李志強

（陽泉煤業(yè)化工集團有限責任公司， 山西 太原 030024）

引言

壓縮機是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的關鍵設備，其主要功能是提高氣體壓力，并將帶有壓力的氣體傳輸至所需處。根據(jù)壓縮機功能不同，可以將其分為動力壓縮機、化工工藝用壓縮機、制冷用壓縮機以及氣體輸送用壓縮機。在實際應用中，由于工藝流程參數(shù)的變化以及選型流量等因素，壓縮機的實際運行工況往往低于設計工況，此時需要對壓縮機的流量進行調整[1]。為滿足實際生產(chǎn)要求，往往需要引入流量無級調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過精確控制壓縮機吸排氣閥的動作，實現(xiàn)對壓縮機流量連續(xù)、穩(wěn)定的控制。故，本文以往復活塞式壓縮機為研究對象，著重對該類型壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的動態(tài)特性進行研究，從而指導壓縮機實際生產(chǎn)的應用。

1 流量無級調速系統(tǒng)原理

1.1 工作原理

工作原理：往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)通過執(zhí)行機構對進氣閥的開啟與關閉進行控制。由于壓縮機的實際運行工況壓力小于設計壓力，因此系統(tǒng)需控制執(zhí)行機構關閉進氣閥，使得一部分氣體未被壓縮回流至吸氣管道中，從而實現(xiàn)對壓縮機氣體流量的無級調速[2]。往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的結構如圖1所示。

如圖1所示，往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機構以及數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要對壓縮機的實時排氣壓力、相位等信號進行監(jiān)測；監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務及需求確定壓縮機所需氣體的流量大小；執(zhí)行機構根據(jù)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)的控制信號控制液壓系統(tǒng)實現(xiàn)吸氣閥、排氣閥的動作，已達到對壓縮機流量的調節(jié)[3]。

圖1 流量無級調速系統(tǒng)結構組成圖

1.2 控制原理

為分析往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的動態(tài)特性，需掌握該系統(tǒng)對流量調節(jié)的控制流程，即建立該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。注：對流量無級調速系統(tǒng)控制流程的分析，需充分考慮壓縮機泄露及傳熱過程?？刂圃恚寒攭嚎s機所需流量發(fā)生變化時，流量無級調速系統(tǒng)對比排氣儲氣罐內(nèi)的壓力與設定值的差值，通過PID控制器計算分析后輸出控制信號，通過控制空氣壓縮機吸氣閥的延時關閉時間，從而實現(xiàn)對壓縮機流量的調節(jié)，以確保壓縮機內(nèi)的氣體流量滿足實際生產(chǎn)需求[4]。流量無級調速系統(tǒng)的控制方程如式（1）所示：

式中：u（t）為所得的控制信號，Kp為比例系數(shù)，e（t）為壓力的偏差值，TI為積分系數(shù)，TD為微分系數(shù)。

2 流量無級調速系統(tǒng)動態(tài)特性的分析

2.1 模型的搭建

本文所研究壓縮機的類型為往復活塞式壓縮機，該壓縮機的型號為200-2DF-A2，關鍵參數(shù)如下頁表1所示。

根據(jù)200-2DF-A2的關鍵參數(shù)，結合PID控制方程，基于Matlab軟件中搭建模型，對吸氣閥、執(zhí)行機構位移、氣缸內(nèi)壓力等變化規(guī)律進行仿真分析。

表1 200-2DF-A2關鍵參數(shù)表

2.2 仿真結果的分析

2.2.1 吸氣閥、執(zhí)行機構位移及缸內(nèi)氣體壓力隨主軸轉角的變化情況

仿真結果如圖2所示。

圖2 不同主軸轉角下吸氣閥位移、執(zhí)行機構位移及缸內(nèi)氣體壓力變化

如圖2所示，當壓縮機吸氣閥被打開后，執(zhí)行機構在換向閥液壓力的作用下被打開。由于執(zhí)行機構和吸氣閥被打開時主軸的轉角度不同，因此在打開過程中不存在相互撞擊[5]。當壓縮機的流量需要調整時，系統(tǒng)基于PID控制算法得到控制信號對吸氣閥進行復位操作，同時執(zhí)行機構在復位彈簧和閥位彈簧的共同作用下，執(zhí)行機構也同時被復位（主軸轉角角度為270°時）。由于吸氣閥延時關閉，導致氣體流量降低，降低了壓縮過程系統(tǒng)的能耗。

2.2.2 吸氣閥片位移隨時間的變化規(guī)律

仿真結果如圖3所示。

圖3 吸氣閥片位移隨時間變化曲線

壓縮機流量無級調速系統(tǒng)對其流量控制是周期性進行的，即執(zhí)行機構對吸氣閥的控制也是周期性進行的。在實際控制中，基于對排氣儲罐內(nèi)壓力與設定壓力值的對比得出對應的PID控制信號。如圖3所示，在調節(jié)工況下吸氣閥在每個周期內(nèi)的關閉時刻并不是相同的，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，滿足在實際生產(chǎn)中壓縮機對流量的需求為先降低后增大的要求。此外，與非調節(jié)工況相比，調節(jié)工況下吸氣閥的關閉時刻明顯延遲于非調節(jié)工況，進而確保壓縮機的流量處于穩(wěn)定波動變化的趨勢。

2.2.3 缸內(nèi)氣壓隨時間的變化規(guī)律

仿真結果如圖4所示。

圖4 不同工況下缸內(nèi)氣體壓力與時間的關系曲線

如圖4所示，缸內(nèi)氣體壓力是周期性變化的，且缸內(nèi)氣體被壓縮過程的延遲特性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，完全符合壓縮機實際運行中其缸內(nèi)氣體流量先降低后增大的趨勢，其變化趨勢與吸氣閥的運動規(guī)律一致。

3 應用效果驗證

為充分說明壓縮機流量無級調速系統(tǒng)是否能夠實現(xiàn)對壓縮機流量平穩(wěn)的調節(jié)，采用搭建試驗平臺的手段對其調節(jié)效果進行驗證。試驗結果見表2。

表2 壓縮機流量無級調速應用效果

分析表2數(shù)據(jù)可知，基于流量無級調速系統(tǒng)在壓縮機的應用，在排氣閥開啟的不同程度下，缸內(nèi)氣體的壓力值始終在設定壓力值800 kPa左右浮動，且浮動范圍在7 kPa左右。說明PID控制參數(shù)能夠對壓縮機的流量進行平穩(wěn)調節(jié)。

綜上所述，往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的動態(tài)特性能夠滿足壓縮機實際生產(chǎn)需求。

4 結論

目前，壓縮機被廣泛應用于我國工業(yè)生產(chǎn)中，其工作效率直接決定壓縮機的應用效果。本文對往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真分析得到如下結論：

1）在調節(jié)工況下，壓縮機吸氣閥的關閉時刻與其壓縮過程中的延遲時間均呈現(xiàn)相似的周期性變化趨勢；且變化過程是連續(xù)進行的，即說明基于流量無級調速系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對壓縮機內(nèi)流量的平穩(wěn)調節(jié)。

2）經(jīng)現(xiàn)場試驗結果可知，在排氣閥不同程度開啟的情況下，壓縮機缸內(nèi)的氣體壓力時刻在設定值上下浮動，且最大誤差不超過7 kPa。

3）綜上所述，往復活塞式壓縮機流量無級調速系統(tǒng)的動態(tài)特性能夠滿足實際生產(chǎn)中對壓縮機內(nèi)流量平穩(wěn)調節(jié)的需求。