往復式壓縮機氣量無級調節技術研究

盧江波，馮坤，李永清

(1. 北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176；2. 中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

大型往復式壓縮機[1]廣泛應用于石油、化工、天然氣和煤化工等領域，作為生產企業的高耗能設備，這些壓縮機通常是按照最大生產能力設計，但機組實際運行工況常低于設計條件，需要調節排氣量，該類壓縮機最常用的調節方式是旁路調節，但在調節排氣量的同時壓縮機仍然處于滿負荷運行工況，因此低流量負荷下能源浪費相當嚴重。目前，基于頂開進氣閥的回流省功機理的氣量調節方法[2-3]，不僅能夠實現氣量連續調節，還能夠有效解決該類壓縮機在低流量工況下能源浪費問題，降低壓縮機運行功耗。本文通過AMESim系統仿真和試驗研究分析了該類壓縮機氣量無級調節技術。

1 系統組成及工作原理

往復式壓縮機氣量無級調節系統是由PLC控制單元、液壓系統、執行機構和中心控制操作單元組成，如圖1所示，液壓系統提供高壓液壓油向執行機構提供機械動力，安裝于液壓系統上的齒輪泵將液壓油升至14 MPa左右，壓縮機的每個進氣閥均安裝一個執行機構，根據執行機構的電磁閥的不同位置，執行機構內的液壓活塞承受從液壓系統中傳遞的液壓力，內置的高壓活塞通過液壓桿驅動進氣閥卸荷器，實現進氣閥的頂開動作。

圖1 氣量無級調節系統組成示意

該類壓縮機的最高級排氣壓力與各級之間的壓力一般被選為控制變量[4-5]，其數值經過壓力變送器傳至PLC控制單元，PLC控制單元比較實測壓力與設定壓力值，通過PID調節器運算出進氣閥頂開持續時間, 同時PLC控制單元也接受到上死點傳感器傳過來的信號，推斷出壓縮機活塞在氣缸中的運行位置，進而適時啟動執行機構內電磁閥來控制高壓液壓油的供給與泄壓，以推動進氣閥頂開，進而控制進氣閥的打開與關閉。由液壓系統提供執行機構需要的液壓動力，使進氣閥的頂開與關閉處于有效的控制中，能快速實現現場工藝變動對壓縮機排氣量的不同需求。

該類壓縮機氣量無級調節系統的工作原理為基于頂開進氣閥回流省功[6]，如圖2所示。

圖2 回流省功工作原理示意

活塞在該類壓縮機氣缸的一個正常工作循環基礎上，包括： 膨脹過程A～B，進氣過程B～C，壓縮過程C～D，排氣過程D～A，當氣量無級調節系統進入工作狀態后，進氣閥在進氣過程結束后由于在執行機構作用下仍被強制保持開啟狀態，那么壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由位置C到位置D，而是由位置C先到達位置E(回流過程)，在該過程中，吸入氣缸中的部分氣體會通過被強制頂開的進氣閥側回流到進氣管路中而不被壓縮，壓縮機氣缸內的活塞做功要比壓縮機滿負荷時小得多，待活塞運動到特定的位置E時，執行機構使進氣閥強制頂開的外力消失，進氣閥的閥片在彈簧力的作用下回落到閥座上而關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置E到達位置F，氣體達到排氣壓力后，排氣閥打開，氣體通過排氣閥進入下游工藝。

2 AMESim軟件建模與仿真

本文通過AMESim軟件對氣量無級調節系統進行仿真[7-8]，為了簡化模型，本文只針對單級壓縮過程建立了“回流省功”的模型，多級壓縮回流省功的過程和單級壓縮回流省功的過程一樣，只是控制模型復雜一些。往復式壓縮機工作系統由進口儲氣罐、進氣閥、氣缸、排氣閥和出口儲氣罐組成，另外進氣閥受氣量無級調節系統控制，頂開進氣閥的氣量無級調節系統AMESim模型[9]如圖3所示。

圖3 頂開進氣閥的氣量無級調節系統AMESim模型示意

進口儲氣罐和出口儲氣罐選用氣室數學模型，氣缸為雙作用式氣缸，分別選用2個活塞數學模型和氣室數學模型，活塞數學模型模擬計算氣缸活塞力的傳遞和氣室容積的變化，氣室數學模型模擬計算氣缸的壓力變化。推動氣缸活塞運動的曲柄連桿機構選用曲柄數學模型，通過該模型可以計算曲柄作用在主軸上的扭矩。

排氣閥和進氣閥選用具有特殊節流孔的閥芯數學模型、具有摩擦和限位的質量數學模型、活塞數學模型和彈簧數學模型。在閥芯數學模型中，閥芯的作用面積可以單獨設置，流通面積也可以單獨設置，本文根據氣閥結構尺寸，將流通面積定義為與閥門開啟高度有關聯的函數，其節流孔的質量流量計算如式(1)所示：

(1)

式中：qm——質量流量；A——流道面積；Cq——閥流量系數；λ——流量參數；pup——上游氣體壓力；Tup——上游氣體溫度。

執行機構由液壓缸和電磁閥組成，液壓缸選用數學模型為雙作用單活塞式的液壓缸，電磁閥選用的數學模型為HSV23_02。在液壓缸模型中，液壓缸內無桿腔的壓力計算如式(2)所示：

(2)

式中：p1——無桿腔壓力；Be——液壓油的彈性模量；A1——無桿腔有效面積；x——活塞的位移；V1——無桿腔初始體積；qV1——液壓缸流進體積流量；C——液壓缸泄漏系數；p2——有桿腔壓力；v——活塞的運動速度；K——流進流量的補償系數，K=ρ(0)/ρp1。使用該補償系數是因為流體外界的壓力變化必然會引起液體彈性模量和密度的變化，從而也引起流體流量的變化，而這也正是AMESim模型準確的一種體現。

執行機構中的液壓缸的響應時間和速度由電磁閥控制，故電磁閥是液控耦合模型中的關鍵元件，在電磁閥數學模型HSV23_02中，其體積流量計算如式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

(5)

式中：qV——體積流量；μ——運動黏度；dH——水力直徑；ρ——油液密度；Δp——節流口前后壓差；Cqmax——閥流量系數最大值；λC——流量參數臨界值；tanh——反雙曲函數。其中，A與閥芯位移的關系可由實際工況來定義。

為了能夠比較氣量無級調節系統工作前后進氣閥流量、氣缸氣室壓力的變化規律，分別設定兩組參數，一組為壓縮機正常工作，計算進氣閥的開啟高度、進氣閥流量、氣缸氣室壓力、出口儲罐壓力、主軸扭矩和主軸扭矩隨時間的變化規律；另一組為該調節系統開始工作并設定氣閥延遲時間為0.35倍工作周期時，計算進氣閥的開啟高度、進氣閥流量、氣缸氣室壓力、出口儲罐壓力、主軸扭矩和主軸扭矩隨時間的變化規律。氣量無級調節系統工作前后，進氣閥開啟高度變化規律、流量變化規律，氣缸氣室壓力變化規律，全軸扭矩變化規律，出口儲氣罐壓力變化規律如圖4～圖8所示。從圖中可知，該調節系統工作后，進氣閥開啟高度維持最大高度值的時間延長，氣缸有大量氣體從進氣閥回流，氣缸氣室的最大工作壓力降低，活塞壓縮功降低，主軸的扭矩降低，出口儲罐的壓力降低。在轉速不變的情況下，由于主軸軸功率與扭矩成正比，所以壓縮機氣量降低、出口儲罐壓力降低時，主軸軸功率也相應降低。

圖4 調節系統工作前后進氣閥開啟高度變化規律示意

圖5 調節系統工作前后進氣閥質量流量變化規律示意

圖6 調節系統工作前后氣缸氣室壓力變化規律示意

圖7 調節系統工作前后主軸扭矩變化規律示意

圖8 調節系統工作前后出口儲氣罐壓力變化規律示意

3 試驗研究

該次試驗研究的往復式壓縮機氣量無級調節系統是基于頂開進氣閥“回流省功”機理而設計的，主要由液壓系統、執行機構和電控系統構成。其中液壓系統包括液壓油站、蓄能器和管路附件等；執行機構主要由蓋側執行機構和軸側執行機構組成；電控系統主要由PLC控制器、安全柵、信號放大器等組成。

3.1 往復式壓縮機零負荷啟動和滿負荷工況

首先打開氣量無級調節系統的液壓泵站，使泵站工作壓力穩定在8 MPa，PLC控制執行機構的電磁閥使高壓液壓油進入液壓缸，保持壓縮機進氣閥處于開啟狀態，使壓縮機在零負荷狀態啟動，記錄此時主電機的電流值。

然后PLC控制電磁閥使液壓缸泄壓，進氣閥卸荷器與氣閥閥片不接觸，壓縮機處于滿負荷工作狀態，調節儲氣罐出口的控制閥，保持儲氣罐壓力為0.3 MPa，記錄此時的儲氣罐的壓力、出口的流量、主電機的電流值。壓縮機零負荷啟動和滿負荷條件下，工作穩定后儲氣罐的壓力、出口流量、主電機電流值和實際功率見表1所列。

表1 零負荷啟動和滿負荷工作狀態下的參數

3.2 氣量無級調節系統調節工況實驗

開啟氣量無級調節系統，系統中PLC控制電磁閥隨著氣缸內活塞運動而有規律地動作，通過該調節系統將壓縮機的排氣量保持在100%的水平，調節儲氣罐出口的控制閥，保持儲氣罐壓力為0.3 MPa，記錄此時的儲氣罐的壓力、出口的流量、壓縮機主電機的電流值。依次操作氣量無級調節系統排氣量的設定值，并記錄各排氣量條件下的壓力、流量和電流值。該型壓縮氣量無級調節系統在各排氣量條件下對應的儲氣罐壓力、出口流量、主電機電流值和實際功率見表2所列。氣量無級調節系統在不同流量條件下對應的主電機實際功率如圖9所示。

表2 氣量無級調節系統試驗調試中的試驗數據

圖9 往復式壓縮機在不同流量下主電機的實際功率值示意

4 氣量調節規律的分析

通過修改AMESim軟件中往復式壓縮機流量調節模型中電控系統的閥門關閉的延遲時間，可計算該壓縮機流量和氣閥頂開持續時間的關系，計算結果如圖10所示。本文研究的該壓縮機轉速為480 r/min，0.5個周期的時間為0.062 5 s，圖10中進氣閥頂開持續時間的范圍在0～0.062 5 s，正好為0.5個周期。從圖10可以看出，隨著進氣閥頂開時間的增加，該壓縮機排氣量在剛開始頂開時排氣量變化緩慢，然后在中間位置迅速改變，最后變為零。傳統觀點認為計算結果曲線不存在一段延遲時間的壓縮機的流量為零值，但是本文的計算結果和實驗結果證明這部分還是存在的，在氣閥關閉延長時間接近0.5個工作周期時，其排氣量一直在零值不動。理論上，對于圖10所示的零值部分，是由于氣缸內剩余的氣體在壓縮行程結束時還是不能頂開排氣閥，故此一個壓縮周期內都沒有氣體排出，該壓縮機排氣量為零。

圖10 壓縮機質量流量隨進氣閥頂開持續時間的變化規律示意

5 結束語

本文分析了基于頂開進氣閥機理的往復式壓縮機氣量無級調節方法，基于AMESim系統仿真軟件建立了氣量無級調節系統的運動規律模型，分析了調節過程中進氣閥的運動規律，氣缸氣室壓力的變化規律、主軸扭矩的變化規律等，并通過試驗研究驗證了基于頂開進氣閥機理的往復式壓縮機氣量無級調節方法的可行性和省功效果。具體結論如下：

1)基于“回流省功”機理的氣量調節方法能夠實現往復式壓縮機在0～100%負荷內無級調節。

2)排氣量隨進氣閥持續頂開時間的增加而減少，排氣量在進氣閥延遲關閉過程中從變化緩慢、到變化迅速、再到變化緩慢，直到最后不再變化。

3)氣量調節后，實際消耗功率隨往排氣量的降低成等比例規律減少，節能效果顯著。