壓縮過(guò)程的起點(diǎn)，降低了實(shí)際被壓縮氣體的流量。因此，系統節能量的大小與壓縮機實(shí)際運行負荷有關(guān)，壓縮機運行負荷越低，流量調節幅度越大，減少功耗越多。

　　壓縮機流量調控是一個(gè)閉環(huán)控制系統，通過(guò)實(shí)時(shí)吸氣或排氣壓力與設定壓力的差值反饋，實(shí)現吸氣閥延遲關(guān)閉的控制?？刂葡到y檢測到設定壓力與實(shí)際壓力的偏差，根據壓縮機結構參數及PID參數將壓力偏差轉換的吸氣閥延遲關(guān)閉的時(shí)間，結合鍵相傳感器信號輸出電液伺服機構動(dòng)作信號，利用液壓系統提供的液壓力完成吸氣閥的延遲關(guān)閉。

 

　　二、系統構成

　　基于主動(dòng)控制吸氣閥的大型往復壓縮機流量無(wú)級調控系統中，原壓縮機吸氣閥被更換為帶有執行機構的可調吸氣閥，再配套相應系統即可使用，不改變壓縮機結構尺寸，也可獨立于壓縮機原控制裝置執行。

　　該系統主要包含有：

　　1.液壓系統

　　液壓系統的功能是為了執行機構提供驅動(dòng)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(guò)濾器、傳感器、管路附件等組件。箱體內的液壓油由液壓泵增壓后，經(jīng)高壓油過(guò)濾器后進(jìn)入油分配器，并分別由液壓管路輸送至調節氣閥上所安裝的液壓伺服機構，用于提供伺服機構驅動(dòng)力。從液壓伺服機構回流的低壓油在油分離器內匯流，經(jīng)油冷卻器及低壓過(guò)濾器回至箱體內。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以調節油分配器內液壓油壓力。油分配器的進(jìn)出口裝有泄壓電磁閥，用于啟動(dòng)、停機及緊急情況下泄壓以確保液壓伺服機構不被損壞。為降低執行機構動(dòng)作過(guò)程造成的供油壓力被動(dòng)，在油分配器前端裝有壓力傳感器，以保證供油壓力的穩定。液壓管路、箱體內裝有壓力傳感器及液位傳感器，用以實(shí)時(shí)監測液壓系統運行狀態(tài)。

　　2.可調吸氣閥

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

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

　　3.電液伺服機構

　　電液伺服機構由殼體、電磁閥、液壓缸、液壓活塞和密封等組件構成，其功能是將液壓根據控制要求轉換為執行機構驅動(dòng)力。

　　兩位三通電磁閥安裝在液壓缸上方的殼體內，利用通斷電控制液壓缸內液壓油流動(dòng)方向。液壓缸內裝有液壓活塞，并與可調吸氣閥的導桿相連，以驅動(dòng)執行機構向下運動(dòng)。液壓缸體、可調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。當控制系統要求打開(kāi)吸氣閥時(shí)，電磁閥通電，液壓缸通過(guò)電磁閥與供油管路連通，高壓油進(jìn)入液壓缸并驅動(dòng)液壓活塞向下移動(dòng)，并推動(dòng)執行機構下行直至吸氣閥打開(kāi)。當控制系統關(guān)閉吸氣閥時(shí)，電磁閥斷電，液壓缸與回油管路連通，復位彈簧驅動(dòng)執行機構上行，并推動(dòng)液壓活塞向上移動(dòng)，液壓油經(jīng)電磁閥排出液壓缸外。

　　4.控制系統

　　控制系統包含有硬件和軟件系統。

　　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、電液伺服機構及液壓系統中，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中閥控溫度，液壓系統中供油壓力、供油溫度、液壓油液位等參數?？刂破餍枰哂休^高的數據輸入，輸出相應速度，可采用PLC、單片機或其他數據采集控制硬件。

　　大型往復壓縮機往往配置旁通調節系統，其旁通調節閥開(kāi)度、壓縮機吸排氣溫度、吸排氣壓力等數據均被DCS采集，壓縮機氣量無(wú)級調節系統可通過(guò)與DCS通信，共享原系統傳感器采集數據進(jìn)行系統控制、監測等，便于控制系統與原系統的協(xié)同兼容。

　　控制系統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(guò)計算設定壓力與實(shí)際壓力的偏差計算吸氣閥延遲關(guān)閉時(shí)間，再轉換為電磁閥控制信號輸出，用于調節液壓伺服機構中電磁閥的通斷電時(shí)間，以實(shí)現流量調控?？刂瞥绦蚴茄b置調節速度、穩定性、精確度的關(guān)鍵之一，需考慮液壓系統、電液伺服機構、執行機構等控制硬件的響應時(shí)間，確保不造成控制周期絮亂，且盡量不額外干預閥片運動(dòng)規律。對于不同機構形式，不同運行參數的往復壓縮機，其控制程序與控制參數均有所差異，單獨設計和整定。

　　人機交互界面是針對現場(chǎng)工程操作人員的用戶(hù)交界面，用于實(shí)時(shí)監控系統運行狀態(tài)，調節系統運行參數。通常具備壓縮機狀態(tài)參數監測、調節系統狀態(tài)參數監測、故障報警、聯(lián)鎖保護及手動(dòng)參數輸入等功能。

 

　　三、系統動(dòng)態(tài)響應分析

　　往復壓縮機流量無(wú)級調控系統利用電液伺服機構改變吸氣閥運動(dòng)規律，使壓縮機的壓縮過(guò)程自動(dòng)適應系統所需氣量，實(shí)現壓縮機流量的自適應無(wú)級調節。流量調節過(guò)程中控制系統實(shí)時(shí)檢測壓縮機運行狀態(tài)，并發(fā)送控制命令，調整吸氣閥動(dòng)作，吸氣閥運動(dòng)規律的改變又反饋至壓縮機運行參數，最終形成一個(gè)閉環(huán)控制。

　　往復壓縮機流量無(wú)級調控裝置通過(guò)精確控制吸氣閥動(dòng)作實(shí)現流量調節，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)鍵參數對系統性能有很大影響。結構參數設計不合理或控制參數偏高嚴重，甚至會(huì )導致調節系統失效，因此，合理設計液壓伺服機構結構參數，優(yōu)化控制參數是提高調節系統性能的關(guān)鍵。影響調節系統性能的參數主要包括液壓缸直徑、復位彈簧剛度、供油孔直徑、執行機構與閥片間隙，液壓站供油壓力、液壓力作用時(shí)間等。

　　往復壓縮機在非調節工況下，利用氣閥兩側的壓差自動(dòng)完成吸氣閥和排氣閥的打開(kāi)與關(guān)閉過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現壓縮機的吸氣—壓縮—排氣過(guò)程。其吸氣閥的打開(kāi)過(guò)程完全依靠吸氣壓力與缸內氣體壓力間的差值實(shí)現，打開(kāi)和關(guān)閉速度受結構參數、運行工況等影響。吸氣閥打開(kāi)過(guò)程中，閥片運動(dòng)速度逐漸增大，當閥片與升程限制器發(fā)生碰撞時(shí)，閥片改變運動(dòng)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(shí)，閥片同樣在發(fā)生碰撞后落在閥座上。無(wú)論流量無(wú)級調控系統是否投入運行，壓縮機排氣閥始終處于自動(dòng)打開(kāi)和自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)，該特性也確保了調節吸氣閥改變流量的過(guò)程，并不影響壓縮機的實(shí)際排氣壓力。

　　執行機構和閥片的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間受結構參數與運行參數的共同影響。閥片與執行機構的打開(kāi)、關(guān)閉過(guò)程所需要的時(shí)間直接影響系統動(dòng)態(tài)響應速度，進(jìn)而影響系統控制精度。對于打開(kāi)過(guò)程，閥片以自動(dòng)閥方式打開(kāi)，其響應時(shí)間與其自身結構參數和吸排氣參數有關(guān)，而執行機構打開(kāi)過(guò)程則由液壓力與復位彈簧力的差值決定，差值越大，打開(kāi)過(guò)程越迅速。執行機構的復位時(shí)刻是影響系統調節性能的關(guān)鍵因素，也是系統調控的關(guān)鍵參數；其復位角度的增大，意味著(zhù)閥片被延遲關(guān)閉的時(shí)間變長(cháng)，流量和功率隨之降低。流量無(wú)級調控系統的優(yōu)勢體現在壓縮工藝流程需要的氣體量，從而實(shí)現節能。

 

　　四、系統調控過(guò)程

　　往復壓縮機流量調節是以匹配工藝流程實(shí)際需要氣量的自適應調節過(guò)程，實(shí)際過(guò)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(shí)現吸氣或排氣壓力控制，需要利用實(shí)際壓力與設定壓力間的差值反饋控制信號，并將該信號轉換為吸氣閥打開(kāi)時(shí)間。在此過(guò)程中，利用PID控制算法，將PID輸出值轉換為吸氣閥打開(kāi)時(shí)間，再將該時(shí)間轉換為伺服機構中電磁閥的打開(kāi)時(shí)間，進(jìn)而利用高壓油流入、流出液壓缸來(lái)實(shí)現吸氣閥的控制過(guò)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(dòng)，調節系統實(shí)際控制的是排氣緩沖罐內的壓力恒定不變。由于壓縮機的流量與排氣儲罐內壓力變化相互關(guān)聯(lián)，利用儲罐內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(shí)，排氣罐內氣體增多，導致罐內壓力增大，反之亦然。調節系統根據儲罐內氣體壓力與設定壓力的差值，利用PID原理輸出控制參數，控制執行機構打開(kāi)和復位時(shí)刻，并通過(guò)壓縮機實(shí)際排氣量的變化維持儲罐內壓力穩定?；谥鲃?dòng)控制吸氣閥的往復壓縮機的流量調節系統是在壓縮機的每個(gè)運行周期時(shí)吸氣閥片進(jìn)行控制，通過(guò)改變壓縮機每轉排氣量實(shí)現流量的連續調節。

 

　　五、系統動(dòng)態(tài)仿真

　　往復壓縮機流量無(wú)級調控系統是一個(gè)集液壓系統、機械系統和電控系統為一體的機—電—液耦合系統，結構參數，控制參數等的合理設計有利于提高吸氣閥的控制精度，改善系統調節性能。利用成熟的多系統仿真平臺，可以研究不同部件或系統的穩定和動(dòng)態(tài)性能。

 

　　流量無(wú)級調節系統由三部分組成：液壓站、執行機構和控制模塊?？刂颇K根據吸氣或排氣壓力信號控制一個(gè)兩位三通的電磁閥的通斷，當電磁閥通電時(shí)，高壓油路與液壓缸連通，執行機構強制頂開(kāi)氣閥；反之，電磁閥斷電時(shí)，回油路與液壓缸連通，執行機構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(jìn)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(kāi)啟與關(guān)閉，對整個(gè)系統包括控制、液壓—機械部分的動(dòng)態(tài)響應速度的要求非常高。

　　在利用仿真平臺建立流量無(wú)級調控系統仿真模型時(shí)，液壓站與液壓缸等元件在液壓庫中有相應的模型元件，可直接調用，賦予其實(shí)際參數值。實(shí)際的控制過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)控制，根據吸氣或排氣壓力信號由PID輸出一個(gè)不斷變化的脈沖信號，但仿真時(shí)很難模擬壓力的實(shí)際變化，只能利用信號庫的信號發(fā)生器發(fā)出一個(gè)固定的脈沖；用一個(gè)函數發(fā)生器控制的力源來(lái)近似模擬，函數值根據回流過(guò)程氣缸壓力值近似確定。例如：液壓站的工作壓力是系統運行時(shí)的重要參數，通過(guò)改變仿真模型中液壓站溢流閥的溢流壓力值，可模擬調節液壓站的工作壓力。

 

　　六、氣閥力學(xué)性能

　　氣量調節系統工作過(guò)程中，執行機構對閥片的強制作用改變了吸氣閥片的運動(dòng)規律，出現了閥片的沖擊碰撞問(wèn)題。

　　當壓縮機投入氣量調節系統后，執行機構如果與閥片相互碰撞，則會(huì )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。執行機構與閥片的作用會(huì )出現：（1）閥片靜止在升程限制器上時(shí)，受到執行機構的撞擊；（2）執行機構靜止時(shí)，閥片以一定的速度撞擊執行機構。在分析計算這兩種情況時(shí)，材料模型的選型是有限元數值模擬中一個(gè)非常重要的部分，其選用的合適與否對分析結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，通常閥片在與執行機構碰撞時(shí)不會(huì )發(fā)生塑性變形和損壞。

　　首先，執行機構碰撞閥片過(guò)程中閥片和執行機構上出現最大應力的單元上的等效應力、位移、速度會(huì )隨時(shí)間變化。當閥片與執行機構材料及其形狀不發(fā)生改變時(shí)，碰撞應力的大小與速度有關(guān)。在氣量調節系統設計時(shí)，不同的液壓系統參數會(huì )導致執行機構對氣閥的運動(dòng)規律產(chǎn)生不同的影響，從而影響閥片與執行機構相互碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)應力。閥片和執行機構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(shí)的碰撞都有較高的值。由于碰撞過(guò)程中執行機構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(huì )加速閥片的損壞，還會(huì )縮短閥片的壽命，嚴重時(shí)會(huì )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(zhù)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(xiàn)性關(guān)系。同時(shí)，在速度較低時(shí)，第一次碰撞時(shí)的應力為最大應力，當碰撞速度過(guò)大時(shí)閥片會(huì )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在后續的最后一次較明顯的接觸碰撞中。因此一般在設計氣閥時(shí)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(guò)程中發(fā)生劇烈的振顫，使得動(dòng)態(tài)應力過(guò)高。

　　金屬閥片具有很長(cháng)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(huì )影響閥片使用壽命，在有些場(chǎng)合的使用受限。同時(shí)，隨著(zhù)材料科學(xué)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(dòng)能，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

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

 

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