一种往复压缩机无级气量调节方法及系统

摘要

本发明涉及一种采用灵活时间控制模式的往复压缩机无级气量调节方法与系统，用于控制往复压缩机排气量，适应企业不同转速往复压缩机生产需要；该无级气量调节系统包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、信号测量系统与配套密封机构；具体控制需首先获得无级气量调节系统各组成部分时间参数，根据不同参数确定具体的时间控制方式与控制信号输出方式；本发明可对各类不同转速的往复压缩机组排气量进行精确、宽范围的调节，能耗随排气量的减少而降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞式往复压缩机气量调节装置以及多种控制方法，实现了较大 工作转速范围的往复压缩机气量无极调节，达到了节能降耗的目的。

背景技术

往复活塞式压缩机是一种气体输送设备，被广泛应用于国防、冶金、化工、炼油、 机械等工业领域以及日常生活中，是国民经济的各个部门尤其是石油化工等流程工业 中必不可少的关键设备之一。一台特定的往复压缩机正常工作状态下的容积流量基本 是保持不变的，但在实际生产中由于市场需求的变化、生产条件的改变等使得所需的 往复压缩机实际排气量存在较大范围的变动，因此需要进行往复压缩机排气量调节以 适应实际气量的变化需求。目前现有的气量调节方法有管路调节法、余隙容积调节 法、、转速调节法、压开吸气阀调节法，都能在一定程度上实现气量调节。但管路调 节法和余隙容积调节法浪费的能源很高，调节精度也不高；转速调节法的转速调节范 围有限，不能实现0-100％全量程无级调节；通过压开吸气阀进行流量调节的方法因 节能效果明显而引起极大关注，是目前应用较多的一种调节方式。

目前的压开吸气阀气量调节方法，它包括部分行程压开吸气阀和全行程压开吸气 阀。全行程压开吸气阀的调节，在整个排气行程中吸气阀始终被强制压开。传统的压 开吸气阀调节方法通过对往复压缩机多个气缸进行控制，达到调节气量目的，实现气 量调节，但调节范围和精度较低，只能达到0％，25％，50％，75％，100％。西安交 通大学发明的一种往复活塞压缩机排气量无级调节方法(专利CN 101173658B)，在 全行程压开吸气阀的基础上，将压开吸气阀的开关控制改变为占空比控制。以100个 工作单元为一个控制周期，通过控制加载的单元数和空载的单元数的比例来控制排气 量。

另一种方法是部分行程压开吸气阀的调节，该方法通过特定的装置在一个往复压 缩机工作循环内控制吸气阀压开与关闭，让一部分气体在压缩过程中回流到进气腔， 达到在一定程度上控制排气量的目的，同时由于多余的气体并未进行压缩从而在减少 排气量的同时降低了功耗。部分行程压开吸气阀调节在压缩机的每个工作周期中都进 行气量调节，实现0-100％全量程气量的精确调节。这种调节方式最为关键的是执行 机构的设计，如专利EP-A-0893605中所公开的电液控制技术驱动直线运动的压叉将 吸气阀压开，排气量可调至10％；专利US-A-5695325通过特定装置在气阀与阀座之 间旋转，实现吸气阀开启关闭；浙江大学化机研究所研制的气量调节系统，依靠液压 分配器和可调回流阀，排气量可调至50％；目前得到较大范围推广应用的是奥地利贺 尔碧格公司研发的HydroCOM无级气量调节系统(中国专利CN03158561.2)。

此外，专利CN103233884A中提出了一种部分行程调节的变化方式，在一定周期 中通过调整加载周期数、空载周期数以及一个周期中部分行程的气量值，实现一个控 制周期的总体气量为需要达到的气量。

发明内容

本发明基于顶开进气阀调节气量的基本原理，一种采用灵活时间控制模式的往复 压缩机无级气量调节方法与系统，可实现较宽工作转速范围压缩机气量的0～100％全 量程无级调节，适用范围广，节能效果好。

一种采用灵活时间控制模式的往复压缩机无级气量调节方法，其特征在于，应用 于以下系统：

该系统包括液压动力系统、液压执行机构、气阀卸荷装置、气量调节控制系统、 信号测量系统与配套密封机构；

液压动力系统包括储油箱、电机、液压油泵、蓄能器、压力表、液位计、压力控 制继电器、安全阀、卸荷阀和压力管线；液压执行机构为液压油缸，油缸内包括柱塞 和密封元件；气阀卸荷装置由吸气阀自带卸荷器组成，卸荷器顶杆与油缸柱塞接触； 控制系统包括电磁换向阀、可编程逻辑控制器、固态继电器和相关信号线缆；信号测 量系统包括电涡流传感器与键相采集系统；

该方法包括如下步骤：

气量调节设定参数为K，K＝0～1，代表现场往复压缩机实际需求排气量占额定排 气量的比例；

确定液压执行机构的响应时间参数，包括：电磁换向阀开启控制信号输出到液压 执行机构完成顶出动作的时间T₁，液压执行机构顶出动作时间T₂，电磁换向阀换向控 制信号输出到液压执行机构完成撤回的时间T₃，液压执行机构撤回动作时间T₄，电磁 换向阀的最短给电时间T₅，电磁换向阀的最短断电时间T₆；输出电磁换向阀开启控制 信号的时间点与本次调节工作循环键相信号的时间间隔为T₇，T₇≥0为相对本次调节工 作循环键相信号延迟输出电磁换向阀开启控制信号，T₇<0为相对本次调节工作循环键 相信号提前输出电磁换向阀开启控制信号，提前量为T₇绝对值；电磁换向阀开启控制 信号输出到换向控制信号输出的间隔时间T₈；以上时间单位均为秒；

确定压缩机运行参数和控制参数，运行参数包括：压缩机工作转速n，单位：转/ 分钟；压缩机工作周期时长T；气体从进气压力压缩到排气压力的时间T_升；控制参数 包括：从压缩过程开始后进气阀延迟关闭的时间T_延，单位：秒，T_延＝T*arccos(2K-1)/2π；

电磁换向阀开启控制信号的输出以往复压缩机键相信号为基准，采取两种方式给 出控制信号，即：同周期给出开启控制信号和相邻周期给出开启控制信号；同周期给 出开启控制信号指在本次调节周期键相信号时刻给出开启控制信号，给出信号和执行 动作在同一个压缩机工作循环内完成；相邻周期给出开启控制信号是指在本次调节周 期的前一个周期给出信号，与执行动作在两个相邻周期；

时间控制模式包括单一变时长控制、单一定时长控制、变时长和定时长复合控制 方法三种；

单一变时长控制指的是在每个周期中固定的时间点输出电磁换向阀开启控制信 号，K变化时控制信号时长T₈相应变化；

单一定时长控制，每个周期中的控制信号时间长度固定不变，而改变电磁换向阀 开启控制信号发出时间点，针对不同的K计算确定不同的信号发出时间点；

变时长和定时长复合控制，在气量从满负荷开始调节时先采用变时长的控制方 式，根据K变化计算得到不同的控制信号持续时间，当给出电磁换向阀换向控制信号 与下一次给出电磁换向阀开启控制信号的时间间隔ΔT＝1.2T₆时，切换到定时长的控制 方式，针对不同的K计算确定不同的电磁换向阀开启控制信号发出时间点，固定控制 信号持续时间；

根据压缩机运行参数，控制参数和液压执行机构的响应时间参数之间的关系确定 气量调节的控制方法和控制时间参数，具体的步骤包括：

首先，判断执行机构在工作转速下能否实现0-100％气量调节：根据压缩机工作 转速n计算得出压缩机的一个工作周期时长T，当T/2-(T₂+T₃)<0，执行机构不能满足 该转速压缩机0-100％气量调节的要求，则不再执行以下步骤；当T/2-(T₂+T₃)≥0，执 行机构能满足该转速压缩机0-100％气量调节的要求；

其次，确定调节控制方法：

1)对于执行机构和管路，给电时长为T₅所对应的T₁与给电时长为T-T₆所对应的T₁的差值，或在给电时长为T₅所对应的T₃与给电时长为T-T₆所对应的T₃的差值大于T/20 时，认为该执行机构和管路对于给电时长的变化较敏感，只能采用定时长控制方法； 对于单一定时长控制方法，每个周期的控制信号时长T₈固定不变，取T₈为T₁-T₂-T₃+T/2 和T-T₆之间的最小值，取T₇＝-(T₈+T₃-T/2)+T_延，T₇随T_延的变化相应变化；

2)给电时长为T₅所对应的T₁与给电时长为T-T₆所对应的T₁的差值，或在给电时长 为T₅所对应的T₃与给电时长为T-T₆所对应的T₃的差值小于等于T/20时，认为该执行机 构和管路对于给电时长的变化不敏感，对如下情况进行讨论：

a)当T₆-T₃-T_升≤T/2-T₃-T₅，即T₆-T_升≤T/2-T₅时采用单一变时长控制方法能够实现 气量0～100％全量程调节，T₇的取值范围为[(T₆-T₃-T_升)，(T/2-T₃-T₅)]，每个周期的控制 信号时长T₈＝T/2-T₃-T₇+T_延，T₈随T_延的变化相应变化；

b)当T₆-T₃-T_升＞T/2-T₃-T₅，即T₆-T_升＞T/2-T₅则只能采用变时长和定时长结合的复 合控制方法实现气量0～100％全量程无级调节：

A.对K＝100％负荷，给出控制信号的时间点T₇＝T/2-T₃-T₅，控制信号时长T₈＝T/2-T₃-T₅；

B.负荷值K从100％减小到0的过程中，若T-T₈＞1.2T₆，采用变时长的控制方式，给 出控制信号的时间点T₇＝T/2-T₃-T₅，控制信号时长T₈＝T/2-T₃-T₅+T_延，T₈随T_延的变化而变 化；

C.负荷值K从100％减小到0的过程中，若T-T₈≤1.2T₆，切换到定时长的控制方式， 控制信号时长T₈＝T-1.2T₆，T₇＝-T₃-T/2+T_延+1.2T₆，T₇随T_延的变化相应变化。

本发明涉及的往复压缩机无级气量调节方法有效地避免了压缩机转速高工作周 期短对于执行机构响应速度要求高的局限，使得执行机构适用最大范围工作转速的压 缩机。

附图说明

图1是本发明针对不同转速压缩机和执行机构参数的控制方法原理图；

图2是本发明在300r/min空压机上实现的同周期单一变时长控制原理示意图；

图3是本发明在400r/min空压机上实现的相邻周期单一变时长控制原理示意图；

图4是本发明在500r/min空压机上实现的变时长和定时长复合控制方式下基准 时间控制原理示意图；

图5是本发明在500r/min空压机上实现的变时长和定时长复合控制方式下50％ 气量的控制原理示意图；

图6是本发明在500r/min空压机上实现的变时长和定时长复合控制方式下20％ 气量的控制原理示意图；

图7是本发明在500r/min空压机上实现的单一定时长控制方式下基准时间控制 原理示意图；

图8是本发明在500r/min空压机上实现的单一定时长控制方式下50％气量的控 制原理示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和实施方式详细加以描述。

实施本发明需要一套自行设计的顶开进气阀的液压执行机构和一个控制液压执 行机构的控制系统，该液压执行机构包括液压油站、液压换向阀、油路、液压缸、卸 荷器等，控制系统由西门子s7-300可编程逻辑控制器、固态继电器和外围电路组成， 液压执行机构和控制系统的响应参数如下：

顶出控制信号输出到液压执行机构完成顶出动作时间T₁＝45ms；

液压执行机构顶出动作时间T₂＝16ms；

撤回控制信号输出到液压执行机构完成撤回时间T₃＝35ms；

液压执行机构撤回动作时间T₄＝16ms；

液压换向阀的最短给电时间T₅＝45ms；

液压换向阀的最短断电时间T₆＝30ms；

PLC延时时间精度t＝1ms；

(1)实施例1：

以一台工作转速为300r/min，吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.3MPa的2D型 往复压缩机为例。

压缩机工作转速为n＝300r/min工作周期时长T＝200ms，T_升＝12ms， T/2-(T₂+T₃)＝49ms>0，执行机构顶出-保持-撤回动作能够在一个周期中压缩过程开始前 完成，执行机构能够满足该工作转速压缩机气量调节；测试得到执行机构和油路对于 给电时长变化不敏感，T₆-T_升＝30ms-12ms＝18ms，T/2-T₅＝100ms-45ms＝55ms，故T₆-T_升＜T/2-T₅，采用单一变时长控制方法能够实现气量0～100％全量程调节，给出控制信 号的时间点T₇＝[(T₆-T₃-T_升)，(T/2-T₃-T₅)]＝[-17ms，20ms]，T₇取为0，每个周期的控制 信号时长T₈＝T/2-T₃-T₇+T_延。

参照附图2左侧的单个压缩机周期，采用这种方式基准给电时间(T_延＝0)为65ms， 此时执行机构能够在压缩过程开始前完成顶出-保持-撤回动作，没有气体回流气量依 然是100％，在此基础上T_延变化时控制信号时长T₈增加则会有部分气体被压回到进气 腔中使得排气量会相应减少。

以50％气量为例，采用部分行程顶开进气阀的调节方法及同周期变时间步长的控 制方法进行调节。气量百分比K＝50％＝0.5，根据公式计算得到T_延＝50ms，在压缩机的每个周期键相信号开始给出启点控制信号方式，参见附图2右侧 单个控制周期图所示，同样经过延时时间T₁≈45ms执行机构完全顶开气阀，顶开气阀 动作过程持续时间T₂≈16ms；在原来的基准时间65ms加上T_延，得到对应50％气量的 给电时间为115ms；给电结束后经过T₃≈35ms执行机构完全撤回，气阀完全关闭。

比较附图2的两个压缩机工作周期，对于压缩机周期时间比较长同时不同给电时 长下执行机构动作响应没有延时的情况采用同周期变时间步长控制方法，该控制固定 在压缩机周期开始时输出启点控制信号，不同的气量对应不同的给电时间步长，通过 调整给电时间长短实现气量的无级调节。

(2)实施例2：

以一台工作转速为400r/min，排气量为10m³/min的空气压缩机为例。

压缩机工作转速为n＝400r/min工作周期时长T＝150ms，T_升＝10ms，T/2-(T₂+ T₃)＝24ms>0，执行机构顶出-保持-撤回动作能够在一个周期中压缩过程开始前完成， 执行机构能够满足该工作转速压缩机气量调节；测试得到执行机构和油路对于给电时 长变化不敏感，T₆-T_升＝30ms-10ms＝20ms，T/2-T₅＝75ms-45ms＝30ms，故T₆-T_升＜T/2-T₅， 采用单一变时长控制方法能够实现气量0～100％全量程调节，给出控制信号的时间点 T₇＝[(T₆-T₃-T_升)，(T/2-T₃-T₅)]＝[-15ms，-5ms]，T₇取为-5ms，每个周期的控制信号时长 T₈＝T/2-T₃-T₇+T_延。

参照附图3左侧的单个压缩机周期，采用这种方式基准给电时间(T_延＝0)为45ms， 控制信号提前量T₀＝-5ms此时执行机构能够在压缩过程开始前完成顶出-保持-撤回动 作，没有气体回流气量依然是100％，在此基础上再增加给电时间值则会有部分气体 被压回到进气腔中使得排气量会相应减少。

以50％气量为例，同样按照实例1中的公式计算出累加时间T_延＝50ms，给出控制 信号的方式采用前一周期控制后一周期的方式；参见附图3每个周期键相信号到来后 延时145ms给出控制信号，给电时间为基准时间加累加时间，即95ms；同样在给电 结束后经过35ms的延时执行机构完全撤回。

比较附图3的两个压缩机工作周期，对于400r/min左右的压缩机，当不同给电 时长下执行机构动作响应没有延时的情况采用相邻周期变时间步长控制方法，该控制 固定在压缩机周期开始时输出控制信号，不同的气量对应不同的给电时间步长，通过 调整给电时间长短实现气量的无级调节。

(3)实施例3：

实例3中针对一台工作转速为500r/min的空气压缩机，采用与实施例1和实施 例2相同的液压执行机构和控制系统，实现气量的无级调节，具体的控制方法如下所 述：

压缩机工作转速为n＝500r/min，工作周期时长T＝120ms，T_升＝8ms。T/2-(T₂+ T₃)＝9ms>0，执行机构顶出-保持-撤回动作能够在一个周期中压缩过程开始前完成，执 行机构同样能够满足该工作转速压缩机气量调节；测试得到执行机构和油路对于给电 时长变化不敏感，T₆-T_升＝30ms-8ms＝22ms，T/2-T₅＝60ms-45ms＝15ms，故T₆-T_升＞T/2- T₅，采用单一变时长控制方法不能实现气量0～100％全量程调节，只能采用复合控制 方法；在气量较多时采用变时长的控制方法，给出控制信号的时间点T₇＝(T/2-T₃-T₅)]＝ -20ms，控制信号时长T₈＝T/2-T₃-T₇+T_延；当气量减小到对应的控制信号时长T₈≥T-1.2 T₆时，切换到定时长的控制方式，控制信号时长T₈＝T-1.2T₆，给出控制信号的时间点T₇＝ -T₃-T/2+T_延+1.2T₆，T₇随T_延的变化，即设定参数K的变化相应变化；

参照附图4，采用这种方式基准给电时间(T_延＝0)为45ms，控制信号提前量 T₀＝-20ms此时执行机构能够在压缩过程开始前完成顶出-保持-撤回动作，没有气体回 流气量依然是100％，在此基础上再增加给电时间值则会有部分气体被压回到进气腔 中使得排气量会相应减少。

附图5所示是气量减少到50％时的控制信号和执行机构动作，首先通过公式计算 出累加时间T_延＝30ms；每个周期键相信号到来后延时100ms给出控制信号，给电时间 为基准时间加累加时间，即75ms；同样在给电结束后经过35ms的延时执行机构完全 撤回。

当气量减少到20％时通过公式计算出累加时间T_延＝43ms，每个周期键相信号到来 后延时100ms给出控制信号，给电时间为基准时间加累加时间，即88ms，此时给出 止点控制信号与下一次给出启点控制信号的时间间隔ΔT＝32ms<1.2T6＝36ms，20％气 量为定时间步长控制方式。附图6所示，整个控制信号平移13ms，同样经过一定的 延时时间执行机构依然在吸气过程的某处顶出完成并保持顶出，执行机构的撤回动作 相较于附图5中基准时间向后延时(T₀由20ms变为7ms)，在压缩过程中撤回，气量 减少到需要的量。

(4)实施例4：

在实例3中，如果执行机构和管路对于给电时长的变化较敏感，只能采用定时长 控制方法，对于单一定时长控制方法，每个周期的控制信号时长T₈固定不变，取 T₈＝min[(T₁-T₂-T₃+T/2)，(T-T₆)]＝min[55ms，90ms]＝55ms，给出控制信号的时间点T₇＝ -(T₈+T₃-T/2)+T_延，T₇随T_延的变化，即设定参数K的变化相应变化；

附图7所示为基准给电控制信号(T_延＝0)，给出控制信号的时间点T₇＝-30ms，在 此基础上增加给电时间气量将会相应减少。从图中可以看出控制每个周期执行机构的 顶出-保持-撤回动作的控制信号都在前一周期中给出，提前量为30ms，从给出控制信 号经过T₁＝45ms执行机构完成顶出动作并保持顶出，经过给电55ms后断电，再经过 35ms延迟执行机构完全撤回。

附图8所示是气量减少到50％时的控制信号和执行机构动作，首先通过公式计算 出累加时间T_延＝30ms；采用单一定时间步长控制方法，给电时间T₈＝55ms保持不变， 给出控制信号的时间点T₇＝-(T₈+T₃-T/2)+T_延＝0，即控制信号整体平移30ms正好在键相 信号到来后给出启点控制信号，同样经过一定的延时时间执行机构依然在吸气过程的 某处顶出完成并保持顶出，执行机构的撤回动作相较于附图7中基准时间向后延时， 在压缩过程的撤回气量减少到需要的量。