往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)氣閥頂開力設(shè)計(jì)

李穎，洪偉榮

（浙江大學(xué)化工過程機(jī)械研究所，浙江杭州310007）

往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)氣閥頂開力設(shè)計(jì)

李穎，洪偉榮

（浙江大學(xué)化工過程機(jī)械研究所，浙江杭州310007）

針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)部分行程頂開進(jìn)氣閥氣量調(diào)節(jié)方法，分析推導(dǎo)了排氣量計(jì)算公式，確定了被動(dòng)式氣量調(diào)節(jié)比例與氣閥頂開力之間的數(shù)值關(guān)系。基于MATLAB的GUI功能，設(shè)計(jì)了用戶界面，為快速準(zhǔn)確的完成氣閥頂開力設(shè)計(jì)提供一種可行的方法。

往復(fù)壓縮機(jī)；氣量調(diào)節(jié)；排氣量數(shù)值計(jì)算；氣閥頂開力；用戶界面

1　引言

往復(fù)壓縮機(jī)具有排氣壓力廣、熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為石化行業(yè)不可缺少的主要設(shè)備。現(xiàn)今，隨著企業(yè)生產(chǎn)彈性的增大，對(duì)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的要求也越來越高。部分行程頂開進(jìn)氣閥氣量調(diào)節(jié)，節(jié)能效果好、調(diào)節(jié)范圍大、經(jīng)濟(jì)效益顯著，是往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的一種理想方法。對(duì)于氣閥頂開方案，在國內(nèi)流行的有被動(dòng)式頂開和主動(dòng)式卸荷兩種方法［1］。相比于主動(dòng)式，被動(dòng)式調(diào)節(jié)方法有著執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)施方便快捷、調(diào)節(jié)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過與全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)的合理結(jié)合可實(shí)現(xiàn)30%～100%的無級(jí)調(diào)節(jié)，因此有著較大的推廣空間。本文旨在通過數(shù)值計(jì)算確定被動(dòng)式氣量調(diào)節(jié)比例與執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開力之間數(shù)值關(guān)系，并利用軟件工具設(shè)計(jì)直觀的用戶界面。

2　調(diào)節(jié)原理

部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)方法是在進(jìn)氣完畢后強(qiáng)制頂開吸氣閥，氣缸內(nèi)部分氣體在活塞的推動(dòng)下回流至進(jìn)氣管路，僅對(duì)剩余氣體進(jìn)行壓縮從而實(shí)現(xiàn)排氣量的調(diào)節(jié)［2］（如圖1所示）。被動(dòng)式頂開方式，是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣閥閥片施加一個(gè)大小可調(diào)的頂開力，在吸氣行程結(jié)束時(shí)使進(jìn)氣閥片持續(xù)頂開，而在氣體回流過程中，當(dāng)氣缸內(nèi)氣體壓力足以克服頂開力時(shí)氣閥被關(guān)閉。

圖1　頂開進(jìn)氣閥氣量調(diào)節(jié)原理

該氣量調(diào)節(jié)方法關(guān)鍵在于確定排氣量與主控量之間的數(shù)值關(guān)系，即排氣量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3　氣閥頂開力設(shè)計(jì)

3.1排氣量的計(jì)算

氣量調(diào)節(jié)工況下的p-V圖，如圖1所示，由理想氣體狀態(tài)方程，一個(gè)工作循環(huán)的排氣量在名義進(jìn)氣狀態(tài)下的計(jì)算式可表示為

氣量調(diào)節(jié)情況下，實(shí)際有效進(jìn)氣容積

氣缸余隙容積膨脹對(duì)應(yīng)的行程容積［3］

回流結(jié)束點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角θ5對(duì)應(yīng)氣缸容積

實(shí)際回流過程相當(dāng)復(fù)雜，在本文的理論計(jì)算中，把回流過程看作不計(jì)壓力脈動(dòng)的穩(wěn)定絕熱流動(dòng)過程，則有

回流結(jié)束點(diǎn)氣體壓力p5的計(jì)算，參照吳立志［4］所采用的熱力學(xué)第一定律模型。將氣體流動(dòng)微分方程與氣閥閥片運(yùn)動(dòng)微分方程聯(lián)立，回流過程氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的微分方程將可以表示為

將式（2）～（6）代入式（1），排氣量可以進(jìn)一步表示為以θ5為變量的方程

孫學(xué)亮［5］給出的流量計(jì)算方法同樣是根據(jù)公式（1），但對(duì)于回流壓力pf計(jì)算，孫學(xué)亮是將進(jìn)氣閥簡(jiǎn)化為一系列小孔，然后根據(jù)小孔節(jié)流方程，列出氣閥的阻力損失與氣閥閥隙瞬時(shí)當(dāng)量流速關(guān)系式，進(jìn)而推算任意頂開角度對(duì)應(yīng)回流壓力關(guān)系式

金江明［6］給出了不同的計(jì)算方法，其排氣量的計(jì)算是通過圖1中，點(diǎn)1到點(diǎn)6的狀態(tài)方程獲得

孫學(xué)亮給出的流量計(jì)算式（9）中，由于缸內(nèi)氣體壓力的變化，按近似法求得的閥隙流體速度Cv必然存在較大誤差；與理想情況相比，實(shí)際工作的壓縮機(jī)存在吸氣閥的開啟延遲與排氣閥的關(guān)閉提前，且該方法認(rèn)為氣閥關(guān)閉是瞬時(shí)的，未考慮閥片運(yùn)動(dòng)。

金江明給出的流量計(jì)算式（10），其氣體壓力計(jì)算方法與本文類似，但其需要完成膨脹、進(jìn)氣、回流、壓縮和排氣完整的熱力循環(huán)計(jì)算，計(jì)算量較大。而且其在排氣壓力計(jì)算中又引入排氣閥有效推力面積的近似計(jì)算，必然增加了計(jì)算誤差。

本文采用的流量計(jì)算式（7），相比于式（9），式（7）將氣體流動(dòng)微分方程與氣閥閥片運(yùn)動(dòng)微分方程聯(lián)立，消除了氣閥瞬時(shí)關(guān)閉問題，可以求得較精確的流量值。相比于式（10），式（7）以實(shí)際有效吸入氣體推算排氣量，且只需要對(duì)進(jìn)氣和回流進(jìn)行熱力計(jì)算，計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.2氣量調(diào)節(jié)比例與被動(dòng)式頂開力關(guān)系擬合

基于上述分析可知，持續(xù)頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)排氣量可以表示為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，如式（7）。氣量調(diào)節(jié)比例η=Qv/（Vh-ΔV）同樣可以表示成曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，利用MATLAB可以方便地計(jì)算出壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)比例η與θ的數(shù)值關(guān)系。以3L-10/8型往復(fù)壓縮機(jī)為計(jì)算實(shí)例，全程頂開進(jìn)氣閥時(shí)，回流階段壓縮機(jī)缸內(nèi)氣體壓力pf隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖2所示，最大回流氣體力pfmax發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角θmax= 286°處。若要使進(jìn)氣閥持續(xù)頂開至θmax，執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開力Fr應(yīng)滿足：Frmax小于等于最大氣體力Ftmax與氣閥彈簧力Fk之和。若頂開力大于Frmax，進(jìn)氣閥將全程持續(xù)頂開，排氣量直接變?yōu)榱悖?］。因此，單純采用被動(dòng)式調(diào)節(jié)方法，其氣量調(diào)節(jié)范圍是非全量程的，利用式（7）可計(jì)算出氣閥頂開至θmax時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣量及氣量調(diào)節(jié)比例，對(duì)于本文實(shí)例3L-10/8壓縮機(jī)，其被動(dòng)式調(diào)節(jié)范圍為46.4%～100%。但在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過對(duì)多個(gè)進(jìn)氣閥組合控制并結(jié)合全程頂開進(jìn)氣閥方法，實(shí)現(xiàn)至少30%～100%范圍內(nèi)的無級(jí)氣量調(diào)節(jié)。

圖2　回流氣體壓力pf與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開力的大小與氣量調(diào)節(jié)比例成對(duì)應(yīng)關(guān)系，執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開力Fr可以表示為氣閥彈簧力Fk和閥片內(nèi)外氣體壓差力之和

式中Asv——進(jìn)氣閥有效推力面積

聯(lián)立式（7）和式（11）可以確定氣量調(diào)節(jié)比例η與頂開力Fr的數(shù)值關(guān)系，圖3為3L-10/8壓縮機(jī)一級(jí)氣缸調(diào)節(jié)比例與頂開力的關(guān)系曲線。

基于以上分析可以得出，被動(dòng)式氣量調(diào)節(jié)比例與氣閥頂開力呈非線性關(guān)系，其形狀主要由壓縮機(jī)進(jìn)、排氣壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，不同類型的壓縮機(jī)有不同的η-Fr曲線，本文給出的計(jì)算方法適用于各種型式的往復(fù)壓縮機(jī)。

圖3　被動(dòng)式氣量調(diào)節(jié)比例-頂開力關(guān)系曲線

3.3用戶界面設(shè)計(jì)

被動(dòng)式部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)方法，執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)系統(tǒng)易搭建，不需要配置復(fù)雜的控制系統(tǒng)，但進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、氣體密度、壓力脈動(dòng)等因素都會(huì)直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，這使得這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有通用性，要求針對(duì)每一不同工況的機(jī)組設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)方案。

為方便獲取頂開力與調(diào)節(jié)比例之間的關(guān)系并對(duì)應(yīng)顯示各頂開力下p-V曲線，本文使用MATLAB的GUI功能［8］，設(shè)計(jì)圖形用戶界面，通過程序編寫內(nèi)置各參數(shù)和計(jì)算函數(shù)，只需輸入調(diào)解比例系數(shù)，即可輸出所需氣閥頂開力，并通過命令按鈕輸出Fr-η曲線和相應(yīng)p-V曲線，如圖4所示，有效提高調(diào)節(jié)方案的設(shè)計(jì)效率。

圖4　被動(dòng)式調(diào)節(jié)方案用戶界面設(shè)計(jì)

4　結(jié)論

本文針對(duì)部分行程頂開進(jìn)氣閥氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，推導(dǎo)確定了一種精確的排氣量計(jì)算式。通過有效的用戶界面，可以方便地獲取被動(dòng)式頂開力與調(diào)節(jié)比例之間的數(shù)值關(guān)系，得以快速準(zhǔn)確的完成氣閥頂開力的設(shè)計(jì)。

［1］洪偉榮，李木林.大型往復(fù)壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方法［C］.壓縮機(jī)技術(shù)學(xué)術(shù)論壇論文集，2011：23-29.

［2］Hong W，Jin J，Wu R and Zhang B.Theoretical Analysis and Realization of Stepless Capacity Regulation for Reciprocating Compressors［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering，2009，223（4）：205-213.

［3］郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］吳立志.活塞式壓縮機(jī)氣缸工作過程的計(jì)算機(jī)模擬［J］.北京石油化工學(xué)報(bào)，1999，7：58-62

［5］孫學(xué)亮.往復(fù)壓縮機(jī)頂開吸氣閥氣量調(diào)節(jié)的理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.浙江大學(xué)，2006.

［6］金江明.活塞式壓縮機(jī)排氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.浙江大學(xué)，2010.

［7］吳榮仁，管宇輝.全量程可調(diào)氣閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和最優(yōu)調(diào)節(jié)力分析［J］.流體機(jī)械，2005，33（6）：22-25.

［8］張圣勤.MATLAB 7.0實(shí)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of Pressing-off Force in Reciprocating Compressor Capacity Regulation

LI Ying，HONG Wei-rong
（Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310007，China）

This paper analyzed and deduced the capacity formula of the regulation method with depressing suction valve in reciprocating compressor.The numerical relationship between regulation ratio and pressing-off force was determined.Based on MATLAB GUI functionality，the user interface was designed for providing a feasible method for accurately and rapidly determining regulation program.

reciprocating compressor；capacity regulation；capacity numerical computation；pressing-off force；user interface

TH457

A

1006-2971（2015）02-0030-03

李穎（1989-），女，浙江大學(xué)在讀研究生，主要研究方向?yàn)橥鶑?fù)壓縮機(jī)變工況下性能研究。E-mail：liying_cumt@163.com

2014-09-22