往復(fù)活塞式壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性的研究

李志強(qiáng)

（陽(yáng)泉煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024）

引言

壓縮機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)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(jī)功能不同，可以將其分為動(dòng)力壓縮機(jī)、化工工藝用壓縮機(jī)、制冷用壓縮機(jī)以及氣體輸送用壓縮機(jī)。在實(shí)際應(yīng)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(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況往往低于設(shè)計(jì)工況，此時(shí)需要對(duì)壓縮機(jī)的流量進(jìn)行調(diào)整[1]。為滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，往往需要引入流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)精確控制壓縮機(jī)吸排氣閥的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)流量連續(xù)、穩(wěn)定的控制。故，本文以往復(fù)活塞式壓縮機(jī)為研究對(duì)象，著重對(duì)該類(lèi)型壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，從而指導(dǎo)壓縮機(jī)實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用。

1 流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理

1.1 工作原理

工作原理：往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣閥的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行控制。由于壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況壓力小于設(shè)計(jì)壓力，因此系統(tǒng)需控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉進(jìn)氣閥，使得一部分氣體未被壓縮回流至吸氣管道中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)氣體流量的無(wú)級(jí)調(diào)速[2]。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)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(jī)構(gòu)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(duì)壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)排氣壓力、相位等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)及需求確定壓縮機(jī)所需氣體的流量大小；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)的控制信號(hào)控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)吸氣閥、排氣閥的動(dòng)作，已達(dá)到對(duì)壓縮機(jī)流量的調(diào)節(jié)[3]。

圖1 流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 控制原理

為分析往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，需掌握該系統(tǒng)對(duì)流量調(diào)節(jié)的控制流程，即建立該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。注：對(duì)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)控制流程的分析，需充分考慮壓縮機(jī)泄露及傳熱過(guò)程。控制原理：當(dāng)壓縮機(jī)所需流量發(fā)生變化時(shí)，流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)比排氣儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力與設(shè)定值的差值，通過(guò)PID控制器計(jì)算分析后輸出控制信號(hào)，通過(guò)控制空氣壓縮機(jī)吸氣閥的延時(shí)關(guān)閉時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)流量的調(diào)節(jié)，以確保壓縮機(jī)內(nèi)的氣體流量滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求[4]。流量無(wú)級(jí)調(diào)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(hào)，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(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析

2.1 模型的搭建

本文所研究壓縮機(jī)的類(lèi)型為往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)的型號(hào)為200-2DF-A2，關(guān)鍵參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

根據(jù)200-2DF-A2的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合PID控制方程，基于Matlab軟件中搭建模型，對(duì)吸氣閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移、氣缸內(nèi)壓力等變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析。

表1 200-2DF-A2關(guān)鍵參數(shù)表

2.2 仿真結(jié)果的分析

2.2.1 吸氣閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移及缸內(nèi)氣體壓力隨主軸轉(zhuǎn)角的變化情況

仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同主軸轉(zhuǎn)角下吸氣閥位移、執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移及缸內(nèi)氣體壓力變化

如圖2所示，當(dāng)壓縮機(jī)吸氣閥被打開(kāi)后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在換向閥液壓力的作用下被打開(kāi)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和吸氣閥被打開(kāi)時(shí)主軸的轉(zhuǎn)角度不同，因此在打開(kāi)過(guò)程中不存在相互撞擊[5]。當(dāng)壓縮機(jī)的流量需要調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)基于PID控制算法得到控制信號(hào)對(duì)吸氣閥進(jìn)行復(fù)位操作，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在復(fù)位彈簧和閥位彈簧的共同作用下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也同時(shí)被復(fù)位（主軸轉(zhuǎn)角角度為270°時(shí)）。由于吸氣閥延時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致氣體流量降低，降低了壓縮過(guò)程系統(tǒng)的能耗。

2.2.2 吸氣閥片位移隨時(shí)間的變化規(guī)律

仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸氣閥片位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)其流量控制是周期性進(jìn)行的，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)吸氣閥的控制也是周期性進(jìn)行的。在實(shí)際控制中，基于對(duì)排氣儲(chǔ)罐內(nèi)壓力與設(shè)定壓力值的對(duì)比得出對(duì)應(yīng)的PID控制信號(hào)。如圖3所示，在調(diào)節(jié)工況下吸氣閥在每個(gè)周期內(nèi)的關(guān)閉時(shí)刻并不是相同的，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，滿(mǎn)足在實(shí)際生產(chǎn)中壓縮機(jī)對(duì)流量的需求為先降低后增大的要求。此外，與非調(diào)節(jié)工況相比，調(diào)節(jié)工況下吸氣閥的關(guān)閉時(shí)刻明顯延遲于非調(diào)節(jié)工況，進(jìn)而確保壓縮機(jī)的流量處于穩(wěn)定波動(dòng)變化的趨勢(shì)。

2.2.3 缸內(nèi)氣壓隨時(shí)間的變化規(guī)律

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下缸內(nèi)氣體壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

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(guò)程的延遲特性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，完全符合壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中其缸內(nèi)氣體流量先降低后增大的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與吸氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致。

3 應(yīng)用效果驗(yàn)證

為充分說(shuō)明壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)流量平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，采用搭建試驗(yàn)平臺(tái)的手段對(duì)其調(diào)節(jié)效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速應(yīng)用效果

分析表2數(shù)據(jù)可知，基于流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在壓縮機(jī)的應(yīng)用，在排氣閥開(kāi)啟的不同程度下，缸內(nèi)氣體的壓力值始終在設(shè)定壓力值800 kPa左右浮動(dòng)，且浮動(dòng)范圍在7 kPa左右。說(shuō)明PID控制參數(shù)能夠?qū)嚎s機(jī)的流量進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

綜上所述，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性能夠滿(mǎn)足壓縮機(jī)實(shí)際生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

目前，壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中，其工作效率直接決定壓縮機(jī)的應(yīng)用效果。本文對(duì)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析得到如下結(jié)論：

1）在調(diào)節(jié)工況下，壓縮機(jī)吸氣閥的關(guān)閉時(shí)刻與其壓縮過(guò)程中的延遲時(shí)間均呈現(xiàn)相似的周期性變化趨勢(shì)；且變化過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，即說(shuō)明基于流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

2）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，在排氣閥不同程度開(kāi)啟的情況下，壓縮機(jī)缸內(nèi)的氣體壓力時(shí)刻在設(shè)定值上下浮動(dòng)，且最大誤差不超過(guò)7 kPa。

3）綜上所述，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)流量無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)流量平穩(wěn)調(diào)節(jié)的需求。