压缩机气量无级调节系统的研究

程技术工22FORTUNEWORLD2009.6程技术工23FORTUNEWORLD2009.6摘要：气量无级调节系统的研制具有广泛的工业背景。活塞式压缩机历史悠久，因其制造简单、技术稳定等特点在生产中应用仍非常广泛。文章首先简述了压缩机气量调节的基本原理，重点介绍了压缩机气量无级调节系统的设计方案与原理。并以实例展示了无级调节系统的可靠性与可用性。关键词：压缩机；气量调节1、前言活塞式压缩机以主流压缩机广泛应用在我国国民经济支柱产业石油化工行业。压缩机的额定排气量由设计时所确定，然而化工、炼油生产过程中由于工艺流程的变化、原料种类的变更以及市场需求的变化都要求活塞式压缩机的排气量能在较大的范围内进行无级调节。目前国内炼油厂普遍采用的是旁路节流调节方法，虽然这种调节方法简单可靠，但压缩机始终处于满负荷工作，因此能耗巨大。在能源紧张的今天，对于气量调节频繁、压缩机原动机功率在数百甚至数千千瓦的炼油生产流程来说，如何节能增效已经引起企业的高度重视。2、气量无级调节的基本原理当压缩机的曲轴旋转一周，在气缸中所进行的各个过程的总和称为循环。压缩机的一个实际工作循环包括吸气、压缩、排气及膨胀四个过程。由于往复式压缩机的周期性，一般选取一个压缩周期进行研究。活塞式压缩机正常工况，进气完毕后，吸气阀关闭，气体在压缩行程中被压缩。无级调节时，进气完毕后，吸气阀被强制顶开，气缸内部分气体在活塞的推动下又回到了进气管路，并且仅对剩余气体进行压缩。因此，随压缩机排气量减少，所需功耗相应减少，实现节气并节能[1]。压缩机气量调节前后工作循环如图1所示。图1压开吸气阀气量调节的指示图不难看出，采用无级调节后，压缩机的工作循环增加了一个缸内气体向进气管路逆向流动的过程，可称为回流过程[2]。回流过程使压缩过程平移、排气过程缩短，如图1中c→d→a→a’→b’→c所示。3、气量无级调节系统的设计3.1总体设计方案全量程气量无级调节系统提出的设计要求[4]如下：3.1.1以压缩机的排气量为主控变量，作为第一级气缸的控制目标，来控制和调节第一级进气阀的卸荷时间；以级间压力（一、二级压缩比）为次控变量，作为第二级气缸的控制目标，来控制和调节第二级进气阀的卸荷时间；3.1.2能够实现DCS自动和手动两种调节方式，保证零负荷开机；3.1.3采用上下位机结构，具有数据采集、分析、曲线显示、保存、报警及打印等功能；3.1.4调节系统硬件出现故障报警信号，调节系统将自动切除，机组100%负荷运行，切换到压缩机原来“一回一，二回二”的旁路调节状态。故障信号包括：供油系统的油压过低；油温过高（大于70℃）；油箱油位过低：步进电机同步控制出现故障（转速信号和相位信号不正常）。3.2执行机构的设计执行机构直接实现排气量和级间压力的调节，主要由以下几部分组成：液压分配器、液压缸、液压站、卸荷压叉，其中核心部件为液压分配器。3.2.1液压分配器的结构设计[3]液压分配器的结构如图2所示，由转子和套筒组成。转子上压力区和卸压区交替分布，转子转过一个压力区和一个卸压区的时间刚好是压缩机的一个往复周期。分配器转子转动时，当压力区经过套筒即液压力顶开进气阀的时刻，正好对应活塞返行程时，就实现了同步。液压力持续作用于气阀直到与卸压区相连通，此时液压力被撤销，回流结束压缩机开始正常压缩。套筒延轴向的左右移动即可改变液压力持续作用的时间，从而实现排气量的调节控制。图2液压分配器结构图3.2.2卸荷器的设计卸荷器主要组成部分为：缸体、活塞、压板、压杆等，负责产生顶开开吸气阀所需的卸荷力。该力的大小主要由活塞直径和油压决定。同时由于阀片升程一定，活塞直径也决定了液压缸容积，从而影响加压速度。因此必须合理选择活塞直径与油压。卸荷器设有压力测量孔，以便安装传感器测量油压信号。活塞通过顶杆与压叉相连，推动压叉顶开与释放气阀。3.2.3密封结构的设计[3]由于压力分配器中液压油的压力较高，因此对系统的密封性提出了一定要求。根据位置和作用的不同，主要采取了下面几种密封措施。分配器转子与套筒之间为相对转动，选择合适的配合间隙以及配合面长度以保证密封的要求，同时在转子两端设计了O型圈密封；套筒和外套之间属于滑动式密封，采用了O型圈密封；液压缸缸体与压板之间则采用了径向和轴向的O型圈密封。3.3监控系统的设计监控系统实时的显示和记录整个压缩机的主要状态参数；进行气量调节时，只要在监控系统中输入需要的排气量，系统就能自动完成排气量调节；配备通讯模块可以使监控系统连接到DCS系统进行远程操作。监控系统采用上下位机结构，下位机由控制伺服电机同步旋转的专用控制器和控制排气量级间压力调节的PLC组成；上位机选用国产的组态软件MCGS。步进电机是可以将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机控制包括同步控制和调节控制，随着大规模集成电路以及各种单片机的迅速发展，选用单片机与集成电路控制步进电机。集成电路控制模块如图3所示，包括同步控制和调节控制两个功能模块：同步控制主要是控制液压分配器的旋转轴与压缩机曲轴同步旋转，保证压缩机活塞在压缩起点时刻顶开进气阀；调节控制通过步进电机驱动分配器丝杆调节套筒位置，从而控制压开进气阀的顶开时间。步进电机的主要部件是由伺服电机及其控制器组成。（图3）调节控制包括排气量的调节和级间压力的调节。对于一二级气阀，设定值和实测值分别是排气量和级间压力值。比较设定值和实测值大小，若两者不相等（超过误差允许范围），控制器发出脉冲信号CPZ，CW：控制步进电机2，带动丝杠左右移动，调整实测值的大小，使两者保持相等（误差允许范围内）。步进电机2调节排气量和级间压力时有自动和手动两种方式。自动调节时，控制器接收来自上位机的设定值和实测值，比较设定值和实测量，通过Pm算法计算控制变量（这里是脉冲数），由脉冲驱动步进电机逐步调整套筒位置，使实测量满足设定范围。手动调节时，可直接按控制器的正转、反转按钮来控制步进电机2正反转，使之带动丝杠以左右移动套筒，调节排气量和级间压力的大小。调节控制还有两个行程开关，控制套筒轴向运动不超出极限位置。4、气量无级调节系统应用实例生产装置为了维持氨蒸发塔工况的稳定，压缩机必须按照氨蒸发塔内压力决定排气量的大小。针对工厂设计的压缩机控制系统采用DCS组态软件控制。控制中心输出信号为4路，分别控制前后级气缸4端的可调回流气阀；在输入信号方面：采用压缩机一级进气压力信号作为一级可调吸气阀调节信号。设定实际需要的进气压力，如果检测到的实际进气压力高于这一设定值，说明一级吸气阀流量过小，需增加吸气阀进气量，即压叉顶开力需降低，相应输出电流降低；如果检测到的实际进气压力低于这一数值，说明一级吸气阀流量过大，需减小吸气阀进气量，即压叉顶开力需升高，相应输出电流提高。当检测到的二级进气压力不在此范围内时，调节到此范围即可。此套系统已经投入使用，反映良好。我公司大重整装置设计的往复压缩机K-2101A/B，采用一套气量无级调节和监控系统，据设计部门测算，采用气量无级调节和监控系统比使用其它方式的气量调节此机组每天要节省10000多元。4、结束语随着石油资源的减少与应用的过度，世界能源的日益紧张，这不仅要求活塞式压缩机的排气量能够在更大的范围内连续调节，而且要求压缩机功耗随排气量降低而成比例下降，实现节能。气量无级调节正是活塞式压缩机气量调节方法中的一种，具有经济、安全及维修方便等特点，必将予以重任。参考文献[1]高慎琴，化工机器[M]，化学工业出版社，2005.[2]田中裕久，液压与气动的数字控制与应用[M]，重庆大学出版社，2002.[3]郁永章，活塞式压缩机[M]，北京：机械工业出版社，1982.[4]吴荣仁，管宇辉，全量程可调气阀的调节机构和最优调节力的分析[J]，流体机械，2005，（6）：22-25压缩机气量无级调节系统的研究董怀春 中国石油哈尔滨石化分公司图3步进电机控制模块示意图当前，新建住宅工程质量分户验收过程中，要求住宅工程实测实量室内净高尺寸、开间和进深尺寸，与施工图设计文件对照，发现实测实量的尺寸偏差超出质量验评标准允许偏差的现象较多，也较为突出。由于住宅工程室内空间尺寸超偏差现象，一般都发现在施工的完工阶段，室内空间尺寸已定型，因此对超偏差现象的整改和纠正，往往是办法少、难度大，如果是装饰装修工程造成的室内空间尺寸偏差，比较容易采取整改措施进行纠正和消除，但如果是结构工程造成超偏差现象，对其实施整改，有时会出现技术复杂、操作困难等一系列难点，整改可能陷入束手无策的困境，若不进行整改和纠正，又不能做出验收合格的评价，因此，住宅工程室内空间超偏差现象，已不同程度地成为当前住宅工程质量问题的新难点，同时它又是研究和探讨如何预控的新课题。原因分析与检验方法㈠、出现室内净高尺寸偏差过大，不符合设计要求的原因及检验方法现浇楼层楼板结构的板底标高控制的准确性、可靠性存在过大偏差，影响模板工程板底模板标高不统一、不一致，水平度不水平，甚至出现倾斜现象。现浇结构模板安装的允许偏差及检验方法：表面平整度允许偏差5mm，用2m靠尺和塞尺检查，对跨度不小于4m的现浇钢筋混凝土梁板，其模板应按设计要求起拱，当设计无具体要求时起拱高度宜为跨度的1!1000--3!1000，用水准仪或拉线钢尺检查；底模上表面标高允许偏差65mm，用水准仪或拉线钢尺检查。现浇楼板截面尺寸，即厚度偏差过大。规范允许偏差为18mm，25mm；用钢尺检查。现浇楼板表面高低不平，表面平整度差。规范允许偏差为8mm，用2m靠吃和塞尺检查。现浇楼板的模板工程由于混凝土浇筑过程中承载能力和刚度较差，出现不同程度的轻微下沉现象，形成现浇楼板整体轻微下垂。部分模板质量不好，周转次数多，容易变形，拼接不平，造成现浇楼板倾斜、弯曲，接口高低不平现象。砌体施工周期短，灰缝沉实后出现室内净高尺寸偏差过大。㈡、开间、进深尺寸出现不同程度的一头大一头小现象现浇剪力墙结构的模板拉结不牢，出现胀模现象，墙面的垂直度、平整度控制的准确性、可靠性存在过大偏差，出现开间进深尺寸不符合设计和规范要求，出现不同程度的一头大一头小现象。现浇剪力墙结构的模板安装的截面内部尺寸允许偏差为14mm，25mm，用钢尺检查；现浇结构的层高偏差，层高大于5m时允许偏差为8mm，层高不大于5m时允许偏差为6mm用经纬仪或吊线钢尺检查，现浇结构的表面平整度允许偏差为5mm，用2m靠吃和塞尺检查。2、砌体轴线位置偏移过大，出现开间进深尺寸不符合设计和规范要求，出现不同程度的一头大一头小现象。砖砌体轴线位置偏移允许偏差为10mm，用经纬仪和钢尺检查或用其他测量仪器检查，每层砌体垂直度允许偏差为5mm，用2m靠尺检查；砌体平整度允许偏差为8mm，用2m靠尺和塞尺检查。一般抹灰的墙面，由于立面垂直度、平整度、阴阳角的控制存在过大偏差，出现开间进深尺寸不符合设计和规范要求，出现不同程度的一头大一头小现象。普通抹灰的墙面的立面垂直度允许偏差为4mm；高级抹灰的墙面的立面垂直度允许偏差为3mm，用2m垂直检测尺检查，普通抹灰的墙面的表面平整度允许偏差为4mm；高级抹灰的墙面的表面平整度允许偏差为3mm，用靠尺和塞尺检查。预控措施与管理要求㈠、组织措施施工现场质量管理应有相应的施工技术标准，健全的质量管理体系，施工质量检验制度和综合施工质量水平评定考核制度，施工现场质量管理应按，《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001的要求进行检查、记录。相关人员应持证上岗，尤其对于新材料、新工艺应加强培训和学习。严格按照建设程序组织，加强职责落实，严格检查验收制度。㈡、技术措施现浇楼层楼板结构的模板采购应选用质量好、刚度好的材料，使用过程中加强维护和保养，不合格的模板及时淘汰。加强模板安装的技术复核，严格按照审批通过的方案进行排架搭设。楼面施工前后认真进行轴线复核，控制好放线精度，做好砌体施工前的放线工作。砌体施工严格按照皮数杆标志组织施工，严格控制垂直度、平整度，及时做好复核工作。砖混结构工程在制作皮数杆时，要准确考虑砌体灰缝砂浆的沉降量，楼面顶板支模时做适量提高，来确保不出现由于