（流体机械及工程专业论文）活塞压缩机变工况热力与动力特性的仿真研究.pdf

摘要 压缩机9 7 的时问在7 0 负荷以下波动运行，为了确保较高的运行效率，采 用变频调速进行控制。常规压缩机在变频调节过程中会出现一些现象和问题，工 作性能的变化以及频率调节范围都是未知的，本文以4 l - 2 0 8 型压缩机的变频改 造为例，首先从理论上分析压缩机进行变频调节热力与动力性能的变化，进而利 用s i m u l i n k 和a d a m s 建立了压缩机的数学模型，根据模拟仿真结果揭示了变频过程 中产生的问题：泄漏增多需要增加密封，热交换量变化需要调节冷却水量，机组 的效率降低应避免长时间低频运行等等；根据低频运行气阀工作不稳定，起动困 难，管网共振等问题，提出了各种改进措施，最终综合考虑了热动力两方面的因 素确定了频率下限。 关键词：压缩机，变频调节，仿真，热动力计算，频率下限 a b s t r a c t t h ec o m p r e s s o rw o r k sw i t h7 0 s h o u l d e ru n d u l a t e si n9 7 t i m e , i no r d e rt o g u a r a n t e eah i g ho p e r a , r i ge f f i c i e n c y , t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o n h a st a k e na l la d j u s l m e n tw a y i fc o n v e n t i o n a lc o m p r e s s o rc a r r yo nt h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o n , i t so p e r a 矗n gp e r f o r m a n c ec a nc h a n g ea n da p p e a r s o m ep h e n o m e n o na n dp r o b l e m s a n di t sf _ r e q u e u c yc o n t r o ls c o p ei su n k n o w n t h i s a r t i c l et a k e s4 l 2 0 8c o m p r e s s o ra sa ne x a m p l e f i r s ta n a l y z e dt h e r m a le n e r g ya n d p o w e rc h a n g eo ft h ec o n v e n t i o n a lc o m p r e s s o ru s i n gt h ea e q u e n c yc o n v e r s i o n a d j u s t m e n t , t h e ne s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gs i m u l i n ka n da d a m s t h e r e s u l tr e c o v e r e dt h a td i v u l g e s 联耐st os e a l ；t h ec o o l i n gw a t e rv o l u m e 础啦i 缸n e n cf o r h e a tn e e d st oc h a n g eq u a n t i 锣；a n dn e e dt oa v o i dl o n gt i m el o wf r e q u e n c ym o v e m e n t t oa v o i de f f i c i e n c yr e d u c i n ga n ds oo n i th a sp r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n to f f l yw h e e l ， m e a s u l 船u s e df o ra v o i d i n gp i p en e t w o r kr e s o n a t i n ga n ds oo i lf i n a l l yd e t e r m i n e dt h e l o w e rf r e q u e n c yl i m i tb ye v a l u a t i n gt h et h e r m a la n dd y n a m i cf a c t o r s k e yw o r d s ：c o m p r e s s o r ；f r e q 呦c yc o n v e r s i o na d j u s t m e n t ；s i m u l a t i o n ；t h e r m a la n d d y n a m i cc o m p u t a t i o n ；l o w e rf r e q u e n c yl i m i t 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果：文中对常规压缩机变频工况进行热力与动力分 析，确定了保证压缩机正常运行的频率调节下限，得出了以往通过实 验才可以得到的结果；运用s i m u l i n k 对气阀和压缩机起动特性进行 仿真分析，提出了变惯量飞轮的设计方法等，对变频压缩机的研究和 改造有参考价值。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 压缩机作为一种通用机械，它的种类很多，用途很广，广泛应用于国民 生产各个行业中，随着科学技术的进步，特别是近年来石油、化工、塑料和 合成材料以及制冷工艺的发展，国家对压缩机的需求量越来越大，对压缩机 产品质量的要求也越来越高。据不完全统计，每年压缩机的能量消耗已经大 约占中国电量的1 6 ，世界性的能源危机，给工业的发展带来了极大的影响。 能源的合理利用和新能源的开发日益得到广泛重视，世界各地正投入大量的 人力、物力、财力来研究节能技术，而压缩机又是工业用电大户，所以研究 新的压缩机节能控制方式，对于实现我国经济的可持续发展，具有重大意义， 而这些压缩机中往复活塞压缩机占主要份额，因此了解活塞式压缩机的工作 原理及特性，对既定压缩机运用新的调节控制方式，分析其调节工况下的工 作特性，对压缩机节能以及节省电耗有很大的经济意义。 空气压缩机是矿山生产的重要设备之一，它生产压缩空气，用以带动风动 凿岩机等设备以及其它风动工具，其耗电量约占全矿总耗电量的8 1 1 ，随 着矿井的延深，耗电量还将进一步增加。空气压缩机气量的供求关系主要表现 为排气压力的变化，当排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变， 但由于矿山生产用风量的不均衡，而装机容量需根据矿井最大用风量并留有 余量设计，故实际运行中空气压缩机供风量远大于实际用风量【2 l ，若空气压缩 机仍恒速运转，则储气罐内的气体压力越来越大，当罐内压力上升达到设定压 力时，目前一种采用卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用 电量仍为满负载的3 0 6 0 ，这部分电能被白白浪废掉；另外一种办法是停止 空气压缩机运行，但将会带来电动机的频繁起动。空气压缩机的空载起动电 流大约是额定电流的5 7 倍，对电网及其它用电设备冲击较大，同时使空气 压缩机的使用寿命也会缩短【3 】。 随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来越广泛。它具 有性能稳定。操作方便，节能效果明显等优点。它是一种较为成熟的高科技 产品，越来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视，所以目前 人们开始采取变频器对压缩机实行变频调速节能控制。它通过频率变化来实 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 现压缩机转速的变化进而调节压缩机的能量，是最为有效、经济的方法，其 调节范围一般为1 0 1 0 0 额定速度，可实现无级调节。因为活塞式压缩机 的容积流量和转速成正比关系，改变压缩机的转速，就可以达到调节容积流 量的目的，这种调节方法的主要优点是整个压缩机的结构不需做任何变动， 而且在调节工况下，气体在压缩机中的工作过程基本相同，压缩功率和容积 流量都基本上随转速成正比变化，因此，这种调节方法的经济性好。因为原 动机的转速是可以连续调节的，所以可以比较方便的实现排气量连续调节要 求，所以对于负荷变化较大的实际场合，采用交频器调速是最佳选择。那么 常规的压缩机通过变频调速进行能量调节，其工作性能怎样变化2 在变频调节 过程中会出现哪些特殊现象和问题? 它的调节上下限频率是多少等等都有待 于研究，变频调速压缩机的热力与动力参数都要变化，直接影响到压缩机在 常规工况下的性能，常规压缩机交频控制会遇到很多问题。例如，空压机是 大转动惯量负载，这种起动特点就很容易引起变频器在起动时出现跳过流保 护的情况，需要选用具有高起动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证既能 实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行；空压机不允许长时间在 低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差， 另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于 某一确定值等等，具体参数的变化必须通过详细的分析与计算仿真，才能得 出结论，本文就是在这一背景下展开的。 综上所述，本课题的研究意义在于：通过对压缩机变频工况的研究，分 析常规压缩机变频工况时的热力与动力特性，研究压缩机变频调节的工作性 质，以此作为依据在尽可能增大调节范围的情况下，对既定压缩机在结构上 进行适当改造，在运行上进行合理调节，保证压缩机高效安全运行，利用研 究结果，可以对社会保有量大的原有机型进行合理改造，降低能耗，提高能 量利用率；压缩机能耗的降低对于解决当前电力供需矛盾、提高电网的负荷 率和发电设备及输电设施利用率、保证电力系统安全经济运行、减小国家电 力投资等也有重要的意义 4 1 0 1 2 国内外的相关技术及发展现状 1 2 1 活塞式压缩机的发展进程及现状 公元前1 5 0 0 年我国商代劳动人民发明的木制风箱，是往复压缩机的雏形， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 近代空气压缩机的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德国制造成功的机械真空泵。7 0 年代初期，德国德累斯顿技术大学提出了著名的各类压缩机技术演化完善度 评价曲线，标明往复活塞压缩机的历史最久远、交革进程最长、完善度最高， 即使其它类型压缩机虽后起却迅猛的技术发展，使往复活塞式压缩机七十年 代前在各种应用领域的全面垄断地位发生了不小的变化。不过，由往复式压 缩机自身固有的结构特点和工作特性所决定，迄今为止，它不仅在世界工艺 流程中用于中高压力、大中小容量领域，还在若干专用场所拥有牢固的技术 经济优势，并占有压倒性的份额。2 0 世纪5 0 年代初的国民经济恢复时期，各 类矿山亟需采掘用空气压缩机，我国压缩机制造业遂应运而生，从1 9 5 0 年， 我国开始制造压缩机以来，制造技术已经越来越成熟，各种压缩机产品型号 齐全，广泛应用于空气动力、输送、工艺制冷流程中。例如，低密度乙烯聚 合用超高压压缩机，迄今仍由往复压缩机所独占，为其它类型压缩机所无从 问鼎。近2 0 年来，无论是在国际上还是国内，活塞式压缩机主要用于以下几 方面： 在各种矿山机械中，用各种空气压缩机驱动风镐、风钻等； 炼油及石油化工企业多种装置及流程所需多品种、大中功率、中高压力 氢气压缩机； 石油、天然气企业天然气输送及天然气回注采油用多品种大中功率、高 压力天然气压缩机； 冰箱、冷库、空调用中小功率制冷压缩机。 1 2 2 活塞式压缩机的新进展 1 驱动机构的变化 传统的往复压缩机是由旋转电机通过曲柄连杆机构使活塞产生往复运 动。近年来，国际上涌现出依靠电磁振荡作用的直线电机直接驱动活塞往复 运动的压缩机，目前仅限于小功率压缩机上。 2 中大型压缩机 英格索兰公司推出v i p 型压缩机，这是2 0 世纪5 0 年代起，大型往复压 缩机从一般卧式变成对动式后，结构上的又一创新，其主要创新点是十字头， 活塞杆直接连接于十字头销上，使十字头只承受侧向力，需要用叉型连杆小 头。实际使用的运动件最大作用力为8 0 0 1 0 0 0 k n ，是目前世界上最大的往复 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 用压缩机。 3 新材料及合成润滑油的应用 聚醚酮，质量轻，作为气阀阀片时可用较大的升程，并且噪声较小，聚 苯胺脂，具有自润滑性能，可以解决长期困扰气缸无油润滑时活塞环的冷流 问题，而且密封的压力可突破过去限制的1 5 m p a 。合成润滑油，可用于排气 温度超过1 8 0 的压缩机。 4 新工艺 应用激光照射提高气缸内壁的耐磨性，并且应用大型数控加工中心，使 加工精度提高。 1 。2 3 国内外活塞式压缩机节能研究概况 国际压缩机工程会议( i c e c p ) 是压缩机行业规模最大的国际性学术会议， 其目的在于介绍压缩机领域的最新研究成果及最新设计、考察压缩机技术发 展及应用的现代工业水平和给专家同行接触、交流和探讨提供机会。该会议 始于1 9 7 2 年，原名为普度压缩机技术会议，由美国普度大学机械系r a yw h e r r i c k 实验室负责组织，每两年召开一次。鉴于参加会议代表日益广泛，从 1 9 8 6 年起，更名为国家压缩机工程会议，距今己经召开1 6 届。从各届会议发 表的关于变工况研究的论文统计来看，自从活塞式压缩机广泛应用于工业生 产之后，对活塞式压缩机变工况运行的研究就一直没有停止过。变工况研究 主要分为两个方面：一方面是进行压缩机变工况运行的热力计算研究，即在 己知条件下，通过理论计算交工况运行时压缩机各个热力参数的值，确定压 缩机能否在新工况下安全可靠地运行；另一方面是在保证机器安全运转的前 提下，进行变工况试验研究，得出变工况运行时压缩机各热力参数与压缩机 捧气量和功耗之间的关系。变工况包含的范围比较广泛，虽然人们对往复式 压缩机各种变工况的研究仍在持续，但研究热点已经转移到变频调节压缩机， 尤其是随着变频技术的发展以及节约能源的呼吁，变频调节压缩机在向高性 能、大调节范围方向发展，变频压缩机的应用越来越广，已不再局限于制冷 空调用压缩机，大中小型动力用，工艺用压缩机也在逐渐采用变频调节，所 以研究变频调节工况在各种压缩机上的使用仍是热门课题，尤其是大型空压 机，石油、化工用氢气压缩机和输送天然气用压缩机，普遍采用变频调节工 况是节能使用压缩机的一种趋势。将变频调速技术引入空气压缩机领域，是 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 近几年来各空压机厂家研究的重要课题。各大品牌专业空压机供应商都推出 了自己变频空压机产品，并迅速在其高端市场具有很不错的表现。目前，变 频空压杌的应用非常普遍，因此，空压机的改造市场非常巨大。 1 2 4 变频调速节能功能 变频调速通过频率变化以实现压缩机的转速变化来调节压缩机的能量， 是最为有效、经济的方法，其调节范围一般为l o 1 0 0 额定速度【5 】，可实现 无级调节。因为活塞式压缩机的容积流量和转速成正比关系，改变压缩机的 转速，就可以达到调节容积流量的目的，这种调节方法的主要优点是整个压 缩机的结构不需做任何变动，而且在调节工况下，气体在压缩机中的工作过 程基本相同，压缩功率和容积流量都基本上随转速成正比变化，因此，这种 调节方法的经济性好。因为原动机的转速是可以连续调节的，所以可以比较 方便的实现排气量连续调节要求。变频器进行转速调节电机耗电量决定于其 输出功率，输出功率p 与电机转速n 的立方成正比，而电机转速n 与供电频 率f 成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大 幅度下降，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。 由于变频器造价很高，目前国内变频技术在活塞压缩机上应用还很少，主 要因为变频器增加了成本，但随着现在电子工业的发展，变频器也在不断完 善，不断降低成本，因此使其获得广泛应用越来越成为可能，就负荷变化较大 的实际场合而言，增加投资成本与运用变频所获得的收益相比将显得微不足 道，因为活塞压缩机上利用变频技术有以下几点优势【6 】： ( 1 ) 节能，能效比高，根据有关介绍，调节频率比压开迸气阀调节方式最大可节 能3 0 。 ( 2 ) 无级调速，调节范围广，适应负荷变化范围宽。 ( 3 ) 压缩机起动电流小，可以进行软起动，对电网干扰小压缩机的使用寿命长， 由于避免了压缩机的频繁起动停机，因而压缩机的磨损少、寿命长、可靠性 高。 ( 4 ) 捧气量变化波动小、精度高、响应快。 电机为直接起动或y d 起动时，起动电流等于3 7 倍额定电流，这样会对 机电设备和供电电网造成严重的冲击，对电网容量要求过高，起动时产生的 大电流和震动对设备的使用寿命极为不利，而起，停时，极易造成管道破裂。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 若采用变频调速技术，可通过频率调节来实现电机在很宽的范围内利用变频 器的软起动功能，将使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，实现 了真正意义上的软起动。不但减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，而 且能延长设备使用寿命，减少设备维修费用。 1 3 本文研究内容 根据各种文献 7 】等，对于变频压缩机的工作特性，频率范围的选取，都 是通过实验获得，而在这种变频工况下，它的热力和动力参数如何变化，频 率对压缩机性能的影响以及其工作频率范围的理论分析与计算，国内涉及到 这些方面的研究很少，本文将这一变工况下热力与动力的分析作为主要内容， 弄清压缩机变频工况的工作特性，对于更有效的利用原有空气压缩机，并对 压缩机进行改造有一定的指导意义，从而带来直接的经济意义与社会效益。 压缩机的热力设计是在已经确定初、终参数、功率和转速的条件下，计算和 确定排气量。级数、各级尺寸参数和效率，压缩机在设计工况运行称为设计 工况，由于压缩机各级的尺寸是按设计工况的要求确定的，所以一般的设计 工况下压缩机的效率达到最高值，但实际运行中压缩机的排气量将根据外界 的需要而变化，从而引起压缩机的转速、效率等参数的变化，压缩机在偏离 设计参数的条件下运行，就是压缩机的变工况。变频调速也是一种变工况， 常规压缩机变工况运行时，压缩机的可靠性和经济性将要受到影响，严重时 甚至使压缩机发生事故。一般在实际应用中，压缩机是在额定转速下运行的， 它的瞬时排气量是不变的，然而，最终所需的用气量不是一成不变的，用气 量的高低，常常会使压缩机排气压力超过或小于额定排气压力，为了不使压 缩机发生超压爆破等事故以及节省功耗，必须要求压缩机根据用户用气量的 变化而自动调节供气量。变频调速作为新一代气量调节方式正在迅猛发展， 但是很多变频产品都是经过特殊设计的，例如，现有变频空调采用的是特殊 设计的高转速高频率压缩机，那么常规的压缩机通过变频调速进行能量调节， 其工作性能怎样变化? 在变频调节过程中会出现哪些特殊现象和问题? 它的调 节下限频率是多少等等都有待于研究，本文旨在找出以上问题的答案。 变频调速会受到很多因素的影响，首先，受原动机本身性能的限制，例 如，内燃机只能在1 0 0 6 0 转速范围内变化，如若再想降低排气量，需其他 辅助措施；低于额定转速时，发动机经济性降低；其次，在低转速下，因为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 压缩机进气速度降低，压缩机气阀工作可能不正常。气阀、气缸、冷却系统、 压力、温度都可能发生变化，零部件的受力、熟膨胀和热交形也都可能发生 变化。再次，活塞压缩机的油泵若与压缩机曲轴相连，当频率很小时，转速 很低，有可能压缩机润滑油供油不足，此时应考虑设置外置油泵。最后，如 果活塞压缩机转速太低，由于压缩机阻力矩的存在，压缩机可能无法起动， 所以实际上变频调节是有一定范围的，我们希望能够从o 1 0 0 都采用变频调 节，但由于压缩机组其本身的特性，这是不能实现的，但是我们可以通过分 析了解其频率变化时的热力与动力特性，确定频率下限值。根据分析结果， 在尽可能扩大调节范围的情况下，对压缩机本身进行适当的改进，保证压缩 机安全经济的运行，所以弄清压缩机的变工况特性是至关重要的。 所以本文针对压缩机变工况中的变频调节进行研究，并且以广泛应用于 矿山机械和化工机械的空气压缩机为主要研究对象，因为变频技术最早应用 于空调器中，对于空调用压缩机研究也比较多，而目前在大中型活塞式空气 压缩机上变频技术还很少应用，但随着节能的更高要求，这项技术会逐渐应 用到空气压缩机上，所以研究空气压缩机的变频工况是很有必要的。我国生 产的l 型系列空压机，技术经济指标与国外同类产品相近，但国内的老产品 的经济指标比较差，比功率较大，而且社会保有量大，对此型号的压缩机进 行更新改造，对于节约能源有不可估量的作用，所以根据选定的目的，拟定 对压缩机进行如下分析与计算，以我国广泛应用的排气压力为o 8 m p a ，两级 动力用4 l - 2 0 8 型压缩机为例，它本身是异步电机拖动，能够进行变频调速， 改造过程简单，只需在原工作系统中加上变频器，无需改动其它部件，对这 样的系统进行讨论，有很大的实用价值，所以针对压缩机实际应用中多在非 满负荷下工作的情况，对压缩机工频以下调节进行分析，了解它的工作特性 并运用s i m u l i n k 进行仿真复算，验证计算结果的准确性，具体进行以下工作： 压缩机的热力计算：分析变频工况下压缩机的工作特性，利用m a t l a b 绘 制曲线图以分析其膨胀系数、摔气温度、输气系数、气缸壁的热交换随频率 的变化，并计算出交频工况下的功率， 变化的关系，根据各个参数的允许值， 为动力计算提供依据。 绘出指示功图，分析各个参数与频率 确定压缩机变频调节的频率下限，并 泄漏计算：根据经验公式和压缩机泄漏模型，对活塞一气缸问的泄漏、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 吸捧气阀的泄漏量进行计算，为频率变化确定合适范围，保证其泄漏量在允 许范围内。 压缩机的动力计算：根据气缸参数以及压缩机工作状况，计算出气体力、 活塞力、摩擦力等力；并提供气体力、活塞力、惯性力等力的变化规律及相 应力矩的变化规律，验证压缩机飞轮矩在变频工况下是否满足要求，并且进 行动力仿真，分析其动态特性。 从压缩机的结构和原理出发，运用s i m u l i n k 建立描述压缩机在变频工况 下的吸、捧气过程运行规律的数学模型；对压缩机的实际工作过程迸行模拟， 获得气阀的运动规律，分析气阀在各种工况下的运行情况，找出转速对气阀 的影响因素。 针对压缩机变频调节工况下频率变化频繁的情况，计算压缩机负载曲线 以及电机变频控制的机械特性曲线，分析压缩机变频工况的拖动与起动特性。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 2 变频调速压缩机工作原理与热力性能参数 2 1 变频调速技术的原理 变频调速技术就是在交流电动机和电网之间装一个频率可变化的装置一 变频器。它能够改变供电电源的频率，其输出频率可随着生产机械的需要而 变化。也就是说频率，不再是电网电源的固有频率5 0 h z ，而是通过交频器之 后成为可变化的。根据交流异步电动机的输出转速公式： n = 6 0 f 0 一j ) p ( 2 - 1 ) 式中厂一电网电源的频率( 我国为5 0 h z ) ； p 一极对数； s 一转差率。 我们把变频器的输出频率记为工，代人上式，则 = s o f ( 1 一f j ，( 2 - 2 ) 在转差率s 变化不大时，交流电动机的转速基本与厂成正比。 根据电磁感应原理【引，整理可得电势方程式为： u = 4 4 f w k ( 2 - 3 ) 式中u 一施加于电机定子电压，v ； 一电机电源频率，h z ： 形一绕组匝数； x 一基波绕组系数。 在变频调速时，只要磁通妒保持不变，则电源频率厂就与电机定子电压成 正比，那么电机的转速和输出功率就随着电源频率的变化而变化。当电源频 率减少时，电机的转速也随之减少，从而使空压机的转速随着生产需要进行 调节。 在电机控制过程中，使每极磁通保持为额定值不变是关键的一环。磁通 太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费，若增大磁通，又会使铁心饱 和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异 步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，因此由上式可知，只要同 时协调控制( ，和厂，就可以达到使恒定的目的。当定子频率，较高时，感应 电动势e 的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，为定子相电压e * u ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 则得 ， 矿：k ；。：删( 2 - 4 ) i 改变定子侧的输入电压，即可调节电动机的频率，这就是恒压频比( v r ) 的控制方式。该方法实现起来简单，便于控制在调速性能要求不是很高的场 合，也是目前广泛采用的一种调速方法。 2 2 变频压缩机的控制要求 压缩机多采用变压变频控制，变频控制的要求有以下几点【9 1 ： 1 要求压缩机在整个调速范围内性能稳定可靠； 2 保证变频压缩机润滑供油量的适度； 3 变频压缩机工作范围宽，需要解决低频时的共振和高频噪声问题。 4 减少损耗，提高效率。 5 要求在起动时，以1 3 h z s 的速度提高变频器的频率，从0 h z 开始起 动，升频到4 2 h z 左右时，停止升频，以保证充分润滑，至1 分钟，然后以 l - 3 h z s 的速度将频率调到控制器要求的频率下。 2 34 l - 2 0 8 型压缩机变频调速改造方案 以某煤矿空压机的具体生产情况为例，原有1 3 2 k w 空压机5 台，空气压力调节范围 较大，压力不稳定，且不在用气高峰时，有一台空压机在空转，耗能较大。由于该公司 生产主要集中在白天，而晚上用气量小，到晚上就出现严重的“大马拉小车”的现象了， 空载时间较长，造成巨大的能源浪费，所以应用变频技术对该厂的空压站进行变频节能 改造。 2 3 1 系统参数 1 空压机型号：l 型两级双缸水冷空气压缩机4 l - 2 0 $ 2 主电机型号：y 3 1 5 m 2 - 6 额定功率1 3 2 k w ，额定电压3 8 0 v ，额定电流2 5 0 a ，额定转速9 6 0 r r a i n 3 变频器：欧姆龙无感矢量变频器k v 2 0 0 0 - g 1 3 2 0 _ 4 t ，额定电流2 5 3 a 4 远传压力表：v r p l o - a 电l o b 2 3 2 系统工作过程 如上所述，流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用 气流量。在供气系统中，储气罐中的气压能够充分反映供气能力与用气需求 辽宁工程技术大学硕士学位论文 之间的关系： 若 供气流量 用气流量一储气管气压上升 若 供气流量用气流量一储气管气压下降 若 供气流量= 用气流量一储气管气压不变 所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气压力恰好满足用气需求， 这就是恒压供气系统所要达到的目的。根据要求，我们采用两个选择开关和 两个交流接触器，可对两台空压机中的任意一台进行变频控制，当变频故障 时可切换至工频运行【1 们。 空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图 2 1 所示。 图2 - 1 恒压供气系统框图 变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气罐出气口的压力变送器将 储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的p i d 调节器，与压力给定值进 行比较，并根据差值的大小按既定的p i d 控制模式进行运算，产生控制信号 去控制变频器的输出电压和逆变频率，调整电动机的转速，从而使实际压力 始终维持在给定压力。另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳 定转速可由变频器实现软起动，避免了起动时的大电流和起动给空气压缩机 带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。 变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了 工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器 直接供电，使空气压缩机照常工作。 整个控制过程如下： 用气需求t 一管路气压l 一压力设定值与反馈值的差值t p i d 输出t 一变频器输出频 率t 一空压机电机转速t 供气流量t 一管路气压t 辽宁工程技术大学硕士学位论文 给定篷力 p f 图2 - 2 压力频率p i d 曲线图 时间 l l l 2l 3n 图2 3 空压机变频电气控制图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 如图2 - 3 ，空压机电机的电路上安装了“市电”、“节电”接触器，这样可以有“市电运 行”与“节电运行”两种工作模式选择：市电运行模式下，变频器不工作，整套系统按原有 方式手动起停、工频运行：节电运行模式下，空压机由变频器直接拖动，系统根据用气 量的变化，自动调节空压机的电机转速，使得储气罐始终保持恒定压力的气压输出。另 外，系统还有一套手动控制系统作为自动控制系统的备用系统，当自动控制系统出现故 障或进行检修时，可以方便的进行切换，不影响生产过程的连续性。手动系统与自动控 制系统之间有可靠的互锁，避免同时工作，损坏控制设备。 2 4 变频工况下往复压缩机的工作循环 2 4 1 概述 压缩机变频工况时压缩机的操作条件即各级进气压力、迸气温度、排气 压力都不发生变化，只有转速发生变化，那么其它参数也会相应改变，从而 破坏了压缩机各级之间原有的协调平衡关系，直到重新建立起一种新的协调 平衡关系为止。由于工作状态发生了变化，因此压缩机捧气量和功率也会发 生相应的改变。所以分析各个热力参数的影响因素，为变频工况热力性能的 研究做准备工作。虽然压缩机处于变工况时其排气量和功耗与正常工作时不 同，但其工作过程也遵循压缩机工作过程的基本原理。 压缩机的工作过程一般以压缩机级的循环为研究对象，压缩机级的循环 是指压缩机对气体进行连续压缩的单元。压缩机的曲轴旋转一周，在气缸容 积中所进行的各过程的总和称为级的循环。 2 4 2 压缩机级的理论循环 为了深入的研究实际压缩机的工作过程，对实际情况作如下的简化和假 设：( 1 ) 气缸没有余隙容积，被压缩气体能全部排出气缸；( 2 ) 进、捧气系 统没有阻力损失；( 3 ) 进、排气过程中气体无温度变化：( 4 ) 工作室缸内气 体无泄漏损失。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 圈2 4 压缩机级的理论循环指示图 压缩机级的理论循环指示图如图2 4 所示，图上k 相当于气缸的进气容 积，4 1 被称为迸气过程，气体比容不变，1 2 为压缩过程，2 3 为等压排气 过程，3 - 4 表示排气终了和吸气初始时缸内气体压力的瞬时变化关系。 实际上，级的理论循环是不存在的，建立理论循环的目的，是设置一个 评价压缩机性能的标准。因为理论循环中，压缩机吸入或排出的气体容积最 大，即等于压缩机的行程容积圪，对于活塞式压缩机等于活塞一个行程所扫 过的容积。 圪= a ， ( 2 - 5 ) 式中彳。一活塞面积，m 2 ； s 一活塞行程，m 。 2 4 3 压缩机级的实际循环 在分析理论循环时忽略了若干因素的影响，实际上这些因素都客观存在， 有时这些因素在具体条件下还可能转化成主要的影响因素，所以在分析压缩 机级的实际循环时，必须全面加以考虑【1 。图2 5 所示为活塞每往复一次气 缸内气体压力与容积实际变化的情况。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 m n p j p s p b 。p 厂l 3 。 1 i 声 ，、一 d a v v 0 v o v v h 图2 - 5 压缩机级的实际循环指示圈 图中a ，办分别表示吸、排气管内名义吸、排气压力，p ，、p 。表示气缸内 实际平均吸、排气压力。从图中可知，当活塞从内止点a 向左移动时，吸气 阀关闭，缸内气体开始被压缩，压力逐渐升高，压缩过程如a b 曲线所示。 缸内气体压力升高到大于排气管内的名义捧气压力足以顶开排气阀时才开始 排气，捧气过程如b c 曲线所示。由于缸内残存高压气体，使得缸内出现了 气体的膨胀过程，如曲线c - d 所示。缸内之所以残存高压气体是由于实际压 缩机都存在余隙容积，所以压缩机不像理论循环那样，活塞一回行就可以吸 进新鲜气体，只有当缸内残留气体的压力膨胀到低于吸气管内名义吸气压力 p 时，才能吸入新鲜气体，吸气过程如d a 曲线所示。由于活塞运动速度变 化以及阀片动作的惯性影响，吸、排气两条过程线都呈带倾斜的波浪线。故 实际循环是由吸气、压缩、排气、膨胀四个过程所组成。 2 4 4 压缩机的熟力性能参数 2 4 4 1 压缩机实际循环中的几个基本性能参数 由以上分析可知，实际循环与理论循环存在着较大的差别，从而引出了 反映实际循环与理论循环差别的几个热力参数，这主要包括以下几个方面； 1 容积系数 实际压缩机由于结构上的需要，气缸存在余隙容积v 0 。在排气终了时， 排气阀关闭，残留在余隙容积中的高压气体因活塞从外止点位置回行而膨 辽宁工程技术大学硕士学位论文 胀，出现了一个膨胀过程，使得吸气量从理论的v h 减少到v ，如图2 5 所示， 即减少了v 。的体积量，压缩机实际吸气量变为v l v hv o v i 。反映了气 缸由于余隙容积的存在对压缩机吸气量的影响，用容积系数五来表示。按等 端点多变膨胀过程的原则，列出初始点3 和终点4 的过程方程便可得到如下 的数学表达式，定义乃为容积系数， 以= 鲁= 半- t - 毒防十斗小协6 ， 式中口一相对余隙容积5 占一名义压力比。 2 压力系数 由于实际压缩机吸气过程中的气阀阻力、流道阻力使气缸的实际吸气压 力n 低于名义吸气压力p ，如果把吸入缸内的气体体积量折算到名义吸气压 力p ，下，会使压缩机吸气量减少，这种反映因阻力损失而引起吸气量的减少 的参数称为压力系数名。 3 泄漏系数 实际压缩机存在气体泄漏，因为被压缩后的气体通过气阀、活塞环、填 料函等不严密之处都可能造成气体向外或级问的泄漏，所以实际压缩机的排 气量不可能等于吸气量。泄漏由于泄漏到机器外，直接降低压缩机的排气量， 泄漏系数 反映泄漏对吸气的影响。 4 膨胀指数 由于压缩和膨胀过程中存在不稳定的热交换，实际循环过程指数m 不为 常数。在正常情况下，压缩机工作一段时间后，气缸和活塞的温度总是高于 吸气温度低于排气温度，所以在吸气过程中气体被气缸和活塞加热温度升高， 在排气过程中气体温度比壁温高，气体放热降温。但是由于压缩与膨胀过程 中热交换的情况比较复杂，气体有时向气缸放热，有时从气缸吸热，所以过 程指数m 并非定值。例如膨胀初期，气体温度高于缸壁温度，过程指数m k ， 表现为放热过程；随着继续膨胀，气体温度很快下降并低于壁温，过程指数 1 m k ，表现为吸热过程，实际压缩过程的m 值也有类似的变化。 2 4 4 2 压缩机的排气量 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 压缩机的排气量通常是指单位时间内压缩机排出的气体换算到最初吸气 状态下的气体体积量。排气量不仅是生产应用上的重要指标，而且也是确定 压缩机驱动功率、结构型式和尺寸的重要依据。 根据压缩机排气量的定义，排气量是压缩机单位时间内排出的气体体积 流量换算到压缩机一级吸气状态下的气体体积量。压缩机的排气量实际上表 示了压缩机在单位时间内能够压缩和输出气体量的能力。对于单级压缩机而 言，排气量，等于 乃= 乃丸冬4 聆( 2 - 7 ) 式中一一转速，r r a i n ： 圪一气缸行程容积，m 3 ； 丸一容积系数； 丸一压力系数； 乃一温度系数； 丑一泄漏系数。 2 4 4 。3 压缩机的功率 如前所述，实际循环指示图上气体工作过程线所包围的面积，即为该气 缸一个工作循环过程中压缩气体所消耗的功量，简称指示功量矿，单位时问 内所消耗的指示功量为指示功率，用只表示。确定指示功率的方法有实测法 和解析法两种。实测法是利用实测得到的指示图求指示功的方法，常用于已 有压缩机的功率测试。解析法是利用等功法原则简化实际指示图来计算指示 功，常用于压缩机的设计计算上。实践表明，不论膨胀或压缩过程，当其当 量多变指数i l l 近似等于该气体的绝热指数k 时，就能满足等功法的原则等 功法就是在保证指示功相等的原则下，从膨胀及压缩过程线的始点出发，做 出两条当量定指数过程线代替实际的膨胀和压缩过程线。简化后，实际循环 指示功旷，便可利用前述的理论公式进行计算，可得压缩机的指示功为 = ( 1 一t 拗，刍妊+ 磊疗一1 ( 2 8 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式中g 一名义压力比； 磊一进，排气过程的总的压力损失，一般取磊= 疋+ 吒； 万，一相对进气压力损失，坑= 印，p , ： 5 p 一枢贰撩气匿力损失，6 尹印p | p p t 为了减小计算误差，计算式中的( 1 一坑b ，应该用a 。b 代替，即 巧卅朋击n 磊声h 协9 ， 指示功率为单位时间内所消耗的功量，所以压缩机的指示功率为各级指示功 率之和，即 只= 盖= 品a 锻与 b ( 1 + 孵一， 。( z 。) 式中形一级的指示功，j5 只一指示功率，w 。 2 5 小结 本章介绍了变频调速技术的原理以及应用于压缩机v f 控制方式，恒压 频比( v f ) 的控制方式实现起来简单，便于控制在调速性能要求不是很高的场 合，是目前广泛采用的一种调速方法。以4 l 2 0 8 型压缩机为例，列出系统变 频改造方案，给出了系统的工作过程，在压缩机变频调节过程中，压缩机的 工作循环过程与常规压缩机相同，只是相应的一些参数发生变化，所以以压 缩机级的循环过程为例，介绍了反映压缩机工作特性的几个热力参数，为下 一章对于热力特性的分析奠定基础。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 3 变频调速压缩机热力性能的研究 3 1 概述 压缩机的变频调节即为转速的调节，降低频率就是降低压缩机的转速， 转速是压缩机的重要参数之一，转速的变化会引起其它热力性能参数的变化， 例如压缩机的排气量、功率、进排气阀的运动规律、进排气腔的压力脉动， 气缸内热交换等。所以分析各个热力参数的影响因素，为变频工况热力性能 的研究做准备工作。 3 2 变频调速引起热力性能参数的变化 3 2 1 压缩机变工况计算的基本原则 变频调速时转速发生变化，压缩机属于变工况运行，压缩机的主要热力 参数均与级阃压力比有直接或间接的关系，即都是压力比的函数( 12 1 ，因此， 在变频工况计算中，应着重分析和计算压力比随转速变化而变化的规律，计 算转速变化后气缸的实际压力比，在此基础上，则其它的热力参数就顺利确 定。 气流的压力损失与气流速度的平方成正比，而流速与压缩机转速成正比， 倘若压缩机的转速由厅变到甩，其变化比值以z ：生表示，那么吸排气过程气 流的相对压力损失比值为 鲁= 2 趔们 鲁= 阿班“s 式中坑一调速前排气压力损失； 坑一调速后排气压力损失； 最一调速前吸气压力损失； 一调速后吸气压力损失。 把压力损失公式代入压力比计算公式，整理之后可得转速改变之后实际 辽宁工程技术大学硕士学位论文 压力比的计算公式 p ：3 + o 1 6 8 2 2p ，一0 0 7 2 f 钳 f 丽亭巴沥矛 式中占一变频调速前的压比。 那么z 的取值为大于0 小于1 的某个数，取一级气缸为研究对象，因为 两级气缸工作原理和过程相同，唯有参数不同，为了避免重复计算，以下计 算若未加说明，均以第一级为研究对象，取占= 2 7 ，迸气压力0 1 m p a ，捧气 压力为o 2 7 m p a , 那么上式变为 占= 2 7 堡塑警石舔 根据以上表达式绘出压力比与速度变化比值的曲线图3 1 如下 图3 l 压比随转速比的变化关系图 由上图可见，转速比在0 9 1 时，压比几乎没有变化，但是当转速进一步 下降，转速比在o 6 0 9 时，压比随转速比下降很快，当转速比在0 1 - o 6 时， 压比随转速比缓慢变化，随着转速的降低，压比以不同的程度在减小，那么 当压比过低时，使一级排气压力达不到要求，二级排气压力比升高，排气温 度升高，不利于正常工作，严重时造成润滑油粘度降低，出现拉缸现象，所 以单单从转速影响压比的角度考虑，转速不能调的太低，它直接改变了迸捧 气压力损失，即实际的进排气压力的变化，实际压比会大大偏离理想压比。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 2 2 变频调速对热力过程膨胀指数的影响 膨胀指数是压缩机热力计算的重要参数，为防止活塞与缸头相撞，活塞 移至止点位置时，总存在着气缸的残余容积以及阀通道残余容积。在排气终 了时，掉气阀关闭，残余在余隙容积内的高压气体因活塞从止点位置返回而 膨胀，使得吸气量减小，该膨胀过程直接影响了气缸工作容积的利用率。m 值 的大小反映了膨胀过程中气体与外界能量交换程度的情况，处于膨胀过程的 气体与外界热交换，吸热量多m 值偏低，膨胀过程线越平缓，反之，m 值越 高，膨胀过程线越陡1 1 3 】。膨胀指数的变化主要受热交换的影响，所以想要了 解它的变化，首先要分析热交换与转速的关系。 3 2 2 1 气体与气缸工作腔壁的热交换 对于空气动力用压缩机，由于工质的温度较低，可不考虑辐射换热，气 体与缸壁之间的热交换，主要为对流换热，可按牛顿冷却公式计算，牛顿公 式表达不出热通量与温度条件，气体的物理性质和相互热作用物体的表面大 小的实际函数关系，但从本质上说牛顿公式是一个恰当的计算方法，它把热 交换计算中所有困难变为确定传热系数口 d q = 口口一t ) f d t ( 3 - 4 ) 式中口一表面传热系数，w ( m 2 k ) ； q 一工作腔壁传给气体的热量，k j ； r 一气体温度，k ； r 。一工作腔壁的温度，k ； ，传热面积，m 2 ； f 一传热时间，s