往复式压缩机气量无级调节技术研究

王利恒，吴 崧

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430074）

活塞往复式压缩机作为一种常用的化工机械设备在石油、化工等行业有着广泛的应用。一般情况下，大型往复式压缩机是根据用气装置的最大容积流量来设计的，而实际生产过程中由于工艺流程的变化、原料种类的不同，往复式压缩机有可能长期处在低于设计排量的工况下运行，富余的气体只能排放或者回流，导致了能源的浪费，这样就要对压缩机排气量进行调节[1]。

目前石油化工行业中应用最广泛的是旁路节流调节方式[2]，以这种方式对原设备改造简单、方便，虽然达到了调节气量的目的，但是压缩机始终处于满负荷状态下运行，不具有节能效果。另一种可变余隙腔调节是将可变余隙腔与气缸外侧直接连通，虽然这种调节方式也可以对压缩机气量进行控制，但是改变了压缩机本身的压比和余隙间隙，同时功耗依然没有很大改善[3]。为此，本文提出了以节能为根本目的的全行程顶开进气阀调节控制系统，在气阀进气结束后利用外力强制顶开进气阀，实现调节气量和节能的效果。

1 无级调节原理

采用全行程顶开进气阀调节方式时，在压缩机吸气过程中，进气阀由于内外两端压差的作用而打开，此时气体从储气罐被吸入到气缸。进气完毕后，当活塞开始压缩气体时，由于无级气量调节的作用，进气阀被卸荷器强制顶开并保持开启状态，此时原吸入气缸的气体经进气阀回流到储气罐而不被压缩。待活塞运行到特定位置后，进气阀由于失去强制外力而关闭，气缸内剩余气体开始被压缩[4]。采用此调节方法就是利用了“回流省功”的原理。

2 系统模型及仿真分析

视压缩机系统为一个理想的热力系统，即压缩机气缸与外界无热交换，工质为理想气体。进行试验的某石化厂K101/1压缩机额定参数如表1所示。

表1 K101/1压缩机额定参数Tab.1 K101/1 compressor rated parameters

压缩机行程容积Vs，余隙容积Vg，膨胀容积Ve分别为

式中：D为气缸直径；S为活塞行程；Sg为余隙大小；μ为容积效率，一般取为0.9左右。由于考虑压缩机工作为理想状态，则压缩机排气与吸气视为等压过程，而压缩与膨胀视为多变过程。则压缩与膨胀过程多变指数nc和ne分别为

将多变指数n代入理想气体多变过程状态方程，则：

以压缩机轻载或零负载为前提，在Matlab中对以上模型进行仿真[5，7]，绘制出的示功图如图1所示。

图1 压缩机示功图Fig.1 Compressor indicator diagram

图中E-F为进气过程，F-G为压缩过程，G-H为排气过程，H-E为膨胀过程，曲线EFGH所围成的面积即为压缩机1次循环所做的功。当所需气量减少时，部分气体通过进气阀被等压排出，如图2中的F-A段，然后再对剩余气体进行压缩（图2中A-B段）。图中A-F-G-B所围成的面积即为节省的功。

图2 气量调节仿真Fig.2 Gas adjustment simulation

压缩机负荷为50%时，气缸内大约有一半的气体回流至进气管道。根据仿真结果可知A点大约在EF中点附近，利用Matlab计算出E-A-B-H的面积S为0.0105，根据示功图面积转换为指示功的公式，即

将转速r及作用方式i代入式（7），求得压缩机指示功为191.1 kW。根据功率计算公式可得

式中：电压U为6000 V；功率因数μ取0.83；求得电流I约为38.37 A。

3 无级调节控制方式

无级调节可以采用手工定量调节，也可以根据设定目标进行自动调节。定量控制方式主要以压缩机负荷恒定为控制目标。对于负载长期稳定或者变化不大时，根据负载情况通过定量控制的方式设置压缩机负荷，压缩机即可按照设定负荷运行。但在更多工况下，用气设备种类繁多且用气时段不可测，若压缩机仍然按照定量控制方式运行，会导致气量不足或过剩，且压缩机出口压力不稳定，此时可采用自动调节方式。

采用自动调节时一般是以出口压力为控制目标进行自动调节。如图3所示，当用气量发生变化时，压缩机出口的储气罐压力随即发生变化，系统检测到出口压力与设定值有偏差后，PID控制器会自动根据偏差计算出执行器强制开启阀门的时间Td，将该时间以Modbus通信的方式发送给执行器，执行器控制进气阀调节压缩气量，保证储气罐压力稳定。图2中A点即为执行器延迟Td关闭的时间点，从上面分析可以看出，只要控制卸荷器卸荷相位，就可以控制F-A段的长度，从而控制压气量的多少，达到省功节能的效果。

图3 控制原理Fig.3 Control schematic diagram

在理想情况下，经简化的无级调节控制系统的开环传递函数为

在Simulink中对该系统进行仿真，得出其阶跃响应曲线如图4所示。

图4 阶跃响应Fig.4 Step response

改变设定值后，压缩机出口压力值变化幅度大，并且当时间达到120 s后，系统出口压力仍然不能稳定。加入PID控制器后，阶跃响应如图5所示，从图中可知40 s后，压缩机出口压力基本趋于稳定，因此PID控制器适用于该系统，并且有比较好的控制效果。

图5 加入PID控制器的阶跃响应Fig.5 Step response with PID controller

4 试验及结果分析

无级气量调节系统中，控制器将接收到的DCS反馈的压力、温度等数据计算为进气阀的启、闭时间。上止点信号传递活塞在气缸中的即时位置，在压缩机运行的一个周期中，其输出信号表示曲轴转角为0°，控制器结合上止点信号进行计算，然后通过Modbus总线传输给执行器，用以控制阀门启、闭时间。系统组成结构如图6所示。系统运行期间，各参数实时显示在上位机界面中，同时在上位机中也可以对系统进行控制和设置参数等操作。

图6 系统结构Fig.6 System structure

进行定量控制试验时，以5%的步距逐步增加压缩机负荷。记录的数据如表2所示。

从表中数据可知，在负荷为50%时，测得电流为38.3 A，与理论计算值几乎相同。继续增加负荷至100%，使压缩机在满负荷工况下运行，电流上升至42.3 A左右，可见电流随用气量减少而减小，节能效果比较明显。

待系统在定量控制模式下稳定运行以后，将系统切换到自动控制状态，设定一、二级压力分别为1.25 MPa、2.5 MPa以观察系统的阶跃响应。PID参数整定完成以后绘制出口压力曲线如图7所示。

表2 手动测试数据记录表Tab.2 Manual test data record

图7 二级出口压力测量曲线Fig.7 Secondary outlet pressure curve

从图中分析可知，在给出设定值后，系统达到稳定时的稳定时间为90 s左右，并超调量不超过5%，波动范围在±0.1 MPa之间，均属于可接受范围之内。同时，由于一、二级之间存在级间耦合，二级出口压力会受到一级出口压力影响，导致在前50 s系统调节波动较大，50 s后PID控制器输出和压缩机两级出口压力值均基本稳定，由此可看出该压缩机系统存在较大的延迟环节。

5 结语

通过无级气量调节系统理论分析及试验效果可以看出，该系统能有效降低能耗，同时系统安装简便、操作简单、安全系数高。试验中压缩机为空载运行，按每年开工时间为8000 h，每度电按1.5元计，功率因数为0.83，每年可节省的电费为8000×6000×（42.3-38.3）÷1000×0.83×1.5=239040 元，经济效益比较客观。若将该系统投入实际生产运行，可以产生极大的经济和社会效益。

[1]潘岩，吕晨昊，祁辉.往复式压缩机3种气量调节方式的比较[J].聚氯乙烯，2014，42（5）：33-38.

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