一种缸头气体管路回流的活塞压缩机气量无级调节方法技术

本发明专利技术涉及一种往复压缩机气量调节方法，基于气体回流的基本原理，提出了一种在盖侧缸缸头加装旁通管路实现气量无级调节的方法，通过控制缸头旁通管路通断实现气缸中特定气量气体在未压缩的低压状态下回流至进气管道中，只压缩所需要气量的气体，实现了气量的节能调节。该方法节能效果好，所需的调节装置结构简单，有效降低了一台往复压缩机增加无级气量调节装置的投入成本，并且简化了控制系统，为活塞式压缩机气量无级调节的节能改造提供了一种技术手段。

A Stepless Regulation Method for Gas Volume of Piston Compressor with Cylinder Head Bypass Reflux

The invention relates to a method for regulating the air volume of reciprocating compressor. Based on the basic principle of gas reflux, a method for stepless regulation of air volume by adding bypass pipeline to the cylinder head of the head side cylinder is proposed. By controlling the opening and closing of bypass pipeline of the cylinder head, the specific air volume gas in the cylinder can be refluxed into the intake pipeline under the uncompressed low pressure state, and only the required gas can be compressed. Energy-saving adjustment of air volume is achieved. This method has good energy-saving effect, simple structure of regulating device, effectively reduces the cost of increasing stepless gas regulating device for a reciprocating compressor, simplifies the control system, and provides a technical means for energy-saving transformation of stepless gas regulating for piston compressor.

【技术实现步骤摘要】
一种缸头旁路回流的活塞压缩机气量无级调节方法
本专利技术涉及一种活塞压缩机无级气量调节方法，通过让气缸中气体在未压缩的低压状态下回流至进气管道中，实现压缩机气量的无级调节，以使压缩机的排量适应后端工艺用气量的要求。同时多余气体的未压缩回流，节省了压缩多余气体浪费的能量，实现了压缩机节能高效运行。
技术介绍
流程工业所用活塞压缩机是一种容积式压缩机，在确定的进气压力下其排气量由压缩机气缸的大小决定。工业现场一般是根据装置所需的最大容积流量来进行选择和设计压缩机气缸的大小，且都具有一定的富余量。当压缩机并入工艺流程中运行时，一方面由于上游工艺状态的波动或变化，使得压缩机入口气体状态(入口压力、温度等)状态改变；或另一方面由于后端工艺用气量减小，都需要对压缩机的排气量进行调节，使得压缩机输送到后端工艺的气体流量减少或者压缩机从前端工艺吸入的气量流量减少，适应工艺流程的变化，保证管网压力的稳定。在实现压缩机排气流量或者吸气流量减少的同时，要求机组本身能够只压缩所需量的气体，避免压缩多余的气体造成能量的浪费，实现压缩机设备的节能高效运行。目前能够节能高效地实现宽范围流量无级调节的方法主要有余隙调节和顶开进气阀控制气体回流调节两种。其中余隙调节通过改变压缩机盖侧缸的余隙容积大小，使得存入余隙腔中的高压气体增多，在压缩至同样压力情况下，膨胀过程中残留在余隙腔中的气体膨胀至进气压力的体积增大，机组实际吸入的气体体积和压缩后排出的气体减小，压缩机容积流量减小，同时压缩机指示功也随之减小。目前国内外已有多种余隙调节气量方法和装置。西安交通大学提出了一种往复式压缩机余隙调节方法，见专利CN100434695C，该方法通过十字头与活塞杆连接处的调整环之间形成的密封腔轴向尺寸的改变，调整处于止点位置时活塞与气缸盖壁面间的间隙，从而达到调节往复式压缩机余隙大小的目的。但该方法首先需要测量活塞端面与气缸盖壁面之间的间隙，需要在气缸内部预设传感器，由于气缸内压力温度高且通常都是危险介质，使得测量壁面间隙难度大、成本高；其次需要改造十字头与活塞杆的连接方式来调整两者之间的相对位置，十字头和活塞杆均为压缩机的运动部件，改造难度大、风险高。另外一种余隙调节方法是采用在压缩机盖侧端增加一个可变容积的余隙腔，余隙腔内设有可调余隙活塞，通过外部动力单元精确控制可调余隙活塞的移动，从而实现压缩机盖侧缸不同的余隙容积大小，实现压缩机气量调节的调节。如专利US4775299、US6641371B2、CN201225264Y采用液压缸活塞与余隙活塞同轴连接，利用电液伺服控制的原理，控制液压力驱动液压缸活塞与余隙活塞的移动，但由于余隙缸活塞在发生位移时需要直接克服压缩机气缸内的气体推力，当采用液压驱动方式需要配备大型油站提供动力；另外，由于采用液压伺服控制，液压系统配置复杂、制造成本高且对油液的清洁度要求高，不利于操作和维护，以上缺点在一定程度上制约了液压力控制的余隙调节装置的应用。专利CN103291596A由步进电机和传动机构驱动实现调节活塞的轴向移动，实现压缩机余隙腔大小的改变；专利CN106286247A采用电控直驱伺服控制方案，通过伺服电机和直驱装置推动余隙缸活塞运动，采用步进/伺服电机直接驱动能够精确控制余隙缸活塞的位置，但对于活塞力较大的机组需要大功率的电机且必须满足防爆要求，使得这种余隙调节装置依然成本较高。顶开进气阀控制气体回流调节方法通过在每个压缩机工作周期的部分行程中压开进气阀，多余气体经由进气阀回流来实现气量调节。如美国专利US5833209、US7331767、中国专利CN103244399B中公开的调节装置通过高频快速响应开关阀或脉冲信号控制的电磁阀打开或切断液压动力回路，控制进气阀顶开机构动作，驱动进气阀延迟关闭，实现压缩机每周期排气量的调节；专利CN102937084A、CN1987098A分别采用执行电机和步进电机驱动相应的传动部件，使吸气阀按照控制要求延时关闭，实现压缩机气量的自动无级调节。顶开进气阀控制气体回流调节方法能够实现0-100％全量程的气量调节，调节效果最优，但要实现压缩机每个周期中控制气阀的启闭，需要执行机构毫秒级的快速响应且要与压缩机转速相当的频率动作，一年的开关次数高达上亿次，对执行器的疲劳寿命要求极高，单个执行器成本高；另一方面，该调节方式下要在每个进气阀上加装执行器，需要的执行器数量多，这使得大型压缩机配套该调节装置的投入成本和维护成本很高。
技术实现思路
本专利技术基于气体回流的基本原理，提出了一种缸头旁路回流的压缩机气量无级调节方法，可通过在盖侧缸缸头加装可控旁路实现该侧缸气量的0～100％无级调节；气体在低压状态下实现旁路回流，实现了气量的节能调节。相比于进气阀回流调节，该方式由于没有多余气量反复进出进气阀，阻力损失小，能耗降低显著。采用该方法设计了一套往复压缩机无级气量调节装置，该调节装置的结构简单，成本低，为活塞式压缩机气量无级调节的节能改造提供了一种技术手段。一种缸头旁路回流的活塞压缩机气量无级调节方法，其特征在于包括以下步骤：1)本方法需要依靠一套调节装置，包括带回流孔的气缸盖侧缸盖、气体回流管路、设置在气体回流管路上的气开式开关阀或电开式开关阀、气压动力或电力单元、气体压力传感器、转速/相位传感器、信号采集变送单元和驱动控制器；2)在每个气缸的缸头位置均用一条气体回流管路将该盖侧气缸与气缸的进气管线连接，在每个气体回流管路上加装气开式开关阀或电开式开关阀，用于控制气体管路的连通和切断，在没有动力作用时开关阀处于关闭状态，气体管路切断，当气压动力或电力单元作用时开关阀打开，气体管路连通；3)在曲轴飞轮或联轴器位置设置一个转速/相位传感器，该传感器为非接触式感应式传感器，用于测量压缩机各列缸曲轴的转动相位角；4)在曲轴飞轮或联轴器上标记绝对相位零点位置：以第一级的第一个气缸曲轴为基准参照，盘车转动曲轴，直到第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置，在飞轮或联轴器上正对着转速/相位传感器的位置做标记并粘贴感应块，每次第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置转速/相位传感器都会发送一个脉冲信号至控制器，记为绝对相位零点位置；5)根据其他各列曲拐与第一级的第一个气缸曲拐的夹角确定每个缸活塞到达外止点(各个气缸的相对相位零点位置)时的绝对相位角，设压缩机共有N个气缸，第i(i＝1～N)个气缸活塞到达外止点时的绝对相位角为θi；6)当每个气缸的活塞从外止点向内止点运动时，盖侧缸气体分别经历膨胀过程和吸气阀打开后的吸气过程，在由外止点一直运动至内止点的过程中均保持缸头旁路开关阀常闭，缸头旁通管路处于切断状态；7)当活塞开始反向运动，由内止点向外止点运动时控制系统输入控制信号至开关阀，驱动开关阀开启，在活塞的推动下气缸内气体由缸头旁通管路回流至进气管道中；8)控制系统根据该气缸的进气压力和排气压力计算机组在设定负荷η(0≤η≤1)下所需要回流的气体体积大小Vr和开关阀关闭的绝对相位角度θ＝θi+θB(θB为相对相位角度)，并输出信号至开关阀，驱动开关阀关闭，在活塞推动下完成对剩余体积气体的压缩，实现压缩机气量的调节；设定负荷η下，根据压缩机参数和开关阀响应参数确定第i(i＝1～N)个气缸所需要回流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种缸头旁路回流的活塞压缩机气量无级调节方法，其特征在于包括以下步骤：1)本方法需要依靠一套调节装置，包括带回流孔的气缸盖侧缸盖、气体回流管路、设置在气体回流管路上的气开式开关阀或电开式开关阀、气压动力或电力单元、气体压力传感器、转速/相位传感器、信号采集变送单元和驱动控制器；2)在每个气缸的缸头位置均用一条气体回流管路将该盖侧气缸与气缸的进气管线连接，在每个气体回流管路上加装气开式开关阀或电开式开关阀，用于控制气体管路的连通和切断，在没有动力作用时开关阀处于关闭状态，气体管路切断，当气压动力或电力单元作用时开关阀打开，气体管路连通；3)在曲轴飞轮或联轴器位置设置一个转速/相位传感器，该传感器为非接触式感应式传感器，用于测量压缩机各列缸曲轴的转动相位角；4)在曲轴飞轮或联轴器上标记绝对相位零点位置：以第一级的第一个气缸曲轴为基准参照，盘车转动曲轴，直到第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置，在飞轮或联轴器上正对着转速/相位传感器的位置做标记并粘贴感应块，每次第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置转速/相位传感器都会发送一个脉冲信号至控制器，记为绝对相位零点位置；5)根据其他各列曲拐与第一级的第一个气缸曲拐的夹角确定每个缸活塞到达外止点即各个气缸的相对相位零点位置时的绝对相位角，设压缩机共有N个气缸，第i个气缸活塞到达外止点时的绝对相位角为θi；其中i＝1～N；6)当每个气缸的活塞从外止点向内止点运动时，盖侧缸气体分别经历膨胀过程和吸气阀打开后的吸气过程，在由外止点一直运动至内止点的过程中均保持缸头旁路开关阀常闭，缸头旁通管路处于切断状态；7)当活塞开始反向运动，由内止点向外止点运动时控制系统输入控制信号至开关阀，驱动开关阀开启，在活塞的推动下气缸内气体由缸头旁通管路回流至进气管道中；8)控制系统根据该气缸的进气压力和排气压力计算机组在设定负荷下所需要回流的气体体积大小Vr和开关阀关闭的绝对相位角度θ＝θi+θB，其中θB为相对相位角度，其中0≤η≤1；并输出信号至开关阀，驱动开关阀关闭，在活塞推动下完成对剩余体积气体的压缩，实现压缩机气量的调节；设定负荷η下，根据压缩机参数和开关阀响应参数确定第i个气缸所需要回流的气体体积大小和控制器驱动开关阀关闭控制参数，具体的步骤如下：首先，确定压缩机参数和该第i个气缸的参数，包括：压缩机工作转速n、该列气缸曲轴转动时相比于飞轮上初始标记的零相位位置转过的绝对相位角度θ、曲轴半径r、连杆长度l、曲柄连杆比...

【技术特征摘要】
1.一种缸头旁路回流的活塞压缩机气量无级调节方法，其特征在于包括以下步骤：1)本方法需要依靠一套调节装置，包括带回流孔的气缸盖侧缸盖、气体回流管路、设置在气体回流管路上的气开式开关阀或电开式开关阀、气压动力或电力单元、气体压力传感器、转速/相位传感器、信号采集变送单元和驱动控制器；2)在每个气缸的缸头位置均用一条气体回流管路将该盖侧气缸与气缸的进气管线连接，在每个气体回流管路上加装气开式开关阀或电开式开关阀，用于控制气体管路的连通和切断，在没有动力作用时开关阀处于关闭状态，气体管路切断，当气压动力或电力单元作用时开关阀打开，气体管路连通；3)在曲轴飞轮或联轴器位置设置一个转速/相位传感器，该传感器为非接触式感应式传感器，用于测量压缩机各列缸曲轴的转动相位角；4)在曲轴飞轮或联轴器上标记绝对相位零点位置：以第一级的第一个气缸曲轴为基准参照，盘车转动曲轴，直到第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置，在飞轮或联轴器上正对着转速/相位传感器的位置做标记并粘贴感应块，每次第一级的第一个气缸活塞到达气缸外止点位置转速/相位传感器都会发送一个脉冲信号至控制器，记为绝对相位零点位置；5)根据其他各列曲拐与第一级的第一个气缸曲拐的夹角确定每个缸活塞到达外止点即各个气缸的相对相位零点位置时的绝对相位角，设压缩机共有N个气缸，第i个气缸活塞到达外止点时的绝对相位角为θi；其中i＝1～N；6)当每个气缸的活塞从外止点向内止点运动时，盖侧缸气体分别经历膨胀过程和吸气阀打开后的吸气过程，在由外止点一直运动至内止点的过程中均保持缸头旁路开关阀常闭，缸头旁通管路处于切断状态；7)当活塞开始反向运动，由内止点向外止点运动时控制系统输入控制信号至开关阀，驱动开关阀开启，在活塞的推动下气缸内气体由缸头旁通管路回流至进气管道中；8)控制系统根据该气缸的进气压力和排气压力计算机组在设定负荷下所需要回流的气体体积大小Vr和开关阀关闭的绝对相位角度θ＝θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑶，张进杰，江志农，周超，刘雯华，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11