氣量無級調節系統在加氫裂化新氫壓縮機上的應用

吳文偉 湯毓紅 丁鑄洪

（上海高橋捷派克石化工程建設有限公司)

中國石化上海高橋分公司煉油事業部加氫裂化裝置新氫壓縮機采用往復式壓縮機，共有三臺機組，即兩臺進口的同機型Dresser-Rand壓縮機組及一臺國產機組，兩開一備，機組編號為K3101A/B/C。K3101A/B機型為3HHE-VL-3，由Dresser-Rand制造；K3101C機型為4M80-27.6/21-178-BX，由沈陽氣體壓縮機廠制造。該機組的設計標準排氣量為30800 Nm3/h，軸功率為2855 kW。根據生產工藝的要求，通常實際流量僅為設計負荷的30%，70%通過旁通回流到進氣總管。機組富裕量相當大，能耗極高，與當前降本增效、節能生產的要求極不相符。因此，試圖通過改進氣量調節方法來降低能耗，這也是一種最為有效的方法。綜合三臺機組的運行情況，決定先在K3101C機組上對氣量調節系統進行改造。

1 現有調節方法的優缺點

K3101C機組原采用氣量旁路調節法。旁路調節法的原理是將吸氣管與排氣管用旁通管路及旁通閥連通，通過旁通閥的開度來達到排氣量的調節。根據旁通閥開度的變化，可實現排氣量在0～100%范圍內的分級或連續調節，這種方法是目前往復壓縮機普遍使用的。K3101機組采用一返一、二返一和三返一共三路旁路調節。

旁路調節法的優點是調節方法比較靈活，設備簡單，投入低。缺點是經壓縮的氣體由旁路回流至壓縮機入口，因此無用功耗大，尤其在耗氣量低的工況時造成能量的巨大浪費；人工調節復雜，系統可操控性較低，只適用于偶爾調節或調節幅度小的場合。由此可見，旁路調節并不能很好地達到氣量調節的目的，在現有的工況下旁路調節只適用小幅度的偶爾調節，不適用長時間、大范圍的氣量調節。從加氫裂化裝置K3101機組在現有工況下長期性、安全性、可靠性運行考慮，尤其是從節能角度考慮，調節系統迫切需要改造。

為了更便捷、準確、可靠地調節壓縮機的排量以滿足系統的實際生產需要，同時滿足對壓縮機各級進排氣壓力進行精確控制，我們決定在K3101C（常開）機組上增加一套賀爾碧格公司生產的HydroCOM壓縮機氣量無級調節系統。該系統能夠實現對壓縮機的排氣量0～100% （理論上）范圍內的無級調節，在系統耗氣量降低的同時，其消耗的功率也成比例地降低，從而達到節能降耗、減虧增效的目的。

2 氣量無級調節系統的工作原理和構成

2.1 理論依據及工作原理

氣量無級調節系統采用的是壓縮機的 “回流省功”原理。如圖1所示，隨著活塞在壓縮機氣缸中的往復運動，每個氣缸側的一個正常工作循環包括下述過程： （1）余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程，如圖1中曲線A-B，此時壓縮機進氣閥和排氣閥均處于正常的關閉狀態； （2）進氣過程，如曲線B-C，此時進氣閥在氣缸內外壓差的作用下開啟，進氣管線中的氣體通過進氣閥進入氣缸，至點C完成相當于氣缸100%容積流量的進氣量，進氣閥關閉；（3）曲線C-D為壓縮曲線，氣缸內的氣體在活塞的作用下壓縮達到排氣壓力；（4）曲線D-A為排氣過程，排氣閥打開，被壓縮的氣體經過排氣閥進入下一級過程。如果在進氣過程到達點C后，進氣閥在執行機構作用下仍被強制地保持開啟狀態，那么壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由點C到達點D，而是先由點C到達點Cr，此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮。待活塞運動到特定的位置點Cr（對應所要求的氣量）時，執行機構使頂開進氣閥片的強制外力消失，進氣閥片回落到閥座上而關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著點Cr到達點Dr。氣體達到額定排氣壓力后從排氣閥排出，容積流量減少。這種調節方法的優點是壓縮機的指示功消耗與實際容積流量成正比，這是一種簡單高效的壓縮機流量調節方式。賀爾碧格公司生產的HydroCOM壓縮機氣量無級調節系統采用的正是這種調節方式，其工作原理如圖2所示。

圖1 回流省功P-V圖

圖2 HydroCOM系統的工作原理

它的主要工作原理是計算機即時處理壓縮機運行過程中的狀態數據，并將信號反饋至執行機構內的電子模塊，由液壓執行器來實時控制進氣閥的開啟與關閉時間，通過進氣閥的延遲關閉，使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，壓縮循環中只壓縮了需要壓縮的氣量。這正是運用了上述的“回流省功”原理。在HydroCOM系統的控制下，壓縮機的進氣閥不再是依靠壓差工作的自動閥，而是一個由外置動力驅動的強制閥。當然，如果由于某種原因導致HydroCOM系統無法正常工作，HydroCOM專用氣閥仍能像普通氣閥一樣承擔正常的進氣任務，最大限度地保證生產裝置安全運行。

2.2 系統組成

HydroCOM系統主要由中間接口單元CIU、液壓執行器HA、液壓油站HU、上死點傳感器TDC及服務器單元SU五部分組成。圖3是HydroCOM系統的基本組成圖。

圖3 HydroCOM系統組成

液壓油站提供液壓執行機構所需的高壓動力油。中間接口單元將控制器 （DCS）輸出的4～20 mA標準電流信號轉化成作用于各級進氣閥的啟與閉的時間信號，傳輸給液壓執行機構。由 “回流省功”原理可知，在每一氣缸吸氣終了時液壓執行機構才開始動作，強制打開吸氣閥，因此還需吸氣終了的信號，以確定執行器動作的準確時間，上死點傳感器拾取的曲軸轉角脈沖信號正是起到了此作用。液壓執行機構根據這些信號準確執行各級進氣閥的啟與閉，實現氣量調節。同時執行器內裝有閥腔溫度等傳感器，監測機組運行狀況，經中間接口單元反饋給DCS。

服務器單元包含一臺IBM兼容電腦和基于WINDOWS平臺的服務軟件。該服務器用于對系統的分析、診斷及對中間接口單元CIU的組態。一旦發生系統故障，可通過服務器單元SU對中間接口單元CIU進行分析診斷。

由此可見，HydroCOM系統采用了先進的控制理論，是先進的控制理論和機電技術的結合，除最大限度節省能源外，還擁有極高的控制動態特性。

3 氣量無級調節系統改造的可操作性

氣量無級調節系統的改造對機組本體改動不大，僅需對吸氣閥部分等進行下述幾項改造。

（1）更換全部吸氣閥及卸荷器，改用HydroCOM系統專用吸氣閥和液壓執行機構。

（2）安裝液壓油站，液壓油站是一種簡單的箱式集成部件，用四只?10 mm膨脹螺栓與地面固定，安裝簡單易行。

（3）安裝上死點傳感器。

（4）連接液壓油站至液壓執行機構的液壓油管線。

（5）在儀表方面，將HydroCOM控制系統嵌入DCS系統。

整個改造設備安裝工作共歷時一周左右，因此無論是從改造工作量還是改造周期看，氣量無級調節系統的改造具有很強的可操作性。

4 氣量無級調節系統的經濟效益

2009年4月HydroCOM系統在煉油事業部加氫裂化裝置K3101C上正式投運，在裝置處理量不變、壓縮機工況基本相同的情況下，壓縮機組的電流由原來的270～280 A下降至150～160 A，電流下降100 A左右，每小時節電900 kW·h，按每年8000 h運行時間、電費0.5元/度計算，每年節約的電費約為360萬元，一年內就可收回該系統的全部投資。由此可見，實施HydroCOM改造項目帶來的直接經濟效益是非常可觀的。

另外，壓縮機裝備HydroCOM系統后，還帶來了很好的間接經濟效益。一方面，調節壓縮機的流量非常簡單，僅需輸入期望的設定壓力值，系統即可自動跟蹤進行工作，能夠實現壓縮機的平穩加載、無沖擊切換及停機，可操控性大大提高。另一方面，HydroCOM系統控制下的每一級進氣卸荷機構在壓縮機的每一轉均同時動作，基本不改變活塞桿的受力狀態，可實現0～100%范圍內的無級調節，不存在氣動50%卸荷 (膜式汽缸調節)時產生活塞桿單側受力的情況。此外，機組的安全性也得到了很大的提高。這些間接的經濟效益無法用具體數字計算，但作為裝置的心臟設備壓縮機組的平穩安全運行，為裝置安、穩、長、滿、優生產帶來的經濟效益是無法估量的。

5 應用前景

隨著國內原油深加工發展的需要，各類加氫裝置不斷涌現，大型往復式壓縮機在煉油裝置中的應用越來越多。這類壓縮機具有軸功率大、能耗大的特點。如中國石化上海高橋分公司煉油事業部的連續重整裝置新氫壓縮機K202A/B/C,軸功率為2600 kW；潤滑油加氫裝置新氫壓縮機K301A/B，軸功率為2800 kW等，均采用落后的旁路調節法，且返回量均在30%以上。因此氣量無級調節系統這一技術的應用前景是相當廣闊的，其帶來的直接和間接經濟效益是相當可觀的。