本發(fā)明提出一種基于伺服電機(jī)控制技術(shù)的活塞壓縮機(jī)余隙調(diào)節(jié)方法與商品名為ePocket的節(jié)能裝置。

背景技術(shù)：

可變余隙調(diào)節(jié)是活塞式壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的一種方式，其技術(shù)淵源最早可以追溯到1932年申請(qǐng)的專利US1856460 （Variable clearance pocket for compressors）, 采用手輪調(diào)節(jié)的方式改變余隙腔的容積，從而達(dá)到氣量調(diào)節(jié)的目的。隨著現(xiàn)代電液伺服控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外Dresser Rand、Thomassen等壓縮機(jī)制造公司都發(fā)展出基于電液伺服技術(shù)的余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如Dresser Rand 公司的HVVCP電液余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)武漢理工大學(xué)研究成果《活塞活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置》也獲得國(guó)家專利并成功實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)工廠化應(yīng)用,專利號(hào)ZL200820066897.8。以上發(fā)明和應(yīng)用均證明可變余隙調(diào)節(jié)是一種有效的活塞壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法。

余隙自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)是在手動(dòng)調(diào)節(jié)和氣動(dòng)固定余隙調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用智能化的控制系統(tǒng)使得壓縮機(jī)余隙容積連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)方法。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣壓力和排氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，該技術(shù)已在一些企業(yè)成功應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，如下面三個(gè)使用案例，充分證明了連續(xù)余隙調(diào)節(jié)方式應(yīng)用的可行性、可靠性與顯著的節(jié)能效果（摘錄自公開(kāi)文獻(xiàn)《武漢理工大學(xué)應(yīng)用型科技成果匯編》）

1、中石化某分公司制氫裝置3#壓縮于2009年12月配備活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，僅投資55萬(wàn)元，減少功耗138kw，節(jié)電約35%左右, 年節(jié)電120萬(wàn)千瓦時(shí)，年節(jié)省電費(fèi)70余萬(wàn)元。

2、中石化某分公司雙列三缸活塞式壓縮機(jī)，由THEMOSNE公司制造，型號(hào)為C25-4壓縮機(jī)，于 2010年9月配備活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，投資65萬(wàn)元，減少功耗71kw，節(jié)電約10%左右, 年節(jié)電57萬(wàn)度，節(jié)省電費(fèi)34萬(wàn)元。

3、中石油某分公司三級(jí)活塞活塞式壓縮機(jī)，由由沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)股份有限公式制造，型號(hào)為4M80-50/9.5-25 -15/25-125BX，于2011年10月配備活塞式壓縮機(jī)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，投資105萬(wàn)元，減少功耗265kw，節(jié)電約11%左右, 年節(jié)電220萬(wàn)度，節(jié)省電費(fèi)150萬(wàn)元，使用不到一年便收回投資。

采用電液伺服控制原理和方法的余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置能夠有效達(dá)到活塞壓縮機(jī)60%~100%的氣量調(diào)節(jié)范圍，但是由于采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，余隙腔活塞在發(fā)生位移時(shí)需要直接克服壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的氣體推力，需要配備大型油站提供液壓能源；由于使用液壓比例控制閥，對(duì)油液清潔要求比較高，不利于壓縮機(jī)的野外環(huán)境下操作維護(hù)。總之是一種有效但實(shí)現(xiàn)方式比較復(fù)雜的裝置。同時(shí)，制造成本由于電液伺服系統(tǒng)本身的配置復(fù)雜性也比較高，以上缺點(diǎn)在一定程度上制約了它的廣泛應(yīng)用。對(duì)于日漸興起的國(guó)內(nèi)天然氣應(yīng)用市場(chǎng)，由于天然氣輸送壓縮機(jī)分布在野外，使用復(fù)雜的基于液壓能源的余隙調(diào)節(jié)裝置帶來(lái)操作和管理上的困難。所以需要發(fā)展一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本相對(duì)低廉、便于現(xiàn)場(chǎng)管理、野外操作的專門(mén)用于天然氣活塞壓縮機(jī)的智能化余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本相對(duì)低廉的電控直驅(qū)可變余隙的活塞式壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方法與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于天然氣活塞式壓縮機(jī)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，為國(guó)外進(jìn)口的天然氣活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行余隙腔無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的節(jié)能改造提供了一種技術(shù)手段，對(duì)石油、化工及其它通用行業(yè)的活塞壓縮機(jī)的節(jié)能也具備應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用電控直驅(qū)伺服控制方案，系統(tǒng)分為可調(diào)余隙氣缸、直驅(qū)裝置、電控單元三個(gè)組成部分，電控單元可以根據(jù)主控變量與設(shè)定值的偏差，運(yùn)算得到伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)位置，根據(jù)位置指令通過(guò)直驅(qū)裝置推動(dòng)余隙缸活塞運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣缸蓋側(cè)的余隙容積進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)排氣量60%~100%的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能。

電動(dòng)伺服系統(tǒng)的電控單元（ECU2）能夠?qū)崿F(xiàn)主控量與活塞位置的換算并實(shí)現(xiàn)余隙缸活塞位置的閉環(huán)控制。

本發(fā)明的實(shí)施步驟包括：

步驟1）：拆下每級(jí)氣缸蓋側(cè)的缸蓋或固定余隙腔，用可調(diào)余隙氣缸取代?？烧{(diào)余隙氣缸分為余隙調(diào)節(jié)腔和平衡工作腔，余隙活塞內(nèi)側(cè)的空腔為余隙調(diào)節(jié)腔，外側(cè)的空腔為平衡工作腔。平衡工作腔通過(guò)平衡腔孔、管路與同一級(jí)入口管路或上一級(jí)入口管路的低溫低壓進(jìn)氣相通，即引入同一級(jí)或上一級(jí)的氣缸低溫低壓進(jìn)氣進(jìn)入平衡腔，對(duì)本級(jí)余隙調(diào)節(jié)腔內(nèi)的高壓氣體起到減少余隙活塞兩側(cè)工作壓差、冷卻余隙腔內(nèi)高壓氣體的作用；

步驟2）：壓縮機(jī)氣缸、余隙調(diào)節(jié)氣缸、直驅(qū)裝置通過(guò)裝配止口用螺栓緊固為一體，保證同軸度，以保證直驅(qū)裝置工作的可靠性；

步驟3）：電控單元（ECU2）根據(jù)主控變量與設(shè)定值的偏差，運(yùn)算得到伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)位置，根據(jù)位置指令通過(guò)直驅(qū)裝置推動(dòng)余隙缸活塞運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣缸蓋側(cè)的余隙容積進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)排氣量60%~100%的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能。主控變量包括：壓縮機(jī)排氣壓力、進(jìn)氣壓力、級(jí)間壓力、氣量負(fù)荷；

步驟 4）電動(dòng)伺服系統(tǒng)的電控單元（ECU2）實(shí)現(xiàn)主控變量與活塞位置的換算并實(shí)現(xiàn)余隙缸活塞位置的閉環(huán)控制。通過(guò)可編程控制單元，直驅(qū)裝置使得余隙缸活塞按輸入信號(hào)作直線位移，從而實(shí)現(xiàn)各級(jí)余隙容積變化的伺服控制，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣壓力、進(jìn)氣壓力、級(jí)間壓縮比的控制；

步驟5） 余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電控單元（ECU2）與DCS通訊，反饋系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)、接收系統(tǒng)壓力、負(fù)荷控制信號(hào)。

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電控單元（ECU2）能夠接收DCS的壓力和負(fù)荷控制信號(hào)，或手動(dòng)設(shè)置輸入，然后進(jìn)行運(yùn)算控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)伺服裝置的位置閉環(huán)控制。

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電控單元（ECU2）主要對(duì)2路電動(dòng)伺服裝置進(jìn)行控制，并通過(guò)通訊總線對(duì)DCS反饋系統(tǒng)故障信號(hào)。主要功能：1）實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，控制框圖如圖2所示；2）級(jí)間壓力控制、輸出壓力控制功能；3）位置閉環(huán)功能；4）系統(tǒng)運(yùn)算轉(zhuǎn)化功能；5）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警與處理功能。

直驅(qū)裝置設(shè)機(jī)械和電氣限位，完全排除余隙活塞與氣缸活塞相碰的情況。機(jī)械限位的方式之一：采用階梯形狀的余隙活塞，完全避免與氣缸活塞相碰的風(fēng)險(xiǎn)。

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)按使用場(chǎng)合采用防爆元器件，防爆等級(jí)可達(dá)到ExdIICT4+H2。

所述直驅(qū)裝置是指對(duì)余隙活塞的直接驅(qū)動(dòng)裝置總成，總成包括：伺服電機(jī)、減速裝置、雙置推力軸承、重載滾珠傳動(dòng)桿（一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)的絲杠）、重載傳動(dòng)螺母（一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)的絲杠螺母）、連接導(dǎo)向套。

所述伺服電機(jī)能夠根據(jù)活塞位置實(shí)現(xiàn)自閉環(huán)控制。

所述雙置推力軸承，設(shè)計(jì)為在直驅(qū)裝置軸承座前后端各設(shè)有推力軸承，推力軸承包括且不限于以下形式：推力球軸承、推力滾子軸承（包括圓柱滾子軸承, 推力調(diào)心滾子軸承,推力圓錐滾子軸承,推力滾針軸承）。余隙活塞能夠承受的壓縮機(jī)氣缸最大氣體推力，當(dāng)設(shè)置平衡腔時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍可以達(dá)到80噸活塞力，如果沒(méi)有設(shè)置平衡腔，設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍可以達(dá)到40噸活塞力。

附圖說(shuō)明

圖1 電控直驅(qū)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電控直驅(qū)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1：拆下每級(jí)氣缸蓋側(cè)的缸蓋或固定余隙腔，用可調(diào)余隙氣缸取代?？烧{(diào)余隙氣缸分為余隙調(diào)節(jié)腔和平衡工作腔，余隙活塞內(nèi)側(cè)的空腔為余隙調(diào)節(jié)腔，外側(cè)的空腔為平衡工作腔。平衡工作腔通過(guò)平衡腔孔、管路與同一級(jí)入口管路或上一級(jí)入口管路的低溫低壓進(jìn)氣相通，即引入同一級(jí)或上一級(jí)的氣缸低溫低壓進(jìn)氣進(jìn)入平衡腔，對(duì)本級(jí)余隙調(diào)節(jié)腔內(nèi)的高壓氣體起到減少余隙活塞兩側(cè)工作壓差、冷卻余隙腔內(nèi)高壓氣體的作用。壓縮機(jī)氣缸、余隙調(diào)節(jié)氣缸、直驅(qū)裝置通過(guò)裝配止口用螺栓緊固為一體，保證同軸度，以保證直驅(qū)裝置工作的可靠性。直驅(qū)裝置設(shè)機(jī)械和電氣限位，完全排除余隙活塞與氣缸活塞相碰的情況。直接驅(qū)動(dòng)裝置總成包括：伺服電機(jī)、減速裝置、雙置推力軸承、重載滾珠傳動(dòng)桿（一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)的絲杠）、重載傳動(dòng)螺母（一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)的絲杠螺母）、連接導(dǎo)向套。伺服電機(jī)根據(jù)活塞位置實(shí)現(xiàn)自閉環(huán)控制。雙置推力軸承，設(shè)計(jì)為在直驅(qū)裝置軸承座前后端各設(shè)有推力軸承，以承載余隙活塞發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生的推力。

如圖2：電控單元（ECU2）根據(jù)主控變量與設(shè)定值的偏差，運(yùn)算得到伺服電機(jī)位置，根據(jù)位置指令通過(guò)直驅(qū)裝置推動(dòng)余隙缸活塞運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣缸蓋側(cè)的余隙容積進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)排氣量60%~100%的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能。主控變量包括：壓縮機(jī)排氣壓力、進(jìn)氣壓力、級(jí)間壓力、氣量負(fù)荷；電動(dòng)伺服系統(tǒng)的電控單元（ECU2）實(shí)現(xiàn)主控變量與活塞位置的換算并實(shí)現(xiàn)余隙缸活塞位置的閉環(huán)控制。通過(guò)可編程控制單元，直驅(qū)裝置使得余隙缸活塞按輸入信號(hào)作直線位移，從而實(shí)現(xiàn)各級(jí)余隙容積變化的伺服控制，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣壓力、進(jìn)氣壓力、級(jí)間壓縮比的控制；余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電控單元（ECU2）主要對(duì)2路電動(dòng)伺服裝置進(jìn)行控制，并通過(guò)通訊總線對(duì)DCS反饋系統(tǒng)故障信號(hào)。主要功能：1）實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制；2）級(jí)間壓力控制、輸出壓力控制功能；3）位置閉環(huán)功能；4）系統(tǒng)運(yùn)算轉(zhuǎn)化功能；5）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警與處理功能。