焦慶雨

(中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)由于具有工作壓力范圍廣、熱效率高、氣量可調(diào)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工等行業(yè)中發(fā)揮重大作用[1]。往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是排氣量峰值和工藝要求的壓力峰值，鑒于設(shè)計(jì)參數(shù)的富余，往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中必然存在流量余量，另外受生產(chǎn)需求波動(dòng)的影響，一般機(jī)組實(shí)際負(fù)荷只有60%～85%，甚至更低[2]。為了實(shí)現(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)排氣量可調(diào)的目的，常用的排氣量調(diào)節(jié)方法有如下幾種：旁通回路調(diào)節(jié)[3]、壓開吸氣閥調(diào)節(jié)[4]、余隙調(diào)節(jié)[5]、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[6]等，其中部分行程壓開吸氣閥的調(diào)節(jié)方法具有調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

煉油廠制氫裝置某機(jī)組由于生產(chǎn)工藝的變化，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為40%～60%，現(xiàn)場采用旁通回路調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)排氣量，由于旁通回路調(diào)節(jié)方式使大量氣體反復(fù)做功，導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗高、效率低，浪費(fèi)大量的電能。為了使機(jī)組節(jié)能降耗及穩(wěn)定運(yùn)行，工廠引進(jìn)了往復(fù)壓縮機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，經(jīng)過安裝調(diào)試后，應(yīng)用效果良好，不僅可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，而且還降低了人員操作難度。然而，由于氣量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中不可避免發(fā)生撞擊，使機(jī)組振動(dòng)增大。

因此，本文針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞擊大的問題，基于緩沖原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了緩沖結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，采用AMESim液壓仿真技術(shù)，開展緩沖腔內(nèi)的壓力變化研究，設(shè)計(jì)一種雙向緩沖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，解決系統(tǒng)振動(dòng)大及機(jī)械結(jié)構(gòu)壽命問題。

2 往復(fù)壓縮機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

煉油廠利用2臺型號為2D40-66/4.9-32-BX，為煉油廠汽柴油國Ⅳ、國Ⅴ升級以及重整氫或化工氫提供氫氣。機(jī)組一開一備，單臺排量為19600 m3/h，由于后端工藝用氣量不斷變化，機(jī)組采用“二返一”旁路回流的方式進(jìn)行排氣量的調(diào)節(jié)，回流旁通閥始終保持有一定開度，造成機(jī)組過量壓縮氣體，大量的能源被浪費(fèi)。

為了解決能源浪費(fèi)及流量調(diào)節(jié)問題，在機(jī)組上增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包含以下幾個(gè)部分：

圖1 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

(1)智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是往復(fù)壓縮機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部件，提供控制信號的采集理、轉(zhuǎn)化、輸出與監(jiān)測，是連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場傳感器及上位機(jī)系統(tǒng)的橋梁。

(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由油缸、卸荷器、電控閥、氣閥組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓油站提供動(dòng)作所需的液壓動(dòng)力，頂開進(jìn)氣閥，由智能控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測。

(3)液壓系統(tǒng)

液壓油站提供液壓動(dòng)力至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，液壓油站與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的液壓管路系統(tǒng)由高壓軟管和硬管組成，并用專用卡套進(jìn)行連接。

(4)軟件系統(tǒng)

無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件安裝在上位機(jī)電腦上，主要控制操作組態(tài)到原DCS系統(tǒng)中。無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件界面中顯示整個(gè)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和信息，上位機(jī)進(jìn)行無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作控制以及系統(tǒng)與旁通閥的聯(lián)鎖控制。上位機(jī)調(diào)控軟件的主要功能塊包括：數(shù)據(jù)采集及通訊模塊、負(fù)荷計(jì)算模塊、信號轉(zhuǎn)化模塊、投用切除模塊、系統(tǒng)自檢模塊、故障與監(jiān)測模塊。

2.2 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制方案

機(jī)組增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后流量控制方案如圖2所示，包含兩方面：

圖2 流量控制方案圖

(1)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)嵌入到現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)中，DCS將負(fù)荷值以4～20 mA電流信號輸送到無級氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，最后控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成流量調(diào)控的目的。

(2)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)與回流閥連鎖調(diào)控，當(dāng)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用時(shí)接收DCS控制系統(tǒng)的負(fù)荷信號，回流閥全關(guān)；當(dāng)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除時(shí)DCS控制系統(tǒng)的負(fù)荷信號轉(zhuǎn)化為開度信號輸送到回流閥，回流閥打開保持壓力穩(wěn)定。

2.3 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用效果

機(jī)組增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后達(dá)到以下效果：

(1)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)0%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。

(2)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、加載、切換和停機(jī)。

(3)節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益良好，系統(tǒng)調(diào)試期間電機(jī)電流和功率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 增上無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后不同負(fù)荷下電機(jī)電流及節(jié)省功率

(4)操作人員在控制室完成機(jī)組0%～100%負(fù)荷無級增減操作，現(xiàn)場只需巡檢機(jī)組狀況，與控制室保持聯(lián)系即可。

(5)由于可以靈活調(diào)節(jié)各級壓縮比，解決了氮?dú)夤r下開機(jī)操作難度大，一級超溫的問題。

(6)機(jī)組十字頭沖擊增大。機(jī)組上有振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后十字頭沖擊明顯增大，曲柄轉(zhuǎn)角在300°位置的位置上，沖擊能達(dá)到120m/s2，相對于機(jī)組依靠旁通回路調(diào)節(jié)對比，增大了約100 m/ s2。機(jī)組增上無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)前后的十字頭沖擊圖譜如圖3、4所示。

圖3 往復(fù)機(jī)機(jī)組十字頭沖擊圖

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)緩沖結(jié)構(gòu)研究

如果降低液壓系統(tǒng)進(jìn)油壓力和提升回油壓力，雖然能降低限位的沖擊，但是這兩種工況都會(huì)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能下降，例如調(diào)節(jié)精度下降，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍變窄等。因此，需要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓部進(jìn)行緩沖優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)既能降低沖擊能量同時(shí)保證油壓數(shù)值。為了降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下限位的沖擊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頂出和撤回過程都需要降速功能。考慮到調(diào)節(jié)精度及效果，由于閥片撤回過慢會(huì)造成系統(tǒng)的調(diào)控性能偏差增加，因此，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)撤回過程中，閥隙行程盡可能快，閥座行程盡可能慢，需要存在2個(gè)階段，即快速動(dòng)作和節(jié)流緩沖，頂出可以按照撤回逆過程去設(shè)計(jì)。

3.1 緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

基于以上的設(shè)計(jì)要求，本文采用節(jié)點(diǎn)容腔法對油缸建立緩沖的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖4所示，整體結(jié)構(gòu)可以分割為3個(gè)容積腔，進(jìn)油腔V1，階梯腔V2，和緩沖腔V3；2個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，緩沖活塞和油缸柱塞；一個(gè)節(jié)流孔，位于緩沖活塞內(nèi)部。

圖4 液壓緩沖部件的容積腔結(jié)構(gòu)

針對緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的分析流程如圖5所示。

圖5 分析流程圖

(1)根據(jù)節(jié)點(diǎn)容積腔法[7]的基本公式，針對3個(gè)節(jié)點(diǎn)容積腔建立流量壓力方程：

(a)進(jìn)油腔V1的微分方程

(1)

式中 ∑QV1=Qpipe+Qorifice

∑QV1--進(jìn)油腔內(nèi)流量

ΔVV1--進(jìn)油腔的體積變化率

xbuff_piston--為緩沖活塞位移

(b)階梯腔V2的微分方程

(2)

式中 ∑QV2=Qdrain

∑QV2--階梯腔內(nèi)的流量

ΔVV2--階梯腔的體積變化率

(c)緩沖腔V3的微分方程

(3)

式中 ∑QV3=Qdrain+Qorifice

∑QV3--緩沖腔內(nèi)流量

ΔVV3--緩沖腔的體積變化率

Apiston--柱塞截面積

(2)建立緩沖活塞的動(dòng)力學(xué)方程

(4)

式中xpiston--柱塞位移

Mbuff_piston--緩沖活塞質(zhì)量

(3)建立柱塞的動(dòng)力學(xué)方程

(5)

式中Mpiston--柱塞質(zhì)量

(4)節(jié)流孔與排油孔流量公式

(6)

式中C--孔口流量系數(shù)為

A--孔口截面積

Δp--孔口前后兩側(cè)的壓力差

ρ--液壓油的密度

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)緩沖結(jié)構(gòu)仿真研究

基于3.1節(jié)的數(shù)學(xué)模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本小節(jié)利用AMESim液壓仿真平臺建立了執(zhí)行機(jī)構(gòu)緩沖部件以及液壓系統(tǒng)的整體仿真模型，如圖6所示，通過仿真執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓部件有無緩沖改造下的動(dòng)作特性，分析緩沖結(jié)構(gòu)的性能。

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓緩沖部件仿真模型

圖7為頂出過程中緩沖腔的壓力曲線圖。由圖可以看到，在增加緩沖結(jié)構(gòu)后，在頂出過程中，壓力腔的壓力由于節(jié)流孔的作用在頂出后期壓力下降，動(dòng)力源的供給能力下降，使得卸荷器向下運(yùn)動(dòng)的阻力不斷增加，最終可實(shí)現(xiàn)沖擊速度下降。當(dāng)卸荷器達(dá)到下限位穩(wěn)定后，其壓力恒定值與無緩沖數(shù)值相同，滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂出的邊界調(diào)節(jié)，不影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，滿足系統(tǒng)使用要求。

圖7 頂出過程緩沖腔壓力

圖8為撤回過程中緩沖腔的壓力曲線圖。由圖可以看到，在增加緩沖結(jié)構(gòu)后，當(dāng)緩沖活塞達(dá)到下限位后，由于節(jié)流孔的節(jié)流效應(yīng)，卸荷器的快速動(dòng)作使得容積腔迅速變小，腔內(nèi)壓力突增為16 MPa，造成巨大背壓，阻力源陡增，進(jìn)而使得卸荷器減速，實(shí)現(xiàn)沖擊速度降低的目的。當(dāng)達(dá)到上限位后，巨大背壓快速降低，并且與無緩沖時(shí)一致，能夠保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)撤回時(shí)能處于上限位，滿足系統(tǒng)適用要求。

圖8 撤回過程緩沖腔壓力

4 應(yīng)用結(jié)果及分析

緩沖油缸由兩部分組成，上半部分為緩沖裝置，下半部分為液壓缸。為了監(jiān)測緩沖油缸的性能，在緩沖裝置上增加壓力傳感器、振動(dòng)傳感器及位移傳感器。壓力傳感器可以監(jiān)測各個(gè)油腔的壓力變化情況。振動(dòng)傳感器可以監(jiān)測執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的振動(dòng)情況。位移傳感器可以監(jiān)測緩沖活塞的運(yùn)動(dòng)情況。

由圖9可以看出，有緩沖的卸荷器位移曲線中頂出和撤回過程都明顯滯后于于無緩沖的卸荷器，且頂出保持位移相同，保證回流過程。

圖9 緩沖與非緩沖工況下卸荷器位移

如圖10所示，緩沖裝置增加后，卸荷器的頂出和撤回沖擊的峰值出現(xiàn)明顯下降，無緩沖頂出峰值接近100 m/s2，撤回峰值接近40 m/s2，緩沖后頂出峰值接近40 m/s2，撤回峰值接近30 m/s2，沖擊能量的減少會(huì)降低卸荷器的沖擊磨損，由于節(jié)流作用造成頂出和撤回振動(dòng)的角度滯后，但是只要結(jié)構(gòu)參數(shù)及液壓參數(shù)合理配置，滯后對調(diào)節(jié)精度的影響會(huì)大大降低。由于沖擊產(chǎn)生的噪聲也降低明顯，通過噪音計(jì)記錄前后沖擊噪聲，由88 dB降低到80 dB 左右。

圖10 緩沖油缸與普通油缸的振動(dòng)沖擊

緩沖油缸結(jié)構(gòu)也比較簡單，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場拆卸更換。

5 結(jié)論

本文針對某往復(fù)壓縮機(jī)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞擊大問題，基于液壓雙向緩沖的設(shè)計(jì)原理，提出了一種具備緩沖功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終通過仿真及現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)緩沖性能良好。結(jié)果表示，緩沖結(jié)構(gòu)增加后，沖擊最大值由100 m/s2降低到40 m/s2，降低了2.5倍，噪聲降低了約10 dB。雖然緩沖結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作上的滯后，但是參數(shù)設(shè)置合理，滯后影響會(huì)大大降低。通過仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場應(yīng)用證明，本文提出的一種具備緩沖功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可有效解決現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞擊大的問題。