CN104989661A - 单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，通过控制系统控制防喘振阀、进风口阀，该控制系统包括：数据采集单元、带微处理器的阀门位置控制单元、进风口阀执行单元和防喘振阀执行单元，所述数据采集单元中通过温度传感器采集进口实时温度T1并转换成模拟量信号，通过压力传感器采集进、出口实时压力P1、P2并转换成模拟量信号，风机入口压差流量传感器采集风机入口压差流量值dpF并转换成模拟量信号，设定一防喘振线，对应的风量与入口与出口的压力差值设定为临界值，写入CPU微处理器内，与采集的数据比较，对防喘振阀进行实时控制。本发明可自动调整喘振阀门打开点，使其高于喘振线的值，避免导致压缩机不能安全、经济运行。

Description

单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置

技术领域

本发明涉及一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置。主要应用于单级高速离心鼓风机的防喘振控制。

技术背景

单级高速离心鼓风机具有处理量大、体积小、结构简单、运转平稳、维修量小以及压缩气体不受油污的特点。近几年在石油化工、冶金、机械等行业广泛运用，比如在西气东输工程中全线选用的是离心鼓风机。但是它在一些特定工况下会发生喘振，使压缩机不能正常工作，稍有失误就会造成严重的事故。因此，压缩机不允许在喘振状态下运行，只能采取相应的防喘振控制。

常规防喘振系统是设置旁通阀，通过测量机组出口压力接近喘振点(旁通阀打开点)时，打开旁通阀来放出部分空气实现防喘振，经常开关防喘振阀门造成管网压力大幅波动，对管网造成损坏。旁通阀打开点的设定很重要。设定过高时，压缩机在低负荷下消耗更大的能量。设定过低时，压缩机将被允许穿过喘振线而发生喘振。

图1风机的特性曲线，为压力P与风量Q的关系曲线；图2为风机在某一转速时风机出口压力P2与入口压力P1之比与风量Q的关系曲线。喘振产生的原因如图1和图2所示：

大多数风机特性曲线如图1 所示，当风机在大容量的管路中工作时，如输出风量减少到Qc 以下，风机产生的压力将下降。可是由于管路容量较大，所以这一瞬间管路中的压力仍为Pc，它大于风机产生的压力，于是流体就会倒流入风机，工作点将由C 跳到D。随之管路中压力也将下降，工作点又跳到E，这时输出流量为零。但由于风机仍在运行，当管路中的压力降到E 点后，风机又要重新输出流量，为了与管路中的压力相平衡，工作点跳到B。B点虽然处在稳定区，但是只要此时外界条件变化，如风机负荷变小，使风机输出风量仍保持小于Qc，则上述过程又将重复出现，致使压力脉动，风机输出量被堵，产生机械振动的怪音。

如图2所示，对应于每一转速，压力与风量的关系曲线都不同，但是都有一个临界点C，把不同转速对应的临界点C连起来即可得到一条所谓的喘振曲线，图2中n为转速，其中，n1＞n2＞n3。喘振线左边部分为不稳定的喘振区，喘振线右边部分则是安全运行区。在安全运行区内，压缩比P2/P1 随风量Q增大而下降(即P2 在减少)，而在喘振区则P2/P1随风量Q 增大而增大(即P2 在增大)。发生喘振不但对管网有破坏性，而且能耗增加。

发明内容

本发明目的在于：提供一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，以克服常规防喘振控制系统使用过程中容易发生喘振、浪费能源的情况。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，包括防喘振阀、进风口阀，通过控制系统控制，其中，所述的控制系统包括：数据采集单元、带微处理器的阀门位置控制单元、进风口阀执行单元和防喘振阀执行单元，其中，所述数据采集单元有设在风机进口的温度传感器，设在风机进、出口的压力传感器，风机入口压差流量dpF传感器，通过温度传感器采集进口实时温度T1并转换成模拟量信号，通过压力传感器采集进、出口实时压力P1、P2并转换成模拟量信号，风机入口压差流量传感器采集风机入口压差流量值dpF并转换成模拟量信号，对所述的风机制作喘振曲线，该曲线为二次曲线，在其右侧的稳定的工况区设定一与喘振曲线斜率相当的防喘振线，将设定的防喘振线对应的风量与入口与出口的压力差值设定为临界值，写入CPU微处理器内，与采集的数据比较，对防喘振阀进行实时控制。

在上述方案基础上，所述的控制系统采用可编程逻辑控制器（PLC）进行自动化控制，通过实时采集风机入口的温度、出入口压力信号，以及风阀的位置信号输入到PLC控制器，在PLC控制器中通过计算处理生成一个喘振控制数据点与预先设置的防喘振线中对应的数据点进行计算比较，从而对防喘振阀（或称放空阀）的开度进行调节，其中，所述的防喘振线通过以下公式1、公式2和公式3计算得出：

式中： K1—系数；

dpF—风机入口测得的差压流量值；

T1—风机入口测得的温度；

P1—风机入口测得的压力；

X—计算得到的实际流量点的风机入口流量值；

式中： K2—系数；

T1—风机入口测得的温度；

P1—风机入口压力；

P2—风机出口压力；

Y—为计算后所得的风机实际升压值；

防喘振曲线W为：

式中，b—曲线极限的增加值；

a—斜率，根据喘振曲线而定的斜率；

当X>W 时，风机运行在安全区域范围内，防喘振阀关闭；当X<W 时，风机运行进入喘振区域，防喘振阀打开直到风机入口流量值恢复到防喘振曲线X≥W。

本发明由于设定了安全的防喘振线，不仅可以有效的避免离心鼓风机的喘振现象，减小喘振对于鼓风机的损害；而且可以节能控制，常规防喘振系统是通过测量机组出口压力接近喘振点(旁通阀打开点)时，打开旁通阀来放出部分空气实现的，经常开关防喘振阀门造成能源的浪费，本发明可以根据实时采集的风机状态数据进行防喘振线换算，得到精准的控制，减少防喘振阀门的开关频率，从而可以达到节约能源的效果。

本发明可以避免单级高速离心鼓风机出现喘振现象，鼓风机组在防喘振系统控制下，可以保持最为安全、最为经济的运行。

在上述方案基础上，所述的阀门位置控制单元，还含有数据转换模块，数据输出模块，数据转换模块将数据采集单元的输入的模拟信号换算转化成数字信号，提供给CPU微处理器进行数据处理和比较，输出调整值到数据输出模块；由数据输出模块将调整值传送到进风口阀执行单元（进口导叶）和防喘振阀执行单元（放空阀）。

在上述方案基础上，所述的进风口阀（进口导叶）执行单元由一个电动执行器、一个进风口阀组成，接收阀门位置控制单元的信号，对进风口阀进行调整控制，并反馈进风口阀门的位置信号给数据采集单元。

在上述方案基础上，所述的防喘振阀门执行单元由一个快开电动执行器和一个防喘振风阀组成，接收阀门位置控制单元的信号，对防喘振阀门进行快开或者慢关的控制。

本发明通过阀门位置控制单元及防喘振阀门（放空阀）快开执行单元能够控制防喘振阀门进行快开或者慢关进一步提高风机防喘振能力，从而有利于保护风机提前避开喘振区域，可自动调整喘振阀门打开点，使其高于喘振线的值来修正，避免导致压缩机不能安全、经济运行。

附图说明

附图1风机的特性曲线；

附图2喘振曲线，其中，转速n1＞n2＞n3；

附图3本发明单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置；

附图4防喘振曲线示意图

图中标号说明：

1——数据采集单元；

2——带微处理器的阀门位置控制单元；

3——进风口阀执行单元；

4——防喘振阀执行单元；

41——防喘振阀；42——止逆阀；

5——电机；

6——鼓风机；

7——导叶。

具体实施方式

为实现鼓风机的防喘振控制，在风机的喘振线右边考虑一定的余地再做一条防喘振曲线，如图2所示。此防喘振曲线十分关键，当风机运行达到防喘振线时，本发明输出信号会自动打开喘振阀门，使风机始终运行在稳定的工况下。

如附图3本发明单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置所示：

一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，包括用以控制风机的防喘振阀、进风口阀，通过控制系统控制，所述的控制系统采用PLC控制器（如图3虚线框内）控制，包括：数据采集单元1、带微处理器的阀门位置控制单元2、进风口阀执行单元3和防喘振阀执行单元4，由电机5带动鼓风机6，通过实时采集风机入口的温度T1、出入口压力信号，以及风阀的位置信号输入到PLC控制器，在PLC微处理器中通过计算处理生成一个喘振控制数据点与预先设置的防喘振线中对应的数据点进行计算比较，从而对防喘振阀的开度进行调节，其中，

所述数据采集单元1设在风机进口，有进口温度传感器T1、设在风机进口的进口压力传感器一、二P1、P2和风机入口压差流量传感器dpF，通过温度传感器T1采集进口实时温度并转换成模拟量信号，通过进口压力传感器一、二P1、P2采集进口实时压力并转换成模拟量信号，风机入口压差流量传感器dpF采集风机入口压差流量值并转换成模拟量信号；

所述的进风口阀执行单元3控制进风口阀的入口导叶7的开度；

所述的防喘振阀执行单元4设在风机出口，控制防喘振阀的开闭，该防喘振阀与出口压力传感器P2连接，并在防喘振阀的出风口设有一止逆阀；

对所述的风机制作喘振曲线，该曲线为二次曲线，在其右侧的稳定的工况区设定一与喘振曲线斜率相当的防喘振线，将设定的防喘振线对应的风量与入口的压力差值设定为临界值，写入PLC微处理阀位控制单元2，与采集的数据比较，对防喘振阀进行实时控制，其中：

式中： K1—系数；

dpF—风机入口测得的差压流量值；

T1—风机入口测得的温度；

P1—风机入口测得的压力；

X—风机经过温压补偿计算后所得的风机入口真实流量值（m³/s）；

式中： K2—系数；

T1—风机入口测得的温度；

P1—风机入口压力；

P2—风机出口压力；

Y—为计算后所得的风机实际升压值；

防喘振曲线W为：（如图4所示）

W=（Y-b）/a

式中，b—曲线极限的增加值；

a—斜率，根据喘振曲线而定的斜率；

当X>W 时，风机运行在安全区域范围内，防喘振阀关闭；当X<W 时，风机运行进入喘振区域，防喘振阀打开直到风机入口流量值恢复到防喘振曲线X=W 以内，即X≥W。

如图3示，所述的阀门位置控制单元2中含有数据转换模块、数据输出模块和数据转换模块，将数据采集单元1输入的模拟信号换算转化成数字信号，提供给PLC控制器进行数据处理和比较，输出调整值到数据输出模块；由数据输出模块将调整值传送到防喘振阀执行单元4（放空阀）。

工作原理是：并将进出口温度T1、压力P1、P2，风机入口压差流量值dpF的数字信号提供给PLC控制器；由CPU把数据转换模块提供的数据根据喘振计算公式进行计算得出一个实际流量点的喘振控制数据点(图3中的X)与预先设置的防喘振曲线中对应的数据点(图3中的W)进行比对,从图3中可以看出，将实际测得的风机实际入口风量值X(电信号：4～20mA)与计算所得的防喘振曲线值W(电信号：4～20mA)送入到防喘振控制单元中，当X>W 时，风机运行在安全区域范围内，调节器控制放风阀关闭；当X<W 时，风机运行进入喘振区域，调节器控制放风阀打开直到风机入口流量值恢复到防喘振曲线X≥W。并输出调整值到数据输出模块；数据输出模块，主要是将数据处理CPU模块给出的调整数据传送到防喘振阀41（放空阀）的执行器。

最终达到根据输入信号可自动调整防喘振阀（放空阀）动作的功能，控制防喘振阀41（放空阀）进行快开、慢关，使其高于喘振线的值来修正快开，低于喘振线慢关，进一步提高风机防喘振能力，从而有利于保护风机提前避开喘振区域。

所述的进风口阀（进口导叶）执行单元3由一个电动执行器、一个进风口阀组成，接收阀门位置控制单元2的信号，对进风口阀进行调整控制，并反馈进风口阀门的位置信号给数据采集单元1。

所述的防喘振阀门执行单元4由一个快开电动执行器和一个防喘振风阀组成，接收阀门位置控制单元2的信号，对防喘振阀门进行快开或者慢关的控制。

Claims (5)

1.一种单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，包括防喘振阀、进风口阀，通过控制系统控制，其特征在于，所述的控制系统包括：数据采集单元（1）、带微处理器的阀门位置控制单元（2）、进风口阀执行单元（3）和防喘振阀执行单元（4），其中，所述数据采集单元（1）有设在风机进口的温度传感器，设在风机进、出口的压力传感器，风机入口压差流量dpF传感器，通过温度传感器采集进口实时温度T1并转换成模拟量信号，通过压力传感器采集进、出口实时压力P1、P2并转换成模拟量信号，通过风机入口压差流量传感器采集风机入口压差流量值dpF并转换成模拟量信号，对所述的风机制作喘振曲线，该曲线为二次曲线，在其右侧的稳定的工况区设定一与喘振曲线斜率相当的防喘振线，将设定的防喘振线对应的风量、入口与出口的压力差值设定为临界值，写入CPU微处理器内，与采集的数据比较，对防喘振阀进行实时控制。

2.根据权利要求1所述的单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，其特征在于：所述的控制系统采用可编程逻辑控制器（PLC）进行自动化控制，通过实时采集风机入口的温度、出入口压力信号，以及风阀的位置信号输入到PLC控制器，在PLC微处理器中通过计算处理生成一个喘振控制数据点与预先设置的防喘振线中对应的数据点进行计算比较，从而对防喘振阀的开度进行调节，所述的防喘振线通过以下公式1、公式2和公式3计算得出：

式中： K1—系数；

dpF—风机入口测得的压差流量值；

T1—风机入口测得的温度；

P1—风机入口测得的压力；

X—计算得到的实际流量点的风机入口流量值；

式中： K2—系数；

P2—风机出口压力；

Y—为计算后所得的风机实际升压值；

防喘振曲线W为：

式中，b—曲线极限的增加值；

a—斜率，根据喘振曲线而定的斜率；

当X>W 时，风机运行在安全区域范围内，防喘振阀关闭；当X<W 时，风机运行进入喘振区域，防喘振阀打开直到风机入口流量值恢复到防喘振曲线X≥W。

3.根据权利要求书1或2所述的单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，其特征在于：所述的防喘振阀的阀门位置控制单元（2）还含有数据转换模块，数据输出模块，数据转换模块将数据采集单元（1）输入的模拟信号换算转化成数字信号，提供给CPU微处理器进行数据处理和比较，输出调整值到数据输出模块；由数据输出模块将调整值传送到进风口阀执行单元（3）和防喘振阀执行单元（4）。

4.根据权利要求书3所述的单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，其特征在于：所述的进风口阀执行单元（3）由一个电动执行器、一个进风口阀组成，接收阀门位置控制单元（2）的信号，对进风口阀进行调整控制，并反馈进风口阀门的位置信号给数据采集单元（1）。

5.根据权利要求书3所述的单级高速离心鼓风机的防喘振节能控制装置，其特征在于：所述的防喘振阀门执行单元（4）由一个快开电动执行器和一个防喘振风阀组成，接收阀门位置控制单元（2）的信号，对防喘振阀门进行快开或者慢关的控制。