基于计算机控制的余隙调节(DA)

LOGO往复压缩机可调余隙调节及节能效果九江大安自控工程有限公司目录可调余隙调节原理、调节范围及应用范围结构组成及控制系统节能效果结论1234摘要往复式压缩机传统的气量调节方法有压开吸气阀调节、固定余隙调节和旁路调节。其中压开吸气阀调节和固定余隙调节是有级调节，旁路调节是耗能调节。可调余隙调节是将固定余隙有级气量调节改变为可调余隙无级气量调节。应用结果表明,该系统具有输出气量的稳定性高、参数设置灵活、投资及维护费用低、节能效果好、系统可靠的特点，特别适合需要减少流量小于40%的无级调节。概述————需求炼油装置往复式压缩机的排气量一般是根据装置所需的最大容积流量或近期装置可能扩容所需的流量来选择，一般具有一定的富裕量。由于入口条件的改变（入口压力、温度等）、工艺流程或耗气设备的需求量改变，当耗气量小于压缩机的排气量时，便需要对压缩机进行气量调节，以使压缩机的排气量适应耗气量的要求，保持管网中的压力稳定。概述————现有调节方法压开吸气阀调节固定余隙调节旁路调节例如荆门分公司1台压缩机辅助余隙容积设计成打开余隙阀减少30%的排气量，配合压开吸气阀调节，能实现排气量分别为额定排气量的50%、70%和100%三级调节，而在此三级之间的调节，只能靠旁路调节。压开一侧吸气阀，可以减少排量50%。但是如果长时间压开一侧吸气阀工作，在压开吸气阀一侧的气缸内液体因不能随气体排出，在气缸内积存会产生液击，因此压缩机不适宜长期压开一侧吸气阀运行；通过对压缩机的标定发现，固定余隙调节对耗功没有达到减少排气量与减少能耗成正比例的变化，降耗不明显；旁路调节不但将多余气体的全部压缩功都损耗掉，而且回流的气体是被压缩后的高温气体，还要用冷却水冷却。上述传统的气量调节方法，不能实现压缩机排量与指示功成正比，压缩机运行的能耗大。概述————目前比较先进的调节方法部分行程压开吸气阀调节目前，部分行程压开吸气阀调节是调节范围大、节能效果比较好的一种方式。通过控制压缩过程中吸气阀的关闭时刻，控制返回进气管道气量的多少，从而实现排气量的连续调节，虽然气流进出吸气阀会有5%左右的阻力损失，由于指示功几乎与排气量成正比，所以还有很高的运行经济性。此种方式可以实现气量0～100%的无级调节，但由于压开吸气阀的时间有精确要求，执行机构是高速运动部件，所以对控制和执行机构要求高、投资很高。概述————余隙无级调节九江大安自控工程有限公司采用武汉理工大学《活塞往复式压缩机余隙无级调节装置》专利技术，利用公司多年在电液数字控制开发、应用的技术的优势，研制出基于计算机控制的可调余隙压缩机无级气量调节系统，简称ASSV1.0系统。ASSV1.0系统已经成功应用于中石化荆门分公司制氢装置、润滑油加氢改质装置各一台压缩机，其中润滑油加氢改质装置压缩机排气压力13.5MPa。调节范围为60%～100%无级调节，按现有工况分别节电85和105KW。ASSV1.0系统已经得到中国石化工程建设公司（SEI）认可，SEI将ASSV1.0系统设计配套在中石化荆门分公司180万吨/年柴油加氢精制装置K-101A/B压缩机。该机排量为24227Nm3/h，第3级排气压力9.35MPa。可调余隙调节原理、调节范围及应用范围可调余隙调节原理、调节范围及应用范围图1为压缩机存在固定余隙Vc的示意图和理想气体示功图。图中，横坐标表示气缸容积变化，纵坐标P表示气缸压力变化，P1、P2分别是进、排气压力。图1存在余隙Vc的示意图和示功图1.1余隙调节原理在图1中，1—2—3—4表示存在余隙容积Vc时全排气量的循环图。由于有余隙容积Vc的存在，使工作活塞在右行之初，因留存在余隙容积Vc内的气体压力大于进气管道的压力而不能吸入气体，直到活塞右行到位置4时，气缸内气体体积由Vc膨胀到V4、压力由P2下降到P1时才开始进气。进气量相应的线段长度为4—1，压缩过程为1—2，排气过程为2—3，膨胀过程为3—4。1—2—3—4—1包围的面积即为一个往复行程需要的功。可调余隙调节原理、调节范围及应用范围图2为压缩机在固定余隙Vc的基础上再增加余隙容积到Vc’的示意图和理想气体示功图。图中，横坐标V表示气缸容积变化，纵坐标P表示气缸压力变化，P1、P2分别是进、排气压力。图2存在余隙Vc‘的示意图和示功图排气量和所需要的能耗均减小。进气量相应的线段长度为4’—1，压缩过程为1—2’，排气过程为2’—3，膨胀过程为3—4’。1—2’—3—4’—1包围的面积即为一个往复行程需要的功。可调余隙调节原理、调节范围及应用范围往复式压缩机上一般设有固定余隙调节和压开吸气阀调节机构，其调节机构如图3所示，两者配合，能够实现排气量分级调节。图3压缩机气量调节结构示意可调余隙调节原理、调节范围及应用范围可调余隙调节是在固定余隙调节的基础上，将固定余隙改变成余隙容积连续可调的调节方法，取消控制辅助余隙腔与气缸之间连接的余隙阀，可调余隙缸与外侧气缸直接相通，进出余隙缸的气体几乎没有阻力损失。1.2可调余隙调节原理及调节范围可调余隙调节装置由计算机系统智能控制,实现对气量自动实时的控制。可调余隙调节原理、调节范围及应用范围当需要减少排气量时，可以增加余隙容积到Vc’，此时功率循环图为1—2’—3—4’。进气量由全进气量相应的线段长度4—1减少到线段长度4’—1，压缩过程按1—2’进行，压缩过程活塞力的增加速率小于余隙容积为Vc时的速率，排气量由相应的全排气量线段2—3减少到线段2’—3。由于没有额外的阻力，在3—4’膨胀循环过程中，气体对压缩机活塞作功，减轻了曲轴连杆的负载。外侧气缸可调余隙调节的示意图和理想气体示功图图5可调余隙调节的示意图和示功图可调余隙调节原理、调节范围及应用范围当需要外侧气缸零排气量时，可以增加余隙容积到Vc”，此时，余隙容积Vc”中留存的高压气体膨胀到吸气行程Vs终止，膨胀线和压缩线合二为一，如图中过程线1—3—3—4”所示。对双作用气缸来说，采用比较普通的电液控制设施，通过控制余隙活塞的位置就可实现压缩机排气量50%～100%范围无级调节。外侧气缸可调余隙调节的示意图和理想气体示功图图5可调余隙调节的示意图和示功图可调余隙调节原理、调节范围及应用范围由于石化行业所需的气体种类繁多，气量、压力等工况经常变化，选用可调余隙调节系统可以随工况的变化实现排气量在一定范围内连续自动无级调节。从降低气缸温度和有效排出气缸内积液方面考虑，推荐调节范围60%-100%之间的连续调节。因为余隙调节系统的执行机构是安装在气缸外侧，仅适合气阀径向布置的压缩机。1.3可调余隙调节的应用范围对原有压缩机改造，不改变压缩机原主体结构。仅对压缩机缸盖（含余隙阀）进行改造；234基本不改变机组原控制系统.仅取消原固定余隙调节；可调余隙容积采用电液控制方式；使得排气量在60%～100%内进行无级调节或按实际需要设计调节范围安全第一。气体侧、液压油侧各3道密封，保证密封的可靠性；万一密封失效，泄漏的气体或液压油将通过放空管道排空；在排空管道上设置有压力检测，泄漏量比较大时，系统会发出报警、高报警、自保停止油泵结构组成及控制系统目前，我们设计并投用的制氢装置压缩机和润滑油加氢改质装置压缩机主要技术参数及调节范围分别见表1、表2。可调余隙调节系统结构组成及控制系统执行机构由余隙缸、余隙活塞和液压缸等组成，取代原有的缸盖、余隙阀和气动执行机构。由于余隙缸的直径仅略小于气缸直径，直接与气缸相通，所以进出余隙缸的气体几乎没有阻力损失。新增加的电液控制系统可以根据主控变量或通过手动给定参数，通过可编程控制器(PLC)、伺服阀、位移传感器、伺服油缸组成的电液位置控制系统，使余隙缸活塞按输入信号作直线位移，从而实现各级余隙容积变化的伺服控制，最终实现压缩机排气量和级间压缩比的控制。2.2结构组成执行机构电液控制系统节能效果由于余隙容积对生产单位压缩气体的理论耗功无影响，可调余隙调节气量的同时，压缩机的耗功随气量正比例变化；又由于余隙增大会导致压缩过程活塞力升高速率降低，膨胀过程气缸内高压气体推动活塞往内侧运动，都是减少曲轴连杆的受力，有利于减少运动机构的摩擦力；在余隙缸外表进行冷却，能使压缩机向等温压缩过程趋近，能最大限度减少能耗。是目前压缩机调节气量能实现排气量与轴功率成正比的方式。3.1排气量与轴功率正比是实际气体在压缩机固有的余隙容积时的示功图。图中吸入压力P0以下和排出压力P1以上的网线部分是气体进出气阀时损耗的功。图7固有的余隙容积时的示功图3.2节能效果优于部分行程压开吸气阀方式中，曲线1-2ˊ-3-4ˊ-1是实际气体在余隙容积增加到Vcˊ时的示功图。附加余隙容积后，指示功小于没有增加余隙容积时曲线1-2-3-4-1的指示功。另外，进出吸、排气阀的气体减少，气体进出气阀时损耗的功也小。图8附加余隙容积时的示功图3.2节能效果优于部分行程压开吸气阀方式部分行程压开吸气阀示功图部分行程压开吸气阀是在压缩过程中一部分行程的进气阀被强制压开，这时气缸内的气体被活塞压回进气管。虽然排出的气体减少，排气时气体通过排气阀的损耗与可调余隙容积时相同，但吸气过程和压开吸气阀时气体通过吸气阀的量大于余隙调节的方式。气体通过吸气阀的损耗远大于附加余隙容积调节气量的方式，见图9吸入压力P0上、下的网线部分。3.2节能效果优于部分行程压开吸气阀方式以减少外侧气缸排量50%为例，用部分行程压开吸气阀方式通过吸气阀的气量是用余隙调节方式的三倍，部分行程压开吸气阀方式在这部分损耗的功是比较大的。为经过增设可调余隙调节的制氢装置压缩机的流量-功率曲线，其中虚线是压开吸气阀的流量—功率曲线，粗实线是通过可调余隙来调节压缩机气量的流量-功率曲线。在粗实线与虚线之间的斜线是利用调节余隙可节省的功耗。从图8可以看出，调节余隙所节省的功率是非常明显的。当压缩机的排气量只有额定排气量的62%时，功耗只有额定排气量的61%，减少功耗153kW。图10可调余隙调节的制氢装置压缩机的流量-功率曲线3.3制氢装置压缩机节能效果结论可调余隙是采用比较普通的电液控制和执行机构，对整机的改造和维护费用远低于部分行程压开吸气阀调节方式；由于执行机构没有高速运动部件，几乎达到免维护；由于没有多余气量反复进出进气阀，阻力损失小；在压缩机本体上管线、电缆远于部分行程压开吸气阀调节方式；控制系统的最大耗能设备——电动齿轮泵间歇运行，运行时间占停泵时间比例不到1/20，控制系统的耗能也远低于部分行程压开吸气阀调节方式。可调余隙调节在荆门分公司压缩机中的应用结果表明,该系统具有输出气