（化工过程机械专业论文）活塞式压缩机排气量无级调节系统关键技术的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 对大型活塞压缩机而言，实现排气量的无级连续调节必不可少。相对于其它无级 气量调节方法，部分行程顶开进气阀排气量调节方式不仅实现了排气量全量程的无级 连续调节，而且使压缩机仅压缩实际需要的气体，在减少排气量的同时也降低了能耗。 目前，国外贺尔碧格公司已开发出类似的产品，但因为价格和可靠性问题，使其在国 内推广应用受到了限制；同时国外c o o k 等压缩机公司也将压缩机气量调节装置的研 究作为技术开发重点，已有相关的研究计划见诸报导。因此研制开发一套符合我国国 情并有自主知识产权的部分行程项开进气阀气量无级调节系统意义重大。 论文以教育部博士点基金项目“变质量压缩系统新型回流气阀运动特性研究”和 “十一五”科技支撑计划项目“高效节能压缩机关键技术研究”( 编号：2 0 0 8 b a f 3 4 8 1 3 ) 为依托，对气量调节工况下的压缩机热力循环过程和气阀运动规律进行了较为深入的 理论和实验研究，研制开发了能够实现o 一1 0 0 全量程气量无级调节方法的关键技术 和装置，并成功应用于大型石化活塞式压缩机中。现场使用效果表明，本论文所开发 的部分行程顶开进气阀压缩机气量调节装置运行可靠、节能效果明显。 本文的主要研究内容有： 1 建立了气量无级调节工况下压缩机热力循环模型，理论计算了排气量与进气阀 项开角度的变化规律，实验室压缩机试验表明计算结果同测量基本吻合； 2 建立了气量无级调节工况下阀片动力学模型，分别给出了基于实际气体状态方 程和理想气体状态方程的气阀阀片运动方程组，通过试验验证和理论计算对比 研究，揭示了气量调节工况下气阀阀片的运动规律； 3 建立了气量无级调节下气阀多自由度运动模型，通过计算正常工况和气量无级 调节工况下气阀运动过程表明，用于气量调节的压又的存在将大大地减少阀片 侧倾运动； 4 设计了一套应用于气量无级调节装置的控制系统，提出一种能实现压缩机与液 压分配器保持转速与相位同步的反馈控制方法，构建了上位机控制压缩机运 行、下位机控制气量调节的系统构架，提出了应用于气量无级调节系统的压缩 机多级控制策略； 奠姜 5 研制了一套能应用于爆炸性气体区域的气量无级调节装置，并成功应用于镇海 炼化的工业现场大型活塞压缩机上： 6 借助有限元工具，分析了在气量调节工况下压叉与阀片的碰撞过程，评估了气 阀装配、压叉重量和不同材料的压叉对阀片碰撞过程中最大应力的影响。 关键词：活塞压缩机、气量无级调节、同步控制、气阀运动、多自由度、有限元。 i i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y i t sr e a l l yi m p o r t a n tt or e a l i z e s t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o nf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r t h es t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o n m e t h o db yd e p r e s s i n gt h es u c t i o nv a l v em a k e st h ei n h a l a t i o n a li n t a k eg a sb a c kt os u c t i o n c h a m b e rd u r i n gp a r t i a lc o m p r e s s i o ns t r o k e ，o n l yt h er e q u i r e dg a si s c o m p r e s s e d b yt h i s m e t h o d ，c o m p r e s s o rc a p a c i t yc a nb er e g u l a t e ds t e p l e s s l yi nar a n g eb e t w e e n0 - 1 0 0 a n dt h e p o w e rc o n s u m p t i o ni ss a v e dp r o p o r t i o n a l l yw i t hc a p a c i t y b yn o w , t h es i m i l a rc a p a c i t y r e g u l a t i o ns y s t e mo fr e c i p r o c a t i n gc p m p r e s s o rd e v e l o p e db yh o e r b i g e rh a sb e e nw i d e l yu s e d i nt h ew o r l d ，b u ti ti sd i f f i c u l tt ob ep o p u l a r i z e di nd o m e s t i ci n d u s t r yf o rt h eh i g hp r i c ea n d r e l i a b i l i t y l i m i t a t i o n i ti ss t i l lt h em a j o rr e s e a r c hi n t e r e s tf o rt h eo t h e ri n t e r n a t i o n a l c o m p r e s s o rv a l v ec o m p a n i e s ( e g c o o k ) t os t u d yt h es t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o nf a c i l i t y s i n c er e l e v a n tp r o j e c t sh a v eb e e nr e p o r t e d t h e r e f o r e ，i ti sg r e a tn e e dt od e v e l o pt h es t e p l e s s c a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e m ，w h i c he o n f o r m sn a t i o n a lc o n d i t i o n so fo u rc o u n t r ya n dh a s i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t s b a s e do nt h en a t i o n a lk e yt e c h n o l o g yr & d p r o g r a m k e yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t p r o g r a mf o rh i g he f f i c i e n c yc o m p r e s s o r ( n o 2 0 0 8 b a f 3 4 b13 ) ，a n dd o c t o r a lf u n dp r o j e c t f r o me d u c a t i o nd e p a r t m e n t “r e s e a r c ho nv a l v ed y n a m i ci nc a s eo fr e f l o ws i t u a t i o nf o r v a r i a b l em a s sc o m p r e s s o rs y s t e m ，t h et h e r m a lc y c l ea n dv a l v ed y n a m i ci nt h ec a s eo f s t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o na r ed e e p l ys t u d i e db yt h e r o ya n de x p e r i m e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h ek e yt e c h o n o l g ya n de q u i p m e n tf o rt h e10 - 10 0 c a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e ma r ea l s o d e v e l o p e d t h ef i e l dt e s t ss h o wt h a tt h i ss t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o ne q u i p e m e n tp o s s e s s e s s m o o t ho p e r a t i o na n ds i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g s t h em a i nr e s e a r c h et o p i c si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 at h e o r e t i c a lt h e r m a lc y c l em o d e li nc a s eo fs t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d c a p a c i t yv a r i a t i o nw i t ht h eu n l o a d e rc r a n k a n g l eh a sb e e nc a l c u l a t e d t h e c a l c u l a t i o nr e s u l ti si na c c o r d a n c ew i t he x p e r i m e n t s 2 t h ev a l v ed y n a m i cm o d e li nc a s eo f s t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ev a l v ed y n a m i cd i f f e r e n t i c a le q u a t i o n sb a s e do nr e a lg a ss t a t ee q u a t i o na n di d e a l g a ss t a t ee q u a t i o nr e s p e c t i v e l yi ns t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o na r ed e r i v e di nt h i s d e s s i s a t i o n v a l v ep l a t ed y n a m i cm o t i o ni ns t e p l e s s c a p a c i t yr e g u l a t i o nh a sb e e n r e v e a l e dt h r o u g hc o m p u t e rc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t 3 m u l t i p l ef r e e d r o mm o t i o nm o d e lf o rc o m p r e s s o rv a l v ei nt h ec a s eo fs t e p l e s sc a p a c i t y i i i a b s l r a c i l 一 r e g u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d t h e v a l v ep l a t em o t i o n su n d e rn o r m a io p e r a t l n g c o n d i t i o na n ds t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o nc o n d i t i o na r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v l y a n d c o m p a r e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eu n l o a d e r i ns t e p l e s sc a p a c i t y r e g u l a t i o nm a k e s v a l v ep l a t ei n c l i n ei m p a c tv e l o c i t yr e d u c e do b v l o u s i y 4 ac o n 砌s y s t e mu s e di ns t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a m e t h o dt 0k e 印t h er o t a t i n gs p e e da n dp h a s es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n t h ec o m p r e s s o r m o t o r 锄d h y d m u l i cd i s t r i b u t o rh a sb e e np r o p o s e d s y s t e mf r a m e w o r k , w h l e h u s e s t h eu p p e rc o m p u t e rt oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r 柚d u s e st n e 1 0 w e rc o m pu ：瞬t oc o n t r o lt h es t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e m ，i sc o n s t r u c t e d f h e m u i t i p l es t a g ec o n t r o l s t r a t e g yo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r i ns t e p l e s sc a p a c l 够 r e g u l a t i o n h a sa l s ob e e np r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 5 t h es t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o re x p i o s i v eg a s z o n eh a s b e e nd e v e l o p e d ，w h i c h h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e do nl a r g e s c a l e l n d u s t 呵 r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ri nz h e n h a i r e f i n i n g & c h e m i c a lc o m p a n y ( z r c c ) 6 b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o l ，t h ei m p a c tp r o c e s sb e t w e e n t h eu n l o a d e r a n dv a l v ep l a t eh a sb e e nd e m o n s t r a t e di n t h ec a s eo fs t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t l o n s i t u a t i o n t h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o rt h em a x i m u m s t r e s si nt h ev a l v e ，w h i c ha r e g e n e r a t e db yv a l v ea s s e m b l ee r r o r s ，u n l o a d e rm a t e r i a l o ru n l o a d e rm a s sa n ds oo n h a v eb e e ne v a l u a t e d k 朋，o r d s ：r e c i r p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , s t e p l e s sc a p a c i t yr e g u l a t i o n ，s y n c h n i z a t l o n c o n t r 0 1 、，a l v ed y n a m i c ，f i n i t ee l e m e n t ，m o r ef r e e d o m i v 浙江大学博士学位论文 符号表 符号说明 进气阀有效面积计算中气阀流动通道中各个关键截面 压缩机排气阀有效面积 压缩机气缸活塞面积 压缩机进气阀推力面积 一级卸荷器液压缸活塞面积 压缩机吸气阀有效面积 进气阀阀隙面积 进气阀有效流通面积口v = q q 压缩机气缸活塞瞬态速度 阀片碰撞反弹系数 等压比热容 等温比热容 气缸内气体总能量 气缸内单位质量气体总能量 进气阀片推力 卸荷器上项开作用力 进气阀气体推力 进气阀阀片弹簧合力推力 进气阀压又大弹簧推力 气阀阀片升程 气缸内气体焓值 进气阀阀腔焓值 进气阀阀隙焓值 排气阀阀隙焓值 进气阀阀弹簧预压缩量 进气阀压又内弹簧预压缩量 排气阀阀弹簧预压缩量 空气绝热指数 进气阀阀弹簧刚度 j ( k g k ) j ( k g k ) j j k g n n n n n m j k g j k g j k g j k g m m m n m v 2 2 2 2 2 2 2 2 m m m m m m m m 6 - 墓 州缸4厶k缸 q c 靠 q e p艮名乓只以b k b b 虹切七墨 符号说明 一压叉弹簧刚度 一压缩机连杆长度 f 一气体滞止熵 坍 一压缩机气缸气体质量 一排气阀阀片当量质量 一进气阀阀片当量质量 一气缸泄漏气体质量 。 一进气阀阀片质量 一进气阀阀片弹簧质量 一进气阀压叉当量质量 m , p ， 一进气阀压又质量 ，： 一进气阀压叉弹簧质量 肛一压缩机单侧进气阀个数 肌一压缩机单侧排气阀个数 ，一压缩机单侧被顶开吸气阀个数 疗 一气体多变指数 一进气阀弹簧个数 p 一压缩机气缸瞬态压力 肋 一卸荷器液压缸内瞬态液压力 q 一气缸与外界间的传热量 q 矿 一压缩机排气量 ，一压缩机曲柄长度 尺一理想气体常数 s 一压缩机行程 r一压缩机瞬态温度 v 一压缩机气缸瞬态体积 ， 气缸气体状态比容 一压缩机气缸活塞到上止点距离 希腊字母 一压缩机压缩比 口一进气阀阀片流量系数 0 一从1 z 止点开始算起的气阀进气阀项开角度 局 一压缩机连杆同压缩机气缸中心线的夹角 1 1 1 1 s 娼娼够始昭蜉蜉 昭 蜉 n k u g n h j 瓶 m 岖m n 骞机 m 浙江大擘博士学位论文 气阀推力系数 进气阀当地气体密度k g m 压缩机角速度 l s 压缩机曲柄连杆比 压缩机气缸 压缩机进气阀 压缩机排气阀 初始状态 压缩机气缸内气体在活塞上止点时气体状态 压缩机气缸内气体在进气阀打开时气体状态 压缩机气缸内气体在活塞下止点时气体状态 压缩机气缸内气体在正常情况下排气阀刚打开时气体状态 压缩机气缸内气体在回流结束时气体状态 压缩机气缸内气体在气量调节工况下捧气阀刚打开时的气体 状态 气体临界状态 距离最大值 v 标 p m 名确 c 。d o 。2 3 4 5 6 盯 一 浙江大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 压缩机是古老的关键流程设备。在工业装置中，压缩机担负着压缩和输送气体的 任务，若把整套装置比成一个人，压缩机则是提供装置动力的“心脏”。活塞式压缩 机是压缩机家族中最古老的一种，它通过周期性改变气缸容积来达到压缩气体的目 的。随着技术进步，在大流量、中低压等气体输送场合活塞压缩机正逐步被离心、螺 杆压缩所替代，但活塞压缩机以其宽广的适应性( 高压、高温、极小流量等场合) 、 高的热效率，目前仍广泛应用于石油石化行业、油气输送等领域。近年来，能源技术 是科技发展的重中之重，新能源技术是世界科技发展的新潮流，而随着活塞压缩机在 储氢站压缩机1 1 1 、天然气( c n g ) 压缩机【2 】等新能源技术场合的推广应用，活塞压缩 机也将继续展现其强大的生命力并在今后相当长的一段时间里继续被广泛应用于流 程工业中。 活塞式压缩机属于容积式压缩机，正常工况下的流量是不变的，但工艺流程的波 动使装置并不是都处于满负荷运行，因此在实际使用过程中，活塞压缩机往往都是在 低于设计排气量下运行的。为此活塞压缩机一般都需配备有气量调节系统，以满足装 置使用的要求。 压缩机气量调节方法有很多种，如回流调节、项开进气阀调节等，若按调节方式 可分为无级连续调节和间断调节。活塞压缩机在使用如全行程项开进气阀【3 】等间断气 量调节方法时，其排气量是阶段不连续变化的，使用此类调节方法必然会对装置和压 缩机运行造成冲击，因此只有无级连续的气量调节方法才能保证装置的平稳运行。目 前，国内石化装置中的活塞压缩机仍广泛使用“一回一”、“二回二”的回流调节方法， 此方法虽然可靠且易于实现，但压缩机能耗不随排气量的大小变化，同时过大的调节 量也会引起排气温度升高等不利因素，在能源危机的今天，此种高能耗低效率的调节 方法必将被逐步淘汰。 装置中的压缩机消耗了大量的电能，据统计压缩机耗电量占整个装置耗电量的 3 0 以上，另也有统计1 5 2 0 的电网发电量都用于驱动压缩机，实现压缩机的节能 第一幸引言 环保运行意义尤其重大。据统计，目前我国石油炼化工业综合能耗消耗为7 3 0 千克标 油吨【4 】，落后于国际上5 3 2 千克标油吨综合能耗，调查研究表明技术装备落后是其 主要原因，因此开发适用于中国国情的流程工业关键设备不仅能打破国外技术垄断， 也将提高国内的技术研发水平和设备国产化率。 在部分行程顶开进气阀气量调节时，进气阀在部分压缩行程中被强制顶开，这使 得原先已进入气缸的气体回流，并使进气阀在规定时刻关闭，气缸内剩余的气体则被 压缩。用此种方法调节时只有需要的气体才被压缩，经济性较高。如镇海炼化2 d 2 5 型压缩机，安装部分行程项开进气阀气量调节装置后，以7 5 排气量运行时电机功率 下降1 2 0 k w ( 电机总功率5 5 0 k w ) ，气量调节系统连续运行一年便可节省1 0 5 万度电， 因此此气量调节方法经济社会效益尤其显著。 国内活塞式无级气量调节技术的研发落后于国外。目前，国外上已有h o e r b i g e r t 5 1 、 d r e s s r a n d t 6 】等公司开发出了基于不同调节原理的气量无级调节设备，但国外产品售 价较高，同时因技术封锁的国内不掌握核心技术，因此对设备使用过程中的技术支持 也十分有限。自2 0 0 0 年来，浙大化机所针对活塞压缩机气量调节系统进行不少研究 工作，并同镇海炼化合作开发出了被动式部分行程顶开进气阀气量无级调节系统，系 统气量调节范围为5 5 1 0 0 。在此基础上，开发出一套具有国内自主知识产权的全 量程部分行程顶开进气阀排气量无级调节系统，不仅能打破国外技术垄断并填补国内 空白，设备设计也更加符合中国国情，其产品成本低廉也更利于在国内市场推广，同 时也会促使国外产品不合理的垄断价格降阶。因此开发此气量调节系统意义重大，其 研究成果必将为国民经济命脉的石化工业的节能减排做出重要贡献。 1 2 活塞压缩机气量调节方法 目前常用的气量调节方法有【7 】： 旁路回流：多余气体经旁路返回进气腔，为使气体降压，一般在旁路装截流阀。 此方法简单、易于安装，但排气量减少同时没有使装置能耗降低，只能应用于短期或 间断性调节。 全行程项开进气阀调廿【8 】：在整个压缩循环中顶开进气阀，使压缩机单个或多个 气缸失效。此法为间断性非连续调节方法，长期使用会降低气阀寿命。 余隙调节：余隙容积大小对排气量有重要影响，通过改变余隙容积大小便可实现 2 浙江大学博士学位砼文 压缩机排气量的无级连续变化。余隙容积的改变是通过在气缸头加装附加调节装置来 实现。但是对于低压比( 1 3 ) 和低排气量( 4 0 ) 情况，所需增加附加余隙容积就很 大。此调节方法在8 0 年代就有成熟的应用，近年又开发了新的气量调节设备【9 】口 部分行程项开进气阀调节：在一个压缩机循环中，进气阀在压缩进程开始前被外 力顶开并在部分压缩行程保持开启，因此吸入气缸的气体在气缸活塞推动下又部分返 回到进气腔中，以此达只压缩需要气体的目的，实现了压缩机节能环保运行。 变频调节：通过变频技术【l o 】，无级调节压缩机电机转速使得实现压缩机排气量的 变化，此方法在低排气量工况下会对压缩机机体和气阀的工作性能有较大影响【1 1 】，同 时也存在变频投资大、运行大型变频器对电网冲击大和低转速下变频能耗大电机效率 低的问题。 文献【9 】对压缩机典型气量调节方法和典型装置进行了较详细的综述。下面给出了 现有的典型气量调节装置。 1 2 1 余隙气量调节装置 实际应用中的余隙容积调节方法在机器运行时按照余隙是否可变分为固定和可变 余隙调节。固定余隙调节通过更换余隙调节装置部件改变余隙大小。而可变余隙调节 因调节机构复杂，在国内还未有相关的报道和应用；在国外，余隙调节装置已有相当 长应用时间，现阶段开发的余隙调节装置同计算机结合在一起，实现了自动实时的控 制。 1 手动可变余隙调节 经文献【1 2 】披露的最早可变余隙容积调节装置如图1 1 示，通过人工旋转扳手改变 气缸附加余隙容积。虽然此装置已运行2 0 多年，但对调节的反馈不够及时以及不能 远程控制限制了此装置的推广应用。 图1 1 手动余隙无级气量调节装置 3 第一幸引言 2 c o p a cv v p 自动余隙调节机构 c o p a cw p 【6 】全称是c o o p e ro p t i m a lp e r f o r m a n c ea u t o m a t i cc o n t r o l l e rv a r i a b l e v o l u m ep a c k e t ，可以手动或者自动调节。其原理简图如图1 2 所示，此调节系统组成包 括：气缸附加余隙容积、顶开液压缸和控制液压缸活塞运动的两个液力蓄能器组成。 耆p d 连通 图1 - 2c o p a c v v p 装置 蓄能器和液压缸内充满液体。当两个蓄能器的连通气体压力不同时( 分别连通进 气压力只或者排气压力乃) ，液压缸活塞两边就有压差，进而推动活塞移动从而改变 气缸附加余隙容积大小。当气缸附加余隙容积大小达到要求后，关闭连接蓄能器和液 压缸的油路，液压缸内的活塞便得以固定。 c o p a cv v p 的工业应用有：h o n e o y es t o r a g ec o r p o r a t i o n ( 匿 l 一3 a ) 和w e s t e r ng a s r e s o u r c e s ( 图1 3 b ) 。在上述两个应用实例q b c o p a cv v p 分别采用t e c u r e v e s t m 软件 和以a c im o d e l i n gk e n n e l 为核心的升级c e s 。e a i a x 刑软件作为监控系统。 a ：h o n e o ) es t o r a g ec o r p o r a t i o n b ：w e s t e r ng a sr e s o u r e sc o r p o r a t i o n 图1 3c o p a c v v p 现场安装 3 d r - h v v p 调节机构 4 浙江大学博士学位论文 d r - h v v p 为由美国d r e s s r a n d 公司开发的h y d r a u l i cv a r i a b l ev o l u m ep o c k e t 。其 装置原理图如图1 4 示： 液体储罐 喊翟。謦烈阎剖磨蔫阎 j 阻_ ，灌 e d 图1 4 中平衡气压取在进气或者是排气压力。在增加气缸余隙容积操作时，单向 阀a 和阀d 打开、单向阀b 和阀c 关闭，这样液体只有通过a 增加左边液压缸体积 并经而右边液压缸多余液体则经阀d 返回到液体储灌。反之，为使余隙容积减少，则 把单向阀b 和阀c 打开、单向阀a 和阀d 关闭即可。系统采用e p e r f o r m a n c e t m 为控 上述两个自动调节的系统，调节系统动力都由压缩机本身提供，无需附加的动力 源( 如电源等) ，这一特性对工作于易燃易爆场合的压缩机就显得尤为重要。 1 2 2 部分行程顶开进气阀调节装置 部分行程顶开进气阀调节就是在压缩行程开始之前项开进气阀并在一定时间后关 闭，使得已经在吸气行程进入气缸的气体又部分回流到了进气腔中，从而减少了被压 缩气体的体积，即回流省功原理。如图1 5 所示，部分行程项开进气阀后，所作的功 为左边区域面积，右边就代表节省下来的压缩机气体的功。目前，成熟应用的此类装 置有如下几种装置。 图；i - $回流省功原理 第一幸引言 1 h o e r b i g e r 的h y d r o c o m 据报道，从1 9 9 4 年实验室研制成功【1 3 ，1 4 】到2 0 0 6 年，h y d r o c o m l l 5 j 6 】系统已经在世 界上成功应用2 0 0 多例。国内的天津石化f 17 1 8 】( 2 0 0 3 ) 、燕山石化【1 9 , 2 0 ( 2 0 0 4 ) 和高 桥石化1 2 1 】等先后安装了h y d r o c o m ，到目前为止设备运行状况良好。h y d r o c o m 更新 版本r e c i p c o m 是集压缩机运行状态监测、系统故障诊断于一体的综合压缩机状态检 测设备。r e c i p c o m 主要构成如图1 - 6 所示，系统分别由现场、中间控制室和远程d c s 控制中心组成。 图1 - 6 r e c i p c o m 压缩机排气量无级调节系统 2 d r e s s r a n d 的i s c d r e s s r a n d 是最早开始活塞压缩机排气量无级调节系统研究的机构，1 9 7 2 年首届 普渡大学国际压缩机会议就有了关于i s c ( i n f i n i t es t e p l e s sc o n t r o l l e r ) 系统的介绍【2 2 1 ， 但i s c 只最初有若干套应用后就没有得到更广泛的推广。近年来，活塞压缩机排气量 调节问题越来越受到关注，2 0 0 5 年又有关于i s c 的报道f 2 3 1 。根据d r e s s r a n d 公司网 站提供的资料，i s c 系统如图1 7 示，主要包括：油站、伺服阀、控制系统和冷却器。 i s c 系统同h y d r o c o m 区别就在于：h y d r o c o m 在每个阀都有一个伺服阀，而i s c 则 是同级同侧安排一个伺服阀。 ：i 麓；亍芝篙嚣i 一嚣一i 。 i s c ， c l i e n t 一一 一一 v 一一一 e l e c t r ot i c u h t c o 了r o 。l e 只 c o n t r 0 - p 6 “# f 翟 图1 7d r e s s r a n d 的i s c 调节系统 浙江大学博士学位论文 1 2 3 活塞压缩机气量调节新方式 2 0 0 4 - 2 0 0 5 年美国西南研究中心( s w 刚) 对可能活塞压缩机气量调节方式做过调查 【2 4 1 ，在他们的报告中总结了以下几种今后可能采用的气量调节方法，并对其中的线性 电机和大余隙容积两种调节方法进行了初步计算和原始模型验证。 1 线性电机驱动 采用线性电机作为动力源，驱动压缩机运转。压缩机结构原理如图1 8 示。 图1 - 8线性电机压缩机原理图 线性电机是近些年来快速发展的一种新型驱动设备，其制造技术已日益成熟，并 已有成熟的产品。线性电机作为压缩机动力源己应用于冰箱等小型的压缩机系统上， 并取得很好的实际效果。这压缩机的排气量调节，可以通过对线性电机线圈的电磁控 制改变活塞的行程，从而改变压缩机排气量。在对最初模型的计算后发现，目前的线 性电机性能参数如：最大电磁推力、最大输出功率、行程等还远不能达到试验样机要 求。同时由于压缩机在一个周期内作用力的巨大差异，还必须设计一个类似于回转机 械中飞轮的储能装置。此外这种方法的应用还有赖于压缩机整机设计( 包括机械、流 动通道) 的实现。 2 大余隙容积 受空间和执行机构的限制，上述的自动余隙容积无级装置的相对余隙容积范围为 1 6 - - - 6 3 。s w r i 在a r i e l2 5 0 h p 压缩机验证了大余隙容积( 2 2 5 相对余隙) 工况下 的压缩机排气量调节的实现，实验现场如图1 - 9 和图1 1 0 所示。 翱阐诵 睡露 n e wr e m o v a b l e p l u gu n l o a d e f 图l - 9a r i e l2 5 0 h p 大余隙容积实验 7 第一幸引言 ：。： 一 ：峰a r 3n ：e 、：u m 5 ( ；s * e d y ：一o m i 图1 1 0a r i e l2 5 0 h p 大余隙容积实验结果 试验结果表明，在大余隙容积条件下，不仅很好保持了活塞压缩机在全负荷工况 下高的效率，而且在1 3 2 压比、2 0 0 相对余隙容积调节同样可以取得4 0 左右的排 气量，这就可以满足绝大多数排气量调节场合的需求。 3 其它气量调节方法 1 1 相位压缩机：原理如图1 1 l 所示，气缸内有两个活塞，这两个活塞分别同两 个独立曲轴相连，调节两曲轴以旋转相位差就可以获得不同排气量。 图1 1 l 相位压缩机 2 ) 直接动力驱动：直接用蒸汽机或内燃机驱动压缩机，这个是线性电机气量调 节翻版，但是要解决如调节内燃机和蒸汽机的往复行程等更为复杂的牵涉面更广的技 术问题。对于生物、微流体等极端场合，也提出采用液体( 泵) 为压缩机动力源等一 些新的气量调节方法。 1 3 压缩机热力循环模拟 压缩机正常工作循环由一系列复杂的热力学过程组成。压缩机工作过程模拟计算 具有明显的优越性：通过预先模拟计算可以缩短设计周期，为样机试制提供依据；同 时可评估压缩机结构参数对压缩机性能的影响，为优化设计提供依据：另外可以代替 不能进行实验的工况模拟，获得难以实现实验测量的参数值；压缩机热力循环模拟的 结果也可以作为压缩机故障诊断的判断标准【2 5 】。因此，从压缩机诞生那天开始，学者 对压缩机热力循环模拟的研究就未曾停止过。 囝 浙江大学博士学位论文 1 9 5 0 年，c o s t a g l i o l a m 【2 6 】首次建立压缩机热力循环的微分方程组，但是当时计算 机未得以应用，只能采用图表等工具求解，其模型在很长的时间内未得到进一步发展。 随着计算机技术进步，1 9 6 7 年马德里十二届制冷会议【2 7 】上首次发表了采用计算机求 解c o s t a g m 模型的计算结果，至此以计算机为工具采用数值计算方法【2 8 】来求解热 力循环方程组成为压缩机工作过程模拟的一个捷径。在上世纪七、a - i 。年代，压缩机 循环的新模型和新理论不断涌现，但这些模型都在相当程度上以c o s t a g l i o l a , m 模型为 基础。从1 9 7 2 年开始，许多关于压缩机的论文都首先出现在每两年一届的普度压缩 机会议上，总的来看又以p u r d u e 大学和s t r a t h c l y d e 大学的研究最为出色。这里对现 有的压缩机热力循环模型给出一个综述。 一般将压缩机热力循环模型分为多变方程模型和热力学第一定律模型两种。 用多变方程描述压缩机膨胀、压缩过程时，假设其气缸内气体状态变化遵循多变 过程方程( 1 - 1 ) ： = p 0 堞( 1 - 1 ) 使用此模型模拟压缩机工作循环时，通过改变多变指数便可以将热力过程中热传 递考虑进来，针对特定某一台压缩机而言，其经验的多变指数可以通过数值模拟或者 实验测量获得，若计算精度要求不高也可直接取绝热指数【2 6 1 。s u f u i i 和n a k a y a m a i ：2 9 】 在此基础上也提出了更简单热力学模型，但是l e e t 3 0 】认为此类模型只能很好预测气缸 内气体压力和比容，对温度的预测精度则有待改善。 与此同时，另一些学者则以热力学第一定律为基础推导出压缩机热力循环公式。 s o e & e 1 w 1 3 1 和h a m i l t o n ，jf 【3 2 】基于热力学第一定律的活塞压缩机热力学模型，同时也 对之前的压缩机热力循环模型给出一个总结。而p r a k a s h , ，r 和s i n g h ，r 【3 3 】将热传递考 虑进压缩机循环模拟中，而n g ，eh 和t r a m s c h e l c , ab 则将真实气体状态方程应用 于压缩机模拟中，认为对于高压缩比和进气温度过高的场合需使用真实气体状态方程 仿真才能保证较高的计算准确性。l e e ，s u k h y u n g 、s i n g h , r a j e n d r a t ：如】等人也建立的压 缩机第一定律模型，并对气缸内热传递进行了详细的研究。他们采用5 种不同的方法 决定压缩机的热传递系数，得出不同方法计算得的传热系数和气缸热传递速率几乎是 不变的结论。同时发现测量得总热传递占压缩机总能耗中比重也较低，因此可以在计 算中予以忽略。而r e c k t e n w a l d t 3 s l 贝j j 采用有限元方法分析气缸内热传递，采用s i m p l e r 算法求解压缩机热力学模型，同时并也将气体弹簧效应考虑进来。 上述模拟都采用了准静态方程描述压缩机热力循环，暨认为压缩机气缸内气体热 9 第一幸引言 力学状态是均匀分布，并忽略了气体的运动动能。但实际上压缩机气缸内气体热力学 状态的变化是以平面波的形式在气缸内传递，气缸内气体状态分布是不均匀的。理论 计算表明，最为明显的不均匀程度在气阀进出口，因此对进排气阀的运动也有重要影 响。2 0 0 4 年，s t e i n r e u k , h 1 3 6 】和m a c h u e t 3 7 】在首次提出了“缸内气体波动”的概念。 m a c h u e 通过对简单波方程的特征值求解得出气缸压力波的分布，其计算结果表明同 采用准静态的方程相比其理论计算的气阀撞击速度存在较大的下降，但是m a c h u e 方 法的计算结果只能在初始阶段同实验较好符合，同时也未将流动通道的结构效应考虑 进来。a i g n e r , r t 3 8 】在2 0 0 7 年论文中则采用了平面波模型模拟气缸内压力传递，并用 f w a v e ( 一维问题) 和r i c h t m y e r ( 一- - 维问题) 两种有限体积法求解气缸压力波问题，其 计算结果很好符合了试验测量结果，此研究成果将对今后压缩机设计提供新的理论工 具。 随着研究的深入，近年来出现了基于热力学第二定律的压缩机热力模型的研究。 如对目前广泛使用的冰箱压缩机的热力学过程模拟【3 9 】，更关注于周期循环的热效率， 基于整个循环周期的全局热力学模型的建模是冰箱压缩机研究的重点，而这类模型都 以热力学第二定律作为模型基础，求解过程也可将工质的相变包含在内。s t o f f s 等【4 0 】 给出了一个压缩机全局循环计算模型，而p e r e z s e g a r r a l 4 1 】贝u 对循环体积效率等参数进 行了详细的分析，提出了提高压缩机循环效率的改进措施。d u p r e z l 4 2 】详细总结了应用 于小型活塞压缩机和螺杆压缩机的热力学循环公式。n a v a r r 0 1 4 3 】贝u 在前人基础上提出 一个半经验的l o 参数模型，模型各个参数都有实际的意义并可以通过测量或者计算 求得。s t o f f s 4 0 】也给出了基于第二定律的冰箱压缩机全局模型，采用5 个主要和4 个 次要无量纲参数描述压缩机气缸内气体的热力学状态，并给出了体积效率、单位质量 气体做功等的表达式，此模型涉及的参数都可以通过实验测得，模型能对各种工况下 压缩机热力学状态准确预测，对于循环过程中热量传递和剩余气体质量也给出了精确 描述。 而随着有限元求解方法的日益更新，有限元计算压缩机工作循环成为可能，如 p e r e i r a1 4 4 和y a