專利名稱：應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣量調節(jié)裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及旋轉活塞或擺動活塞的液體變容式機械，尤其是涉及一種應 用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣量調節(jié)裝置。
背景技術：
在石油化工行業(yè)、輸送中小分子量氣體、高壓縮比的氣體壓縮場合，往復 式壓縮機因其本身固有的特性為其它類型的壓縮機不可替代。針對于工藝運行 中大型往復式壓縮機排氣量的不可變性，需對其增加一套排氣量無級連續(xù)調節(jié) 系統(tǒng)使之適應實際工況變化，并保證其工藝流程的平穩(wěn)運行。
目前關于往復式壓縮機排氣量的無級調節(jié)系統(tǒng)已有數(shù)套公示。美國專利文
獻US4775299、 US6641371B2說明了通過改變氣缸的余隙容積來調節(jié)排氣量。 通過人為控制附加余隙的大小使壓縮機的排氣量無級可調。同頂開進氣閥的氣 量調節(jié)裝置相比，此種裝置可應用于高速壓縮機的排氣量調節(jié)，但由于附加余 隙容積缸體積是有限的，排氣量調節(jié)范圍和適應的壓縮比相當有限。
另有美國專利文獻US5833209A中公開的裝置。此裝置實現(xiàn)氣量調節(jié)的原 理是部分行程頂開進氣閥。部分行程頂開進氣閥調節(jié)原理如圖1所示，未調節(jié) 工況下PV圖是a—b—c一d。隨進氣閥頂開時間增加，氣體回流越多，剩余被壓 縮機的氣體越少a—e-f—c一d，達到了無級減少壓縮機排氣量目的。對于專利 中報道的裝置，壓力脈沖波產生是通過高頻開關電磁閥來實現(xiàn)的。為此，必須 把電磁閥控制元氣件和進氣閥頂開機構組合為一個整體部件以便滿足工業(yè)現(xiàn)場 的防爆要求。對于普通300轉/分的壓縮機，高頻電磁閥的開關動作一年達到了 1.7xl0S次以上，為保證壓縮機連續(xù)運行，就對電磁閥材料的疲勞可靠性提出了 很高的要求。同時卸荷部件頂開進氣閥引起的周期性強烈振動也對內部電路的 抗振設計提出了很高要求。采用RS485接口的來實現(xiàn)遠程控制增加了信號受外 部干擾的可能性，遠距離信號傳輸尤其對活塞止點信號TDC影響極大。另有浙 江大學化工機械研究所同國內煉油廠合作，已先期研發(fā)成功了 50—100%排氣量 無級調節(jié)系統(tǒng)，并已成功工業(yè)應用。調節(jié)裝置采用了氣膜頭作為執(zhí)行機構，在 進氣閥閥片上作用一個恒力頂開進氣閥，靠回流氣體力的變化來被動關閉進氣 閥，從而調節(jié)排氣量。若在回流氣體力達到最大，即活塞在氣缸中間位置，對 應于50%的排氣量時，氣體力還達不到關閉進氣閥所需的作用力，則進氣閥為全行程頂開，因此裝置不能實現(xiàn)50%排氣量以下的無級調節(jié)。 發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級 氣量調節(jié)裝置，通過液壓分配器輸出壓力脈沖波作用于卸荷器上，頂開進氣閥 實現(xiàn)了 10 100%排氣量的無級調節(jié)，并使其功耗隨排氣量降低而下降。
本實用新型采用的技術方案是
本實用新型包括防爆液壓油站、兩個以上結構相同液壓分配器、裝在兩個 以上壓縮機氣缸上的卸荷器、防爆控制箱、活塞止點傳感器和曲軸編碼器；每 個液壓分配器的一端裝有與同步伺服電機減速箱相連的同步伺服電機，液壓分 配器的另一端裝有與調節(jié)伺服電機減速箱相連的調節(jié)伺服電機，防爆液壓油站 輸出的高壓液壓油進入液壓分配器進油孔，再從液壓分配器兩個出油孔流出， 分別與兩個以上卸荷器的進油孔相連，液壓分配器的兩個回油孔與防爆液壓油 站的回油泵相連，安裝于同步伺服電機端的分配器止點傳感器、安裝于調節(jié)伺 服電機端的分配器調節(jié)限位傳感器、安裝于壓縮機電機飛輪上的活塞止點傳感 器和曲軸編碼器、以及伺服電機控制線均接入防爆控制箱，卸荷器漏油孔與回 油泵相連。
所述的卸荷器由上部的卸荷器液壓缸和下部的頂開進氣閥的壓叉并由壓桿 相連，其中上部液壓缸的連接頭安裝在壓縮機進氣閥閥蓋，兩者由密封平墊片 密封，連接頭的另一端同卸荷器液壓缸由螺栓固定，液壓缸活塞安裝在缸體內 部同壓桿相連，卸荷器液壓缸由兩個密封O型圈密封，壓叉安裝在進氣閥上由 壓叉內彈簧同進氣閥相連可相對于進氣閥上下移動。
所述的防爆控制箱包括變壓器、固態(tài)繼電器、PLC、伺服電機控制器、開關 電源、接線柱；外部進來的活塞止點傳感器、曲軸編碼器、油站液位傳感器、 油站溫度傳感器、油站壓力傳感器、分配器止點傳感器、分配器限位傳感器經 接線柱再與PLC相連，同步伺服電機控制線、調節(jié)伺服電機控制線經接線柱與 伺服電機控制器相連，伺服電機控制器再與PLC相連，固態(tài)繼電器同PLC相連 并與接線柱相接，開關電源給PLC的各個模塊供電，而變壓器則給伺服電機控 制器供電，PLC同上位機或DCS由通訊電纜經接線柱相連。
所述的液壓分配器數(shù)目由壓縮機級數(shù)決定。
本實用新型具有的有益效果是-
本裝置通過卸荷器頂開進氣閥實現(xiàn)了 10 100%排氣量的無級調節(jié)，使其功 耗隨排氣量降低而下降。相對于原先往復式壓縮機排氣量的分級間斷調節(jié)，此裝置實現(xiàn)了往復式壓縮機排氣量全量程無級調節(jié)；相對于其它如回流等排氣量 無級調節(jié)系統(tǒng)，此裝置實現(xiàn)了往復式壓縮機的節(jié)能環(huán)保運行。應用于石油化工 和煤炭等行業(yè)的往復式壓縮機一般都是壓縮爆炸性氣體。這對包括油站、各個 傳感元器件、控制箱在內的電氣單元都提出了防爆的要求。因此整個裝置都達 到了應用與爆炸性氣體區(qū)域EExd II CT4以上的防爆等級標準。
圖1是頂開進氣閥調節(jié)過程PV圖。
圖2是典型的往復式壓縮機排氣量無級調節(jié)裝置構成。
圖3是控制箱內各個元器件連接示意圖。
圖4是卸荷器結構原理圖。
圖5是同步伺服電機控制框圖。
圖6是調節(jié)伺服電機控制框圖。
圖中1、活塞止點傳感器，2、曲軸編碼器，3、壓縮機氣缸，4、卸荷器， 5、壓縮機電機，6、調節(jié)伺服電機，7、分配器調節(jié)限位傳感器，8、液壓分 配器，9、分配器止點傳感器，10、同步伺服電機減速箱，11、同步伺服電 機，12、調節(jié)伺服電機減速箱，13、油站液位傳感器，14、油站溫度傳感器， 15、油站壓力傳感器，16、防爆液壓油站，17、防爆控制箱，18、上位機或 DCS通訊線纜，19、固態(tài)繼電器，20、 PLC， 21、伺服電機控制器，22、 接線柱，23、變壓器，24、開關電源，25、卸荷器液壓缸，26、液壓缸活塞， 27、密封O型圈，28、連接頭，29、密封O型圈，30、密封平墊片，31、 壓縮機進氣閥閥蓋，32、壓桿，33、壓叉，34、壓叉內彈簧，35、進氣閥。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖2所示，本實用新型包括防爆液壓油站16、兩個以上結構相同液壓分 配器8、裝在兩個以上壓縮機氣缸上的卸荷器4、防爆控制箱17、活塞止點傳感 器1和曲軸編碼器2;每個液壓分配器8的一端裝有與同步伺服電機減速箱10 相連的同步伺服電機11，液壓分配器8的另一端裝有與調節(jié)伺服電機減速箱12 相連的調節(jié)伺服電機6，防爆液壓油站16輸出的高壓液壓油進入液壓分配器8 進油孔，再從液壓分配器8兩個出油孔流出，分別與兩個以上卸荷器4的進油 孔相連，液壓分配器8的兩個回油孔與防爆液壓油站16的回油泵相連，安裝于 同步伺服電機11端的分配器止點傳感器9、安裝于調節(jié)伺服電機6端的分配器 調節(jié)限位傳感器7、安裝于壓縮機電機5飛輪上的活塞止點傳感器1和曲軸編碼器2、以及伺服電機控制線均接入防爆控制箱17，卸荷器4漏油孔與回油泵相 連。所述的液壓分配器數(shù)目由壓縮機級數(shù)決定，雙作用壓縮機每級至少安裝一 個卸荷器。
防爆液壓油站17輸出的高壓液壓油經液壓分配器8調節(jié)后輸出一周期時長 和在一周期內壓力作用時間均可調的液體壓力脈沖波，此脈沖波作用于卸荷器 液壓缸中的活塞，推動與其相連的進氣閥壓叉，在壓縮行程開始之前頂開至少 一個進氣閥，使得原先已吸入氣缸的部分氣體在壓縮機活塞的作用下又回流到 進氣腔中。在氣缸內剩余氣體滿足排氣量要求時卸荷器4內壓力卸除，進氣閥 關閉，氣缸內剩余氣體則被壓縮。這種可以人為控制實際被壓縮氣體量多少的 氣量調節(jié)方式實現(xiàn)了往復式壓縮排氣量的全量程無級調節(jié)。
卸荷器結構示意圖如圖4所示，其結構包括上部的液壓缸和下部的頂開進 氣閥壓叉33。其中，上部液壓缸固定在進氣閥閥蓋31上，它包括缸體25，活 塞26，連接頭28,密封0型圈27、 29，密封平墊片30等。液壓分配器8輸出 的高壓油經油管在卸荷器上部進油孔輸入液壓缸中，此液壓頂開力作用于活塞 26上，通過壓桿32推動壓叉33頂開進氣閥35。在液壓頂開力卸除后，進氣閥 35在氣缸內氣體力和壓叉內彈簧34彈簧力作用下，向上推動壓叉33，進氣閥 也隨之關閉。
電氣部分的實現(xiàn)包括PLC20、同步伺服電機ll、調節(jié)伺服電機6、曲軸編 碼器2、活塞止點傳感器l、分配器止點傳感器9、分配器調節(jié)限位傳感器7、 伺服電機控制器21，固態(tài)繼電器19、接線柱22，開關電源24、油站液位傳感 器13、油站溫度傳感器14、油站壓力傳感器15等。防爆控制箱17內各元器件 連接圖如附圖3所示，圖中未表示出部件如傳感器安裝位置等則見圖2所示。
活塞止點傳感器1和曲軸編碼器2安裝在壓縮機電機5的飛輪上，提供活 塞止點信號和曲軸旋轉的轉速脈沖信號，這兩個信號作為同步控制信號輸入 PLC 20中。PLC20是控制單元的核心，給出模擬量或者高速脈沖信號驅動伺服 電機控制器21，驅動同步伺服電機6動作，保持液壓分配器8相對于壓縮機電 機5的轉速和相位同步。為此，PLC20采用了如下的控制方案，控制流程圖見 附圖5。以活塞止點作為起始相位，以編碼器脈沖數(shù)作為兩者PID控制的偏差量。 在PLC20初始化過程中，先對同步伺服電機6初始化，以保證液壓分配器8相 位在初始位置，此位置對應于壓縮機吸氣行程未端、壓縮行程開始之前， 一般 取為活塞止點位置。系統(tǒng)運行過程中，存在壓縮機與分配器相位不同步的情況 有壓縮機電機5先到活塞止點(壓縮機轉速快)或者液壓分配器8先到活塞止點(液壓分配器轉速快)。對于壓縮機電機5先到活塞止點，程序則在液壓分 配器8到達止點時，計算此時相對與壓縮機電機5止點脈沖信號轉過的角度(編 碼器脈沖數(shù))，進行PID計算，最后發(fā)出糾偏后的控制信號給伺服電機控制器21 。 對于液壓分配器8先到止點，程序則在壓縮機電機5到達止點時，判斷此時壓 縮機電機5相對于液壓分配器止點脈沖信號轉過的角度，進行PID計算，最后 發(fā)出糾偏后的控制信號給伺服電機控制器21。多級壓縮機的進行氣量調節(jié)時， 為了避免在同一時刻各級液壓分配器8發(fā)出多個同步脈沖信號而引起信號間相 互干擾，進而影響PLC20反饋控制精度，各個液壓分配器8間應預設一個極小 的脈沖數(shù)偏差(角度差)。同時，液壓分配器8和壓縮機電機5轉速相差不應過 大，因為PID運算只在10%的誤差范圍內能夠保證收斂。對于因管路、彎頭和 液壓分配器8內部結構引起的卸荷器壓力相對與液壓分配器8出口的壓力滯后， 必須通過合理設置液壓分配器8止點相對于壓縮機電機5止點的相位提前量， 將液壓分配器8輸出壓力波的相位提前，才能在壓縮行程開始之前頂開進氣閥。 PLC20也對上位機(或者DCS)的排氣量調節(jié)信號作出響應，兩者間的連 接通過上位機(或DCS)通訊電纜18相連，調節(jié)伺服電機控制框圖見附圖6。 PLC 20對上位機的給定值和測量值比較，驅動伺服電機控制器21控制調節(jié)伺服 電機6動作。上位機(或者DCS控制)控制方式可采排氣量作為控制目標，依使 用工藝流程的不同也可采用出口壓力或者級間壓力作為控制目標。通過與排氣 量(或者壓力)的設定值比較，進行PID調節(jié)運算，獲得液壓分配器8的調節(jié) 信號值。 一般而言，由于工業(yè)流程中裝置都比較大，壓縮機排氣量(壓力)變 化要經過較長一段時間才能反應出來，為此應采取較大PID值，并在上次調節(jié) 結束后，過一段時間讓系統(tǒng)穩(wěn)定后再進行下一次調節(jié)。上位機或者DCS通訊信 號通過通訊線纜8連接。
此系統(tǒng)采用380V供電，而伺服電機控制器21則采用經變壓器23輸出的 80V三相交流電，開關電源24則為220V兩相交流供電。系統(tǒng)采用了移動式防 爆液壓油站16，各級液壓分配器8實現(xiàn)單獨供油并單獨設置蓄能器，同時把液 壓分配器8的回油和卸荷器4的漏油集中起來，一起用回油泵集中抽回。防爆液 壓油站16的狀態(tài)由油站液位傳感器13、油站溫度傳感器14、油站壓力傳感器 15監(jiān)控，并作為系統(tǒng)報警信號提供給PLC20，實現(xiàn)報警聯(lián)鎖。
本實用新型采用了本申請人2006月12月22號申請的發(fā)明專利"一種基于時 間控制頂開活塞壓縮機進氣閥的方法及裝置"申請?zhí)?00610155395.8中的核心 部件液壓分配器。
權利要求1、一種應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣量調節(jié)裝置，其特征在于包括防爆液壓油站(16)、兩個以上結構相同液壓分配器(8)、裝在兩個以上壓縮機氣缸上的卸荷器(4)、防爆控制箱(17)、活塞止點傳感器(1)和曲軸編碼器(2)；每個液壓分配器(8)的一端裝有與同步伺服電機減速箱(10)相連的同步伺服電機(11)，液壓分配器(8)的另一端裝有與調節(jié)伺服電機減速箱(12)相連的調節(jié)伺服電機(6)，防爆液壓油站(16)輸出的高壓液壓油進入液壓分配器(8)進油孔，再從液壓分配器(8)兩個出油孔流出，分別與兩個以上卸荷器(4)的進油孔相連，液壓分配器(8)的兩個回油孔與防爆液壓油站(16)的回油泵相連，安裝于同步伺服電機(11)端的分配器止點傳感器(9)、安裝于調節(jié)伺服電機(6)端的分配器調節(jié)限位傳感器(7)、安裝于壓縮機電機(5)飛輪上的活塞止點傳感器(1)和曲軸編碼器(2)、以及伺服電機控制線均接入防爆控制箱(17)，卸荷器(4)漏油孔與回油泵相連。
2、 根據權利要求1所述的一種應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣 量調節(jié)裝置，其特征在于所述的卸荷器(4)由上部的卸荷器液壓缸(25)和下部的 頂開進氣閥(35)的壓叉(33)并由壓桿(32)相連，其中上部液壓缸的連接頭(28)安裝 在壓縮機進氣閥閥蓋(31)上，兩者由密封平墊片(30)密封，連接頭(28)的另一端 同卸荷器液壓缸(25)由螺栓固定，液壓缸活塞(26)安裝在缸體內部同壓桿(32)相 連，卸荷器液壓缸(25)由兩個密封0型圈(27、 29)密封，壓叉(33)安裝在進氣閥 (35)上由壓叉內彈簧(34)同進氣闊(35)相連可相對于進氣閥(35)上下移動。
3、 根據權利要求1所述的一種應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣 量調節(jié)裝置，其特征在于所述的防爆控制箱(17)包括變壓器(23)、固態(tài)繼電器 (19)、 PLC(20)、伺服電機控制器(21)、開關電源(24)、接線柱(22);外部進來的 活塞止點傳感器(l)、曲軸編碼器(2)、油站液位傳感器(13)、油站溫度傳感器(14)、 油站壓力傳感器(15)、分配器止點傳感器(9)、分配器限位傳感器(7)經接線柱(22) 再與PLC(20)相連，同步伺服電機(6)控制線、調節(jié)伺服電機(ll)控制線經接線柱 (22)與伺服電機控制器(21灘連，伺服電機控制器(21)再與PLC(20灘連，固態(tài)繼 電器(19)同PLC(20)相連并與接線柱相接(22)，開關電源(24)給PLC(20)的各個模 塊供電，而變壓器(23)則給伺服電機控制器(21)供電，PLC(20)同上位機或DCS 由通訊電纜(18)經接線柱(22)相連。
4、 根據權利要求1所述的一種應用于爆炸性氣體區(qū)域的往復壓縮機無級氣 量調節(jié)裝置，其特征在于所述的液壓分配器(8)數(shù)目由壓縮機級數(shù)決定。
專利摘要本實用新型公開了一種往復式壓縮機排氣量無級調節(jié)裝置。裝置組成包括防爆液壓油站、液壓分配器、伺服電機、伺服電機減速箱、卸荷器、防爆控制箱、傳感器和曲軸編碼器等組成。加裝此裝置使大型往復壓縮機排氣量能無級連續(xù)調節(jié)，同時使壓縮機耗電量隨排氣量減少而減少。在壓縮機運行過程中，分配器始終嚴格保持1/2轉速與往復壓縮機同步旋轉，從油站輸出的高壓液壓油經液壓分配器作用后生成一周期性壓力脈沖波。此壓力脈沖波的周期時長同壓縮機旋轉周期相同，每個周期的起點在往復式壓縮機壓縮行程之前，且壓力作用時間壓力脈沖寬度是可調的。此調節(jié)裝置采用了防爆設計，能夠在爆炸性氣體區(qū)域(防爆等級EExd II CT4)使用的往復式壓縮機上應用。
文檔編號F04B49/00GK201232620SQ20082008698
公開日2009年5月6日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權日2008年5月7日
發(fā)明者洪偉榮, 金江明, 才 陳 申請人:浙江大學;溫州市建慶實業(yè)公司