林高潔，漆磊，陳奕好，廖聆宇，吳逸凡，伍虹霖，吳雪健

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

空壓機(jī)是提供氣源動(dòng)力的現(xiàn)代化基礎(chǔ)機(jī)械，其消耗的電能超過(guò)整個(gè)裝置耗電量的30%。導(dǎo)致其高耗能的一個(gè)重要原因是設(shè)計(jì)排氣量負(fù)荷大于工藝生產(chǎn)裝置所需氣量，設(shè)備需減荷運(yùn)行，能量被直接消耗。目前多數(shù)空壓機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，均設(shè)定設(shè)備以最大需氣量運(yùn)行，但多數(shù)場(chǎng)合下應(yīng)降低壓縮機(jī)的排氣量以滿足實(shí)際需要。在此情況下，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能降耗改造，成為了用戶的重要需求[1]。

目前針對(duì)空壓機(jī)排氣量的傳統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)方式主要包括旁路回流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、卸荷調(diào)節(jié)以及余隙調(diào)節(jié)，但均存在一定缺陷。

表1 傳統(tǒng)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方式對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)活塞式壓縮機(jī)氣量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時(shí)避免傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)方式的缺陷，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種活塞式壓縮機(jī)綜合節(jié)能裝置，有效結(jié)合了壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)以及電機(jī)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到減少壓縮機(jī)使用功耗、降低維護(hù)成本和提高壓縮機(jī)壽命的目的。同時(shí)，本裝置可在不改變壓縮機(jī)主體結(jié)構(gòu)的情況下，直接更換自主設(shè)計(jì)的氣閥處余隙調(diào)節(jié)裝置和控制系統(tǒng)，設(shè)備的改裝與維護(hù)簡(jiǎn)單、額外成本低，具有良好的節(jié)能效益及廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 控制方案設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)理論的壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)主要由余隙容積調(diào)節(jié)部分、電機(jī)變頻調(diào)節(jié)部分、電液控制部分組成。余隙容積調(diào)節(jié)部分能夠控制壓縮機(jī)出氣閥位置進(jìn)行軸向微動(dòng)，使該處余隙容積契合當(dāng)前工況，在滿足當(dāng)前工程所需效率的前提下，減小壓縮機(jī)功率。為進(jìn)一步擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍，本裝置再結(jié)合電機(jī)變頻控制原理，設(shè)計(jì)了電機(jī)變頻調(diào)節(jié)單元實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，兩種調(diào)節(jié)方式結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量在25%-100%的范圍的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[3]。

與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方式相比，本作品的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）通過(guò)余隙調(diào)節(jié)和電機(jī)變頻調(diào)節(jié)結(jié)合，擴(kuò)大氣量調(diào)節(jié)范圍，可根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)；（2）余隙調(diào)節(jié)裝置對(duì)壓縮機(jī)軸向余隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，不改變壓縮機(jī)主體結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性強(qiáng)；（3）集成化的控制系統(tǒng)能根據(jù)空壓機(jī)工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)余隙，運(yùn)行過(guò)程耗能少，維護(hù)成本較低。

1.2 余隙容積調(diào)節(jié)

余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)是在固定余隙調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將固定余隙改變成余隙容積連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)方法，取消控制輔助余隙腔與氣缸之間連接的余隙閥，可調(diào)余隙缸與外側(cè)氣缸直接相通，進(jìn)出余隙缸的氣體幾乎沒(méi)有阻力損失[4]。

圖1 余隙調(diào)節(jié)原理示意圖

圖中，橫坐標(biāo)V表示氣缸容積變化，縱坐標(biāo)P表示氣缸壓力變化，P1、P2分別是進(jìn)、排氣壓力。在圖中，1-2-3-4表示存在余隙容積Vc時(shí)全排氣量的循環(huán)圖。其中3-4過(guò)程為余隙部分氣體膨脹過(guò)程，4-1過(guò)程為壓縮機(jī)吸氣過(guò)程，1-2過(guò)程為氣體壓縮過(guò)程，2-3過(guò)程為壓縮機(jī)排氣過(guò)程。通過(guò)四個(gè)過(guò)程P-V所圍成的面積為壓縮機(jī)指示功。若增加余隙容積到Vc’，此時(shí)功率循環(huán)圖為1-2’-3-4’。氣體的膨脹過(guò)程增長(zhǎng)，氣體對(duì)壓縮機(jī)活塞做功，減輕了曲軸連桿的負(fù)載；進(jìn)氣量由全進(jìn)氣量相應(yīng)的線段長(zhǎng)度4-1減少到線段長(zhǎng)度4’-1，進(jìn)氣量減少，入口壓力得以提高；壓縮過(guò)程按1-2’進(jìn)行。壓縮過(guò)程活塞力的增加速率小于余隙容積為Vc時(shí)的速率，提高壓縮機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少震動(dòng)和噪聲；排氣量由相應(yīng)的全排氣量線段2-3減少到線段2’-3[5]。

1.3 電機(jī)變頻調(diào)節(jié)

電機(jī)變頻調(diào)節(jié)主要通過(guò)變壓調(diào)速器與220交流電源實(shí)。變頻調(diào)速器使用正弦PWM脈寬調(diào)制電路，將由控制器輸出的信號(hào)輸出為相應(yīng)的頻率信號(hào)?？諝鈮嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速n為：

式中f——輸入頻率；s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p——為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

由此公式可知，通過(guò)該變頻器改變電機(jī)輸入頻率，可使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。空氣壓縮機(jī)理論排氣量Q為：

式中D——?dú)飧變?nèi)壁直徑；S——活塞行程；n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；——λi壓縮機(jī)相關(guān)系數(shù)。

空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化可直接改變空壓機(jī)當(dāng)前排氣量，故可通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)氣量的調(diào)節(jié)。使用變頻器理論上可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～100%范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，但電機(jī)低速運(yùn)載，會(huì)導(dǎo)致效率大幅下降，影響變頻器及電機(jī)的使用壽命。因此設(shè)定的調(diào)速范圍不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的40%～50%。為保證電機(jī)較長(zhǎng)的工作時(shí)間和較高的效率，設(shè)定變頻調(diào)節(jié)范圍的最低值為額定轉(zhuǎn)速的60%。同時(shí)為了避免電機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁改變，對(duì)電機(jī)主軸造成損害，故將變頻調(diào)節(jié)作為氣量的粗調(diào)節(jié)，采取設(shè)置轉(zhuǎn)速檔位的方式，根據(jù)當(dāng)前壓縮機(jī)工況，直接選取檔位來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)氣量。

1.4 電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，由控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。壓縮機(jī)內(nèi)置了測(cè)量溫度、壓力等數(shù)據(jù)的傳感器，在工作過(guò)程中能實(shí)時(shí)獲取壓縮機(jī)內(nèi)的氣體壓力、溫度等，并發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)能處理這部分參量，計(jì)算出余隙活塞桿的位移量以及變頻器的調(diào)速范圍，進(jìn)而得出電磁閥導(dǎo)通方向及時(shí)間。PLC與上位機(jī)通信，獲取上位機(jī)的控制信號(hào)，分別控制電磁閥執(zhí)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)余隙活塞的直線運(yùn)動(dòng)，變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)位移傳感器反饋當(dāng)前余隙活塞桿位移量給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，并為后續(xù)通訊提供控制依據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量和級(jí)間壓縮比的控制。

圖2 控制流程圖

2 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC與上位機(jī)構(gòu)成，其中上位機(jī)用于分析壓縮機(jī)工況以及人機(jī)交互。該控制系統(tǒng)將儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力作為系統(tǒng)的主控參量，當(dāng)用戶需氣量與供氣量不平衡時(shí)，儲(chǔ)氣罐中氣體壓力發(fā)生變化，上位機(jī)通過(guò)傳感器獲取當(dāng)前氣罐氣壓，計(jì)算出壓力變化范圍并采用不同的調(diào)節(jié)策略，輸出相應(yīng)的控制指令給PLC。

另一方面，上位機(jī)連接顯示屏，并將當(dāng)前進(jìn)氣壓力、出氣壓力、氣體溫度以及余隙容積大小繪制成曲線圖反映到用戶界面上，直觀地向使用者反映調(diào)節(jié)過(guò)程以及當(dāng)工況。

PLC控制系統(tǒng)主要由S7-200系列 PLC、位移傳感器以及電磁換向閥組成。位移傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)余隙活塞桿的位移，并通過(guò)PLC反饋到上位機(jī)；電磁換向閥接入PLC的繼電器輸出口，用于控制余隙調(diào)節(jié)活塞的移動(dòng)方向；PLC與電機(jī)的變頻器相連，可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。在實(shí)際工作中，PLC在接收到上位機(jī)的控制信號(hào)后，及時(shí)控制電磁閥及變頻器，對(duì)壓縮機(jī)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

圖3 PLC工作流程

圖4 用戶界面

2.2 調(diào)節(jié)策略案例分析

以當(dāng)前城鎮(zhèn)天然氣運(yùn)輸管道次高壓燃?xì)夤艿罏槔?，其管?nèi)壓力一般為0.4＜P≤0.8MPa。我們通過(guò)氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力，并以0.5MPa作為設(shè)定的管內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣壓，由于壓縮機(jī)額定負(fù)載要大于實(shí)際需求量，因此設(shè)定額定轉(zhuǎn)速的90%為正常轉(zhuǎn)速，余隙大小20mm為正常余隙容積。

當(dāng)監(jiān)測(cè)中的管內(nèi)氣壓小于0.5MPa時(shí)，即當(dāng)前時(shí)段用戶用氣量大于壓縮機(jī)輸氣量，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為當(dāng)前額定轉(zhuǎn)速，并通過(guò)PLC系統(tǒng)控制電磁閥逐步減小余隙容積，直至管內(nèi)氣壓恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)氣壓；當(dāng)監(jiān)測(cè)中的管內(nèi)氣壓大于0.5MPa，即當(dāng)前時(shí)段用戶用氣量小于壓縮機(jī)輸氣量，根據(jù)當(dāng)前管內(nèi)氣壓偏離標(biāo)準(zhǔn)氣壓的程度，將轉(zhuǎn)速調(diào)至預(yù)設(shè)檔位，并逐步增大余隙容積，兩者相結(jié)合，減小壓縮機(jī)輸氣量，直至管內(nèi)氣壓恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)氣壓。根據(jù)理論公式，本項(xiàng)目利用MATLAB軟件建立起數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)確定相應(yīng)氣壓下最為合適的余隙容積和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，圖示為壓縮機(jī)輸氣量隨轉(zhuǎn)速及余隙容積大小變化的曲線圖[7]。

圖5 裝置氣量調(diào)節(jié)圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以某省五年間冬夏兩季的天然氣消費(fèi)數(shù)據(jù)為例，每季度按90天（2160小時(shí)）計(jì)算。

以K101A/B/C壓縮機(jī)為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，具體參數(shù)如表2所示，數(shù)量為500臺(tái)。

已知空氣壓縮機(jī)理論排氣量Q為：

根據(jù)式2計(jì)算出各種氣量調(diào)節(jié)方式的排氣量，如表2所示。

表2 K101A/B/C壓縮機(jī)參數(shù)

為使壓縮機(jī)能夠在以上工況獲得優(yōu)化余隙調(diào)節(jié)方案，對(duì)壓縮機(jī)主要參數(shù)軸功率、當(dāng)量流量、進(jìn)出口壓力、溫度系數(shù)等進(jìn)行分析。

獲取壓縮機(jī)當(dāng)量流量Q及軸功率N的計(jì)算公式：

其中，v為壓縮機(jī)體積流量，由壓縮機(jī)型號(hào)確定v=2.1；

λ為負(fù)荷率，與余隙調(diào)節(jié)量有關(guān)，固定余隙狀態(tài)下λ=1；

P1、P2為壓縮機(jī)吸氣、排氣壓力；

k為氣體絕熱指數(shù)，k=1.32；

σ的為相對(duì)壓力損失，σ=5%；

?為壓縮機(jī)效率，?=85%；

α為溫度系數(shù)，α=（t+273）/273。

經(jīng)過(guò)計(jì)算整理，各種調(diào)節(jié)方式的工況如表3所示。

表3 各種調(diào)節(jié)方式工況及電量消耗

從表中可知，相較于旁路回流調(diào)節(jié)、卸荷調(diào)節(jié)，本調(diào)節(jié)技術(shù)能夠較大程度的改變出氣量，減少能量的損耗；相較于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、端蓋余隙調(diào)節(jié)，本技術(shù)能提供更大的氣量變化范圍，降低功率。同時(shí)考慮到空壓機(jī)本身的使用壽命、改裝成本等因素，本技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)。綜合分析下，本技術(shù)具有較好的節(jié)能減排效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目針對(duì)當(dāng)前大型空壓機(jī)中占比較多的活塞式空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能化改造，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出對(duì)氣閥處余隙容積進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并結(jié)合電機(jī)變頻技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大氣量調(diào)節(jié)范圍。通過(guò)PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶需氣量，并對(duì)空壓機(jī)輸氣量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，節(jié)能效果良好。本項(xiàng)目積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)工業(yè)大功率用電設(shè)備節(jié)電的號(hào)召，立足市場(chǎng)需求，有利于行業(yè)多元發(fā)展。同時(shí)，與現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比，本裝置調(diào)節(jié)范圍更廣，裝置適應(yīng)性更強(qiáng)，后期維護(hù)成本較低，有利于大范圍推廣。