往復(fù)壓縮機(jī)流量無級調(diào)控系統(tǒng)具有很好的節(jié)能特性，其能夠使工藝系統(tǒng)中的壓縮機(jī)具備較好的流量自適應(yīng)調(diào)節(jié)性能，降低工藝系統(tǒng)的運(yùn)行成本。利用氣閥主動控制的方法實(shí)現(xiàn)大型往復(fù)壓縮機(jī)的流量調(diào)節(jié)，具有較好的節(jié)能效果。

一、基于氣閥主動控制的流量無級調(diào)控原理

基于氣閥主動控制的流量無級調(diào)控具體控制原理是，當(dāng)控制系統(tǒng)以排氣壓力作為控制參數(shù)時，安裝在排氣管道或級間緩沖罐上的級間壓力傳感器實(shí)時檢測壓縮機(jī)排氣壓力并將信號反饋至控制系統(tǒng)。排氣壓力高于設(shè)定值時，表明后續(xù)工藝流程氣體的消耗量較低，壓縮機(jī)排出的高壓氣體聚集在壓縮機(jī)排氣側(cè)，需要降低壓縮機(jī)實(shí)際排氣量?？刂葡到y(tǒng)利用檢測的實(shí)際壓力值與設(shè)定值計算系統(tǒng)工況偏離程度，將壓力偏差轉(zhuǎn)換為吸氣閥延遲關(guān)閉時間，并輸出模擬量控制信號。電液伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號執(zhí)行動作，強(qiáng)制延遲吸氣閥的關(guān)閉時刻，使氣缸內(nèi)更多的氣體回流至吸氣管道，降低壓縮機(jī)的排氣量，直至壓力偏差消失。

對于多級、多列往復(fù)壓縮機(jī)，其流量則根據(jù)排氣壓力和級間壓力共同控制，既要保證壓縮機(jī)的流量，又要保證壓縮機(jī)各級間的正常壓比。

需要指出，流量調(diào)節(jié)過程是一個動態(tài)過程，調(diào)節(jié)過程中實(shí)際壓力偏差存在動態(tài)波動，目標(biāo)壓力的穩(wěn)定取決于系統(tǒng)的機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)，管道系統(tǒng)特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，控制策略，pid（proportion,integral, derivative）參數(shù)等多種因素。

吸氣閥的延遲關(guān)閉是通過增加強(qiáng)制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，對于常規(guī)的往復(fù)壓縮機(jī)，吸氣閥的動作取決于氣缸內(nèi)的氣體壓力。當(dāng)吸氣壓力與氣缸內(nèi)氣體壓力差值無法克服閥片彈簧力時，吸氣閥將自動關(guān)閉，此時氣缸容積即對應(yīng)壓縮機(jī)的實(shí)際吸氣量。當(dāng)引入流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，吸氣閥被強(qiáng)制頂開而無法自動關(guān)閉，氣缸內(nèi)的氣體將伴隨活塞的運(yùn)動而從吸氣閥回流至吸氣管道，直至強(qiáng)制力撤銷時氣缸內(nèi)氣體才開始進(jìn)入壓縮過程，即壓縮過程因吸氣閥的延遲關(guān)閉而被推遲。流量調(diào)控系統(tǒng)的節(jié)能體現(xiàn)在延遲了壓縮過程的起點(diǎn)，降低了實(shí)際被壓縮氣體的流量。因此，系統(tǒng)節(jié)能量的大小與壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷有關(guān)，壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷越低，流量調(diào)節(jié)幅度越大，減少功耗越多。

壓縮機(jī)流量調(diào)控是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過實(shí)時吸氣或排氣壓力與設(shè)定壓力的差值反饋，實(shí)現(xiàn)吸氣閥延遲關(guān)閉的控制?？刂葡到y(tǒng)檢測到設(shè)定壓力與實(shí)際壓力的偏差，根據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及pid參數(shù)將壓力偏差轉(zhuǎn)換的吸氣閥延遲關(guān)閉的時間，結(jié)合鍵相傳感器信號輸出電液伺服機(jī)構(gòu)動作信號，利用液壓系統(tǒng)提供的液壓力完成吸氣閥的延遲關(guān)閉。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

基于主動控制吸氣閥的大型往復(fù)壓縮機(jī)流量無級調(diào)控系統(tǒng)中，原壓縮機(jī)吸氣閥被更換為帶有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可調(diào)吸氣閥，再配套相應(yīng)系統(tǒng)即可使用，不改變壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，也可獨(dú)立于壓縮機(jī)原控制裝置執(zhí)行。

該系統(tǒng)主要包含有：

1.液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的功能是為了執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力，由液壓站、液壓管和附件等部件組成，包括液壓泵、箱體、油冷卻器、油加熱器、油分配器、電磁閥、油過濾器、傳感器、管路附件等組件。箱體內(nèi)的液壓油由液壓泵增壓后，經(jīng)高壓油過濾器后進(jìn)入油分配器，并分別由液壓管路輸送至調(diào)節(jié)氣閥上所安裝的液壓伺服機(jī)構(gòu)，用于提供伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動力。從液壓伺服機(jī)構(gòu)回流的低壓油在油分離器內(nèi)匯流，經(jīng)油冷卻器及低壓過濾器回至箱體內(nèi)。在高壓油管路與低壓管路之間裝有溢流閥，用于將部分高壓油回流至低壓側(cè)以調(diào)節(jié)油分配器內(nèi)液壓油壓力。油分配器的進(jìn)出口裝有泄壓電磁閥，用于啟動、停機(jī)及緊急情況下泄壓以確保液壓伺服機(jī)構(gòu)不被損壞。為降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作過程造成的供油壓力被動，在油分配器前端裝有壓力傳感器，以保證供油壓力的穩(wěn)定。液壓管路、箱體內(nèi)裝有壓力傳感器及液位傳感器，用以實(shí)時監(jiān)測液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2.可調(diào)吸氣閥

可調(diào)吸氣閥是在傳統(tǒng)吸氣閥基礎(chǔ)上，增加了執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)附件，使原吸氣閥具備自動閥和強(qiáng)制閥兩種功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿和壓叉組成，其中導(dǎo)桿與液壓伺服機(jī)構(gòu)的動力輸出端連接，壓叉作用于閥片上，兩者利用液壓伺服機(jī)構(gòu)輸出的動力頂開閥片。復(fù)位彈簧安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體之間，用于將下行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位。

可調(diào)吸氣閥的特殊機(jī)構(gòu)確保了其可在自動閥和強(qiáng)制閥兩種狀態(tài)下運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)流量無級調(diào)節(jié)的基本條件，與傳統(tǒng)吸氣閥在結(jié)構(gòu)上存在差異，但并不改變氣閥全體安裝尺寸，即在壓縮機(jī)氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、安裝位置、限位尺寸均不需改變的情況下，即可完成可調(diào)吸氣閥對傳統(tǒng)吸氣閥的更換，特別適用于在設(shè)定壓縮機(jī)組改造。

3.電液伺服機(jī)構(gòu)

電液伺服機(jī)構(gòu)由殼體、電磁閥、液壓缸、液壓活塞和密封等組件構(gòu)成，其功能是將液壓根據(jù)控制要求轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動力。

兩位三通電磁閥安裝在液壓缸上方的殼體內(nèi)，利用通斷電控制液壓缸內(nèi)液壓油流動方向。液壓缸內(nèi)裝有液壓活塞，并與可調(diào)吸氣閥的導(dǎo)桿相連，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動。液壓缸體、可調(diào)吸氣閥導(dǎo)桿與殼體之間裝有密封裝置，并在殼體上預(yù)留排氣孔口和排液孔口。當(dāng)控制系統(tǒng)要求打開吸氣閥時，電磁閥通電，液壓缸通過電磁閥與供油管路連通，高壓油進(jìn)入液壓缸并驅(qū)動液壓活塞向下移動，并推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)下行直至吸氣閥打開。當(dāng)控制系統(tǒng)關(guān)閉吸氣閥時，電磁閥斷電，液壓缸與回油管路連通，復(fù)位彈簧驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上行，并推動液壓活塞向上移動，液壓油經(jīng)電磁閥排出液壓缸外。

4.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包含有硬件和軟件系統(tǒng)。

硬件主要包括傳感器和控制器。傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器和相位傳感器。它們分別安裝在壓縮機(jī)、電液伺服機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)中，用于測量壓縮機(jī)各級吸氣壓力、排氣壓力、曲軸相位以及電液伺服機(jī)構(gòu)中閥控溫度，液壓系統(tǒng)中供油壓力、供油溫度、液壓油液位等參數(shù)。控制器需要具有較高的數(shù)據(jù)輸入，輸出相應(yīng)速度，可采用plc、單片機(jī)或其他數(shù)據(jù)采集控制硬件。

大型往復(fù)壓縮機(jī)往往配置旁通調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其旁通調(diào)節(jié)閥開度、壓縮機(jī)吸排氣溫度、吸排氣壓力等數(shù)據(jù)均被dcs采集，壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過與dcs通信，共享原系統(tǒng)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)控制、監(jiān)測等，便于控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)的協(xié)同兼容。

控制系統(tǒng)軟件包括控制程序和人機(jī)交互界面?？刂瞥绦虬惭b在控制器中，通過計算設(shè)定壓力與實(shí)際壓力的偏差計算吸氣閥延遲關(guān)閉時間，再轉(zhuǎn)換為電磁閥控制信號輸出，用于調(diào)節(jié)液壓伺服機(jī)構(gòu)中電磁閥的通斷電時間，以實(shí)現(xiàn)流量調(diào)控?？刂瞥绦蚴茄b置調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)定性、精確度的關(guān)鍵之一，需考慮液壓系統(tǒng)、電液伺服機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等控制硬件的響應(yīng)時間，確保不造成控制周期絮亂，且盡量不額外干預(yù)閥片運(yùn)動規(guī)律。對于不同機(jī)構(gòu)形式，不同運(yùn)行參數(shù)的往復(fù)壓縮機(jī)，其控制程序與控制參數(shù)均有所差異，單獨(dú)設(shè)計和整定。

人機(jī)交互界面是針對現(xiàn)場工程操作人員的用戶交界面，用于實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。通常具備壓縮機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、故障報警、聯(lián)鎖保護(hù)及手動參數(shù)輸入等功能。

三、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析

往復(fù)壓縮機(jī)流量無級調(diào)控系統(tǒng)利用電液伺服機(jī)構(gòu)改變吸氣閥運(yùn)動規(guī)律，使壓縮機(jī)的壓縮過程自動適應(yīng)系統(tǒng)所需氣量，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)流量的自適應(yīng)無級調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)過程中控制系統(tǒng)實(shí)時檢測壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)送控制命令，調(diào)整吸氣閥動作，吸氣閥運(yùn)動規(guī)律的改變又反饋至壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)，最終形成一個閉環(huán)控制。

往復(fù)壓縮機(jī)流量無級調(diào)控裝置通過精確控制吸氣閥動作實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，必然要求機(jī)械部分、電控部分、液壓部分協(xié)同工作，各部分關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能有很大影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理或控制參數(shù)偏高嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)失效，因此，合理設(shè)計液壓伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化控制參數(shù)是提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的參數(shù)主要包括液壓缸直徑、復(fù)位彈簧剛度、供油孔直徑、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥片間隙，液壓站供油壓力、液壓力作用時間等。

往復(fù)壓縮機(jī)在非調(diào)節(jié)工況下，利用氣閥兩側(cè)的壓差自動完成吸氣閥和排氣閥的打開與關(guān)閉過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的吸氣—壓縮—排氣過程。其吸氣閥的打開過程完全依靠吸氣壓力與缸內(nèi)氣體壓力間的差值實(shí)現(xiàn)，打開和關(guān)閉速度受結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行工況等影響。吸氣閥打開過程中，閥片運(yùn)動速度逐漸增大，當(dāng)閥片與升程限制器發(fā)生碰撞時，閥片改變運(yùn)動方向，且有部分能量損失，經(jīng)反復(fù)碰撞后閥片完全貼靠在升程限制器上。吸氣閥關(guān)閉時，閥片同樣在發(fā)生碰撞后落在閥座上。無論流量無級調(diào)控系統(tǒng)是否投入運(yùn)行，壓縮機(jī)排氣閥始終處于自動打開和自動關(guān)閉狀態(tài)，該特性也確保了調(diào)節(jié)吸氣閥改變流量的過程，并不影響壓縮機(jī)的實(shí)際排氣壓力。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥片的動態(tài)響應(yīng)時間受結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的共同影響。閥片與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的打開、關(guān)閉過程所需要的時間直接影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，進(jìn)而影響系統(tǒng)控制精度。對于打開過程，閥片以自動閥方式打開，其響應(yīng)時間與其自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸排氣參數(shù)有關(guān)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開過程則由液壓力與復(fù)位彈簧力的差值決定，差值越大，打開過程越迅速。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)位時刻是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵因素，也是系統(tǒng)調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)；其復(fù)位角度的增大，意味著閥片被延遲關(guān)閉的時間變長，流量和功率隨之降低。流量無級調(diào)控系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在壓縮工藝流程需要的氣體量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

四、系統(tǒng)調(diào)控過程

往復(fù)壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)是以匹配工藝流程實(shí)際需要?dú)饬康淖赃m應(yīng)調(diào)節(jié)過程，實(shí)際過程中需要保持壓縮機(jī)的吸氣或排氣壓力不受工藝流程耗氣量的影響。為實(shí)現(xiàn)吸氣或排氣壓力控制，需要利用實(shí)際壓力與設(shè)定壓力間的差值反饋控制信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為吸氣閥打開時間。在此過程中，利用pid控制算法，將pid輸出值轉(zhuǎn)換為吸氣閥打開時間，再將該時間轉(zhuǎn)換為伺服機(jī)構(gòu)中電磁閥的打開時間，進(jìn)而利用高壓油流入、流出液壓缸來實(shí)現(xiàn)吸氣閥的控制過程。

考慮到壓縮機(jī)一般均配置排氣緩沖罐以降低排氣壓力脈動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際控制的是排氣緩沖罐內(nèi)的壓力恒定不變。由于壓縮機(jī)的流量與排氣儲罐內(nèi)壓力變化相互關(guān)聯(lián)，利用儲罐內(nèi)氣體壓力間接控制壓縮機(jī)流量具有可行性。當(dāng)流程所需氣量降低時，排氣罐內(nèi)氣體增多，導(dǎo)致罐內(nèi)壓力增大，反之亦然。調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)儲罐內(nèi)氣體壓力與設(shè)定壓力的差值，利用pid原理輸出控制參數(shù)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開和復(fù)位時刻，并通過壓縮機(jī)實(shí)際排氣量的變化維持儲罐內(nèi)壓力穩(wěn)定?；谥鲃涌刂莆鼩忾y的往復(fù)壓縮機(jī)的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在壓縮機(jī)的每個運(yùn)行周期時吸氣閥片進(jìn)行控制，通過改變壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)排氣量實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。