一种应用于气量调节系统的执行器故障自愈方法

本发明属于往复式压缩机气量调节领域，设计一种可以使系统中故障执行器自愈的方法，该方法通过评估系统的故障劣化程度，启动相应调控策略，快速抑制因执行器故障导致的气量调节失效，保障系统不停机，长时间稳定运行。

背景技术：

1、往复式压缩机作为化工工业生产过程中至关重要的高端装备，被广泛应用于石油、化工、采气、输气等领域。传统的往复压缩机因流量固定，往往会导致能源浪费。通常引入部分行程顶开进气阀的气量调节系统，如奥地利贺尔碧格公司研制的hydrocom液压气量调节系统(cn03158561.2)，该系统可以实现气量的无级连续调节，使其在工程应用中可以根据实际生产需求对排气量进行调节，同时降低能耗，达到节能目的。这种技术需在每个进气阀上均安装执行器，而执行器必须能够实现毫秒级的高频动作，这就使得其拥有十分复杂的机械结构，极易发生故障，严重影响生产。

2、目前，在工厂中运行的压缩机，当气量调节系统失效时，一般通过停机检修，使压缩机恢复正常。如专利cn113266558a提供的通过pic控制器给定运转的out值，执行器接收运转的control值，使得实际控制值和理论值的偏差在合理的范围内，但该方法无法处理失效故障引起的大幅度偏差；专利cn209041089u公开的一种监控气量调节装置健康状态的监控系统，可监控执行器是否发生故障，但该无法将故障自动排除，还需要进行停机检修。因此，需要提供一种可以实现气量调节系统发生执行器失效故障后及时自愈的方法，以满足不停机长时间稳定运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种自愈调控方法，通过评估系统的故障劣化程度，启动相应调控策略，快速抑制因执行器故障导致的气量调节失效，保障压缩机不停机，长时间稳定运行，其特征在于：

2、对于往复压缩机来说，一个工作循环周期可以分为五个过程：膨胀过程、进气过程、回流过程、压缩过程和排气过程。其中，在膨胀过程和压缩过程中，所有的气阀全部关闭，气缸处于完全封闭状态，气体分别被绝热膨胀、绝热压缩。在进气过程中，进气阀会以自动阀的方式开启、关闭，这个动作进气阀阀片并不受到执行器的作用，而是在气体力和弹簧力的同时作用下完成，因此可以使用自动阀的理论模型进行推导。进气过程结束后，进气阀阀片会受到来自执行器的卸荷力作用，这样可以使进气阀的开启状态被强制保持；随着活塞运动，气缸内的部分气体通过进气阀回流出去，这一过程被称作回流过程。当活塞运动到执行器撤回的相位时，执行器撤回，卸荷力消失，进气阀得以关闭，回流过程结束。一般来说，压缩机的排气阀数量与进气阀数量相同，又由于气量调节系统并不会给排气阀安装执行器，排气阀的开启和关闭都可以被视为自动阀。

3、需要提前确定的压缩机参数如下：压缩机的额定排气量qe；压缩机的额定做功量we；气缸行程容积vh；气缸余隙容积v0；进气压力ps，排气压力pd，压缩机曲轴旋转角速度ω，压缩机排气量允许最大偏差ε，一般情况允许最大偏差为2％。需要提前确定的气量调节系统参数如下：气量调节系统的额定耗能wt；压缩机的实际气量负荷η；执行器数量n；执行器对应气阀的最小极限气量负荷ηmin；执行器对应气阀的最大极限气量负荷ηmax，执行器对应气阀的最小可调梯度气量负荷η△。需要提前确定的气阀参数如下：气体常数r，绝热指数k，阀片位移h，阀座通道流量系数αe，阀座通道面积ae，环状阀各环中径之和σdcp。需要通过相应传感器实时检测获得的参数如下：压缩机的实际排气量q；压缩机的实际做功量w；实际发生失效故障的执行器数量n。需要进行模拟的参数如下：压缩机的模拟排气量q′；压缩机的模拟做功量w′；模拟发生失效故障的执行器数量n′，以及n′个执行器发生失效故障时的模拟气量负荷ηn′，与上述真实值做区分。

4、通过以下方法获得执行器故障劣化程度划分图：

5、s1令n′＝1；

6、s2则ηn′＝η1，令η1从0开始以η△为梯度增大到1；

7、s3计算得出压缩机的q′值：计算流程概况(η1→θr→pr→q′)

8、首先，气量负荷对应气缸体积为η1vh+v0，根据公式计算设定气量负荷对应的气阀延时关闭相位角(θr)；然后，代入延时关闭相位角(θr)，根据公式计算得到设定关闭相位角(θr)处的气缸内压力值pr，其中sv表示气阀的总有效通流面积，可以用如下公式计算得出最后，代入压力值pr，根据公式计算得到压缩机在各气量负荷工况下对应的q′值，得出q′-η1曲线；

9、s4得出压缩机的w′值：

10、绘制p-v图，计算图像中曲线围成的面积，得出对应的w′值；

11、s5划分η1的故障劣化区间：

12、对气阀回流时长的调整取决于再分配负荷η*；当η*<ηmin时，气阀回流时长将无法继续减小，以此划分轻度故障劣化与中度故障劣化；所以令η*＝ηmin，可以得出边界负荷η1a，η1a的计算公式如下：

13、回流阀通流面积的增大会提高压缩机做功量，降低系统节能率j，若系统的期望节能率jq与系统节能率j的差值△j＝jq-j≥20％，则气量调节系统开启的收益过低，无法满足节能环保的生产运行要求，需要对系统进行关闭以此划分中度故障劣化与重度故障劣化；所以令△j＝20％，可以得出边界负荷η1b,η1b的计算公式如下：

14、

15、η1的故障劣化区间：轻度故障劣化区间为[η1a～ηmax]，中度故障劣化区间为[η1b～η1a]，重度故障劣化区间为[ηmin～η1b]；

16、s6n′∈[1,2,k,n-1]，增大n′，重复s1至s5的步骤，得出不同执行器故障数量下的q′-ηn′曲线和故障劣化区间，直到n′＝n-1，汇总得到执行器故障劣化程度划分图。

17、η1的故障劣化区间：轻度故障劣化区间为[η1a～ηmax]，中度故障劣化区间为[η1b～η1a]，重度故障劣化区间为[ηmin～η1b]；

18、η2的故障劣化区间：轻度故障劣化区间为[η2a～ηmax]，中度故障劣化区间为[η2b～η2a]，重度故障劣化区间为[ηmin～η2b]；

19、η3的故障劣化区间：轻度故障劣化区间为[η3a～ηmax]，中度故障劣化区间为[η3b～η3a]，重度故障劣化区间为[ηmin～η3b]；

20、…

21、ηn-1的故障劣化区间：轻度故障劣化区间为[η(n-1)a～ηmax]，中度故障劣化区间为[η(n-1)b～η(n-1)a]，重度故障劣化区间为[ηmin～η(n-1)b]。

22、对如下情况进行讨论：

23、1)若η∈[ηna～ηmax]，属于轻度劣化故障，启动以下自愈调控策略：

24、打开发生故障的n执行器隔离开关阀，使n执行器对应气阀的气量负荷为0；调整气阀回流时长，令未发生失效故障的(n-n)执行器对应气阀的气量负荷调至η*，再分配负荷η*计算公式：回流阀保持关闭状态，回流阀负荷η阀＝0

25、2)若η∈[ηnb～ηna]，属于中度劣化故障，启动以下自愈调控策略：

26、打开发生故障的n执行器隔离开关阀，使n执行器对应气阀的气量负荷为0；调整气阀回流时长，令未发生失效故障的(n-n)执行器对应气阀的气量负荷调至最小极限气量负荷，再分配负荷η*＝ηmin；开启回流阀修正排气量，令回流阀负荷η阀＝ηh,回流阀调控负荷ηh计算公式：

27、3)若η∈[ηmin～ηnb]，属于重度劣化故障，故障无法自愈，需要切除气量调节系统，并开启回流阀修正排气量，令回流阀负荷η阀＝ηe

28、判断压缩机实际排气量q偏差是否在允许范围内，若q∈[(1-ε)ηqe～(1+ε)ηqe]，说明故障成功自愈；若说明故障未排除，需重新判断故障劣化区间，计算再分配负荷η*与回流阀调控负荷ηh，调整气阀回流时长和回流阀通流面积。具体流程如图5、图6所示。