卢江波，冯坤，李永清
(1. 北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176；
2. 中国特种设备检测研究院，北京 100029)
大型往复式压缩机[1]广泛应用于石油、化工、天然气和煤化工等领域，作为生产企业的高耗能设备，这些压缩机通常是按照最大生产能力设计，但机组实际运行工况常低于设计条件，需要调节排气量，该类压缩机最常用的调节方式是旁路调节，但在调节排气量的同时压缩机仍然处于满负荷运行工况，因此低流量负荷下能源浪费相当严重。目前，基于顶开进气阀的回流省功机理的气量调节方法[2-3]，不仅能够实现气量连续调节，还能够有效解决该类压缩机在低流量工况下能源浪费问题，降低压缩机运行功耗。本文通过AMESim系统仿真和试验研究分析了该类压缩机气量无级调节技术。
往复式压缩机气量无级调节系统是由PLC控制单元、液压系统、执行机构和中心控制操作单元组成，如图1所示，液压系统提供高压液压油向执行机构提供机械动力，安装于液压系统上的齿轮泵将液压油升至14 MPa左右，压缩机的每个进气阀均安装一个执行机构，根据执行机构的电磁阀的不同位置，执行机构内的液压活塞承受从液压系统中传递的液压力，内置的高压活塞通过液压杆驱动进气阀卸荷器，实现进气阀的顶开动作。
图1 气量无级调节系统组成示意
该类压缩机的最高级排气压力与各级之间的压力一般被选为控制变量[4-5]，其数值经过压力变送器传至PLC控制单元，PLC控制单元比较实测压力与设定压力值，通过PID调节器运算出进气阀顶开持续时间, 同时PLC控制单元也接受到上死点传感器传过来的信号，推断出压缩机活塞在气缸中的运行位置，进而适时启动执行机构内电磁阀来控制高压液压油的供给与泄压，以推动进气阀顶开，进而控制进气阀的打开与关闭。由液压系统提供执行机构需要的液压动力，使进气阀的顶开与关闭处于有效的控制中，能快速实现现场工艺变动对压缩机排气量的不同需求。
该类压缩机气量无级调节系统的工作原理为基于顶开进气阀回流省功[6]，如图2所示。
图2 回流省功工作原理示意
活塞在该类压缩机气缸的一个正常工作循环基础上，包括：
膨胀过程A～B，进气过程B～C，压缩过程C～D，排气过程D～A，当气量无级调节系统进入工作状态后，进气阀在进气过程结束后由于在执行机构作用下仍被强制保持开启状态，那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C到位置D，而是由位置C先到达位置E(回流过程)，在该过程中，吸入气缸中的部分气体会通过被强制顶开的进气阀侧回流到进气管路中而不被压缩，压缩机气缸内的活塞做功要比压缩机满负荷时小得多，待活塞运动到特定的位置E时，执行机构使进气阀强制顶开的外力消失，进气阀的阀片在弹簧力的作用下回落到阀座上而关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩，压缩过程开始沿着位置E到达位置F，气体达到排气压力后，排气阀打开，气体通过排气阀进入下游工艺。
本文通过AMESim软件对气量无级调节系统进行仿真[7-8]，为了简化模型，本文只针对单级压缩过程建立了“回流省功”的模型，多级压缩回流省功的过程和单级压缩回流省功的过程一样，只是控制模型复杂一些。往复式压缩机工作系统由进口储气罐、进气阀、气缸、排气阀和出口储气罐组成，另外进气阀受气量无级调节系统控制，顶开进气阀的气量无级调节系统AMESim模型[9]如图3所示。
图3 顶开进气阀的气量无级调节系统AMESim模型示意
进口储气罐和出口储气罐选用气室数学模型，气缸为双作用式气缸，分别选用2个活塞数学模型和气室数学模型，活塞数学模型模拟计算气缸活塞力的传递和气室容积的变化，气室数学模型模拟计算气缸的压力变化。推动气缸活塞运动的曲柄连杆机构选用曲柄数学模型，通过该模型可以计算曲柄作用在主轴上的扭矩。
排气阀和进气阀选用具有特殊节流孔的阀芯数学模型、具有摩擦和限位的质量数学模型、活塞数学模型和弹簧数学模型。在阀芯数学模型中，阀芯的作用面积可以单独设置，流通面积也可以单独设置，本文根据气阀结构尺寸，将流通面积定义为与阀门开启高度有关联的函数，其节流孔的质量流量计算如式(1)所示：
(1)
式中：qm——质量流量；
A——流道面积；
Cq——阀流量系数；
λ——流量参数；
pup——上游气体压力；
Tup——上游气体温度。
执行机构由液压缸和电磁阀组成，液压缸选用数学模型为双作用单活塞式的液压缸，电磁阀选用的数学模型为HSV23_02。在液压缸模型中，液压缸内无杆腔的压力计算如式(2)所示：
(2)
式中：p1——无杆腔压力；
Be——液压油的弹性模量；
A1——无杆腔有效面积；
x——活塞的位移；
V1——无杆腔初始体积；
qV1——液压缸流进体积流量；
C——液压缸泄漏系数；
p2——有杆腔压力；
v——活塞的运动速度；
K——流进流量的补偿系数，K=ρ(0)/ρp1。使用该补偿系数是因为流体外界的压力变化必然会引起液体弹性模量和密度的变化，从而也引起流体流量的变化，而这也正是AMESim模型准确的一种体现。
执行机构中的液压缸的响应时间和速度由电磁阀控制，故电磁阀是液控耦合模型中的关键元件，在电磁阀数学模型HSV23_02中，其体积流量计算如式(3)～式(5)所示：
(3)
(4)
(5)
式中：qV——体积流量；
μ——运动黏度；
dH——水力直径；
ρ——油液密度；
Δp——节流口前后压差；
Cqmax——阀流量系数最大值；
λC——流量参数临界值；
tanh——反双曲函数。其中，A与阀芯位移的关系可由实际工况来定义。
为了能够比较气量无级调节系统工作前后进气阀流量、气缸气室压力的变化规律，分别设定两组参数，一组为压缩机正常工作，计算进气阀的开启高度、进气阀流量、气缸气室压力、出口储罐压力、主轴扭矩和主轴扭矩随时间的变化规律；
另一组为该调节系统开始工作并设定气阀延迟时间为0.35倍工作周期时，计算进气阀的开启高度、进气阀流量、气缸气室压力、出口储罐压力、主轴扭矩和主轴扭矩随时间的变化规律。气量无级调节系统工作前后，进气阀开启高度变化规律、流量变化规律，气缸气室压力变化规律，全轴扭矩变化规律，出口储气罐压力变化规律如图4～图8所示。从图中可知，该调节系统工作后，进气阀开启高度维持最大高度值的时间延长，气缸有大量气体从进气阀回流，气缸气室的最大工作压力降低，活塞压缩功降低，主轴的扭矩降低，出口储罐的压力降低。在转速不变的情况下，由于主轴轴功率与扭矩成正比，所以压缩机气量降低、出口储罐压力降低时，主轴轴功率也相应降低。
图4 调节系统工作前后进气阀开启高度变化规律示意
图5 调节系统工作前后进气阀质量流量变化规律示意
图6 调节系统工作前后气缸气室压力变化规律示意
图7 调节系统工作前后主轴扭矩变化规律示意
图8 调节系统工作前后出口储气罐压力变化规律示意
该次试验研究的往复式压缩机气量无级调节系统是基于顶开进气阀“回流省功”机理而设计的，主要由液压系统、执行机构和电控系统构成。其中液压系统包括液压油站、蓄能器和管路附件等；
执行机构主要由盖侧执行机构和轴侧执行机构组成；
电控系统主要由PLC控制器、安全栅、信号放大器等组成。
3.1 往复式压缩机零负荷启动和满负荷工况
首先打开气量无级调节系统的液压泵站，使泵站工作压力稳定在8 MPa，PLC控制执行机构的电磁阀使高压液压油进入液压缸，保持压缩机进气阀处于开启状态，使压缩机在零负荷状态启动，记录此时主电机的电流值。
然后PLC控制电磁阀使液压缸泄压，进气阀卸荷器与气阀阀片不接触，压缩机处于满负荷工作状态，调节储气罐出口的控制阀，保持储气罐压力为0.3 MPa，记录此时的储气罐的压力、出口的流量、主电机的电流值。压缩机零负荷启动和满负荷条件下，工作稳定后储气罐的压力、出口流量、主电机电流值和实际功率见表1所列。
表1 零负荷启动和满负荷工作状态下的参数
3.2 气量无级调节系统调节工况实验
开启气量无级调节系统，系统中PLC控制电磁阀随着气缸内活塞运动而有规律地动作，通过该调节系统将压缩机的排气量保持在100%的水平，调节储气罐出口的控制阀，保持储气罐压力为0.3 MPa，记录此时的储气罐的压力、出口的流量、压缩机主电机的电流值。依次操作气量无级调节系统排气量的设定值，并记录各排气量条件下的压力、流量和电流值。该型压缩气量无级调节系统在各排气量条件下对应的储气罐压力、出口流量、主电机电流值和实际功率见表2所列。气量无级调节系统在不同流量条件下对应的主电机实际功率如图9所示。
表2 气量无级调节系统试验调试中的试验数据
图9 往复式压缩机在不同流量下主电机的实际功率值示意
通过修改AMESim软件中往复式压缩机流量调节模型中电控系统的阀门关闭的延迟时间，可计算该压缩机流量和气阀顶开持续时间的关系，计算结果如图10所示。本文研究的该压缩机转速为480 r/min，0.5个周期的时间为0.062 5 s，图10中进气阀顶开持续时间的范围在0～0.062 5 s，正好为0.5个周期。从图10可以看出，随着进气阀顶开时间的增加，该压缩机排气量在刚开始顶开时排气量变化缓慢，然后在中间位置迅速改变，最后变为零。传统观点认为计算结果曲线不存在一段延迟时间的压缩机的流量为零值，但是本文的计算结果和实验结果证明这部分还是存在的，在气阀关闭延长时间接近0.5个工作周期时，其排气量一直在零值不动。理论上，对于图10所示的零值部分，是由于气缸内剩余的气体在压缩行程结束时还是不能顶开排气阀，故此一个压缩周期内都没有气体排出，该压缩机排气量为零。
图10 压缩机质量流量随进气阀顶开持续时间的变化规律示意
本文分析了基于顶开进气阀机理的往复式压缩机气量无级调节方法，基于AMESim系统仿真软件建立了气量无级调节系统的运动规律模型，分析了调节过程中进气阀的运动规律，气缸气室压力的变化规律、主轴扭矩的变化规律等，并通过试验研究验证了基于顶开进气阀机理的往复式压缩机气量无级调节方法的可行性和省功效果。具体结论如下：
1)基于“回流省功”机理的气量调节方法能够实现往复式压缩机在0～100%负荷内无级调节。
2)排气量随进气阀持续顶开时间的增加而减少，排气量在进气阀延迟关闭过程中从变化缓慢、到变化迅速、再到变化缓慢，直到最后不再变化。
3)气量调节后，实际消耗功率随往排气量的降低成等比例规律减少，节能效果显著。
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