HydroCom氣量無級調節系統在大型往復式壓縮機的工業應用

周洪建中石油烏魯木齊石化公司煉油廠 新疆烏魯木齊 830001

煉化行業是國民經濟的基礎，也是國民工業中能源消耗的大戶。因此，提高能源的利用效率是當今煉油企業中一項急需解決的問題。中石油烏魯木齊石化煉油廠200萬噸/年大柴油加氫裝置自2011年開工以來受上游裝置供料不足的影響，裝置常年低負荷運行，其新氫壓縮機K-101單臺設計滿負荷壓縮流量至少在19000Nm3/h，而在實際運行過程中裝置提供的氫氣流量僅為13000Nm3/h左右，采用“旁路回流”調節氣量。這種形式的氣量調節雖然結構簡單能夠保證裝置的平穩運行，但在目前已經遠遠不能夠滿足裝置節能降耗的需求。使用這種氣量調節方式，必然會造成壓縮機電機功率的過多消耗，同時，也增加了機械設備的不必要磨損。

經研究，在新氫機K-101A機組上投用HydroCOM系統，來解決以上問題。HydroCom氣量無級調節系統采用的是全程或部分行程強制頂開進氣閥，使被吸入缸內但不需要壓縮的多余氣體重新返回進氣管線的“回流調節”，只壓縮裝置反應實際需要的氣體。通過智能化的液壓調節機構，不僅使得往復式壓縮機的氣量調節范圍增大，可以快速、精準地控制氣體的壓力和流量來實現氣量理論上0%-100%負荷的連續調節，而且壓縮機級間壓力控制精度能夠達到±0.01MPa。經工業標定，該系統可節電40%以上。從而有效的解決了往復式壓縮機流量調節的難題，達到裝置最優化的能量消耗，實現系統壓力的全自動控制。

通過這種精細的氣量調節手段在有效降低裝置能耗的同時，也可保證烏魯木齊石化煉油廠整個氫氣管網系統壓力的平穩控制，實現全廠氫氣利用的最大效率，保證生產運行的安全平穩。對于節約用電能耗、提高煉油廠運行的經濟性具有重要的指導意義。

一、HydroCOM工作原理和系統組成

HydroCOM是英文“HydraulicallyactuatedComputerizedcontrolledvalves”的縮寫定義，是賀爾碧格公司專門為往復式壓縮機開發的液壓式氣量無級調節系統。

HydroCOM的工作原理是通過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電子模塊，通過液壓執行器來實時控制進氣閥的開啟與關閉時間，實現壓縮機排氣量0－100%全行程范圍的調節，同時運用了“回流省功”原理通過將進氣閥的關閉延遲使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，在壓縮的循環過程中只壓縮需要壓縮的氣量來達到節能的效果。

“回流省功”的原理如圖2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：膨脹（A-B曲線）、吸氣（B-C曲線）、壓縮（C-D曲線）、排汽（D-A曲線）。當氣缸進氣終了時進氣閥的閥片在執行機構的作用下仍被卸荷器強制地保持在開啟狀態，壓縮過程中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位置C到位置D，而是先由位置C到達位置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，壓縮過程開始沿著位置Cr到達位置Dr，氣體達到額定排氣壓力后從排氣閥排出容積流量減少。

HydroCOM的液壓控制系統采用時間控制方案，通過記錄曲軸的相位角來確定進氣閥的關閉時刻，實現氣量控制。它的中心部件是一個安裝在吸氣閥上的高精度、高靈敏度的電磁閥，在壓縮機吸氣終了時，電磁閥使吸氣閥仍保持開啟狀態，活塞反向運動時，通過控制不同的曲軸相位角來控制吸氣閥關閉的時間，實現壓縮機排氣量0～100%全行程范圍的無級調節。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。通過執行機構的動作，壓縮機的負載可以在曲軸回轉中從0加載到100%。

HydroCOM系統的基本組成主要由以下幾部分組成：中間接口單元CIU、執行機構HA、液壓油站HU、上死點傳感器TDC及服務器單元HSS。

二、HydroCOM系統的實時優化調節及運行優勢

烏石化200萬噸/年大柴油加氫裝置共有兩臺新氫壓縮機K-101A/B（一投一備），都為兩列二級壓縮的對稱平衡型往復式壓縮機，使用高壓電機（6000V）驅動。A機組采用HydroCOM系統進行氣量調節；B機組仍采用老式的電磁閥控制儀表風—全行程頂開進氣閥門的氣量調節方式。K-101A機組在采用HydroCOM氣量無級調節系統后可實現氣量0－100%負荷的無級調節。通過設定裝置需要的壓力值，就能快捷的將壓縮機的流量控制在所需要的范圍內，一般情況下壓縮機入口流量調節器的開度只需要控制在60%-70%左右時，壓縮機輸送的氣量就完全可以滿足目前裝置低處理量生產的需求。

K-101A機組在采用HydroCOM系統后，不僅增長了設備安全運行的周期，而且更容易判斷出機組氣閥的事故狀況。該機組采用的強制頂開進氣閥的氣量調節方式，在運行過程中保證反應系統壓力穩定的前提情況下，卸荷器在控制進氣閥碟片的動作過程中，開、關動作緩慢平穩，不會造成類似于K-101B過于頻繁的開、關動作，這無形中延長了該機組的氣閥使用壽命，節約了設備檢修的成本。同時，在投用HydroCOM系統后，機組通過調節控制吸氣閥的關閉時間，來控制排氣量，是一種節能明顯、安全的氣量調節方式。此外，HydroCOM系統在調整吸氣閥開啟過程中，可以控制吸氣閥碟片的運行軌跡，減少碟片的撞擊，延長吸氣閥片的使用壽命。這個作用對往復式壓縮機效益明顯，減少了閥片的磨損，避免了不必要的停機切換檢修過程，達到節約檢修成本的顯著效果。

此外，HydroCOM系統還具備較高的安全保障性。當Hydro-COM的安全聯鎖保護系統檢測到無法正常運行的信號后，系統則會自動將HydroCOM系統切除使壓縮機恢復到原旁通控制下工作（及K-101B的氣量負荷控制方式），避免發生不必要的次生事故，壓縮機無需停機處理故障；當故障排除后在壓縮機運轉的情況下，可重新投用HydroCOM系統，避免了不必要的開停機切換步驟，大大減輕了操作工的工作量，整個操作過程簡單易行，這樣也可以最大限度地保證生產裝置的安全運行。正是由于兩臺壓縮機氣量的控制方式不同，從而有效的解決了裝置運行的經濟性和能耗問題。

1.HydroCOM系統投用后加氫新氫壓縮機組的運行工況對比

K-101B機組負荷只能分檔粗調設定在0-50%-100%三個檔次控制，在實際運行過程中，由于裝置常年低處理量，無法實現滿負荷操作。只能通過檔次調節和“旁路回流”調節相結合的方式來滿足工藝要求，其能耗的損失＞40%，無法實現流量的精細調節；同時，在機組負荷切換過程中操作波動大，更容易造成全廠整個氫氣系統的壓力波動，對上、下游產氫和用氫裝置的操作都有很大的負面影響。因此，K-101B機組在實際運行過程中僅作為備用機組使用，開機時間＜200h/年。由于兩臺壓縮機采用不同的流量控制方式，也使得機組的運行工況出現了很大的差別。

K-101B機組運行時，壓縮機的流量通過卸荷器頂開吸氣閥來控制，日常卸荷器檔位在50%時，壓縮機輸送的流量無法滿足裝置的工藝需求；只得將卸荷器的檔位調至100%控制，此時壓縮機處于滿負荷工作的狀態，但壓縮機輸出的氣量已經遠遠超出裝置低處理量時的工藝需要。因此，多余的被壓縮氣體只能通過壓縮機出口的旁通線回流調節，重新輸送回壓縮機入口的氣體緩沖罐。此時壓縮機出口旁通線上的回流控制閥開度在50%以上，從控制閥的開度就可以很直接反映出大量多余的氣體被重復循環壓縮，造成機組功率不必要的浪費做功。進氣閥門的使用狀況可以從圖3看出，壓縮機K-101B在50%負荷運行時，始終是A組氣閥（1號，3號）動作開、關，壓縮機活塞每往復動作一次，只有靠曲軸外側的缸頭氣閥（1號，3號氣閥）動作開、關作功。而內側氣閥B組氣閥（2號，4號）在整個活塞往復運動過程中，由于卸荷器未得到電磁閥的開、關動作信號始終是不作功，這樣的壓縮作功方式使得K-101B電機浪費了大量的電能。另外，在50%負荷運行時，K-101B機組始終是單組氣閥-A組（1號，3號）氣閥開、關動作，長周期的運行更容易造成該組閥片的金屬疲勞作功，增大閥片破損的概率，縮短機組平穩運行的周期，增加停機檢修的

次數。同時，K-101B機組在運行過程中，伴隨著每次活塞的往復運動，機組的進、排氣閥片配合動作開、關，長時間的閥片開、關動作更容易增大進氣閥門的故障率，造成不必要的停機檢修。

2.HydroCOM系統投用后的顯著節能效果

從圖3表壓縮機的運行參數對比，可以看出采用的Hydro-COM系統后，A機在運行時所消耗的電流明顯遠遠低于B機，而電機負荷的差異也使得電機定子的溫度、電機電流、壓縮機軸承溫度等參數也出現了明顯的差別。因此可以得出結論，通過HydroCOM系統合理控制機組負荷，能夠有效的減少壓縮機不必要的機械磨損，延長設備的使用壽命，保證裝置的長周期平穩運行。

表1 新氫機組K-101A/B在裝置相同處理量下日常運行參數比較

K-101A機組在裝備HydroCOM系統后，最大限度的節約了能耗。在裝置正常運轉狀況下，該機組能夠達到理想節能效果為近50%。從圖3數據可比較看出B機組正常170A，而A機組僅為90A，A機組相對于B機組整體減少能耗40%以上。對比可以看出K-101A機組運行每小時比K-101B節約80A的高壓電，按裝置開工8400h/年來計算所節約的電費如下：

年節約電費＝電流×電壓×使用小時數×單價（工業用電0.31元/度）

可見僅從節能的角度來看，實施HydroCOM系統每年可為裝置減少能耗費用120多萬，所帶來的經濟效益是非常客觀的，能夠為企業最大限度的降低生產成本。所帶來的投資回報更是顯著的。

3.HydroCOM系統投用所產生的問題及處理方案

當裝置低處理量運行時，新氫系統機組K-101A在投用HydroCOM系統后，與反應系統壓力投串級控制，由于反應系統對新氫的需求量較低，導致該機組較低負荷運轉，一級氣門開度＜50%。在此工況下運行，該機組的振動驟然增大，并帶動管線的共振，振動幅度超出化工設備安全運行（加強監測）的限度。同時，由于機組的振幅過大，帶動電機前、后端共振。尤其是當裝置運行的負荷越小，機組整體的振動就越大。針對該機組振動增大引起了我車間的高度重視。在聯系廠家及分析原因后，決定開大新氫系統的回流調節控制閥，人為控制增大該機組的運行負荷，以保證其氣門開度在50%以上，通過上述HydroCOM系統與裝置工藝旁路相結合的氣量調節方式，成功的解決了該機組振動增大以及所引起的管線共振問題。大型往復式壓縮機的運行特點決定其氣流脈動是不可避免的。機組必然會產生一定的振動，并連帶連接的附屬設備共振，而設備及管道的振動會引起管路及附屬設備連接部位松動，使振動部位金屬疲勞，輕則造成法蘭連接螺栓松動而引起泄漏，重則導致設備工藝管線金屬疲勞斷裂而失火引起爆炸。減振并不是消除振動，而是把振動減小到最低限度。通過車間合理的工藝調整，成功的解決了該機組低負荷時的減震問題，并積累了相關的運行經驗。同時，由于該機組在低負荷狀態下運行時，其二級出口壓力與反應系統的背壓有關。一級，二級的壓縮比的相對偏差較大，造成設備的動平衡被破壞，也是引起機組與管道振動增大的原因之一。通過提高該機組的運行負荷，使壓縮機重新恢復動平衡，避免了該機組的機械振動與管道內的壓縮氣體氣流脈動所產生的共振發生。

當裝置開、停工以及裝置低處理量運行時，盡量避免或減少該機組低負荷運行的工況時間。雖然該機組的設計負荷可控制在0-100%的范圍內進行調節，但在實際運行過程中，負荷的有效調節范圍應控制在30-100%。在＞50%負荷時，可將加氫反應系統壓力與HydroCOM系統投自動串級控制，由HydroCOM系統負責負荷控制；當負荷小于30%時，應采用旁路回流調節與Hydro-COM系統相結合的氣量控制方式，開大旁路回流，人為增加設備負荷，保證機組負荷在50%負荷以上，通過上述合理有效的調節手段，達到減少設備管線共振及機組振動，保證裝置的安全運行，避免不必要的安全事故的發生。此外，新氫機組K-101A/B間正常切換時，可手動設定A機組的負荷在0—100%之間，作到新氫機組間的無沖擊切換，保證整個加氫系統壓力以及全廠氫氣管網系統的壓力穩定。我裝置在保留原廠家控制方案的同時，通過生產運行總結，結合本裝置生產特點，更加合理的設定和利用了HydroCOM系統的流量控制，完善了HydroCOM系統運行控制方案。

（1)HydroCOM系統的維護檢修

該裝置2013年7月即將面臨大檢修，針對檢修過程中對該機組的相關檢修工作，在檢修HydroCOM系統前，應先關閉氣量無級調節系統控制柜的主電源，另外，在現場對執行機構的上油，漏油，回油管線進行標識，區分，防止回裝時出現管線接錯。此外，在每個進氣閥室的外蓋上也要作好相應的標識，確保回裝到原位置。

在日常的檢查過程中，在現場檢查應注意檢查執行機構有無漏油現象。定時檢查漏油收集罐的液位。同時，仔細監聽壓縮機氣閥和執行機構的聲音，如果有異常聲音要及時拆卸檢修。

在中控DCS的日常監控過程上，要注意壓縮機的進氣溫度和其閥室外蓋的溫度。每一個執行器在靠近閥室外蓋處都安裝了一個溫度傳感器。這些傳感器將溫度信號連續的傳送的DCS系統。如出現某一只溫升變大并偏離同級進氣閥的日常溫度，則說明該進氣閥門的氣體回流量大，溫升才會升高，而造成的原因可能是閥片破損出現泄露，應及時檢修更換。上述溫度傳感器能夠通過觀察比對，準確的反映出進氣閥、卸荷器和執行器的故障，可及時的保證裝置的平穩運行。HydroCOM系統的核心件-高速電磁閥的使用壽命也與其工況溫度以及動作頻率有關，因此應嚴格監控其溫度的變化。同時，檢查壓縮機的各級控制信號，如出現大的偏移，則說明該級的工作不正常。檢查液壓油站的溫度，液位和壓力都要在設定值范圍以內。盡可能減少HydroCOM系統執行機構的零件故障率，減少維護次數，節約維護成本。

結論

HydroCOM系統是一種簡單高效的往復式壓縮機流量調節方式，通過先進的控制理論和機電技術HydroCOM系統具有極高的控制動態特性，可以根據不同的操作要求精確的控制壓縮機各級的狀態參數，高度集成的自動化系統使得壓縮機的控制更趨合理，能夠實現壓縮機的平穩啟動、平穩加載、無沖擊切換及平穩停機等操作，同時HydroCOM系統通過精確的控制氣量能夠最大限度的節約能源有效降低生產成本。

通過HydroCOM在200萬噸/年柴油加氫裝置的實際應用，在開停機、切換操作、節能等方面均達到了預期目的，保障了機組的安全平穩運行。尤其是經濟效益顯著，投資回收期在19月左右。該系統在大功率往復式壓縮機低負荷運轉時有較好的節能減耗效果。同時該系統在我裝置的成功應用也證實HydroCOM無級調速系統是一個成熟的技術，雖然其一次性的投資較大，但能獲得良好的經濟回報，在使用HydroCOM系統前應將本單位壓縮機配置和裝置的負荷變化情況進行綜合評估。。建議該Hydro-COM系統更多的使用在壓縮機選型偏大或者工藝流量變化比較大的地方，體現出更加顯著的經濟效益。

[1]曹華民HydroCOM氣量無極調節系統在蠟油加氫裝置新氫機上的應用［期刊論文］-中外能源2010.

[2]何文豐氣量無極調節系統在往復壓縮機機上的應用［期刊論文］-化工設備與管道2008,45（5）.

[3]梁涌 往復壓縮機機氣量無極調節系統的原理及應用［期刊論文］-壓縮機技術2007,3.

[4]李子濤 HydroCOM系統在4.1Mt/a柴油加氫氫氣壓縮中的應用［期刊論文］-廣州化工2010,3.