往复压缩机流量调节系统

摘要

一种往复压缩机流量调节系统。包括：动态压力传感器，包括轴侧动态压力传感器和盖侧动态压力传感器，测量气缸轴侧动态压力和盖侧动态压力；键相传感器，测量压缩机曲轴相位及曲轴转速；部分顶开吸气阀流量调节装置，包括轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于气缸轴侧，调节气缸轴侧的进气流量，盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于气缸盖侧，调节气缸盖侧的进气流量；监控调节系统，根据动态压力传感器和键相传感器确定反向角，其小于许用反向角时，控制部分顶开吸气阀流量调节装置调节轴侧进气流量与盖侧进气流量，使反向角大于或等于许用反向角。

权利要求

1.一种往复压缩机流量调节系统，包括：

动态压力传感器，包括轴侧动态压力传感器和盖侧动态压力传感器，分别用于测量所述压缩机的气缸的轴侧动态压力和盖侧动态压力；

键相传感器，用于测量所述压缩机的曲轴相位及曲轴转速；

部分顶开吸气阀流量调节装置，包括轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，所述轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于所述压缩机的气缸轴侧，用于调节所述气缸的轴侧的进气流量，所述盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于所述压缩机的气缸的盖侧，用于调节所述气缸的盖侧的进气流量；

监控调节系统，用于根据所述动态压力传感器和所述键相传感器的测量结果确定反向角，在所述反向角小于许用反向角时，控制所述部分顶开吸气阀流量调节装置调节气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得所述反向角大于或等于许用反向角；

其中，所述控制所述部分顶开吸气阀流量调节装置调节气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量包括：分别控制所述轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，使得所述气缸内的总进气流量不变，采取不平均调节方法，使轴侧的进气流量与盖侧的进气流量不相等，且轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量。

2.根据权利要求1所述的往复压缩机流量调节系统，其中，所述监控调节系统根据所述动态压力传感器和所述键相传感器的测量结果计算压缩机的活塞力，并根据所述活塞力确定反向角。

3.根据权利要求1所述的往复压缩机流量调节系统，其中，所述总进气流量为所述轴侧的进气流量与所述盖侧的进气流量的加权和。

4.根据权利要求1所述的往复压缩机流量调节系统，其中，所述监控调节系统预先确定所述压缩机在非满负荷流量下运行时，以百分比计的气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，从而使得反向角大于或等于许用反向角。

5.根据权利要求4所述的往复压缩机流量调节系统，其中，预先确定的以百分比计的气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量存储于所述监控调节系统内部的存储器单元中。

说明书

往复压缩机流量调节系统

技术领域

[0001] 本发明涉及压缩机技术领域，更具体地，涉及一种往复压缩机流量调节系统。

背景技术

[0002] 往复压缩机具有流量范围广、压比高等特点，在石油、化工等领域得以广泛应用。设计选型时，往复压缩机应满足最大流量和最大压比的工况，而在实际操作中，由于设计裕量、工况变化、生产情况等因素需对压缩机进行流量调节。流量调节对节能降耗及设备长期稳定运转均具有重要意义。往复压缩机较常见的流量调节方式有如下四种：旁路调节、卸荷器调节、可变余隙无级调节、部分顶开吸气阀无级调节。其中，部分顶开吸气阀无级调节方式通过控制压缩行程中吸气阀的启闭，从而实现气量连续无级调节，CN03158561.2及US7331767等专利公开了此类调节方式。这种调节方式具备流量调节范围广、节能降耗效果显著等优势，因而广泛应用于加氢裂化等炼化装置的大型往复压缩机上。

[0003] 往复压缩机易损件多、故障源多，导致机组难以长期平稳运行。现场经验发现，连杆小头轴瓦烧毁故障是机组非正常停机的主要原因之一。研究表明，小头轴瓦烧毁主要与小头衬套润滑不良有关。导致其润滑不良的原因很多，例如反向角过小、油道堵塞、油压低等，其中反向角过小是导致连杆小头轴瓦烧毁的最重要原因。因此，反向角数值直接影响往复压缩机能否长期稳定运行。国内外压缩机厂商多规定反向角不得小于40度，以避免反向角过小影响机组的稳定运行。

[0004] 目前，部分顶开吸气阀流量调节系统针对气缸盖侧及轴侧采用相同的流量调节比例，即平均调节。然而，现场经验及研究表明，采用现有调节系统可能造成因反向角降低而导致小头轴瓦烧毁的故障，并可能引发机组振动加剧，极大地影响了往复压缩机的稳定性与可靠性。因此，有必要开发一种往复压缩机流量调节系统，以避免现有部分顶开吸气阀调节系统对小头轴瓦等部件的影响。

[0005] 公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

[0006] 本发明提出了一种往复压缩机流量调节系统，其能够通过调节气缸轴侧进气流量与盖侧进气流量，提升反向角数值，避免往复压缩机流量调节系统对小头轴瓦等的不良影响。

[0007] 为了实现上述目的，根据本发明提出的一种往复压缩机流量调节系统，包括：动态压力传感器，包括轴侧动态压力传感器和盖侧动态压力传感器，分别用于测量所述压缩机的气缸的轴侧动态压力和盖侧动态压力；键相传感器，用于测量所述压缩机的曲轴相位及曲轴转速；部分顶开吸气阀流量调节装置，包括轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，所述轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于所述压缩机的气缸轴侧，用于调节所述气缸的轴侧的进气流量，所述盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于所述压缩机的气缸的盖侧，用于调节所述气缸的盖侧的进气流量；监控调节系统，用于根据所述动态压力传感器和所述键相传感器的测量结果确定反向角，在所述反向角小于许用反向角时，控制所述部分顶开吸气阀流量调节装置调节气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得所述反向角大于或等于许用反向角。

[0008] 优选地，所述监控调节系统根据所述动态压力传感器和所述键相传感器的测量结果计算压缩机的活塞力，并根据所述活塞力确定反向角。

[0009] 优选地，所述控制所述部分顶开吸气阀流量调节装置调节气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量包括：分别控制所述轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，使得所述气缸内的总进气流量不变，且轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量。

[0010] 优选地，所述总进气流量为所述轴侧的进气流量与所述盖侧的进气流量的加权和。

[0011] 优选地，所述监控调节系统预先确定所述往复压缩机在非满负荷流量下运行时，以百分比计的气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，从而使得反向角大于或等于许用反向角。

[0012] 优选地，预先确定的以百分比计的气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量存储于所述监控调节系统内部的存储器单元中。

[0013] 本发明的有益效果在于：通过调节气缸轴侧进气流量与盖侧进气流量，提高反向角数值，避免往复压缩机流量调节系统对小头轴瓦等的不良影响，提升往复压缩机运行的稳定性；监控调节系统通过监控动态压力传感器和键相传感器的测量结果，实现故障诊断及报警，并通过调节轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，实现小头轴瓦在故障状态下的自愈功能，减少了故障对往复压缩机运行的影响，进一步提升了稳定性。

[0014] 本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

[0015] 通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

[0016] 图1示出了根据本发明示例性实施例的往复压缩机流量调节系统的结构图。

[0017] 图2示出了根据现有技术的往复压缩机流量调节系统的综合活塞力曲线示意图。

[0018] 图3示出了根据本发明示例性实施例与现有技术的往复压缩机流量调节系统的反向角对比图。

[0019] 附图标记：

[0020] 1、监控调节系统；2、动态压力传感器；3、部分顶开吸气阀流量调节装置；4、气缸；5、键相传感器；6、动力机构。

具体实施方式

[0021] 下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0022] 图1示出了根据本发明示例性实施例的往复压缩机流量调节系统的结构图。图1显示了应用于两级压缩机的流量调节系统，但是在实际应用时，根据本发明实施例的往复压缩机流量调节系统可以应用于任意缸数、任意级数的压缩机，并不限于图1所示的情况。

[0023] 根据本发明示例性实施例的往复压缩机流量调节系统可以包括：动态压力传感器2，包括轴侧动态压力传感器和盖侧动态压力传感器，分别用于测量压缩机的气缸4的轴侧动态压力和盖侧动态压力；键相传感器5，用于测量压缩机的曲轴相位及曲轴转速；部分顶开吸气阀流量调节装置3，包括轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于压缩机的气缸4轴侧，用于调节气缸4的轴侧的进气流量，盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于压缩机的气缸4的盖侧，用于调节气缸4的盖侧的进气流量；监控调节系统1，用于根据动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果确定反向角，在反向角小于许用反向角时，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得反向角大于或等于许用反向角。

[0024] 根据示例性实施例的往复压缩机流量调节系统通过调节气缸4轴侧进气流量与盖侧进气流量，提高反向角数值，避免往复压缩机流量调节系统对小头轴瓦等的不良影响，提升往复压缩机运行的稳定性。

[0025] 具体地，往复压缩机的气缸4内部空间被分为两部分，靠近气缸4的气缸盖的一侧为盖侧，另一侧(即靠近曲轴的一侧)为轴侧，动态压力传感器2包括轴侧动态压力传感器和盖侧动态压力传感器，分别用于实时测量轴侧动态压力和盖侧动态压力，并将信号传递至监控调节系统1，另外，动态压力传感器2也可集成安装在部分顶开吸气阀流量调节装置3或吸排气阀内部。

[0026] 键相传感器5安装在压缩机飞轮或其他旋转部件上，用于测量压缩机的曲轴相位及曲轴转速，从而获得活塞所在位置。

[0027] 部分顶开吸气阀流量调节装置3包括轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于压缩机的气缸4轴侧，用于调节气缸4的轴侧的进气流量，盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置设置于压缩机的气缸4的盖侧，用于调节气缸4的盖侧的进气流量；动力机构6可接收监控调节系统的信号，并根据该信号为部分顶开吸气阀流量调节装置3提供动力以打开或关闭部分顶开吸气阀流量调节装置3，动力机构6可采用气动、液压、电动或其他驱动方式驱动部分顶开吸气阀流量调节装置3。

[0028] 监控调节系统1根据动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果确定反向角，在反向角小于许用反向角时控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得计算的反向角大于或等于许用反向角。更具体来说，监控调节系统1采集动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果，并计算活塞力，然后根据活塞力确定反向角，在反向角小于许用反向角时，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得计算的反向角大于或等于许用反向角。

[0029] 此外，监控调节系统1还能实现自动诊断故障、核算不平均调节进气流量的功能。监控调节系统1可为可编程控制器(PLC)等，同时允许通过远程数据通信的方式修改程序参数，在往复压缩机运行过程中，监控调节系统1根据动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果，自动绘制、分析示功图(PV图)，根据示功图的分析结果，对气阀、活塞环、填料等部件故障进行诊断、报警，若故障产生，系统自动核算此故障状态下的综合活塞力、反向角等参数，若故障导致综合活塞力过大或反向角过小，通过调节轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使综合活塞力、反向角等参数回归正常水平，确保已发生的故障不波及小头轴瓦等部件，实现小头轴瓦等部件在故障状态下的自愈功能，减少了故障对往复压缩机运行的影响，进一步提升了稳定性。

[0030] 在一个示例中，监控调节系统1根据动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果计算压缩机的活塞力，并根据活塞力确定反向角。

[0031] 在一个示例中，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量包括：分别控制轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置，使得气缸4内的总进气流量不变，且轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量。在一个示例中，轴侧的进气流量与盖侧的进气流量分别加权之和为总进气流量。

[0032] 具体地，本装置采取不平均调节方法，使轴侧的进气流量与盖侧的进气流量不相等，即在反向角小于许用反向角时，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，使得气缸4内的总进气流量不变(总进气流量为轴侧的进气流量与盖侧的进气流量的加权和)，且轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量，使得计算的反向角大于或等于许用反向角，其中，轴侧进气流量与盖侧进流量的加权系数根据气缸4与活塞杆的具体参数确定，这是本领域技术人员容易确定的。

[0033] 在一个示例中，监控调节系统1预先确定往复压缩机在非满负荷流量下运行时，以百分比计的气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，从而使得反向角大于或等于许用反向角。

[0034] 在一个示例中，预先确定的以百分比计的气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量存储于监控调节系统1内部的存储器单元中。

[0035] 具体地，监控调节系统1根据往复压缩机的结构参数(包括缸径、活塞杆直径、行程等)与工艺参数(包括进出口压力、工作温度等)，结合公式(1)-(19)，计算活塞力，绘制活塞力曲线，并根据曲线计算得到反向角；在反向角小于许用反向角时，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸4轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，且轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量，计算该流量下的活塞力，并根据活塞力确定反向角，使得反向角大于或等于许用反向角。监控调节系统1记录各流量处的以百分比计的轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，并存储于监控调节系统1内部的存储器单元，当反向角小于许用反向角时，调用存储的进气流量，从而使得反向角大于或等于许用反向角。

[0036] 应用示例

[0037] 为便于理解本发明实施方式的方案及其效果，以下给出具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

[0038] 1.现有技术示例

[0039] 以国内某炼化企业的新氢压缩机为例，具体型号为4M80-33.3/20-175，转速为300rpm，四列四缸三级。

[0040] 反向角由综合活塞力数值统计获得。在往复压缩机工作的一个周期内，正常满负荷状态下综合活塞力可以按照以下六个过程来计算：盖侧膨胀、轴侧压缩，盖侧吸气、轴侧压缩，盖侧吸气、轴侧排气，盖侧压缩、轴侧膨胀，盖侧压缩、轴侧吸气，盖侧排气、轴侧吸气。

[0041] 在盖侧膨胀、轴侧压缩的情况下，综合活塞力为：

[0042] Fp＝-AG×Pe+AZ×Pc+FI    (1)

[0043] 其中，Fp表示综合活塞力，AG表示盖侧活塞面积，AZ表示轴侧活塞面积，Pe表示气体膨胀压力，Pc表示气体压缩压力，FI表示往复惯性力；

[0044] 在盖侧吸气、轴侧压缩的情况下，综合活塞力为：

[0045] Fp＝-AG×Ps+AZ×Pc+FI    (2)

[0046] 其中，Ps表示气体吸入压力，其余参数与公式(1)含义相同，以下不再重复描述；

[0047] 在盖侧吸气、轴侧排气的情况下，综合活塞力为：

[0048] Fp＝-AG×Ps+AZ×Pd+FI    (3)

[0049] 其中，Pd表示气体排气压力；

[0050] 在盖侧压缩、轴侧膨胀的情况下，综合活塞力为：

[0051] Fp＝-AG×Pc+AZ×Pe+FI    (4)；

[0052] 在盖侧压缩、轴侧吸气的情况下，综合活塞力为：

[0053] Fp＝-AG×Pc+AZ×Ps+FI    (5)；

[0054] 在盖侧排气、轴侧吸气的情况下，综合活塞力为：

[0055] Fp＝-AG×Pd+AZ×Ps+FI    (6)；

[0056] 其中，气体压缩状态力为：

[0057] Pc×(xi+S0)n＝Ps×(S+S0)n    (7)

[0058] 其中，xi表示活塞位置坐标，S0表示活塞余隙行程，n表示多方压缩指数，S表示活塞行程；

[0059] 气体膨胀状态力为：

[0060] Pe×(xi+S0)m＝Pd×Sn    (8)

[0061] 其中，m表示膨胀过程指数；

[0062] 盖侧位置坐标为：

[0063]

[0064] 其中，r表示曲轴半径，γ表示曲柄连杆比，θi表示曲轴转角；

[0065] 轴侧位置坐标为：

[0066]

[0067] 往复惯性力为：

[0068] FI＝msrω2(cosθi+γcos2θi)    (11)

[0069] 其中，ms表示往复运动质量，其中，往复运动质量包含了所有往复运动件的质量和，如活塞、活塞杆、十字头等，ω表示曲轴角速度；θi表示曲轴转角。

[0070] 通过公式(1)-(11)，可以计算压缩机满负荷状态下的综合活塞力，绘制综合活塞力曲线。满负荷状态下，该压缩机三级气缸的反向角为90度，满足相关要求。

[0071] 采用现有技术的部分顶开吸气阀调节系统，气体依次经历膨胀、吸气、回流、压缩和排气五个过程，综合活塞力按照以下公式(12)-(19)进行计算。

[0072]

[0073]

[0074] 在公式(12)-(19)中，各参数的含义与公式(1)-(11)中相同。

[0075] 根据往复压缩机的结构参数(气缸直径、活塞杆直径、行程等)、工艺参数(进出口压力、工作温度等)，通过公式(1)-(19)，可以计算平均调节情况下各流量下的综合活塞力，绘制活塞力曲线，如图2所示，在图2中纵坐标轴正值部分所对应的曲轴角度即为反向角。根据图2的曲线可以获得反向角，反向角数据如表1所示。

[0076] 表1

[0077]

[0078] 现有技术的部分顶开吸气阀调节系统采用平均调节方法，即针对气缸盖侧及轴侧采用相同的流量调节比例。由表1及图2可知，随着流量值的减小，反向角呈现出先稳定、后迅速降低的趋势，且呈现出两段式、非连续的现象，当流量值小于70％时，反向角低于许用值，可能造成小头轴瓦烧毁的故障。

[0079] 2.本发明应用示例

[0080] 图3表示出了根据本发明与现有技术的往复压缩机流量调节系统的反向角对比图。在本应用示例中，往复压缩机的结构参数(缸径、活塞杆直径、行程等)已知，根据期望的工艺参数(进出口压力、工作温度等)，可以预先计算在期望工作条件下，对应于各非满负荷流量，活塞工作的各个阶段气缸4内的轴侧与盖侧工作压力，进而根据公式(12)-(19)计算活塞力，核算各个流量下的反向角。

[0081] 如果在某一流量下核算的反向角小于许用反向角，那么设定往复压缩机在该非满负荷流量下运行时的轴侧的进气流量与盖侧的进气流量(以百分比计)，直到计算的反向角大于或等于许用反向角。

[0082] 设定轴侧的进气流量与盖侧的进气流量时，可以预先选择初始的轴侧进气流量与盖侧进气流量，然后计算反向角，如果计算的反向角大于或等于许用反向角，则可将该初始的轴侧进气流量与盖侧进气流量作为不平均调节所采用的轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，反之则调整该初始的轴侧进气流量与盖侧进气流量，直到计算的反向角大于或等于许用反向角为止。

[0083] 在本示例中，在流量值低于80％时，设定气缸4轴侧的进气流量大于盖侧的进气流量(以百分比计)，然后根据公式(12)-(19)计算该流量下的活塞力，并根据活塞力确定反向角，使得反向角大于或等于许用反向角，反向角数据如表2所示。

[0084] 表2

[0085]

[0086] 预先确定的非满负荷流量下的以百分比计的轴侧的进气流量与盖侧的进气流量被存储于监控调节系统1内部的存储器单元中。在往复压缩机运行时，当根据本发明的往复压缩机流量调节系统确定反向角小于许用反向角时，监控调节系统1可以直接调用存储于存储器单元中的以百分比计的进气流量，进而分别控制轴侧部分顶开吸气阀流量调节装置和盖侧部分顶开吸气阀流量调节装置调节轴侧进气流量与盖侧进气流量，从而使得反向角大于或等于许用反向角。

[0087] 在上述过程中，由于往复压缩机流量调节系统根据压缩机的结构参数和工艺参数预先确定以百分比计的进气流量，在实际运行过程中可能出现预料不到的故障或者其他突发情况，而导致按照预先确定的进气流量进行流量调节仍不能使反向角大于许用反向角。在这种情况下，通过动态压力传感器2和键相传感器5的测量结果动态地计算活塞力，并根据活塞力确定反向角，在反向角小于许用反向角时，按照实际测量结果修正预先存储的进气流量，控制部分顶开吸气阀流量调节装置3调节气缸轴侧的进气流量与盖侧的进气流量，以使得反向角大于或等于许用反向角。

[0088] 综上所述，通过调节气缸4轴侧进气流量与盖侧进气流量，可以提高反向角数值，从而避免往复压缩机流量调节系统对小头轴瓦等的不良影响。

[0089] 需要说明的是，针对没有配备缸内压力传感器的现有系统，可以按照应用示例中所述的方法，将预先设定的以百分比计的进气流量输入系统中即可。但是，这种方法不能根据缸内的实时压力随时调整至最优状态或改善故障状况，主要适用于改造不具备缸内压力传感器的现有部分顶开吸气阀调节系统。

[0090] 以上已经描述了本发明的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。