基于多系统联合仿真的变负荷工况下往复压缩机动态特性研究

张进杰，孙 旭，江胜飞

（1.北京化工大学 压缩机技术国家重点实验室压缩机健康智能监控中心，北京 100029；2.北京化工大学 高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室，北京 100029；3.中石油西南油气田分公司蜀南气矿，四川泸州 646000）

0 引言

往复压缩机是一种在石油、化工行业广泛应用的大型关键设备，部分行程顶开进气阀的气量调节方式，相对于变频调节、余隙调节等具有调控范围宽、调控精度高、节能效果好等优点，是目前往复压缩机主流的排气量调节方式。MACHU等在20世纪90年代已经对该种调节方式进行了可行性研究，奥地利的HOERBIGER公司和国内的西安交通大学、浙江大学以及合肥通用机械研究院等单位都开展了相关技术的研究，并且部分研究成果已现场应用。

针对变负荷工况下压缩机运行状态研究，HONG等［1-2］建立了膨胀过程、吸气过程、气量调节回流过程、压缩过程、排气过程的微分方程，分析和讨论了气量调节工况下往复压缩机的热力循环过程。TANG等［3］建立了无级气量调节下气阀为液压驱动的被动阀模型，分析了吸气阀的动态特性。LIU等［4］建立了负荷调节装置与吸气阀运动耦合的数学模型，并对阀板的动态特性进行了仿真。以上仿真模型仅仅是考虑了往复压缩机增加回流过程后，机组自身工作特性的变化规律，对气量调节系统工作状态考虑较少，特别缺少对气量调节系统液压系统与执行机构模型的研究。

机械装备的液压控制机构通常结构与工作原理复杂，目前研究人员通常利用不同的软件优势搭建多系统联合仿真平台开展液压系统工作状态仿真研究［5］。狄芳等［6］运用虚拟样机ADAMS动力学仿真软件与MATLAB/SIMULINK 控制系统仿真软件，搭建了高射炮随动控制系统机械动力学模型与伺服控制模型，提高了随动控制系统的可信度；朱冰等［7］运用MATLAB和AMESim软件获得了可面向TCS开发的实用联合仿真平台；梁利华等［8］利用AMESim和ADAMS两个软件建立了减摇鳍的液压控制系统，获得了准确的结构动态特性。

本文提出了基于多系统联合仿真的建模方法，运用Matlab/Simulink软件建立了往复压缩机工作模型，采用AMESim软件对调节系统液压执行机构建模，利用软件间的对接端口完成数据交互，建立了变负荷工况下往复压缩机工作模型，对压缩机不同工况下的运行数据开展分析研究。

1 研究对象和模型

本文以图1所示的压缩机气量调节系统为研究对象，往复压缩机的关键参数见表1。

图1 压缩机气量调节系统Fig.1 Compressor gas volume regulating system

表1 研究对象往复式压缩机组参数Tab.1 Parameters of reciprocating compressor

1.1 往复压缩机工作模型

往复压缩机新增气量调节系统后，进行流量调节时，压缩机在吸气与压缩之间增加了一个回流过程。机组需要调节的排气量则由回流过程持续时间决定。因此，气量调节工况下的往复压缩机工作模型需根据机组的工作原理进行改进。

在建立数学模型之前，提出如下假设［9］：

（1）吸气阀为自动开启阀，气阀在开启过程中不受执行机构的影响；

（2）排气阀和吸气阀阀片的运动是一维的；

（3）气体流过阀隙是理想气体的一维流动，且为绝热过程；

（4）气缸与外壁冷却水进行对流换热，模拟为间壁式换热器，缸壁为恒温，换热系数为α（t）［10］。

1.1.1 膨胀和压缩过程

膨胀和压缩过程由于气阀的全部关闭，不考虑活塞泄漏等，气缸处于完全封闭状态，则缸内气体的动态压力方程为：

1.1.2 吸气过程

进气阀开启时，气阀以自动阀的方式工作，阀片在气体力和阀簧力的作用下完成打开动作，其动作特性可以用改进的自动阀理论模型，吸气阀阀片的运动微分方程组见式（2）。当机组前端进气压力出现波动或者后端工艺需求量发生变化引起机组排气量变化时，气量调节系统开始工作，执行机构对阀片施加强制作用力延长进气阀开启时长，此时气缸内多余的气体回流到进气腔内，随着曲柄旋转至执行机构撤回相位时，执行机构撤回，吸气阀关闭，回流过程结束。由于回流过程过与排气过程类似，改进排气过程模型构建回流模型，如式（3）所示。吸气阀在强制力作用下，阀片运动微分方程组如式（4）所示。

式中 ka——强制作用力位置系数；

x ——卸荷器执行机构的位移；

h ——阀片的位移；

ζ——强制作用力时间系数；

ta——卸荷器顶出时刻；

tb—— 卸荷器撤回到零位的时刻，ta＜tb＜T；

T ——一个压缩机周期。

回流阶段，ka和ζ同时为1，则液压系统输出的强制作用力作用到阀片上，使得气阀保持强制开启状态，此时进气阀的回流间隙取决于阀片的受力平衡位置。当执行机构撤回后，回流结束阀片关闭，而关闭的速度则取决于阀片速度和卸荷器的执行机构撤回速度的比较，当执行机构速度小于或等于阀片速度时，阀片则随着执行机构一起撤回，反之阀片以自动阀的形式撤回。

1.1.3 排气过程

气量调节系统并没有对机组排气阀进行改造，排气阀的开启和关闭都属于自动阀的形式，根据自动阀工作原理，排气阀的阀片运动微分方程组为：

1.2 气阀卸荷器工作模型

卸荷器在动作过程中承受液压力Fhy，复位弹簧力FK、气体力Fg、摩擦力f以及阀片给的作用力Fvalve等，卸荷器运动微分方程为：

2 联合仿真模型构建

2.1 联合仿真框架

针对压缩机工作模型、卸荷器工作模型、液压系统模型相互影响，设计了如图2所示的联合仿真框架，在MATLAB环境下建立往复压缩机工作模型，在AMESim环境下建立液压调控系统模型驱动气阀卸荷器，建立接口模块以实现数据的实时交互。

图2 往复压缩机无级气量调节系统联合仿真框架Fig.2 Co-simulation framework of stepless capacity regulation system for reciprocating compressor

2.2 往复压缩机Simulink建模

本文基于变负荷工况下往复压缩机的数学模型，利用Simulink编译环境建立了零维往复压缩机的主体模型。根据压缩机的工作循环，模型分为膨胀模块，吸气模块，回流模块，压缩模块和排气模块，独立求解气缸压力动态微分方程以及阀片运动微分方程，模块与模块之间传递计算参数。在吸气和回流模块中建立液压AMESim数据通讯模块，将阀片上下表面的气体力合力与阀簧的弹簧力共同构成的阀片力和键相触发信号传递给AMESim中的卸荷器模型，并将在AMESim中卸荷器的强制作用力，位移以及速度输入到往复压缩机的吸气和回流模型中，以控制气阀的回流时间以及阀片开启位移，进而控制压缩机的工作状态。

2.3 液压调控系统模型

采用AMESim平台建立了液压调控系统模型，如图3所示。该模型由控制信号模块、液压油站模块、执行机构模块以及数据交互模块组成。由压缩机模型输入的键相触发信号，产生电磁阀给电信号，控制电磁阀在不同阀位的持续时间；液压油站模块提供稳定的液压油至液压油缸；液压油缸在液压油的作用下输出液压力给卸荷器。作用在卸荷器上的液压力参数及卸荷器运动参数通过数据交互模块传递给压缩机模型，从而控制机组气阀运动。

图3 往复压缩机无级气量调节系统液压调控系统模型Fig.3 Signal interaction between compressor model and hydraulic system model

3 仿真结果分析

利用上述模型对满负荷工况及气量无级调节工况进行仿真研究。满负荷工况仿真数据与实际机组数据如图4所示，不同工作过程误差较小。

图4 联合仿真模型，满负荷工况气缸动态压力仿真曲线与试验曲线对比Fig.4 Hydraulic control system model of stepless capacity regulation system of reciprocating compressor

不同负荷工况仿真数据及误差分析如图5与表2所示。利用联合模型获得的数据与试验真实数据相比，平均偏差在5%以下；而不考虑液压系统的普通模型平均偏差为7%左右。联合仿真模型相对普通模型在模拟精度上提高了2%左右，证明了多系统联合仿真方法的准确性。

图5 变负荷工况下气缸动态压力模拟数据曲线与试验数据曲线对比Fig.5 Comparison between simulation data curve and experimental data curve of cylinder dynamic pressure under variable load condition

表2 变负荷工况下试验数据和模拟数据平均相对误差Tab.2 Average relative error of experimental data and simulation data under variable load condition

4 结语

本文基于往复压缩机工作模型气阀卸荷器工作模型及液压系统工作模型，运用多系统联合仿真方法建立了变负荷工况下往复压缩机联合仿真模型，针对变负荷工况下往复压缩机动态特性进行仿真研究，获得了不同负荷工况下压缩机动态压力、气阀运动等变化规律。仿真结果与实验结果相比误差在5%以下，提高了变负荷工况下往复压缩机工作状态分析结果的准确性，可为往复压缩机无级气量调节系统优化设计奠定基础。