一种天然气压缩机电控直驱余隙调节方法与ePocket装置与流程

本发明提出一种基于伺服电机控制技术的活塞压缩机余隙调节方法与商品名为ePocket的节能装置。

背景技术：

可变余隙调节是活塞式压缩机气量调节的一种方式，其技术渊源最早可以追溯到1932年申请的专利US1856460 （Variable clearance pocket for compressors）, 采用手轮调节的方式改变余隙腔的容积，从而达到气量调节的目的。随着现代电液伺服控制技术的发展，国外Dresser Rand、Thomassen等压缩机制造公司都发展出基于电液伺服技术的余隙无级调节系统，如Dresser Rand 公司的HVVCP电液余隙无级调节系统；国内武汉理工大学研究成果《活塞活塞式压缩机余隙无级调节装置》也获得国家专利并成功实现了该技术工厂化应用,专利号ZL200820066897.8。以上发明和应用均证明可变余隙调节是一种有效的活塞压缩机气量调节方法。

余隙自动无级调节技术是在手动调节和气动固定余隙调节的基础上，通过采用智能化的控制系统使得压缩机余隙容积连续可调的调节方法。电液执行机构控制余隙无级调节装置实现压缩机排气压力和排气量的自动调节，该技术已在一些企业成功应用，节能效果显著，如下面三个使用案例，充分证明了连续余隙调节方式应用的可行性、可靠性与显著的节能效果（摘录自公开文献《武汉理工大学应用型科技成果汇编》）

1、中石化某分公司制氢装置3#压缩于2009年12月配备活塞式压缩机余隙无级调节系统，仅投资55万元，减少功耗138kw，节电约35%左右, 年节电120万千瓦时，年节省电费70余万元。

2、中石化某分公司双列三缸活塞式压缩机，由THEMOSNE公司制造，型号为C25-4压缩机，于 2010年9月配备活塞式压缩机余隙无级调节系统，投资65万元，减少功耗71kw，节电约10%左右, 年节电57万度，节省电费34万元。

3、中石油某分公司三级活塞活塞式压缩机，由由沈阳气体压缩机股份有限公式制造，型号为4M80-50/9.5-25 -15/25-125BX，于2011年10月配备活塞式压缩机余隙无级调节系统，投资105万元，减少功耗265kw，节电约11%左右, 年节电220万度，节省电费150万元，使用不到一年便收回投资。

采用电液伺服控制原理和方法的余隙无级调节装置能够有效达到活塞压缩机60%~100%的气量调节范围，但是由于采用液压驱动方式，余隙腔活塞在发生位移时需要直接克服压缩机气缸内的气体推力，需要配备大型油站提供液压能源；由于使用液压比例控制阀，对油液清洁要求比较高，不利于压缩机的野外环境下操作维护。总之是一种有效但实现方式比较复杂的装置。同时，制造成本由于电液伺服系统本身的配置复杂性也比较高，以上缺点在一定程度上制约了它的广泛应用。对于日渐兴起的国内天然气应用市场，由于天然气输送压缩机分布在野外，使用复杂的基于液压能源的余隙调节装置带来操作和管理上的困难。所以需要发展一种结构简单可靠、成本相对低廉、便于现场管理、野外操作的专门用于天然气活塞压缩机的智能化余隙无级调节系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、成本相对低廉的电控直驱可变余隙的活塞式压缩机气量无级调节方法与调节系统，主要应用于天然气活塞式压缩机的气量无级调节，为国外进口的天然气活塞式压缩机进行余隙腔无级调节的节能改造提供了一种技术手段，对石油、化工及其它通用行业的活塞压缩机的节能也具备应用前景。

本发明采用电控直驱伺服控制方案，系统分为可调余隙气缸、直驱装置、电控单元三个组成部分，电控单元可以根据主控变量与设定值的偏差，运算得到伺服电机的调节位置，根据位置指令通过直驱装置推动余隙缸活塞运动，对气缸盖侧的余隙容积进行调节，实现对压缩机排气量60%~100%的无级调节功能。

电动伺服系统的电控单元（ECU2）能够实现主控量与活塞位置的换算并实现余隙缸活塞位置的闭环控制。

本发明的实施步骤包括：

步骤1）：拆下每级气缸盖侧的缸盖或固定余隙腔，用可调余隙气缸取代。可调余隙气缸分为余隙调节腔和平衡工作腔，余隙活塞内侧的空腔为余隙调节腔，外侧的空腔为平衡工作腔。平衡工作腔通过平衡腔孔、管路与同一级入口管路或上一级入口管路的低温低压进气相通，即引入同一级或上一级的气缸低温低压进气进入平衡腔，对本级余隙调节腔内的高压气体起到减少余隙活塞两侧工作压差、冷却余隙腔内高压气体的作用；

步骤2）：压缩机气缸、余隙调节气缸、直驱装置通过装配止口用螺栓紧固为一体，保证同轴度，以保证直驱装置工作的可靠性；

步骤3）：电控单元（ECU2）根据主控变量与设定值的偏差，运算得到伺服电机的调节位置，根据位置指令通过直驱装置推动余隙缸活塞运动，对气缸盖侧的余隙容积进行调节，实现对压缩机排气量60%~100%的无级调节功能。主控变量包括：压缩机排气压力、进气压力、级间压力、气量负荷；

步骤 4）电动伺服系统的电控单元（ECU2）实现主控变量与活塞位置的换算并实现余隙缸活塞位置的闭环控制。通过可编程控制单元，直驱装置使得余隙缸活塞按输入信号作直线位移，从而实现各级余隙容积变化的伺服控制，最终实现压缩机排气压力、进气压力、级间压缩比的控制；

步骤5） 余隙调节系统的电控单元（ECU2）与DCS通讯，反馈系统故障报警信号、接收系统压力、负荷控制信号。

余隙调节系统的电控单元（ECU2）能够接收DCS的压力和负荷控制信号，或手动设置输入，然后进行运算控制，实现对电动伺服装置的位置闭环控制。

余隙调节系统的电控单元（ECU2）主要对2路电动伺服装置进行控制，并通过通讯总线对DCS反馈系统故障信号。主要功能：1）实现双闭环控制，控制框图如图2所示；2）级间压力控制、输出压力控制功能；3）位置闭环功能；4）系统运算转化功能；5）系统状态监测、故障报警与处理功能。

直驱装置设机械和电气限位，完全排除余隙活塞与气缸活塞相碰的情况。机械限位的方式之一：采用阶梯形状的余隙活塞，完全避免与气缸活塞相碰的风险。

余隙调节系统按使用场合采用防爆元器件，防爆等级可达到ExdIICT4+H2。

所述直驱装置是指对余隙活塞的直接驱动装置总成，总成包括：伺服电机、减速装置、双置推力轴承、重载滚珠传动杆（一种经特别设计的丝杠）、重载传动螺母（一种经特别设计的丝杠螺母）、连接导向套。

所述伺服电机能够根据活塞位置实现自闭环控制。

所述双置推力轴承，设计为在直驱装置轴承座前后端各设有推力轴承，推力轴承包括且不限于以下形式：推力球轴承、推力滚子轴承（包括圆柱滚子轴承, 推力调心滚子轴承,推力圆锥滚子轴承,推力滚针轴承）。余隙活塞能够承受的压缩机气缸最大气体推力，当设置平衡腔时，设计应用范围可以达到80吨活塞力，如果没有设置平衡腔，设计应用范围可以达到40吨活塞力。

附图说明

图1 电控直驱余隙调节系统实施例结构示意图

图2 电控直驱余隙调节系统控制框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案和实施方式作进一步说明。

如图1：拆下每级气缸盖侧的缸盖或固定余隙腔，用可调余隙气缸取代。可调余隙气缸分为余隙调节腔和平衡工作腔，余隙活塞内侧的空腔为余隙调节腔，外侧的空腔为平衡工作腔。平衡工作腔通过平衡腔孔、管路与同一级入口管路或上一级入口管路的低温低压进气相通，即引入同一级或上一级的气缸低温低压进气进入平衡腔，对本级余隙调节腔内的高压气体起到减少余隙活塞两侧工作压差、冷却余隙腔内高压气体的作用。压缩机气缸、余隙调节气缸、直驱装置通过装配止口用螺栓紧固为一体，保证同轴度，以保证直驱装置工作的可靠性。直驱装置设机械和电气限位，完全排除余隙活塞与气缸活塞相碰的情况。直接驱动装置总成包括：伺服电机、减速装置、双置推力轴承、重载滚珠传动杆（一种经特别设计的丝杠）、重载传动螺母（一种经特别设计的丝杠螺母）、连接导向套。伺服电机根据活塞位置实现自闭环控制。双置推力轴承，设计为在直驱装置轴承座前后端各设有推力轴承，以承载余隙活塞发生位移时产生的推力。

如图2：电控单元（ECU2）根据主控变量与设定值的偏差，运算得到伺服电机位置，根据位置指令通过直驱装置推动余隙缸活塞运动，对气缸盖侧的余隙容积进行调节，实现对压缩机排气量60%~100%的无级调节功能。主控变量包括：压缩机排气压力、进气压力、级间压力、气量负荷；电动伺服系统的电控单元（ECU2）实现主控变量与活塞位置的换算并实现余隙缸活塞位置的闭环控制。通过可编程控制单元，直驱装置使得余隙缸活塞按输入信号作直线位移，从而实现各级余隙容积变化的伺服控制，最终实现压缩机排气压力、进气压力、级间压缩比的控制；余隙调节系统的电控单元（ECU2）主要对2路电动伺服装置进行控制，并通过通讯总线对DCS反馈系统故障信号。主要功能：1）实现双闭环控制；2）级间压力控制、输出压力控制功能；3）位置闭环功能；4）系统运算转化功能；5）系统状态监测、故障报警与处理功能。