往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)研究

王利恒，吳 崧

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430074）

活塞往復(fù)式壓縮機(jī)作為一種常用的化工機(jī)械設(shè)備在石油、化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。一般情況下，大型往復(fù)式壓縮機(jī)是根據(jù)用氣裝置的最大容積流量來設(shè)計的，而實際生產(chǎn)過程中由于工藝流程的變化、原料種類的不同，往復(fù)式壓縮機(jī)有可能長期處在低于設(shè)計排量的工況下運(yùn)行，富余的氣體只能排放或者回流，導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)，這樣就要對壓縮機(jī)排氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。

目前石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是旁路節(jié)流調(diào)節(jié)方式[2]，以這種方式對原設(shè)備改造簡單、方便，雖然達(dá)到了調(diào)節(jié)氣量的目的，但是壓縮機(jī)始終處于滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，不具有節(jié)能效果。另一種可變余隙腔調(diào)節(jié)是將可變余隙腔與氣缸外側(cè)直接連通，雖然這種調(diào)節(jié)方式也可以對壓縮機(jī)氣量進(jìn)行控制，但是改變了壓縮機(jī)本身的壓比和余隙間隙，同時功耗依然沒有很大改善[3]。為此，本文提出了以節(jié)能為根本目的的全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，在氣閥進(jìn)氣結(jié)束后利用外力強(qiáng)制頂開進(jìn)氣閥，實現(xiàn)調(diào)節(jié)氣量和節(jié)能的效果。

1 無級調(diào)節(jié)原理

采用全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)方式時，在壓縮機(jī)吸氣過程中，進(jìn)氣閥由于內(nèi)外兩端壓差的作用而打開，此時氣體從儲氣罐被吸入到氣缸。進(jìn)氣完畢后，當(dāng)活塞開始壓縮氣體時，由于無級氣量調(diào)節(jié)的作用，進(jìn)氣閥被卸荷器強(qiáng)制頂開并保持開啟狀態(tài)，此時原吸入氣缸的氣體經(jīng)進(jìn)氣閥回流到儲氣罐而不被壓縮。待活塞運(yùn)行到特定位置后，進(jìn)氣閥由于失去強(qiáng)制外力而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余氣體開始被壓縮[4]。采用此調(diào)節(jié)方法就是利用了“回流省功”的原理。

2 系統(tǒng)模型及仿真分析

視壓縮機(jī)系統(tǒng)為一個理想的熱力系統(tǒng)，即壓縮機(jī)氣缸與外界無熱交換，工質(zhì)為理想氣體。進(jìn)行試驗的某石化廠K101/1壓縮機(jī)額定參數(shù)如表1所示。

表1 K101/1壓縮機(jī)額定參數(shù)Tab.1 K101/1 compressor rated parameters

壓縮機(jī)行程容積Vs，余隙容積Vg，膨脹容積Ve分別為

式中：D為氣缸直徑；S為活塞行程；Sg為余隙大??；μ為容積效率，一般取為0.9左右。由于考慮壓縮機(jī)工作為理想狀態(tài)，則壓縮機(jī)排氣與吸氣視為等壓過程，而壓縮與膨脹視為多變過程。則壓縮與膨脹過程多變指數(shù)nc和ne分別為

將多變指數(shù)n代入理想氣體多變過程狀態(tài)方程，則：

以壓縮機(jī)輕載或零負(fù)載為前提，在Matlab中對以上模型進(jìn)行仿真[5，7]，繪制出的示功圖如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)示功圖Fig.1 Compressor indicator diagram

圖中E-F為進(jìn)氣過程，F(xiàn)-G為壓縮過程，G-H為排氣過程，H-E為膨脹過程，曲線EFGH所圍成的面積即為壓縮機(jī)1次循環(huán)所做的功。當(dāng)所需氣量減少時，部分氣體通過進(jìn)氣閥被等壓排出，如圖2中的F-A段，然后再對剩余氣體進(jìn)行壓縮（圖2中A-B段）。圖中A-F-G-B所圍成的面積即為節(jié)省的功。

圖2 氣量調(diào)節(jié)仿真Fig.2 Gas adjustment simulation

壓縮機(jī)負(fù)荷為50%時，氣缸內(nèi)大約有一半的氣體回流至進(jìn)氣管道。根據(jù)仿真結(jié)果可知A點大約在EF中點附近，利用Matlab計算出E-A-B-H的面積S為0.0105，根據(jù)示功圖面積轉(zhuǎn)換為指示功的公式，即

將轉(zhuǎn)速r及作用方式i代入式（7），求得壓縮機(jī)指示功為191.1 kW。根據(jù)功率計算公式可得

式中：電壓U為6000 V；功率因數(shù)μ取0.83；求得電流I約為38.37 A。

3 無級調(diào)節(jié)控制方式

無級調(diào)節(jié)可以采用手工定量調(diào)節(jié)，也可以根據(jù)設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。定量控制方式主要以壓縮機(jī)負(fù)荷恒定為控制目標(biāo)。對于負(fù)載長期穩(wěn)定或者變化不大時，根據(jù)負(fù)載情況通過定量控制的方式設(shè)置壓縮機(jī)負(fù)荷，壓縮機(jī)即可按照設(shè)定負(fù)荷運(yùn)行。但在更多工況下，用氣設(shè)備種類繁多且用氣時段不可測，若壓縮機(jī)仍然按照定量控制方式運(yùn)行，會導(dǎo)致氣量不足或過剩，且壓縮機(jī)出口壓力不穩(wěn)定，此時可采用自動調(diào)節(jié)方式。

采用自動調(diào)節(jié)時一般是以出口壓力為控制目標(biāo)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。如圖3所示，當(dāng)用氣量發(fā)生變化時，壓縮機(jī)出口的儲氣罐壓力隨即發(fā)生變化，系統(tǒng)檢測到出口壓力與設(shè)定值有偏差后，PID控制器會自動根據(jù)偏差計算出執(zhí)行器強(qiáng)制開啟閥門的時間Td，將該時間以Modbus通信的方式發(fā)送給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)壓縮氣量，保證儲氣罐壓力穩(wěn)定。圖2中A點即為執(zhí)行器延遲Td關(guān)閉的時間點，從上面分析可以看出，只要控制卸荷器卸荷相位，就可以控制F-A段的長度，從而控制壓氣量的多少，達(dá)到省功節(jié)能的效果。

圖3 控制原理Fig.3 Control schematic diagram

在理想情況下，經(jīng)簡化的無級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

在Simulink中對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出其階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 階躍響應(yīng)Fig.4 Step response

改變設(shè)定值后，壓縮機(jī)出口壓力值變化幅度大，并且當(dāng)時間達(dá)到120 s后，系統(tǒng)出口壓力仍然不能穩(wěn)定。加入PID控制器后，階躍響應(yīng)如圖5所示，從圖中可知40 s后，壓縮機(jī)出口壓力基本趨于穩(wěn)定，因此PID控制器適用于該系統(tǒng)，并且有比較好的控制效果。

圖5 加入PID控制器的階躍響應(yīng)Fig.5 Step response with PID controller

4 試驗及結(jié)果分析

無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，控制器將接收到的DCS反饋的壓力、溫度等數(shù)據(jù)計算為進(jìn)氣閥的啟、閉時間。上止點信號傳遞活塞在氣缸中的即時位置，在壓縮機(jī)運(yùn)行的一個周期中，其輸出信號表示曲軸轉(zhuǎn)角為0°，控制器結(jié)合上止點信號進(jìn)行計算，然后通過Modbus總線傳輸給執(zhí)行器，用以控制閥門啟、閉時間。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)運(yùn)行期間，各參數(shù)實時顯示在上位機(jī)界面中，同時在上位機(jī)中也可以對系統(tǒng)進(jìn)行控制和設(shè)置參數(shù)等操作。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 System structure

進(jìn)行定量控制試驗時，以5%的步距逐步增加壓縮機(jī)負(fù)荷。記錄的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表中數(shù)據(jù)可知，在負(fù)荷為50%時，測得電流為38.3 A，與理論計算值幾乎相同。繼續(xù)增加負(fù)荷至100%，使壓縮機(jī)在滿負(fù)荷工況下運(yùn)行，電流上升至42.3 A左右，可見電流隨用氣量減少而減小，節(jié)能效果比較明顯。

待系統(tǒng)在定量控制模式下穩(wěn)定運(yùn)行以后，將系統(tǒng)切換到自動控制狀態(tài)，設(shè)定一、二級壓力分別為1.25 MPa、2.5 MPa以觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。PID參數(shù)整定完成以后繪制出口壓力曲線如圖7所示。

表2 手動測試數(shù)據(jù)記錄表Tab.2 Manual test data record

圖7 二級出口壓力測量曲線Fig.7 Secondary outlet pressure curve

從圖中分析可知，在給出設(shè)定值后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時的穩(wěn)定時間為90 s左右，并超調(diào)量不超過5%，波動范圍在±0.1 MPa之間，均屬于可接受范圍之內(nèi)。同時，由于一、二級之間存在級間耦合，二級出口壓力會受到一級出口壓力影響，導(dǎo)致在前50 s系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動較大，50 s后PID控制器輸出和壓縮機(jī)兩級出口壓力值均基本穩(wěn)定，由此可看出該壓縮機(jī)系統(tǒng)存在較大的延遲環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語

通過無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)理論分析及試驗效果可以看出，該系統(tǒng)能有效降低能耗，同時系統(tǒng)安裝簡便、操作簡單、安全系數(shù)高。試驗中壓縮機(jī)為空載運(yùn)行，按每年開工時間為8000 h，每度電按1.5元計，功率因數(shù)為0.83，每年可節(jié)省的電費(fèi)為8000×6000×（42.3-38.3）÷1000×0.83×1.5=239040 元，經(jīng)濟(jì)效益比較客觀。若將該系統(tǒng)投入實際生產(chǎn)運(yùn)行，可以產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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