基于LabVIEW的离心压缩机动态压力测试系统研究.pdf

7 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 1 期 基于 L a b V I E W 的离心压缩机动态压力测试 系统 研 究 李杰 王航 刘宁 程凯 西安陕鼓动力股份有限公司 西安 7 1 0 0 7 5 摘要 从分析表征 离心压缩机喘振发生时的动 态压 力特性入手 揭示 离心压缩机 的出 入 1 2 及 叶轮处的动态压力信号对研究压缩机喘振主动控制的重要意义 随后在 8 0 0 k W 离心压缩机 系统 上设计了动态压力测量的 N I 测试 系统 并用 L a b V I E W 进行软件 开发和 实现 为致 力于研 究离心 压缩机 系统特性 喘振机理及主动控制方法的工程技术人 员提供 了搭建测试 系统的设计原则和 实 现方法 具有重要的参考价值 关键 词 离心 压缩机 动 态压 力 主动控 制 L a b V I E W 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 O 1 0 0 7 4 0 4 S t u dy o f ce n t r if ug a l c o mpr e s s o r dy n a mic p r e s s ur e t e s t s y s t e m ba s e d o n La bVI EW U J i e WANG Ha n g L I U Ni n g CHE NG Ka i X i n S h a a n g u P o w e r C o L t d X i 0 n 7 1 0 0 7 5 C h i n a Abs t r a ct S u r g e o f ce n t r i f u g a l co mp r e s s o r is t h e u n s t e a d y flo w p r o ce s s t he e f f e ct iv e p a r a me t e r s o f d y n a mic p r e s s u r e ch a r a ct e r is t ic o f t h is p r o ce s s is a na l y z e d Th is i l l u s t r a t e s t h a t me a s u r e me n t a n d a n a l y s is o f t h e d y na mic p r e s s u r e s ig n a l o f ce n t r i f ug a l co mp r e s s o r a t t he e x i t e n t r a nce a n d imp e l l e r is o f g r e a t s ig n ifi ca n ce t o s t u d y t h e a ct i v e co n t r o l o f co mp r e s s o r s u r g e T he n t h e NI t e s t s y s t e m is d e s ig n e d b a s e d o n t h e 8 0 0 kW ce n t r i f u g a l co mpr e s s o r wh i ch is s u it a b l e f o r t h e me a s ur e me n t o f d y n a mic p r e s s u r e o f ce n t r if u g a l co mp r e s s o r a n d t he s o f t wa r e ca r r ie d o u t b y t h e La b VI EW Th is p a pe r pr o v id e s t h e d e s i g n p r i ncip l e s o f co n s t r u ct in g t e s t r e s e a r ch a n d impl e me n t a t io n me t h o d o f t h e s y s t e m for e ng in e e r s a nd t e ch n icia n s wh o co mmi t t e d t o t h e r e s e a r ch o f s y s t e m ch a r a ct e r is t i cs o f ce n t r i f u g a l co mp r e s s o r s u r g e me ch a nis m a n d a ct iv e co n t r o l me t h o d o f s u r g e Ke y wor ds ce n t r i f ug a l co mp r e s s o r d y n a mic p r e s s u r e a ct iv e co n t r o l La bVI EW 0 引言 喘振是泵与风机类产品的固有特性 每一 台离 心压缩机都有 自己的喘振 区域 当发生 喘振时 压 缩机 的流量和能头在瞬间发生不稳定的周期性反复 变化 非稳态流动现象 气体从压缩机忽进忽出 形成周期振荡 转子受到交变负荷作用 机身发生强 烈振动并波及相连的管线 极易对压缩 机本体及检 测仪表造成损坏 因此 无论是轴流压缩机还是离心 压缩机都要严格禁止 喘振发生 抗喘振研究 一直受 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 2 0 作者 简介 李杰 1 9 8 3 女 河 南南 阳人 西安交 通大 学控制科 学与工程专业 硕士 主要 研究方向为透平 测控及其优化技术 到国内外研究人员 的重视 对于非稳态流动过程的工况而言 工质的压力 不是恒定的 具有动态变化特征 因此需要进行动态 压力的测试 以便研究其流体力学特性 以压力 传感器及配套的数据采集与处理系统为基础的动态 压力测试技术被广泛应用于石油化工 航空航天 轨 道交通等诸多学科领域 动态压力特性是表征离心压缩机喘振这种非稳 态流动过程 的有效参量 对应的测试技术也是抗 喘 振研究的重要内容 基于此 该文 以 8 0 0 k W 离心 压缩机为实验平 台 进行离心压缩机的动态压力测 试系统研究 2 0 1 5年第 1 期 工业仪表与 自动化装置 7 5 1 离心压 缩机 系统特性 从本质来看 离心式压缩机叶轮机械内部流体 特征属非定常现象 正常工作状态和失稳状态下分 别对应两类不同的非定常流动现象 一类为 固有非 定常问题 是指在正常工作条件下压缩系统内部所 固有 的非定常流动 这一现象在整个运行工况下 自 始至终存在 对机器效率有重要影响 但不直接影响 系统工作的稳定性 另 一类 为条件非定 常问题 亦 称流动失稳现象 是 当叶轮机械严重偏离设计工况 或在恶劣的流场畸变等进气条件下 一种 由系统或 局部扰动诱发的不稳定流动 流动失稳限制机器的 稳定工作范围 影响运行的可靠性 并经常在过渡态 或非设计工况运行 中导致灾难性事故 研究压缩机 在正常工作状态和失稳状态下的特征具有重要的 意义 旋转失速和喘振是离心式压缩机叶轮机械内部 流体的一类流动失稳现象 旋转失速和喘振这两种 流动失稳现象都是应该尽力避免的 通常风机生产 厂家都在风机的自动控制系统中加入了防喘振自动 控制装置 控制压缩系统在远离 失速 喘振 点 的状 态下工作 也就是不得不在设计 阶段就考虑一定的 失速 喘振 裕度 通过喘振线 的标定实现 而喘振 线的标定是 由人为感官确定的 因此存在很大的不 确定因素 喘振线的标准因人而异 这使得压缩系统 不一定能在高压比和高效率的工况下工作 是阻碍 压缩机效率提高和运行稳定的重要根源 目前在工 程中广泛采用的离心压缩机喘振控制策略是根据现 场实测 按照一定裕度设置一条防喘振线 来保证压 缩机 的安全运行 2 压缩机 的主动控制 随着压缩机 向高压 比 高转速 高效率 方 向发 展 以及人们 对压缩 系统 失速 问题研究 的深 人 在 1 9 8 5年 前后 由 E p s t e in F f o w cs Wil l ia ms和 G r e it z e r 提出了对叶轮机械压缩系统失稳现象实施主动控制 的设想 从此开始了喘振主动控制 的研究 他们认 为 失速是由于微小扰动诱发的 在扰动初期 基本 遵循线性规律发展 而 引入 的扰动量大小是 由流场 内的扰动反馈得到的 图 1所示为这种主动控制策略与传统控制方式 的比较 目前工程应用中广泛采用的传统防喘振控 制也称为被动 控制 被 动控制要求 阻止运 行点 B 到达喘振界限 而主动控制是左移压缩机的喘振边 界 增大系统的稳定工作 区域 使得压缩机可以运行 在更高效的A点 系统性能得以提升 流 量 图 1 主动控制和传统被动控制的比较 主动控制策略的最大收益就是使压缩机工作在 特性线高压比区域 充分发挥压缩机性能 达到生产 的节能增效和降耗减排 的目的 现有 的主动控制研 究水平仍停留在实验 阶段 并从经验 中摸索简单工 程控制方案 中科院工程热物理研究所有一定的实 验成果 陕鼓博 士后流动站在动态压力检测系统的 构建和试验方案上进行 了探索性研究 研究工作首先需要对压缩机的旋转失速及初始 喘振的发生机理进行研究 通过对国内外 的关于压 缩机喘振控制的方法文献的研究发现 压缩机出 入 口及叶轮处气体压力的变化与系统结构 压缩机转子 转速及系统工况存在一定 的关系 并在一定程度上可 以反映系统的稳定状态 目前国外较为认可的预测方 法主要基于 G r e i t z e r 提出的喘振模型 即通过分析压缩 机出 入口压力的变化来判断是否将发生喘振 研究表明 在压缩机的出 人口及叶轮处的压力信号属 于非线性信号 并具有动态变化的特征 3 NI 测试 系统的设计 3 1 系统设计要求 1 整个系统能满足现场做实验的便携式要求 2 具有多通道同步采集功能 1 0 k H z以上 的采 样频率 3 系统具有 良好的抗干扰能力 4 系统能灵活配置 具有 良好的扩展性 3 2 探头选型 以 8 0 0 k W 离心压缩机试验台位为例 因为用 于喘振预测的动态压力采集对传感器的要求极为严 格 因此探头 的选择需要满足如下条件 1 采样频率高 2 安装空间有限 需要微型探头 3 具有较高分辨率 4 安装现场环境复杂 探头须具有较强的抗干 7 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 5年第 1 期 扰能力 5 在憋压状态下仍能准确测得压力 综合以上设计要求 经过调研 决定选 用美 国 K u l it e 公 司 集 成硅 压 力 传 感 器 X T L一1 9 0 M 2 0 0 k P a 用于采集压缩机出 口及叶轮处压力 X T L一1 9 0 M 1 2 0 k P a 用于采集压缩机人 口 处压力 在探头端就近配置放大器用于调理信号 额定激励电源 1 0 V D C 每传感器限流 2 5 mA 线性电源才能满足要求 满量程输 出 1 0 0 m V 经调理 电路 把信号调理 到 1 5 V 3 3测试 系统 的构建 小 防喘 振 润 离心压缩机动态压力采集系统的整体框 图如 图 2所示 8 0 0 k W 离心压缩机 由一 台直流 电机通过 轴承箱驱动 实验压缩机叶轮的叶片数为 1 6片 扩 压器的叶片数为 2 4片 当压缩机工作时 处于室温 状态的大气 首先经过空气过滤器进入工作管路 大 量的气体存储于风室中等待压缩 压缩后的气体经 过出口管道及直径分别为 2 5 0 mm和 1 0 0 mm的电 动防喘振阀 最终通过排气消声器排人大气 系统 通过 自动控制或者手动控制防喘阀的开度完成喘振 实验 使系统由正常工作状态进入喘振状态 测振 系统用于机组 的安全监测保护 动态数据采集系统 主要完成离心压缩机的出口压力变化的测试 图 2 采集 系统 整体框 图 图3 动态数据采集系统框图 2 0 1 5年第 1 期 工业仪表与自动化装置 7 7 动态数据采集系统如图 3所示 由于实验环境 复杂 且小压力信号经过长距离传输衰减很大 为此 压力传感器增加 了信号调理放大器 并置于传感器 端 就近调理放大 以防止干扰 K u l i t e压力传感器 需要 1 0 V D C电源 为其配置了安捷伦 E 3 6 3 1 A线性 电源 可提供 8 O w 三组独立 的 0 6 V 5 A 和 0 2 5 V 1 A输 出 N I S C B一 6 8是一款屏蔽式 I O接线盒 可将 I O信号连往配有 6 8针连接端 口的 插入式数据采集 D A Q 设备 它兼 容配有 6 8针 连 接器的单连接器和双连接器 N I x系列和 M系列设 备 接线盒还兼容绝大多数 N I E系列 B系列 s系 列和 R系列 D A Q设备 N I P X I 一6 1 3 3 S系列多功 能数据采集 D A Q 模块具有 每通 道专用 的模数转 换器 A D C 2 5 M S s的采样速率 4个 1 2 5 1 0 V的输入 范围 2个 2 4位计 数器 定 时器和 8 条硬件定时数字 I O线 特别适合高速 连续的数据 采集 P X I 一1 0 3 3机箱具有牢 固 紧凑 的封装 和安 静的运行 是便携式系统 的理想选择 3 4 软件设计实现 软件采用 L a b V I E W 编程 实现 L a b V I E W 是 由 美国国家仪器 N I 公司研制开发 的一种程序 开发 环境 L a b V I E W 与其他计算 机语言 的显著 区别是 其他计算机语言都是 采用基于文本 的语言产 生代 码 而 L a b V I E W 使用 的是图形化编辑语言 G编写程 序 产生的程序是框 图的形式 动态数据采集的主程序框架如图 4所示 一次 数据采集经过 自检 通道设置 参数设置 采集 处理 5 个步骤 动态采集主要是利用 P X I一 6 1 3 3模块进行 数据同步采集 系统只应用了 4个通道 因为动态采 集数据量 比较大 所以把其中的一块 P X I 一 6 1 3 3在设 置通道的界面设置为不可操作 动态设置 主要是设 置其通道 采样速度 采样长度等 采样长度是指每 次采集多少个数据才进行后序处理 采样长度不应 设置过长或过短 一般 为采集 速率 的 1 2 1 4 1 8 等 P X I 一 6 1 3 3有 1 6 M在板上 内存 设置采样长度时 应注意其 内存的大小 如图 5所示 软件界面划分 分 自检 通道配置 参数设置 数据采集和数据 处理 等界 面 用选项 卡 功能实现各个画面之间的相互切换 因为压力传感 器是绝压传感器 需要输入大气压对其进行校准 每 次采集前需要输入大气压 并记录其零点 当配置完 成后 点击设置按钮对设置参数进行保存 设置完成 后进入采集界面 用户通过点击采集按纽进行数据采 集 点击停止按纽停止采集 点击存储按钮就将输出数 据存储到已经起好文件前缀名称的文件中了 图4 动态数据采集主程序框架 图 5 L a b V I E W 数据采集主界 面截 图 4 结束语 在 8 0 0 k W 离心压缩机系统上设计 了适用于离 心压缩机动态压力测量的便携式 N I 钡 0 试系统 并用 L a b V I E W 完成了测试系统软件 开发 系统结 构简 单 有较好的人机交互界面 可根据不同的要求随时 调整参数配置 存储形式 处理算法等 提供 的测试 系统的设计要求和实现方法 对致力于离 心压缩机 系统特性研究 喘振机理及主动控制方法研究 的工 程技术人员具有重要的 下转第8 1页 2 0 1 5年第 1 期 工业仪表与自动化装置 8 1 内缸 T字形 外缸 T字形 图 6 为了防止错位 可不用导柱 直接在压模缸底部 割出凹凸线 外圆镶套 如 图7所示 压模 7 这种抽芯模 在更换模 具 时 只需更 换模 芯即 可 节约了成本 简便易行 3 3 高温润滑剂 1 高温润滑剂 红冲法生产压力表铜接头 通常在 6 5 0 6 8 0 高温条件下进行 模具表面与制件的温度接近 极容 易引起压制件粘附于模具内 造成制件出模困难 因此 选配合理的润滑 剂 保证顺 利出模 是红冲中 亟待解决 的问题 制件与模具的摩擦分为内 外两种摩擦 这里所 指的是变形过程 中的制件 与模 具接触 面上的外摩 擦 高温润滑剂是指加在外摩擦两表面间的一种介 质 介质润滑越好 摩擦力越小 反之摩擦力则越大 制件表面因拉拔 粘连而引起的粗糙度更大 造成脱 模的困难 2 高温润滑剂主要成份 该文所指高温润滑剂 主要 由植物油 菜油 高温锂基脂 石墨粉 悬浮分散剂等原料组成 因涉 及企业专利权益 只作简略介绍 植物油 菜籽油 由于植 物油闪点低 易燃烧 使用 中无有害气体和积炭 具有较强 的分散功能和 吸附力 无腐蚀 能迅速粘附于热金属表面 为润滑 剂的主要成份 锂基脂 高温 一般为合成锂基脂 含有抗氧 防锈等添加剂 在该润滑剂配方中占有重要 比例 石墨为碳质元素结 晶矿物 在高温条件下具有 优 良的润滑功能 这种与锂基脂 植物油相混合的半 液态介质 摩擦阻力小 对模具与制件起到 良好的润 滑保护作用 悬浮剂 的作用是为 了增加表面的活性分散 4 结束 语 富阳市丰源铜业有限公司将红冲工艺大胆应用 在压力表接头生产中 用新工艺改造传统产业 具有 一 定的技术先进性 虽然许多方面仍在探索中 但可 以肯定 红冲法生产压力表铜接头 是压