无级调节系统

无级调节系统（共7篇）

无级调节系统 篇1

在石油生产炼制过程中,往复式压缩机是工艺装置中不可或缺的动设备。往复式压缩机的特点是排气压力高且稳定,正常操作条件下出口流量基本保持不变。对于往复式压缩机的气量调节方式,目前应用最广泛是将压缩过的气体从最后一级出口返回第一级入口或者是逐级返回的仪表旁路阀调节方式。这种方法的优点是结构简单,配合自动控制系统调节灵活。但是应用这种方法对操作工的要求较高,而且这种气量调节方式将多余气体压缩所做的功全部浪费,耗能比较大。应用HydroCOM无级气量调节和监控系统后,不但能令操作变得简单,而且能够仅仅压缩实际需要的气量,最大限度的节约能源。

1 HydroCOM无级气量调节系统的节能原理

HydroCOM无级气量调节系统是通过控制系统实时监控处理压缩机运行状态数据,并将4～20 mA信号作用至现场执行机构,通过液压执行机构来控制进气阀的开启与关闭时间,实现压缩机排气量0%～100%范围的无级调节。在压缩过程中延迟关闭进气阀,使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管,只压缩实际需要的气量,从而大大节省压缩机的能耗,降低压缩机运行的总费用。

往复式压缩机活塞在气缸中的一个正常工作循环包括膨胀、进气、压缩和排气四个部分: (1)A-B曲线:余隙容积中残留高压气体的膨胀过程,压缩机的进气阀和排气阀均处于正常的关闭状态;(2)B-C曲线:进气过程,此时进气阀在气缸内外压差的作用下开启,进气管线中的气体通过进气阀进入气缸,至C点完成相当于气缸100%容积流量的进气量时,进气阀关闭;(3)C-D曲线:压缩过程,气缸内的气体在活塞的作用下压缩达到排气压力;(4)D-A曲线:排气过程,排气阀打开,被压缩的气体经过排气阀进入下一级过程。压缩机一个工作循环所需能量为图1中A→B→C→D所围成的封闭曲线对应的面积[1]。

HydroCOM系统的节能原理:在压缩机活塞的往复运动中,气缸进气结束到达C点时,HydroCOM的卸荷器强制将压缩机吸气阀顶开,此时气体从气缸中经被顶开的进气阀流回进气管而不被压缩;待活塞运动到特定的位置Cr(对应实际所需气量)时,卸荷器释放,顶开进气阀片的强制作用力消失,进气阀片回落到阀座上而关闭,气缸内剩余的气体开始被压缩,压缩过程沿着位置Cr到达位置Dr。所以整个压缩过程就由C到D改为C到Cr再到Dr。气体达到额定排气压力后从排气阀排出,容积流量减少[2]。

应用HydroCOM系统后,压缩机一个工作循环所需能量为图1中A→B→C→Cr→Dr所围成的封闭曲线对应的面积。

2 HydroCOM系统的组成

HydroCOM系统主要由中间接口单元CIU、液压油站HU、液压执行器HA、TDC传感器及相关附件等组成。如图2所示。

中间接口单元CIU(Compressor Interface unit)安装在Hydrocom机柜内,用于传输现场HydroCOM执行机构和用户控制系统之间的电信号,进行压缩机气量控制。CIU距现场Hydrocom执行机构之间的距离一般要求小于500 m。每个CIU包括1到6个单级接口模块SIM,1个总接口模块GIM和1个内部电源模块IPS。每个SIM可以控制8个执行器,执行器之间采用总线连接。CIU是HydroCOM系统的重要组成部分,现场的信号传递至CIU系统后,通过CIU系统整合至DCS系统,同时CIU系统可以将DCS的控制信号送至现场控制液压执行器HA[3]。

液压执行机构HA(Hydraulic Actuator)是一组通过卸荷器对气阀产生作用的部件总和,由液压油站HU(Hydraulic Unit)提供动力,CIU进行实时控制,EPS提供电源。图3是液压执行机构的原理图。

液压油站HU提供高压液压油向执行器HA提供机械动力。通过内置齿轮油泵的作用把液压油的压力从常压提升到12 MPa左右。在液压油供油及回流管路上均安装有隔膜蓄能器来稳定油压。

EPS向执行机构提供48 VDC外部电源。

上死点传感器安装在飞轮上,在HydroCOM系统中,TDC传感器(Top Dead Center Sensor)传递活塞在气缸上的即时位置,以保证气阀被顶开之时是吸气终了的压缩阶段[4]。

3 工艺控制方案应用说明

以炼油加氢装置中有A/B两台两级压缩的新氢压缩机,一开一备为例,详述HydroCOM系统的控制方案原理。其中A机配备有HydroCOM气量无级调节系统,根据用户要求实现气量30%～100%连续调节。A机在实际生产中作为常开机运行,根据实际生产需要来提供可变气量。当Hydrocom 处于手动控制状态时,A压缩机可实现从0至满负荷之间的无级气量调节。当Hydrocom 处于自动控制状态时,若A 压缩机负荷低于30%,则A压缩机上的Hydrocom系统维持以30%负荷运行,多余的气量通过旁通阀自动回流。若A 压缩机负荷高于30%,而旁通阀在分程控制下处于关闭状态,此时Hydrocom承担对A压缩机负荷的调节。当Hydrocom系统出现故障时,系统立即自动切除,压缩机恢复到满负荷状态运行,旁通阀对气量进行自动控制。

原控制方案中压力控制系统如图4所示,压缩机要实现对输入氢气进行两级压缩。每一级对上一级输入的氢气进行100%的压缩。如果工艺只需要60%的氢气,只有打开级间返回阀,将多余的40%通过级间返回阀返回到上一级入口处。

这种方法对需要和不需要的氢气都进行压缩,这样就会造成每一级氢气的重复压缩,浪费生产能源,增加机器损耗,造成不必要的损失。

增加了HydroCOM后控制方案如图5所示。

二级进气压力控制器PICO2,通过分程保持一、二级的压比稳定,当控制器的输出信号为0～50%时,其值送到低选器LS02;当控制器的输出值为50%～100%时,其值送给低选器LS01。同理,当一级进气压力控制器PIC01的输出为0～50%,其值送给低选器LS01,当控制器的输出值为50%～100%,其值送给火炬阀PV03。

各级现有的控制信号将用来控制HydroCOM系统或级间返回阀。压缩机级间返回阀已有控制器输出信号的范围从30%～100%(级间返回阀按一台压缩机的满负荷时的100%气量来设计,为风关阀)。

4 联锁逻辑

为了保证在HydroCOM系统出现故障时,压缩机仍然能够平稳运行,需设置液压油箱液位低低、CIU故障、液压油压力低低、液压油温度高高联锁停运液压油站电机,从而将HydroCOM系统切出,压缩机控制系统由HydroCOM系统自动切换到旁路控制系统(联锁逻辑如图6所示)。此外,每一个执行器在靠近阀室外盖处都安装一个温度传感器。这些温度信号以RS485信号通讯至CIU后,通过CIU转换成4～20 mA信号传给DCS。这样控制系统便可以对阀室外盖温度进行连续监测。一个进气阀的温度偏离所有进气阀的温度平均值,可以用于实时记录进气阀、卸荷器和执行器的故障。

5 结 语

经过在多台往复式压缩机上实施HydroCOM系统后,往复式压缩机运行稳定,故障率降低,装置电耗下降比较明显,对装置节能降耗意义重大。系统投用后,能够按照设计要求实现控制方案的切换,很好地实现了系统的控制要求,对于控制的选择、输出信号的转换、CIU 部分的无扰动切换等各项功能均能达到要求。对装置设备的平稳操作,提高自动控制水平都具有重要的作用,提高了装置整体自动化水平。

摘要：石油化工装置中的往复式压缩机常采用仪表阀旁路回流进行流量调节,造成大量能耗浪费。但在往复式压缩机上实施HydroCOM无级调节系统后,节能降耗效果十分显著。本文阐述了HydroCOM无级调节系统的节能原理、控制方案和联锁逻辑。

关键词：Hydrocom系统,节能,控制,联锁

参考文献

[1]中国石油和石化工程研究会.炼油设备工程师手册[S].北京:中国石化出版社,2003:429-438.

[2]陶武军,何宇春,范晓松.加氢装置新氢压缩机气量无级调节系统的应用[J].化学工程与装备,2011(8):57-58.

[3]何文丰,沈永森.气量无级调节系统在往复压缩机上的应用[J].化工设备与管道,2008,45(5):37.

[4]吴伟才,董玉涛.PLC在压缩机余隙自动无级调节中的应用[J].机电一体化,2010,37(2):64-66.

无级调节系统 篇2

智能化农业机械是一个高度自动化、高度信息化、高度智能化、可实现精确变量投入的作业平台,是实现精细农业的重要设备[1]。目前,商品化的农田作业机械一般都是采用人工驾驶和手工操作机构,将农田作业机械的人工驾驶和手工操作机构改造为电控机构是实现农田作业机械自动导航控制和变量作业的关键之一[2]。

笔者以XDNZ630型水稻高速插秧机为平台,对其插秧株距的无级调节进行研究。原有插秧机的插秧株距调节为挡位调节式,操作两个手柄,分为5个挡位,分别为:12,14,16,18,21cm。在田间作业之前手动设置好插秧株距,作业过程中只能保持这种株距,如果需要修改插秧株距,必须停驶再进行手动设置,操作不便且为有级调节[3]。因此,设计了插秧机株距无级调节系统,该系统可以根据插秧机行进速度以及插植传动轴转速的反馈值,无级调节插秧株距。

1 机械部分改造

对原有机型进行智能化控制改进。原有插秧机上安装有1个双联齿轮泵,分别用于转向扭矩放大器和秧苗台的升降油缸。对原有插秧机空间位置测量发现,已不可能再安装1台齿轮泵及其传动装置,因此在原来安装双联齿轮泵的位置上以1台较大的双联齿轮泵进行替换,重新匹配皮带轮等传动装置。

新安装的双联齿轮泵其中1路经1/2分流阀分成两路,分别驱动转向扭矩放大器和秧苗台的升降油缸,实现原有的功能;另一路经溢流阀、换向阀和调速阀进入液压马达,由液压马达直接驱动插植传动轴。溢流阀作为一个安全阀,当系统压力过高时,阀门打开,保证系统安全;换向阀在这里作为一个开关阀,当开启发动机时阀门关死,以防止发动机带负载起动。株距调节液压系统原理图如图1所示。

根据插植传动轴所传递的最大扭矩为52N·m,最高转速为600r/min,选择镇江液压件厂有限责任公司生产的BMM-32型摆线液压马达,可以满足本装置的要求。其技术参数为:排量32mL/rev,额定转速513r/min,额定扭矩31N·m,额定输出功率1.7kW。根据所选液压马达的排量和插植传动轴的转速,计算驱动液压马达的流量以及考虑到泵的容积效率,确定选择G5-12-6型双联齿轮泵。原有驱动扭矩放大器和升降油缸的液压系统压力均为10MPa,在新设计液压系统中分流阀压力调为12.5MPa,略高于原有液压系统,保证能够正常运行;插植传动液压系统按照农机常用及负载大小,确定为16MPa。

正常作业时调速阀的调节手柄受电动机控制,转动调速阀的调节手柄就会改变液压马达的流量,从而改变输出转速,达到插秧株距无级调节的目的。控制结构示意图如图2所示。

1.换向阀 2.调速阀 3.控制电机

2 电控部分设计

2.1 硬件设计

插植传动轴上装有安全离合器,所传递的最大扭矩为52N·m,最高转速为600r/min,插植传动轴每转插秧1次。结合插秧机前进速度得为

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式中 l—插秧机株距;

v—插秧机前进速度;

t—插秧机行驶时间;

n—插植传动轴转动次数。

调节株距就是根据插秧机的前进速度调节插植传动轴转速。因此,株距调节装置的硬件部分主要包括上位机、单片机、接近开关、编码器、液压阀门控制电机等。以单片机PIC18F2580为核心的控制系统硬件电路原理图,如图3所示。

设计中给插植传动轴套上一个接近开关感应齿轮,在齿轮径向感应区内安装接近开关。接近开关连接到单片机的外部中断0管脚,通过定时计数器对接近开关感应次数进行计数,即可得到插植传动轴的转动次数。

通过软轴和联轴器连接车轮转动轴和编码器,信号线连接到单片机的外部中断1管脚,同样通过定时计数器对编码器脉冲进行计数,计算后得到插秧机的前进速度。上位机设定好株距,通过串行接口发送给单片机,单片机根据式(1)计算出在当前的插秧机前进速度下,要满足预设株距插植传动轴需达到的转速[4]。单片机将该转速与接近开关采集到的插植传动轴转速进行比较,通过电机控制液压阀门的开启度,进而改变插植传动轴的转速,以达到保持预设株距的目的,实现株距无级调节。

单片机系统采用PIC18F2580,它是Microchip公司生产的8位FLASH微控器。片上自带32K编程空间、1536bytes的SRAM和256bytesEEPROM,同时具有毫瓦级低功耗技术,睡眠模式下只消耗0.2μA的工作电流。片上自带系统时钟可达到36MHz的处理速度。此外还带有PWM,SPI,USART,CAN等多种外设资源可以简化设计进程,快速实现设计功能,大大减少了在底层硬件调试上花费的时间。

编码器采用欧姆龙的E2E-X5ME1-Z型,分辨率是500线。电机采用的是maxon的RE40系列直流电机,是一种高质量的驱动元件,它装有高性能的稀土磁钢,专利的空芯杯转子是该电机的核心,这使得电机具备小体积、低惯量的显著特性。电机额定转速为6930r/min,额定扭矩为0.17N·m,外置HEDL5540编码器,编码器分辨率是500线。电机输出端连接了一个减速比为40∶1的减速电机,这样电机扭矩可放大至6.8N·m,完全能够带动调速阀。电机控制器采用高达32位的硬件PID器件,能实现对直流电机的位置与速度控制[5],其所有的配置参数(驱动模式、输入/输出设置等)及滤波参数都可以通过RS232口输入并保存在运动控制器的内置存储器(EEPROM)中,易于编程。同时,该控制器还具备体积小巧,易于安装,连接灵活等显著特点。

2.2 软件设计

该系统软件采用单片机高级语言C51编写,C51是一种专为MCS-51系列单片机设计的高效率C语言编译器。它具有编程方便易用的特点,能够很方便地操作硬件接口地址。C51编译器具有极高的编译效率,编译代码可与汇编语言相媲美,而编程效率则比汇编语言高很多,采用高级语言C51编程可以提高源程序的可读性,便于以后的改进、升级[6]。单片机系统数据采集及通信软件流程框图,如图4所示。

单片机系统软件设计思想:上电后,单片机等待上位机发送株距预设值;获得预设值后开启定时计数器,获取插秧机前进速度和插植传动轴转速;单片机根据株距预设值和插秧机前进速度计算得出预期的插植传动轴转速;将预期的和获取的插植传动轴转速进行比较,如果获取的插植传动轴转速较小,则电机正转一个步长,加大液压阀门,否则反转一个步长,关小液压阀门。

3 实验结果分析

首先通过实验确定电机正转和反转步长。因为插植传动轴最高转速为600r/min即10r/s,为保证调节精度,液压阀门加大和减小引起的插植传动轴转速变化不超过1r/s。经反复实验,确定了电机的转动步长为1/8圈,当电机转动2圈时,液压阀门开至最大。然后驾驶插秧机在陆地上变速行驶,观察秧爪的转速变化情况,与前进速度成正比例关系,插秧机行驶1h,电控系统保持稳定工作。最后进行田间实验,试验于2010年5月在天津市农机化示范推广中心进行,泥脚深度为20~30cm不等。给秧盘上秧,预设3个不同的株距16,18,21cm,插秧3次;每次结束后,人工测量株距,采样20次。结果表明,在允许误差范围±0.5cm内,株距调节精度能达到95%以上。

4 结论

该系统结合液压系统和单片机系统,对株距调节采用电控方式,实现了无级调节,系统稳定可靠,可用于插秧机全自动控制研究中。

摘要：原有插秧机的插秧株距调节为挡位调节式,田间作业过程中操作不便且为有级调节。为此,设计了一种插秧机株距无级调节系统,该系统可以根据插秧机行进速度和插植传动轴转速无级调节插秧株距。采用液压系统取代原有插秧机株距调节的挡位调节方式,单片机作为CPU,结合接近开关、编码器以及直流电机,设计了插秧机株距无级调节系统。试验表明,该系统可实现插秧机株距无级调节,作业质量符合农艺要求,且性能稳定,可用于后续的插秧机全自动控制研究中。

关键词：插秧机,株距调节,液压系统,单片机,无级调节系统

参考文献

[1]路阳.插秧机的研究现状及发展趋势[J].农机化研究,2009,31(7):250-252.

[2]胡炼,罗锡文,赵祚喜,等.插秧机电控操作机构和控制算法设计[J].农业工程学报,2009,25(4):118-122.

[3]朱祖良.水稻插秧机关键技术的研发[J].中国农机化,2009(2):66-72.

[4]张迎新,雷道振,陈胜,等.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京:国防工业出版社,2004.

[5]韦敏,宁方立,韦娟.基于智能功率模块的无刷直流电机控制器[J].西北工业大学学报,2006,24(2):161-164.

无级调节系统 篇3

1 当前往复式压缩机气量调节手段

通常,压缩机的使用者总是根据装置或系统所需的最大容积流量来选择压缩机,然而,压缩机的实际工况却是随工艺流程或耗气设备的需要而变化的,因此,几乎所有的压缩机均需配备气量调节控制系统。目前,往复压缩机的气量调节主要实现方式有下列几种:(1)转速调节方式(可分为连续转速调节和间断转速调节);(2)管路调节方式(可分为节流进气、切断进气、进排气管连通即旁通管路调节);(3)顶开进气阀调节方式(分为全行程顶开进气阀、部分行程顶开进气阀);(4)连通补助容积方式。尽管压缩机气量调节方式有很多,但绝大部分不仅浪费能源而且控制速度和精度也不尽人意。普遍采用的旁通调节方式经济性差,造成能源的巨大浪费;转速调节在低转速时影响压缩机的正常运行,而且大功率电动机变频器的价格十分昂贵;可变余隙腔调节响应速度慢,且通常需要较多的人工干涉,可靠性较差;而全行程压开进气阀的压叉或柱塞式卸荷机构又只能实现粗略的有级调节。所以,长期以来,国内外很多科研人员都把精力放在了可能实现气量连续、快捷、精确调节的部分行程压开进气阀方法的研究上。

2 HydroCOM 气量无级调节系统原理

HydroCOM是贺尔碧格公司专门为往复式压缩机开发的液压式气量无级调节系统,它通过仅仅压缩所需要的气量,最大限度的节约能源,通过智能化的液压调节机构,快速、精确的控制压力和流量,实现气量理论上0～100%的连续调节(实际因压缩机而异,一般在20%～100%范围内)。

2.1 基本原理

HydroCOM系统只对实际需要的气量进行压缩,余下的气体在压缩行程的开始阶段,回流到进气腔内,如图1所示。

随着活塞在压缩机气缸中的往复运动,每个气缸侧的一个正常工作循环包括:(1) 余隙容积中残留高压气体的膨胀过程,如图1所示A-B曲线,此时压缩机的进气阀和排气阀均处于正常的关闭状态;(2)进气过程,如B-C曲线,此时进气阀在气缸内外压差的作用下开启,进气管线中的气体通过进气阀进入气缸,至C点完成相当于气缸100%容积流量的进气量,进气阀关闭;(3) C-D为压缩曲线,气缸内的气体在活塞的作用下压缩达到排气压力;(4) D-A为排气过程,排气阀打开,被压缩的气体经过排气阀进入下一级过程。如果在进气过程达到C后,进气阀在执行机构作用下仍被强制地保持开启状态,那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C到位置D,而是先由位置C到达位置Cr,此时原吸入气缸中的部分气体通过被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩;待活塞运动到特定的位置Cr(对应所要求的气量)时,执行机构使顶开进气阀片的强制外力消失,进气阀片回落到阀座上而关闭,气缸内剩余的气体开始被压缩,压缩过程开始沿着位置Cr到达位置Dr。气体达到额定排气压力后从排气阀排出,容积流量减少。这种调节方法的优点是压缩机的指示功消耗与实际容积流量成正比,是一种简单高效的压缩机流量调节方式。这就是压缩机的“回流省功”原理。

2.2 HydroCOM系统的工作原理

针对HydroCOM系统,顶开进气阀的执行机构是液压执行器,在HydroCOM系统的控制下,压缩机的进气阀不再是依靠压差工作的自动阀,而是一个由外置动力驱动的强制阀。当HydroCOM系统作用时,由快速电磁式液压执行器顶开的进气阀在压缩过程中保持开启。此时压力曲线走势并不沿原曲线由位置C到位置D,而是由位置C到达位置Cr。从位置C到位置Cr,压力有略微的升高,这是因为气阀内的阻力损失引起的。随着部分气体从气缸中返回进气管线,被压缩的气量减少了。到位置Cr时,执行器中的电磁阀通电,使卸荷器释放,进气阀关闭。压缩过程沿着位置Cr到达Dr。当HydroCOM系统由于某种原因不能正常工作时,气阀仍能象普通气阀一样承担正常的进气任务,最大限度地保证生产装置的安全运行。

3602-K-202A重整氢增压机HydroCOM控制方案

3.1 控制流程说明

我厂连续重整装置氢气增压机602-K-202A/B/C采用沈阳透平机械股份有限公司制造的对称分布式两级四缸往复式压缩机,其型号为4M32-84/4.5-22-BX,设计进气压力0.55 MPa,出口压力2.3 MPa。其中K-202B/C采用普通顶开进气阀调节气量,而K-202A采用HydroCOM系统控制,采用分程控制原理,现有压缩机增加了一级和二级控制器两个控制回路,其余均为显示参数。该压缩机用于向重整预加氢系统和柴油加氢反应系统输送氢气,而压力的稳定是由2#再接触罐D-203压力PIC-1502来控制的,压力高则多余气量通过罐顶自动调节阀进入火炬放空系统作为燃料气,压力低则调节阀关闭。故将D-203压力输出信号定为HydroCOM系统的主控制变量,因此D-203压力相当于一级控制器测量信号,由PIA4702通过HydroCOM系统控制压缩机一级进气量来达到控制压缩机负荷的目的;二级控制器测量信号为二级进口压力PIA4706,由PIA4706通过HydroCOM系统控制压缩机二级进气量达到控制二级进气压力的目的,其给定值根据经验公式由DCS计算后自动给定,正常情况下二级控制器应处于自动状态,只有当级间压力和一二级排气温度出现较大偏差时,可以暂时改为手动状态以查找问题,但要控制好一、二级压缩比稳定。

3.2 分程点的设置

控制方案选择D-203的压力输出信号PIC-1502分成两路,一路信号送HydroCOM系统,一路信号送火炬放空阀PCV-1502,然后通过利用分程控制概念,以不同的方式作用于HydroCOM系统和放空阀。具体方法是将D-203的输出信号取反即是HydroCOM系统的负荷值。

分程点的设置如下:

分程点是按照压缩机的最低允许负荷来设置的,只有在HydroCOM系统投入自动状态时才起作用,当HydroCOM系统处于手动状态时,仍按原控制方案执行。由上表可以看出,HydroCOM系统的分程点为80%,即投入自动状态时最低负荷为20%负荷,长时间低于最低负荷运行会导致吸气温度过高损坏吸气阀。HydroCOM系统设定最低负荷为20%,故负荷调节的实际有效范围为20%～100%。HydroCOM处于自动状态时分程点设定为80%,在输出信号为80%——0%时,由HydroCOM负责负荷控制,放空阀保持关闭状态;在输出信号为100%——80%时,HydroCOM控制负荷在20%,放空阀动作辅助达到控制目的。为保证手动/自动切换时执行机构的平稳切换,要求分程点平滑移动。

4 HydroCOM使用情况分析

通过对HydroCOM系统长期的使用和分析,我们对其使用情况做出以下几点总结:

4.1 节能效果显著

通过我们对运行中压缩机不同负荷下电流统计见表1。

装置在正常运行中使用中K-202A的正常负荷为60%左右,使用其他负荷调节手段无法达到如此精确的负荷控制值,既耗费了电能又导致大量氢气排入燃料气管网,造成浪费。而HydroCOM调节系统则可在20%～100%之间任意调节,由上表可以看出,当负荷可以精确控制到某一个值时,可以大幅度降低运行电流,节能省功,因此对装置的节能效果显著。

4.2 压缩比恒定,压缩机运行更加平稳

采用顶开气阀调节气量为一、二级相对应进气阀同时打开或关闭来调节气量,一旦出现某一级个别气阀泄漏较大,则无法保证压缩机一、二级之间压缩比恒定,机组级间进、排气压力无法保证,会出现机组各个活塞受力不均匀现象,可能导致压缩机机械部分出现不正常磨损,影响保证机组的安全平稳运行。而使用HydroCOM调节系统为一、二级入口压力由两个控制器分别控制,这样就保证了机组一、二级的压缩比恒定,使机组运行更加平稳可控。

4.3 存在问题

(1)在使用过程中发现当HydroCOM调节系统负荷较低时,因为气流回流量较大,导致进、排气温度长期保持在较高状态,一定程度上影响了气阀的使用寿命,所以当压缩机负荷长期处于较低状态时,建议使用另外一台顶开进气阀调节气量压缩机运行。

(2)在运行中曾经出现HydroCOM调节系统CIU故障导致系统失效,压缩机负荷突然间从60%变为100%,对系统平稳运行造成了加大的冲击。

5 结 论

总之,HydroCOM 气量无级调节系统在我厂重整往复机上的应用是非常成功的,其显著的降低了装置能耗,节省了大量的电能。并且对氢气系统的平稳运行和调节提供了有力的保障和基础。

参考文献

[1]刘勇.HydroCOM4.0气量无级调节系统在加氢裂化装置C1102-C压缩机的应用[C].加氢技术论文集[A],2008:633-635.

[2]简文刚,苗文涛.HydroCOM4.0气量无级调节系统的应用[J].炼油技术与工程,2010(11):34-36.

无级调节系统 篇4

经研究, 在新氢机K-101A机组上投用Hydro COM系统, 来解决以上问题。Hydro Com气量无级调节系统采用的是全程或部分行程强制顶开进气阀, 使被吸入缸内但不需要压缩的多余气体重新返回进气管线的“回流调节”, 只压缩装置反应实际需要的气体。通过智能化的液压调节机构, 不仅使得往复式压缩机的气量调节范围增大, 可以快速、精准地控制气体的压力和流量来实现气量理论上0%-100%负荷的连续调节, 而且压缩机级间压力控制精度能够达到±0.01MPa。经工业标定, 该系统可节电40%以上。从而有效的解决了往复式压缩机流量调节的难题, 达到装置最优化的能量消耗, 实现系统压力的全自动控制。

通过这种精细的气量调节手段在有效降低装置能耗的同时, 也可保证乌鲁木齐石化炼油厂整个氢气管网系统压力的平稳控制, 实现全厂氢气利用的最大效率, 保证生产运行的安全平稳。对于节约用电能耗、提高炼油厂运行的经济性具有重要的指导意义。

一、Hydro COM工作原理和系统组成

Hydro COM是英文“Hydraulically actuated Computerized controlled valves”的缩写定义, 是贺尔碧格公司专门为往复式压缩机开发的液压式气量无级调节系统。

Hydro COM的工作原理是通过即时处理压缩机运行过程中的状态数据, 并将信号反馈至执行机构内电子模块, 通过液压执行器来实时控制进气阀的开启与关闭时间, 实现压缩机排气量0-100%全行程范围的调节, 同时运用了“回流省功”原理通过将进气阀的关闭延迟使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管, 在压缩的循环过程中只压缩需要压缩的气量来达到节能的效果。

“回流省功”的原理如图2所示, 随着活塞在压缩机气缸中的往复运动, 每个气缸侧的一个正常工作循环包括:膨胀 (A-B曲线) 、吸气 (B-C曲线) 、压缩 (C-D曲线) 、排汽 (D-A曲线) 。当气缸进气终了时进气阀的阀片在执行机构的作用下仍被卸荷器强制地保持在开启状态, 压缩过程中进气阀在执行机构作用下仍被强制地保持开启状态, 那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C到位置D, 而是先由位置C到达位置Cr, 此时原吸入气缸中的部分气体通过被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩;待活塞运动到特定的位置Cr (对应所要求的气量) 时, 执行机构使顶开进气阀片的强制外力消失, 进气阀片回落到阀座上而关闭, 气缸内剩余的气体开始被压缩, 压缩过程开始沿着位置Cr到达位置Dr, 气体达到额定排气压力后从排气阀排出容积流量减少。

HydroCOM的液压控制系统采用时间控制方案, 通过记录曲轴的相位角来确定进气阀的关闭时刻, 实现气量控制。它的中心部件是一个安装在吸气阀上的高精度、高灵敏度的电磁阀, 在压缩机吸气终了时, 电磁阀使吸气阀仍保持开启状态, 活塞反向运动时, 通过控制不同的曲轴相位角来控制吸气阀关闭的时间, 实现压缩机排气量0~100%全行程范围的无级调节。在Hydro COM系统的控制下, 压缩机的进气阀不再是依靠压差工作的自动阀, 而是一个由外置动力驱动的强制阀。通过执行机构的动作, 压缩机的负载可以在曲轴回转中从0加载到100%。

Hydro COM系统的基本组成主要由以下几部分组成:中间接口单元CIU、执行机构HA、液压油站HU、上死点传感器TDC及服务器单元HSS。

二、Hydro COM系统的实时优化调节及运行优势

乌石化200万吨/年大柴油加氢装置共有两台新氢压缩机K-101A/B (一投一备) , 都为两列二级压缩的对称平衡型往复式压缩机, 使用高压电机 (6000V) 驱动。A机组采用Hydro COM系统进行气量调节;B机组仍采用老式的电磁阀控制仪表风—全行程顶开进气阀门的气量调节方式。K-101A机组在采用Hydro COM气量无级调节系统后可实现气量0-100%负荷的无级调节。通过设定装置需要的压力值, 就能快捷的将压缩机的流量控制在所需要的范围内, 一般情况下压缩机入口流量调节器的开度只需要控制在60%-70%左右时, 压缩机输送的气量就完全可以满足目前装置低处理量生产的需求。

K-101A机组在采用Hydro COM系统后, 不仅增长了设备安全运行的周期, 而且更容易判断出机组气阀的事故状况。该机组采用的强制顶开进气阀的气量调节方式, 在运行过程中保证反应系统压力稳定的前提情况下, 卸荷器在控制进气阀碟片的动作过程中, 开、关动作缓慢平稳, 不会造成类似于K-101B过于频繁的开、关动作, 这无形中延长了该机组的气阀使用寿命, 节约了设备检修的成本。同时, 在投用Hydro COM系统后, 机组通过调节控制吸气阀的关闭时间, 来控制排气量, 是一种节能明显、安全的气量调节方式。此外, Hydro COM系统在调整吸气阀开启过程中, 可以控制吸气阀碟片的运行轨迹, 减少碟片的撞击, 延长吸气阀片的使用寿命。这个作用对往复式压缩机效益明显, 减少了阀片的磨损, 避免了不必要的停机切换检修过程, 达到节约检修成本的显著效果。

此外, Hydro COM系统还具备较高的安全保障性。当HydroCOM的安全联锁保护系统检测到无法正常运行的信号后, 系统则会自动将Hydro COM系统切除使压缩机恢复到原旁通控制下工作 (及K-101B的气量负荷控制方式) , 避免发生不必要的次生事故, 压缩机无需停机处理故障;当故障排除后在压缩机运转的情况下, 可重新投用Hydro COM系统, 避免了不必要的开停机切换步骤, 大大减轻了操作工的工作量, 整个操作过程简单易行, 这样也可以最大限度地保证生产装置的安全运行。正是由于两台压缩机气量的控制方式不同, 从而有效的解决了装置运行的经济性和能耗问题。

1. Hydro COM系统投用后加氢新氢压缩机组的运行工况对比

K-101B机组负荷只能分档粗调设定在0-50%-100%三个档次控制, 在实际运行过程中, 由于装置常年低处理量, 无法实现满负荷操作。只能通过档次调节和“旁路回流”调节相结合的方式来满足工艺要求, 其能耗的损失>40%, 无法实现流量的精细调节;同时, 在机组负荷切换过程中操作波动大, 更容易造成全厂整个氢气系统的压力波动, 对上、下游产氢和用氢装置的操作都有很大的负面影响。因此, K-101B机组在实际运行过程中仅作为备用机组使用, 开机时间<200h/年。由于两台压缩机采用不同的流量控制方式, 也使得机组的运行工况出现了很大的差别。

K-101B机组运行时, 压缩机的流量通过卸荷器顶开吸气阀来控制, 日常卸荷器档位在50%时, 压缩机输送的流量无法满足装置的工艺需求;只得将卸荷器的档位调至100%控制, 此时压缩机处于满负荷工作的状态, 但压缩机输出的气量已经远远超出装置低处理量时的工艺需要。因此, 多余的被压缩气体只能通过压缩机出口的旁通线回流调节, 重新输送回压缩机入口的气体缓冲罐。此时压缩机出口旁通线上的回流控制阀开度在50%以上, 从控制阀的开度就可以很直接反映出大量多余的气体被重复循环压缩, 造成机组功率不必要的浪费做功。进气阀门的使用状况可以从图3看出, 压缩机K-101B在50%负荷运行时, 始终是A组气阀 (1号, 3号) 动作开、关, 压缩机活塞每往复动作一次, 只有靠曲轴外侧的缸头气阀 (1号, 3号气阀) 动作开、关作功。而内侧气阀B组气阀 (2号, 4号) 在整个活塞往复运动过程中, 由于卸荷器未得到电磁阀的开、关动作信号始终是不作功, 这样的压缩作功方式使得K-101B电机浪费了大量的电能。另外, 在50%负荷运行时, K-101B机组始终是单组气阀-A组 (1号, 3号) 气阀开、关动作, 长周期的运行更容易造成该组阀片的金属疲劳作功, 增大阀片破损的概率, 缩短机组平稳运行的周期, 增加停机检修的

次数。同时, K-101B机组在运行过程中, 伴随着每次活塞的往复运动, 机组的进、排气阀片配合动作开、关, 长时间的阀片开、关动作更容易增大进气阀门的故障率, 造成不必要的停机检修。

2. Hydro COM系统投用后的显著节能效果

从图3表压缩机的运行参数对比, 可以看出采用的HydroCOM系统后, A机在运行时所消耗的电流明显远远低于B机, 而电机负荷的差异也使得电机定子的温度、电机电流、压缩机轴承温度等参数也出现了明显的差别。因此可以得出结论, 通过Hydro COM系统合理控制机组负荷, 能够有效的减少压缩机不必要的机械磨损, 延长设备的使用寿命, 保证装置的长周期平稳运行。

K-101A机组在装备Hydro COM系统后, 最大限度的节约了能耗。在装置正常运转状况下, 该机组能够达到理想节能效果为近50%。从图3数据可比较看出B机组正常170A, 而A机组仅为90A, A机组相对于B机组整体减少能耗40%以上。对比可以看出K-101A机组运行每小时比K-101B节约80A的高压电, 按装置开工8400h/年来计算所节约的电费如下:

可见仅从节能的角度来看, 实施Hydro COM系统每年可为装置减少能耗费用120多万, 所带来的经济效益是非常客观的, 能够为企业最大限度的降低生产成本。所带来的投资回报更是显著的。

3. Hydro COM系统投用所产生的问题及处理方案

当装置低处理量运行时, 新氢系统机组K-101A在投用Hydro COM系统后, 与反应系统压力投串级控制, 由于反应系统对新氢的需求量较低, 导致该机组较低负荷运转, 一级气门开度<50%。在此工况下运行, 该机组的振动骤然增大, 并带动管线的共振, 振动幅度超出化工设备安全运行 (加强监测) 的限度。同时, 由于机组的振幅过大, 带动电机前、后端共振。尤其是当装置运行的负荷越小, 机组整体的振动就越大。针对该机组振动增大引起了我车间的高度重视。在联系厂家及分析原因后, 决定开大新氢系统的回流调节控制阀, 人为控制增大该机组的运行负荷, 以保证其气门开度在50%以上, 通过上述Hydro COM系统与装置工艺旁路相结合的气量调节方式, 成功的解决了该机组振动增大以及所引起的管线共振问题。大型往复式压缩机的运行特点决定其气流脉动是不可避免的。机组必然会产生一定的振动, 并连带连接的附属设备共振, 而设备及管道的振动会引起管路及附属设备连接部位松动, 使振动部位金属疲劳, 轻则造成法兰连接螺栓松动而引起泄漏, 重则导致设备工艺管线金属疲劳断裂而失火引起爆炸。减振并不是消除振动, 而是把振动减小到最低限度。通过车间合理的工艺调整, 成功的解决了该机组低负荷时的减震问题, 并积累了相关的运行经验。同时, 由于该机组在低负荷状态下运行时, 其二级出口压力与反应系统的背压有关。一级, 二级的压缩比的相对偏差较大, 造成设备的动平衡被破坏, 也是引起机组与管道振动增大的原因之一。通过提高该机组的运行负荷, 使压缩机重新恢复动平衡, 避免了该机组的机械振动与管道内的压缩气体气流脉动所产生的共振发生。

当装置开、停工以及装置低处理量运行时, 尽量避免或减少该机组低负荷运行的工况时间。虽然该机组的设计负荷可控制在0-100%的范围内进行调节, 但在实际运行过程中, 负荷的有效调节范围应控制在30-100%。在>50%负荷时, 可将加氢反应系统压力与Hydro COM系统投自动串级控制, 由Hydro COM系统负责负荷控制;当负荷小于30%时, 应采用旁路回流调节与HydroCOM系统相结合的气量控制方式, 开大旁路回流, 人为增加设备负荷, 保证机组负荷在50%负荷以上, 通过上述合理有效的调节手段, 达到减少设备管线共振及机组振动, 保证装置的安全运行, 避免不必要的安全事故的发生。此外, 新氢机组K-101A/B间正常切换时, 可手动设定A机组的负荷在0—100%之间, 作到新氢机组间的无冲击切换, 保证整个加氢系统压力以及全厂氢气管网系统的压力稳定。我装置在保留原厂家控制方案的同时, 通过生产运行总结, 结合本装置生产特点, 更加合理的设定和利用了Hydro COM系统的流量控制, 完善了Hydro COM系统运行控制方案。

(1) Hydro COM系统的维护检修

该装置2013年7月即将面临大检修, 针对检修过程中对该机组的相关检修工作, 在检修Hydro COM系统前, 应先关闭气量无级调节系统控制柜的主电源, 另外, 在现场对执行机构的上油, 漏油, 回油管线进行标识, 区分, 防止回装时出现管线接错。此外, 在每个进气阀室的外盖上也要作好相应的标识, 确保回装到原位置。

在日常的检查过程中, 在现场检查应注意检查执行机构有无漏油现象。定时检查漏油收集罐的液位。同时, 仔细监听压缩机气阀和执行机构的声音, 如果有异常声音要及时拆卸检修。

在中控DCS的日常监控过程上, 要注意压缩机的进气温度和其阀室外盖的温度。每一个执行器在靠近阀室外盖处都安装了一个温度传感器。这些传感器将温度信号连续的传送的DCS系统。如出现某一只温升变大并偏离同级进气阀的日常温度, 则说明该进气阀门的气体回流量大, 温升才会升高, 而造成的原因可能是阀片破损出现泄露, 应及时检修更换。上述温度传感器能够通过观察比对, 准确的反映出进气阀、卸荷器和执行器的故障, 可及时的保证装置的平稳运行。Hydro COM系统的核心件-高速电磁阀的使用寿命也与其工况温度以及动作频率有关, 因此应严格监控其温度的变化。同时, 检查压缩机的各级控制信号, 如出现大的偏移, 则说明该级的工作不正常。检查液压油站的温度, 液位和压力都要在设定值范围以内。尽可能减少Hydro COM系统执行机构的零件故障率, 减少维护次数, 节约维护成本。

结论

Hydro COM系统是一种简单高效的往复式压缩机流量调节方式, 通过先进的控制理论和机电技术Hydro COM系统具有极高的控制动态特性, 可以根据不同的操作要求精确的控制压缩机各级的状态参数, 高度集成的自动化系统使得压缩机的控制更趋合理, 能够实现压缩机的平稳启动、平稳加载、无冲击切换及平稳停机等操作, 同时Hydro COM系统通过精确的控制气量能够最大限度的节约能源有效降低生产成本。

通过Hydro COM在200万吨/年柴油加氢装置的实际应用, 在开停机、切换操作、节能等方面均达到了预期目的, 保障了机组的安全平稳运行。尤其是经济效益显著, 投资回收期在19月左右。该系统在大功率往复式压缩机低负荷运转时有较好的节能减耗效果。同时该系统在我装置的成功应用也证实Hydro COM无级调速系统是一个成熟的技术, 虽然其一次性的投资较大, 但能获得良好的经济回报, 在使用Hydro COM系统前应将本单位压缩机配置和装置的负荷变化情况进行综合评估。。建议该HydroCOM系统更多的使用在压缩机选型偏大或者工艺流量变化比较大的地方, 体现出更加显著的经济效益。

摘要：大型往复式压缩机是炼化行业用电的主要能耗源, 其运行效率的高低、状态的稳定直接影响着炼化行业全厂的经济性和安全性。以往此类设备采用旁路回流进行流量调节, 造成过多的功率电量消耗。而Hydro Com气量无级调节系统在乌石化200万吨/年大柴油加氢装置的成功应用, 通过“回流调节”实现节能, 很大程度上提高了装置节能降耗的程度, 为实施大型往复式压缩机设备的经济性运行提供了理论上的指导和经验总结。

关键词：往复式压缩机,HydroCom,气量无级调节,节能降耗

参考文献

[1]曹华民Hydro COM气量无极调节系统在蜡油加氢装置新氢机上的应用[期刊论文]-中外能源2010.

[2]何文丰气量无极调节系统在往复压缩机机上的应用[期刊论文]-化工设备与管道2008, 45 (5) .

[3]梁涌往复压缩机机气量无极调节系统的原理及应用[期刊论文]-压缩机技术2007, 3.

无级调节系统 篇5

关键词：往复式压缩机,气量无级调节系统,节能

1 研究现状

1.1 研究背景

随着炼油技术的不断发展,炼油装置规模日益扩大,设备也趋向大型化。当前社会能源日益紧张,炼油生产流程消耗能源大,如何节能增效已经成为企业的当务之急。当前很多石油化工工业由于工艺要求不得不经常调节压缩机气量,或者长时间在远低于设计排量的情况下工作。虽然有很多方法可以调节压缩机气量,但能够实现对大型工艺往复式压缩机进行连续、经济、高效、快捷、精确调节的方式并不多。如何降低大型设备的能耗,成为炼油企业重点关注的问题。

1.2 我国炼油化工企业生产装置中压缩机气量调节现状

目前国内炼油厂对往复式压缩机普遍采用的是旁路节流的调节方法,即通过旁通阀从二级出口返回二级入口,从一级出口返回一级入口逐级回流的方式来实现。虽然这种调节方法简单可靠,但能耗大。随着工业企业中自动控制技术的不断发展,沿海及新建的炼厂生产装置逐步建立了自动控制系统来改变压缩机的气量的调节方式,如北海石化的连续重整装置、天津百万吨乙烯装置等。中石化某炼油厂,在2900k W的4M50型活塞压缩机上安装了气量调节系统,气量调节到40%-60%负荷时,每小时节电达1200k W,具有良好的节能效果。而由于种种原因,在长岭分公司当中自动化的总体水平还不高,新老装置发展也不平衡,还没有一种比较好的压缩机气量调节方式的技术来实现能耗控制。

1.3 项目拟解决的关键问题

①解决石化装置的节能问题。在可持续发展的大背景下,企业要进行节能减排,就必须考虑装置的节能问题。如何降低大型设备的能耗,成为我们重点关注的问题。我们研究开发的无级气量调节自动控制系统,能否实现氢气压缩机(C102A)机组由现在的70%的负荷状态,改为压缩机排气量0-100%全行程范围无级调节,最终达到减少能耗的目的,是本项目的一个重要问题。

②建成的控制系统实际投入使用时对装置运行平稳性的影响。C102A无级气量调节自动控制系统实际投入使用时,对于装置的平稳操作、装置反应压力的控制等方面的影响。

③建成后的控制系统能否顺利实现自动控制的问题。压缩机C102A共有三级压缩。其控制方案将采取压力逐级递推控制的方法,非常复杂。冗余量、反馈量非常大。若机组采取无级气量调节系统后,控制方案在试运行过程中,出现机组压力波动较大,或者负荷在发生变化时,旁路调节不及时,或滞后或超前现象时,表明机组原有压力逐级递推控制方案与无级气量调节自动控制系统自身控制方案存在明显的排斥,此时系统将无法投入自动控制。因此,保证气量无级调节系统投入自动控制,是本项目的一个关键问题。

2 Hydro COM的工作原理

如图1所示,随着活塞在压缩机气缸中的往复运动,每个气缸侧的一个正常工作循环包括:①余隙容积中残留高压气体的膨胀过程,如图示A-B曲线,此时压缩机的进气阀和排气阀均处于正常的关闭状态;②进气过程,如B-C曲线,此时进气阀在气缸内外压差的作用下开启,进气管线中的气体通过进气阀进入气缸,至C点完成相当于气缸100%容积流量的进气量,进气阀关闭;③C-D为压缩曲线,气缸内的气体在活塞的作用下压缩达到排气压力;④D-A为排气过程,排气阀打开,被压缩的气体经过排气阀进入下一级过程。如果在进气过程到达C后,进气阀在执行机构作用下仍被强制地保持开启状态,那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C到位置D,而是先由位置C到达位置Cr,此时原吸入气缸中的部分气体通过被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩;待活塞运动到特定的位置Cr时,执行机构使顶开进气阀片的强制外力消失,进气阀片回落到阀座上而关闭,气缸内剩余的气体开始被压缩,压缩过程开始沿着位置Cr到达位置Dr。气体达到额定排气压力后从排气阀排出,容积流量减少。该压缩机流量调节方式简单高效,其优点是压缩机的指示功消耗与实际容积流量成正比。

HydroCOM(Hydraulically actuated Computerized controlled valves),它是贺尔碧格公司专门为往复式压缩机开发的液压式气量无级调节系统。其主要工作原理是计算机即时处理压缩机运行过程中的状态数据,并将信号反馈至执行机构内电子模块,通过液压执行器来实时控制进气阀的开启与关闭时间,实现压缩机排气量0-100%全行程范围无级调节。在Hydro COM系统在的控制下,压缩机的进气阀是一个由外置动力驱动的强制阀,而不是依靠压差工作的自动阀。

3 HydroCOM系统组成

图2是Hydro COM系统的基本组成图,它主要由以下几部分组成:上死点传感器TDC(Top Dead Center Sensor)、液压油站HU(Hydraulic Unit)、液压执行机构HA(Hydraulic Actuator)、中间接口单元CIU(Compressor Interface Unit)及服务器单元HSS。

4 石化企业实际应用C102A_HydroCOM预控制方案

4.1 控制方法

压缩机C102A和C102B分别作为常开机和备用机,配备了Hydro COM系统的压缩机C102A作为常开机根据实际生产工艺需要提供可变气量。当Hydro COM系统手动控制时,配备了Hydro COM系统的压缩机C102A可实现从0%至100%负荷之间的无级调节。

当Hydro COM系统自动控制时,一旦负荷低于30%,压缩机C102A的Hydro COM系统依然会以30%负荷维持运行,多余的气量利用旁通阀自动增加开度来实现科学合理调节。而负荷高于30%,旁通阀全关,由Hydro COM单独负责负荷的调节。即使Hydro COM系统出现故障,由于该系统能够自动切除故障,控制器信号依然能够接收到,C102A压缩机恢复到原来的100%负荷状态,多余的气量通过旁通阀自动增加开度来满足整个气量调节。

4.2 Hydro COM控制回路

压缩机的基本控制回路包括控制器,信号线性化,Hydro COM中间接口单元(CIU),Hydro COM执行机构,旁通阀。

4.3 控制变量

总的来讲,控制回路的任务是维持控制变量稳定,如:进气压力,排气压力,气体流量或其他量。

本控制方案中对如下控制变量进行控制:压缩机一级的主控变量是:压缩机的入口缓冲罐和出口压力的低选控制信号。通过压力PI控制器保持进、排气压力的稳定。压缩机二级的主控变量是:压缩机的二级入口压力。通过压力PI控制器保持入口压力的稳定。压缩机三级的主控变量是:压缩机的三级入口压力。通过压力PI控制器保持入口压力的稳定。

4.4 把Hydro COM系统嵌入到现有的DCS控制系统

由于把Hydro COM系统嵌入到原有控制系统和人机界面是有可能的。所以,现有控制程序没有改变使用原有控制变量和控制信号。Hydro COM的控制只是把之前旁通阀原有的控制信号,通过DCS组态分程把信号分为两个,一个给旁通回流阀,另一个给Hydro CO系统。

4.5 本项目的创新之处

①本项目研究的对象为化工企业(重污染,高危险,省支柱产业)生产装置当中的往复式压缩机所开发的气量无级调节系统。②分析了石化装置170万吨/年渣油加氢装置新氢压缩机(C102A/B)工作现状,在其工作方式的现有缺陷基础上,通过研发实现节能改进;③在设计气量无级调节系统控制方案时,采用DCS、PLC,利用现代先进的控制理论确定设计方案。

5 后记

无级气量调节系统在往复压缩机的应用节能效果非常明显,年节约费用达409.69万元,投资回收期分别只有7个月。无级气量调节系统在往复压缩机的应用过程中,碰到了各种各样的问题,我们项目组通过认真分析、总结经验,得以有效解决。目前,无级气量调节系统在石化生产装置运行平稳,为生产装置的节能降耗做出了突出贡献;同时,也为进一步推广无级气量调节系统这项技术在其他往复式压缩机的应用,提供了宝贵的操作和维护经验。

参考文献

[1]张章林.Hydro COM气量无级调节系统在新氢机的应用[J].广石化科技,2011(3).

[2]何文丰.镇海炼化设备节能技术应用[J].设备节能技术交流,2013.

[3]袁春峰.贺尔碧格厂家技术培训,2013.

[4]戴金祥.Hydro COM气量无级调节系统在220万吨蜡油加氢装置中的应用[J].安庆石化.

[5]梁涌.《压缩机技术》2007第3期-维普资讯网.

无级调节系统 篇6

玉米播种机田间作业时, 需要根据玉米品种特性、产量水平、土壤肥力及施肥水平选择合理的种植密度 (即亩株数) 。黄淮海区域玉米的种植密度一般为3 500~5 500株/667m2, 行距为600mm。因此, 不同的玉米品种、不同地区的种植模式、不同地块的种植环境都需要不同种植密度, 即需要不同的株距。当株距无级调节器的调节架处于不同的位置时, 调节器输入转速与输出转速的传动比不同, 得到的玉米株距也随之不同。因此, 株距无级调节器要进行株距的无级调节, 必须要建立株距无级调节器转入转速、输出转速、调节架位移和株距之间的函数模型。

1 株距无级调节器函数模型的建立

为方便建立函数模型, 设定调节器的输入转速为定值 (110.52r/min) , 在JPS-12型计算机视觉排种器试验台上进行试验。由于链条传动时具有不稳定性, 因此输入转速与输出转速用接触式机械转速表进行测量。株距无级调节器结构简图如图1所示。

数据采集时, 设定株距无级调节器的输入转速为n1, 输出转速为n2, 调节架的位移为x, 玉米株距为l。经测定, 所得数据如表1所示。

1.输入轴2.箱体3.凸轮4.摆杆复位装置5.接近开关6.摆杆7.调节架8.移动导向装置9.输出轴10.株距指示装置11.调节计量螺-蜗杆12.微型直流减速电机13.离合器14.位移检测装置

2 试验过程

2.1 变量的定义

将调节装置调节架的位移定义为变量x (mm) ;将调节器的输出转速n2 (r/min) 与输入转速n1 (r/min) 的比值定义为变量y, 0≤x≤40且x∈N;将播种株距定义为l (m) 。

2.2 输出函数模型求解

在matlab中Command Windows窗口命令中输入一下命令:

然后回车, 点击出现的窗口1上的Date命令, 出现下一个命令窗口。在X Date命令的下拉菜单中选择变量x, 在Y Date命令的下拉菜单中选择变量y, 在Date set name命令中输入名字“拟合曲线”, 点击Create date set命令, 最后点击Close命令, 关闭窗口。此时, 再点击命令窗口1中的Fitting命令, 在出现的命令窗口中, 点击New fit命令, 在出现的新的命令窗口中的Fit name命令中输入要拟合函数的名字“函数模型”, Date set自动设置为刚才创建的数据组“拟合曲线”;命令Type of fit指的是要进行数据拟合的函数类型。经过对比分析, 选择多项式、正弦函数、高斯法3种经典拟合方法求解函数模型。每种求解方法有不同的函数形式 (次数) , 通过对比不同次数函数形式的拟合好坏, 选择拟合程度最好的一种形式。

3 结果分析与评价

3.1 曲线拟合结果

1) 正弦函数模型。正弦函数模型包括8种函数形式, 通过对比分析每种函数形式的拟合程度, 得出如下函数模型是正弦函数模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图2所示, 其函数关系式为

函数关系的误差平方和 (SSE) 、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:0.000 102 1, R-square:0.997 7, Adjusted R-square:0.996 9, RMSE:0.002 609。

2) 多项式模型。多项式模型包括9种函数形式, 通过对比分析每种函数形式的拟合程度, 得出9次多项式模型是多项式模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图3所示, 其函数关系式为

函数关系的误差平方和 (SSE) 、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:2.833e-005, R-square:0.999 4, Adjusted R-square:0.998 8, RMSE:0.001 605。

3) 高斯模型。通过对比分析每种函数形式的拟合程度, 得出如下函数模型是高斯函数模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图4所示, 其函数关系式为

函数关系的误差平方和 (SSE) 、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:0.000 102 1, R-square:0.997 7, Adjusted R-square:0.996 9, RMSE:0.002 609。

3.2 确定函数模型

3.2.1 输入转速与输出转速之间的函数模型

通过对比3种函数类型中函数模型的误差平方和 (SSE) 、相关系数R-square、均方根误差RMSE的数值的大小, 得出多项式拟合模型是拟合程度最好的函数模型。由于y=n2/n1, 带入多项式拟合模型的函数关系式, 得出输出转速n2与输入转速n1之间的函数关系为

3.2.2 株距与调节架位移之间的函数模型

以设计的2BYM-4型智能免耕玉米精量播种机为例, 其传动示意图如图5所示。

1.地轮2.锥齿轮1 3.锥齿轮2 4.锥齿轮3 5.锥齿轮46.链轮z17.链轮z28株距无级调节器9.链轮z310.链轮z411链轮z512链轮z6

其中, 地轮直径为480mm;4个锥齿轮齿数相同, 传动比为1;链轮z1=25, z2=15, z3=30, z4=12, z5=18, z6=19。播种机的株距、排种器转速与前进速度之间的关系为

其中, l为播种株距 (m) ;v为播种机的行进速度 (km/h) ;n为排种器链轮的转速 (r/min) 。地轮转速与播种机行进速度之间的关系为

其中, v为播种机的行进速度 (km/h) ;d为播种机地轮的直径 (m) ;n0为地轮的转速。

由传动系统示意图及各零件的参数可知

将式 (4) 、式 (6) 、式 (7) 都带入到式 (5) 中, 可得

把d=0.48带入到上式中可得株距与调节器的调节架位移之间的函数关系式为

3.2.3 株距与亩株数的函数模型

设定玉米株距为n1 (m) ;亩株数为a, 行距为b (m) , 则由

可得株距与亩株数的函数模型为

黄淮海区域的玉米种植行距一般为0.6m, 则

3.3 传递函数应用

3.3.1 滑移率反馈调整

设脉冲计数模块的计数值为C, 测量齿轮每转一周转速传感器输出的脉冲数为P, 计数时间为t (s) , 测量齿轮转速为n (r/min) , 则以下关系式成立, 有

若t=1s, P=60, 则C=n, 可得到测量齿轮转速的公式为

由式 (13) 可知, 如果用计数器在时间t内对脉冲信号进行计数, 就可以计算出测量齿轮的转速n。由课本公式可知, 滑移率的计算公式为

对于播种机, 地轮滑移率的计算公式为

其中, δ表示地轮的滑移率;v表示播种机的前进速度;n表示测量齿轮的转速;r表示地轮的半径。

此时, 式 (5) 中的n0由于滑移率δ的影响, n0此时的实际数值为n0 (1-δ) , 故要想去除滑移率的影响, 需要调整调节架的位置, 改变株距无级调节器的传动比, 从而改变播种的理论株距。此时, 株距与调节架位移的函数模型为

4 结论

结合Mat Lab曲线拟合工具箱, 求出了株距无级调节器输入转速n1与输出转速n2之间的最优函数模型, 为调节器控制系统的开发提供了理论支持。同时, 控制系统结合齿轮传感器测得的齿轮转速和GPS提供的机组行进速度, 按照地轮滑移公式计算, 实现株距的在线调整, 减小滑移率对排种质量的影响。

摘要：株距无级调节器要进行株距的无级调节, 必须要建立株距无级调节器转入转速、输出转速、调节架位移和株距之间的函数模型。滑移率是指播种机工作时地轮滑动成分所占的比例, 滑移率是影响播种质量的重要因素。为此, 利用齿轮转速传感器测得播种机的滑移率, 然后反馈给株距无级调节器的控制系统, 通过调节株距无级调节器的调节架位移来改变理论播种株距, 从而减小滑移率对播种质量的影响, 提高播种的均匀性。

关键词：智能农业,函数模型,株距,滑移率,拟合曲线

参考文献

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汽车无级变速传动系统控制研究 篇7

1 无级变速传动介绍

目前, 汽车行业已经使用的自动变速技术分为三种, 包括电子控制机械自动变速器 (Automatic Mechanical Transmission, ATM) 、液力自动变速器 (Automatic Tran smission, AT) 以及无级变速器 (Continuously Variable Transmission, CVT) 。ATM技术与AT技术实质上属于自动有级变速, 并非真正意义的无级变速技术。无级变速传动才是汽车行业所追求的目标。目前, 发达国家无级变速传动系统比较完善, 很多技术已经应用于汽车产品。2002年以前, 我国主要引进了VDT式金属带无级变速器的专利, 给国产汽车行业带来了巨大的负担。因此, 开发具有完全自主知识产权的无级变速汽车是现阶段我国汽车行业的主要任务与目标。

1.1 无级变速传动

无级变速传动系统是指可以在变速范围内连续变速的传动系统。无级变速传动系统变化速度时没有顿挫感, 且噪音小, 可以为乘客营造舒适的乘车环境, 同时可以简化驾驶操作, 降低汽车驾驶难度。除此之外, 无级变速传动系统通过改善汽车的动力性, 提高了汽车能量传递效率和汽车经济性, 有效减少汽车尾气排放, 符合绿色发展的趋势。因此, 无级变速传动系统具有巨大的市场潜力。

1.2 无级变速传动分类

按照无级变速传动系统的结构形式, 无级变速传动主要包括机械式、电动式和流体式三种。

机械式无级变速传动系统已经有较长的历史, 主要特点是传动比变化连续、变速范围宽、传递功率稳定性高。现有的机械式无级变速传动系统包括橡胶带式无级变速传动系统、金属链式无级变速传动系统以及金属带式无级变速传动系统。它们的共同特点是通过改变带轮工作半径调节传动比。其中, 金属带式无级变速传动系统应用最广, 也是本文的主要研究对象。

电动式无级变速传动系统又可以分为液力式与液压式。液力式无级变速传动系统以液力为介质的叶片传动, 主要特点是加速迅速, 减震性能好;液压式无级变速传动系统则是通过液压能传递动力。

电动式无级变速传动系统属于纯电动汽车, 依靠电机的输入功率、电压、电流等改变转速与转矩, 其最显著的缺陷就是电池。电动汽车的电池续航能力较差。

1.3 无级变速传动现状与趋势

最早的无级变速传动系统是由美国人H.G.Spanlding在1896年提出的。20世纪50年代, 荷兰人H.Van.Doorne成功开发出双V胶带式无级变速传动系统。20世纪60年代, 荷兰研制出金属带式无级变速传动系统。1982年, 荷兰VDT公司将金属带式无级变速传动系统装配到汽车上。随后几十年间, 无级变速传动系统开始广泛应用于汽车制造行业。我国关于金属带式无级变速传动系统的研究起步较晚。20世纪90年代, 北京理工大学、吉林工业大学等研究机构开始着手研究无级变速传动系统, 但现有的研究成果仍然处于初级阶段。金属带式无级变速传动系统的仍然是汽车领域的主要发展趋势, 通过电控方式控制无级变速传动系统已经成为控制领域的重要课题。

2 金属带式无级变速传动的传动特性

2.1 金属带式无级变速传动结构与原理

金属带式无级变速传动系统的结构主要包括主动轮组、从动轮组、金属带以及液压泵部件。主动轮组与从动轮组包括可动盘与固定盘。可动盘与固定盘都是锥形结构, 锥面上的V形槽可以与V型金属带啮合。靠近油缸的可动盘可以沿轴滑动, 金属带主要由两束金属环与上百个金属片组成。发动机输出轴与无级变速器的主动轮相连, 发动机输出的动力经过主动轮由V型金属带传递给从动轮, 从动轮输出转速与转矩。汽车工作时, 通过可动盘的轴向移动调节主动轮与从动轮的工作半径, 从而改变传动比。汽车传动比需要根据汽车的工况进行调节, 从动能处于主动轮组的工作半径连续变化实现汽车的无级变速。金属带式无级传动系统的结构如图1所示。

2.2 无级变速传动速比分析

主动带轮与从动带轮的工作直径直接确定了无级变速传动系统的传动比, i=D2/D1。公式中, D1与D2分别表示主动带轮与从动带轮的工作直径。而主动带轮与从动带轮的工作直径是可以变化的, 因此传动比i具有一定范围。传动比i的范围直接受机械结构限制, 一般范围为2.6~0.45。带传动的斜向运行角γ和包角β的关系为β=π±2γ。在变速工作过程中, 金属带的长度可以当做定值, 从而可以得出v传动比下的带轮工作半径与金属带长度之间的关系:

整理后, 可以得到

3 金属带夹紧力分析

金属带式无级变速传动系统的主要任务有两个:一是将发动机的功率传递给驱动轮, 同时减少传动中的功率消耗;二是根据汽车的工况, 自动调整汽车传动比, 促使汽车冲处于最佳状态。可以通过控制金属带夹紧力提高传动系统的传动效率。如果金属带夹紧力过小, 则金属带与带轮之间产生滑动, 易造成较大的功率损失, 同时加快了金属带与带轮之间的磨损, 缩短了汽车的整体使用寿命。通过调整汽车变速传动系统的传动比, 可以有效改善汽车的经济性与动力性。金属带式无级变速传动系统的传动比与夹紧力具有耦合效应, 因此不能按照传统带传动原理进行分析。

4 传动比控制分析

金属带式无级变速传动系统的传动比控制目标主要包括三个方面:一是通过控制传动比调整离合器的接合过程, 以保证汽车在各种工作情况下均能平稳启动, 降低启动冲击对离合器的磨损与功耗, 从而延长离合器的工作年限;二是通过控制传动比使发动机达到最经济工作点, 保证汽车在动态调整过程中趋近于最经济工作点, 提高汽车燃油利用率, 减少汽车尾气的排放;三是通过控制传动比使汽车行驶更加平顺, 以保证良好动力性。为了保证无级变速传动系统可以实现上述目标, 必须充分考虑各种工况下的控制策略。

(1) 起步工作状态的传动比控制目标:

加速工作状态的传动比控制目标:

加速工作状态的传动比控制目标:

5 无级变速传动综合控制模型构建

金属带式无级变速传动系统的最大优势, 就是可以根据汽车的工作状况调整传动比, 从而保证发动机处于最佳动能性与经济性工作状态。非综合控制的无级变速汽车直接通过控制脚踏板调整油门开闭程度。当汽车处于起步状态时, 发动机转速不能随油门迅速改变, 导致发动机工作点偏离最佳工作线。当汽车处于加速工作情况下, 车体与转动部件的惯性导致发动机出现转矩余量, 严重影响汽车的加速性能。为了使金属带式无级变速传动系统达到最佳的经济性与动态性, 可以采用控制加速踏板等方式调整油门与传动比参数, 从而实现传动比模糊控制的综合控制模型。金属带式无级变速传动综合控制模型如图3所示。

由框架图可以看出, 通过控制汽车加速踏板可以调整汽车速度。实质上, 这是对汽车功率的调整。简单地说, 汽车踏板量与汽车目标功率具有相关性。在理想理论模型下, 汽车发动机的经济性与动力性取决于油门的开闭程度, 直接与目标功率相关。目标功率和油门的开闭程度可以按照工作模式与工作线的关系进行调整。但实际应用中, 系统处于动态变化中, 需要将发动机转速对目标油门的影响纳入考虑范围。油门模糊控制器可以根据目标值与理论值之间的差量进行控制。通过驱动步进电机控制油门开闭程度, 当目标功率可以达到调整范围时, 油门开闭程度最大, 直到发动机特性功率达到目标功率, 最后通过控制幽门开闭程度以及变速器传动比, 使目标功率曲线趋近于最佳工作线。金属带式无级变速传动综合控制模型实际上属于双闭环控制模型。

6 总结

无级变速传动系统具备传统齿轮变速系统无法比拟的优势, 为乘客提供了更加舒适的出行环境。本文重点分析了金属带式无级变速传动系统的结构与工作原理, 并根据汽车的实际工况提出了可行的综合控制策略, 构建了无级变速传动系统控制模型。具体的研究内容包括金属带传动的特性, 并分析了负载状态下带轮的力平衡, 同时在已有的数据基础上探讨了最佳经济性控制策略以及最佳动力性控制策略, 从而有效解决了无级变速传动系统经济性与动力性协调关系。

摘要：无级变速传动系统提速过程平缓, 没有齿轮换挡的顿挫感, 已经成为汽车发展的主要趋势之一。虽然无级变速传动系统已在汽车领域得到广泛应用, 但在实际应用中还存在较多缺陷。本文将深入分析金属带式无级变速传动系统控制策略, 并根据实际工况进行建模, 以构建汽车无级变速传动系统的控制模型。

关键词：汽车,无级变速,传动系统,控制策略,综合控制

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