往复活塞式压缩机动态特性的研究

2020-03-14李志强

机械管理开发 2020年1期

李志强

（阳泉煤业化工集团有限责任公司，山西太原 030024）

引言

压缩机是工业生产中必不可少的关键设备，其主要功能是提高气体压力，并将带有压力的气体传输至所需处。根据压缩机功能不同，可以将其分为动力压缩机、化工工艺用压缩机、制冷用压缩机以及气体输送用压缩机。在实际应用中，由于工艺流程参数的变化以及选型流量等因素，压缩机的实际运行工况往往低于设计工况，此时需要对压缩机的流量进行调整[1]。为满足实际生产要求，往往需要引入流量无级调速系统。该系统通过精确控制压缩机吸排气阀的动作，实现对压缩机流量连续、稳定的控制。故，本文以往复活塞式压缩机为研究对象，着重对该类型压缩机流量无级调速系统的动态特性进行研究，从而指导压缩机实际生产的应用。

1 流量无级调速系统原理

1.1 工作原理

工作原理：往复活塞式压缩机流量无级调速系统通过执行机构对进气阀的开启与关闭进行控制。由于压缩机的实际运行工况压力小于设计压力，因此系统需控制执行机构关闭进气阀，使得一部分气体未被压缩回流至吸气管道中，从而实现对压缩机气体流量的无级调速[2]。往复活塞式压缩机流量无级调速系统的结构如图1所示。

如图1所示，往复活塞式压缩机流量无级调速系统由监控系统、数据采集系统、液压系统、执行机构以及数据输出系统组成。其中，数据采集系统主要对压缩机的实时排气压力、相位等信号进行监测；监控系统根据生产任务及需求确定压缩机所需气体的流量大小；执行机构根据数据输出系统的控制信号控制液压系统实现吸气阀、排气阀的动作，已达到对压缩机流量的调节[3]。

图1 流量无级调速系统结构组成图

1.2 控制原理

为分析往复活塞式压缩机流量无级调速系统的动态特性，需掌握该系统对流量调节的控制流程，即建立该系统的传递函数。注：对流量无级调速系统控制流程的分析，需充分考虑压缩机泄露及传热过程。控制原理：当压缩机所需流量发生变化时，流量无级调速系统对比排气储气罐内的压力与设定值的差值，通过PID控制器计算分析后输出控制信号，通过控制空气压缩机吸气阀的延时关闭时间，从而实现对压缩机流量的调节，以确保压缩机内的气体流量满足实际生产需求[4]。流量无级调速系统的控制方程如式（1）所示：

式中：u（t）为所得的控制信号，Kp为比例系数，e（t）为压力的偏差值，TI为积分系数，TD为微分系数。

2 流量无级调速系统动态特性的分析

2.1 模型的搭建

本文所研究压缩机的类型为往复活塞式压缩机，该压缩机的型号为200-2DF-A2，关键参数如下页表1所示。

根据200-2DF-A2的关键参数，结合PID控制方程，基于Matlab软件中搭建模型，对吸气阀、执行机构位移、气缸内压力等变化规律进行仿真分析。

表1 200-2DF-A2关键参数表

2.2 仿真结果的分析

2.2.1 吸气阀、执行机构位移及缸内气体压力随主轴转角的变化情况

仿真结果如图2所示。

图2 不同主轴转角下吸气阀位移、执行机构位移及缸内气体压力变化

如图2所示，当压缩机吸气阀被打开后，执行机构在换向阀液压力的作用下被打开。由于执行机构和吸气阀被打开时主轴的转角度不同，因此在打开过程中不存在相互撞击[5]。当压缩机的流量需要调整时，系统基于PID控制算法得到控制信号对吸气阀进行复位操作，同时执行机构在复位弹簧和阀位弹簧的共同作用下，执行机构也同时被复位（主轴转角角度为270°时）。由于吸气阀延时关闭，导致气体流量降低，降低了压缩过程系统的能耗。

2.2.2 吸气阀片位移随时间的变化规律

仿真结果如图3所示。

图3 吸气阀片位移随时间变化曲线

压缩机流量无级调速系统对其流量控制是周期性进行的，即执行机构对吸气阀的控制也是周期性进行的。在实际控制中，基于对排气储罐内压力与设定压力值的对比得出对应的PID控制信号。如图3所示，在调节工况下吸气阀在每个周期内的关闭时刻并不是相同的，呈现先增大后减小的变化趋势，满足在实际生产中压缩机对流量的需求为先降低后增大的要求。此外，与非调节工况相比，调节工况下吸气阀的关闭时刻明显延迟于非调节工况，进而确保压缩机的流量处于稳定波动变化的趋势。

2.2.3 缸内气压随时间的变化规律

仿真结果如图4所示。