煤化工用离心式压缩机自动控制系统研究

田振华， 田金艳

(1.同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000；2.国网白城供电公司，吉林 白城 137000)

引 言

离心式压缩机在煤化工业中占有重要地位，主要用于提供气体动力，压缩气体调节要求能够控制气量、压力，自动控制系统弥补了人工控制中的缺陷，自动调节系统对末端压力进行自动调节也满足了生产需要，因此，对于这一技术的应用研究对煤化工业发展意义重大。

1 离心式压缩机简介

离心式压缩机如图1所示，离心式压缩机是机器内的叶轮对气体施压，使压力及速度提升，从而实现气体的输送，气体沿径向通过叶轮的压缩机。离心式压缩机也叫做透平式压缩机，其主要作用为压缩气体。

图1 离心式压缩机

离心式压缩机内部构造，如图2所示。其工作原理为，压缩机叶轮高速旋转，气体在旋转的离心力下，进入到离心式压缩机的扩压器中，叶轮在转动过程中形成真空地带，根据压强原理促使外界气体吸入至叶轮中。在叶轮不断旋转的过程中，气体吸入后再排除，保证气体的不断持续流通。离心式压缩机的优点在于结构紧凑、占地面积小、质量轻，且持续排气均匀，免去了中间容器，在运行的机器噪音及振动幅度小，不易对零件产生磨损，机器在运行中不需要添加润滑剂，节省成本且保持空气清洁[1]。

图2 离心式压缩机内部结构

2 机械自动化控制应用的意义

自动化指的是机器设备、系统及生产过程中较少进行人工干预、参与，甚至完全不需要人工操作，根据操作需要，可以进行自动检测、处理信息、分析信息、远程控制、自动修复等操作，以高效、自动的形式完成设备的应用目标。

在压缩机控制中引入自动化系统，对压缩机应用的效率及质量都会有极大提升，帮助压缩机控制人员执行了大量的工作任务，解放了人力，降低了人力支出，在管理及调控中发挥着极其稳定的作用[2]。

3 煤化工用离心式压缩机自动控制系统设计与应用

3.1 自动调节系统控制机构

煤化工用离心式压缩机的控制系统中常用的中枢为可编程控制器，它是离心式压缩机自动控制系统的大脑，用于接受外界传输的信息，同时对信息进行初步处理后，对执行模块发出指令，再由动力系统、工作系统等模块根据中枢控制系统发出的指令进行调节，同时，整个自动调节系统还包括显示模块、警示灯等模块。

在自动调节系统的控制面板上应用串行通讯以及PLC进行连接，控制面板上的PLC一般应用HMI显示型，一方面能够用于显示压缩机的运行数据，同时能够实现在控制面板上进行数值设定，例如压力值、电流值、电压值等数值的设定，同时进行漏洞的修改等操作，将PLC所要应用的数据，及时写入到程序中。

3.2 自动调节系统的执行结构

在自动调节系统中，进气阀以及卸载阀作为整个系统的执行机构，也就是整个系统最后一环节命令的输出模块以及执行模块。同时应用到阀门定位器作为命令输出以及执行模块之间的连接点，系统应用阀门定位器作为I/P传感器。

如图3所示，为启动执行模块时电器阀门定位器的配电结构图，从图中可以看出，电器阀门定位器与执行模块在配合工作时，拥有机械反馈装置，电器阀门定位将控制单元的电流信号转换为气压信号进行对执行模块的驱动。并且，由阀杆的动作距离得到反馈信号，组成整个系统，从而改善了执行静态特征，电流信号与阀杆间存在良好的线性关系；同时也改善了气动执行器的动态特征，加速阀杆移动，从而降低信号在传输过程中的延迟。

图3 执行模块工作时电器阀门的运作情况

3.3 离心式压缩机的基本控制模式

离心式压缩机的基本控制模式是应用调节卸荷阀从而保持离心式压缩机的设定压力，在离心式压缩机内的气量降低时，卸荷阀张开释放出过剩的气体，同时应用进气阀对空气进入量进行调节以维持系统内发电流通过。离心式压缩机的工作功率：

功率(W)=扬程(m)×流量(m3/s)×

重力加速度(m/s2)×介质密度(kg/m3)

3.4 进气节流控制模式

离心式压缩机的进气节流模式与基本的控制模式相似，其运行中的差异在于满足外部用气系统的需求下，能够应用进气节流控制模式以降低压缩机的电机电流。进气控制阀的能够应用进气控制进行节流调节，最终达成最小电流设定值，如果煤化工用系统的需求量持续下滑，则对卸荷阀进行开度调节，从而保持系统设定的压力值。在进气节流控制模式下，当最小电流设置过低就会使离心式压缩机发生喘振反应，因此需要针对喘振测试以测试并确定最低电流的设定值。

离心式压缩机应用自动化控制前、后的密度比较如表1所示。

表1 离心式压缩机自动化前、后密度对比

气体质量流量=气体体积流流量×密度。

3.5 间歇式控制

间歇式控制模式，如图4所示。间歇式控制模式是一种开关型控制模式，可以根据外部用气系统的需求控制空压机的加载以及卸载。当外部用气系统的压力在系统最低压力值之下时，将进气阀调整为设置电流，卸荷阀整体关闭，将系统内部的的空气排出系统。在外部用气系统的需求量降低时，压缩机末端排气压力就会上升，要保持设定的排气压力，将卸荷阀打开以排出多余的压缩空气。伴随着外部用气系统需求量的下滑，卸荷阀持续张大，以保持设定好的压力值。当卸荷阀的张度达到设定卸载点时系统的计时装置开始工作。当卸载阀保持一个张度在3 min以上，压缩机就会自动卸载，在卸载状态下，外部用气系统压力下降至设定值时，压缩机会重新运转。

图4 间歇式控制模式

3.6 自动双重模式控制

自动双重模式控制与间歇模式控制之间存在一定的相似因素，其差异为压缩机的末端排气与压力达到设定压力值时，双重模式的进气阀会对压缩气体进行节流。从而降低电机系统的电流，进气阀的开度就会降低，直至电流达最小值。

如果压缩机内部排气压力不断上升，卸荷阀就会开启以维持设定的末端排气压力，如果卸荷阀的张度达到卸载值且超过设置时间时，压缩机就会开启全部卸荷阀，进气阀全部关闭。此时空气压缩机会在卸载模式下运行，当外部用气系统压力低于压力设定时，压缩机会重新启动，进行循环工作。

3.7 自动调节控制逻辑

在离心式压缩机运作之前，在控制面板设置好进气阀以及卸载阀的模式，选择为AUTO即自动挡进行运行，压缩机开始运行。对离心式压缩机自动控制调节的设定因素包括最大电流值、最小电流值、末端排气压力值、电机电流值。在设定好数值后，离心式压缩机正常运行PLC分析输入的数据，并发出调节、执行指令，首先提升电机电流以扩大气阀张度，将电流量控制在设定范围内，或是降低卸载阀张度。当外部用气量骤降导致末端排气压力超过设定值时，调节系统会降低电机电流缩小进气阀张度或是扩大卸载阀张度。

从影响要素分析来看，电机电流能够控制进气阀的张度，卸载阀张度根据末端排气压力进行变化。由运行模式选择进气阀以及卸载阀进行调节。根据系统调节模式来看，无论是进气阀或是卸载阀都会在运行时产生波动，从而保证压缩气体压力稳定，保证运行质量[3]。

4 结语

机器自动化是未来发展的趋势，离心式压缩机是煤化工作中应用较为频繁且重要的设备，在人工操作的情况下，有可能会出现一定错误，应用自动控制系统能够有效降低人为失误，同时降低人工成本，提升机械运行的稳定，满足工作需求，提升煤化工作质量。