壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)重整裝置上的應(yīng)用

景曄 黃廣鵬 孫光霽

（1.中國石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司；2.解放軍駐錦州石化分公司軍事代表室）

目前，在煉化企業(yè)有不少大功率（功率500 kW以上）壓縮機(jī)氣量因工藝要求經(jīng)常需要調(diào)節(jié)，盡管壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法有很多，但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大型工藝往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行連續(xù)、經(jīng)濟(jì)、高效、快捷、精確調(diào)節(jié)的方式并不多。長期以來，一直都是靠打回流等方法來調(diào)節(jié)，造成電能的巨大浪費(fèi)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在低轉(zhuǎn)速時(shí)影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行；可變余隙腔調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢，且通常需要較多的人工干涉，可靠性較差。液壓式氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)在往復(fù)式壓縮機(jī)上的應(yīng)用，從根本上改變傳統(tǒng)進(jìn)氣閥靠閥片兩側(cè)壓差控制氣閥啟閉的狀態(tài)，而使之成為時(shí)時(shí)受液壓裝置控制的受控閥。

某石化公司80×104t/a 連續(xù)重整裝置上，采用由賀爾碧格公司開發(fā)生產(chǎn)的HydroCOM 氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，大幅度地減少了壓縮機(jī)的電流量，為企業(yè)帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 連續(xù)重整裝置工藝流程

此裝置工藝流程可分為原料預(yù)處理、催化重整、產(chǎn)品分離、催化劑再生四部分，其中催化重整為核心反應(yīng)部分。催化重整部分的重整反應(yīng)除了使精制油增加芳烴含量外，也產(chǎn)生大量的氫氣，這就要把產(chǎn)物作進(jìn)一步處理，分離成氫氣、輕烴和重整油。因重整反應(yīng)壓力較低，在低壓下產(chǎn)物氣液平衡，分離罐分離出的氣體中會(huì)有大量的輕烴，既降低了氫氣的純度又減少了重整油的收率；所以設(shè)置再接觸流程，經(jīng)再接觸系統(tǒng)增壓冷卻，使含氫氣體中輕烴溶解在油中，也使產(chǎn)出的氫氣達(dá)到壓力并入氫氣管網(wǎng)之中[1]。產(chǎn)品分離部分中的再接觸流程如圖1 所示。

重整反應(yīng)生成的氫氣進(jìn)入D-217分離罐，D-217頂部出的氫氣經(jīng)K-202壓縮機(jī)一級(jí)壓縮，再經(jīng)A-203空冷、E-203 水冷，冷卻后進(jìn)入D-202（1 號(hào)再接觸罐）。D-202 頂部出的氫氣經(jīng)K-202 壓縮機(jī)二級(jí)壓縮，再經(jīng)A-204空冷、E-205再接觸預(yù)冷器、E-206氨冷凍，冷卻后進(jìn)入D-203（2號(hào)再接觸罐）。D-203頂部出的氫氣經(jīng)D-204A/B 脫氯罐脫氯后出裝置。

本次增設(shè)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)為K-202C。K-202 壓縮機(jī)有A、B、C 3 臺(tái)，正常情況下兩開一備。滿足裝置所需氫氣量的條件為：1 臺(tái)壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，另1 臺(tái)以額定負(fù)荷的50%～80%運(yùn)行；而壓縮機(jī)在原控制系統(tǒng)下2 臺(tái)不得不都在滿負(fù)荷下運(yùn)行，所剩余的氫氣必須通過旁路控制閥返回壓縮機(jī)入口前，造成壓縮機(jī)能耗浪費(fèi)。所以有必要加設(shè)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)0%～100%負(fù)荷無級(jí)調(diào)節(jié)，提高節(jié)能水平及經(jīng)濟(jì)效益。

2 氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 K-202 壓縮機(jī)基本情況

K-202 壓縮機(jī)為重整氫增壓機(jī)。BX 系列往復(fù)活塞式壓縮機(jī)是由沈陽氣體壓縮機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造的。壓縮機(jī)基本數(shù)據(jù)見表1。

2.2 系統(tǒng)工作原理

本次加設(shè)的氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)英文名稱為HydroCOM，是由某公司專門為往復(fù)式壓縮機(jī)開發(fā)的液壓式氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量在0%～100%范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖1 再接觸流程

表1 K-202 壓縮機(jī)數(shù)據(jù)

氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)要達(dá)到的目的就是滿足壓縮機(jī)壓縮正好所需的氣量。

壓縮機(jī)工況：吸氣時(shí)活塞向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣閥被氫氣頂開，氫氣流入腔中。活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫氣壓縮，進(jìn)氣閥關(guān)死，到一定程度排氣閥打開，被壓縮氫氣流出，這時(shí)完成一個(gè)循環(huán)。現(xiàn)在應(yīng)用回流省功原理，當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥不關(guān)閉，而是在卸荷器作用下保持全開狀態(tài)，使一部分氫氣又流回進(jìn)氣罐中（這部分氫氣即為原來多壓縮的氣量，現(xiàn)不被壓縮），之后將進(jìn)氣閥關(guān)死，完成正常的壓縮排氣過程。HydroCOM 系統(tǒng)就是能讓進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉的一套系統(tǒng)。

這套系統(tǒng)有高度集成的電子控制系統(tǒng)，能夠完全嵌入到裝置現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)中。現(xiàn)場(chǎng)由電子液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和進(jìn)氣閥卸荷器，根據(jù)4～20 mA 的控制信號(hào)延遲進(jìn)氣閥關(guān)閉的時(shí)間來調(diào)節(jié)每個(gè)活塞行程所壓縮的氣量。利用DCS 中的PI 調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求計(jì)算出4～20 mA 的控制信號(hào)，并把負(fù)荷控制信號(hào)送給CIU（中間接口單元），CIU 把4～20 mA 的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子指令傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成上述在適當(dāng)時(shí)間開啟、關(guān)閉進(jìn)氣閥的任務(wù)。裝備了氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)只對(duì)實(shí)際需要的氣量進(jìn)行壓縮，從而能夠最大限度地節(jié)約資源。

2.3 新舊控制方案對(duì)比

在裝備氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)前，氣量調(diào)節(jié)主要通過旁路返回閥來實(shí)現(xiàn)。控制方案如圖2 所示。

圖2 原控制方案流程

經(jīng)K-202 一段壓縮后的氫氣在D-202 后通過PV2002A/B 可回流至D201 前。經(jīng)K-202 二段壓縮后的氫氣在D-203 后通過PV2003 可回流至D-202前。如此可實(shí)現(xiàn)壓縮多余的氫氣流回，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

增加氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的控制方案如圖3所示。

新控制方案并未取消旁路閥。因?yàn)槌鲇趯?duì)進(jìn)氣溫度的考慮，HydroCOM 壓縮機(jī)最低負(fù)荷不可低于30%。如想壓縮低于30%的氣量，要用壓縮機(jī)壓縮30%的氣量，再通過旁路閥流回多余氣量。調(diào)節(jié)方法見表2。

圖3 新控制方案流程

表2 調(diào)節(jié)方案

現(xiàn)實(shí)際出于對(duì)生產(chǎn)調(diào)節(jié)的考慮，負(fù)荷在80%左右，而旁路閥并未完全關(guān)閉，有20%左右的開度，若將旁路閥20%開度關(guān)閉會(huì)進(jìn)一步節(jié)能。

2.4 系統(tǒng)基本配置

氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本配置如圖4 所示。

圖4 HydroCOM 系統(tǒng)的基本組成

由圖4 可知，氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（Actuator）。從CIU 接收指令驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥卸荷器，通過控制卸荷器來操縱進(jìn)氣閥的開啟與閉合。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由外部電源供電，液壓油站供油。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖5。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制見圖6。

圖5 HydroCOM 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖6 HydroCOM 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制

2）CIU 中間接口單元。CIU 是執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上死點(diǎn)傳感器和DCS 系統(tǒng)之間的接口，由CIU 連接協(xié)調(diào)整個(gè)HydroCOM 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)，作為信號(hào)交流紐帶。

3）直流48 V 供電電源（EPS）。EPS 負(fù)責(zé)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供48 V 直流電源。

4）液壓油站（HU）。向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)氣閥動(dòng)作的液壓動(dòng)力。

5）隔離放大器（IA）。用于隔離危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域，把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為到安全區(qū)域的晶體管輸出。

6）上死點(diǎn)傳感器（TDC）。同步測(cè)量曲軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過推算，能實(shí)時(shí)提供活塞在氣缸中的即時(shí)位置給CIU，執(zhí)行機(jī)構(gòu)據(jù)此來控制進(jìn)氣閥的開啟和閉合時(shí)間，也可測(cè)量壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

壓縮機(jī)的每一個(gè)進(jìn)氣閥上都裝配一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由外部電源提供48 V 直流電，由液壓油站提供液壓油。CIU 通過數(shù)據(jù)總線將進(jìn)氣閥開啟或關(guān)閉的信息傳輸給這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。CIU 通過上死點(diǎn)傳感器和一個(gè)隔離放大器與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持同步。CIU通過接收DCS 系統(tǒng)的4～20 mA 的信號(hào)，獲知每級(jí)需要的氣量。CIU 反饋每個(gè)進(jìn)氣閥的閥窩溫度，再以4～20 mA 信號(hào)的方式傳輸給DCS。信號(hào)也可通過Modbus 接口轉(zhuǎn)換給DCS。

圖7 聯(lián)鎖圖

2.5 系統(tǒng)投用聯(lián)鎖情況

如圖7 所示，當(dāng)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，液壓油站電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，氣量調(diào)節(jié)負(fù)荷大于0%三者同時(shí)滿足時(shí)CIU 可以投用。在維護(hù)旁路運(yùn)行的情況下，當(dāng)發(fā)生以下問題時(shí)聯(lián)鎖停液壓油站電動(dòng)機(jī)。

◇CIU 投用且錯(cuò)誤時(shí)；

◇液壓油站電動(dòng)機(jī)運(yùn)行且壓力低低報(bào)警時(shí)；

◇液壓油站液位低時(shí)；

◇液壓油站溫度高高報(bào)警時(shí)。

一旦出現(xiàn)問題聯(lián)鎖停液壓油站電動(dòng)機(jī)后，HydroCOM 系統(tǒng)可自動(dòng)停止工作，并改用旁路閥來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的氣量。

2.6 使用效果

2.6.1 節(jié)能效果

本系統(tǒng)投用后，在連續(xù)重整裝置進(jìn)料量91 t/h的工況下，壓縮機(jī)負(fù)荷為80%，節(jié)能效果明顯。表3 為K-202C 氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

表3 K-202C 在不同負(fù)荷下的電流

按負(fù)荷80%、電流165 A 計(jì)算，每小時(shí)節(jié)電320 kWh，每天節(jié)電7 680 kWh；按每度電0.67 元計(jì)算，每天可節(jié)約電費(fèi)5 145.6 元，每年節(jié)約電費(fèi)約187.81 萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。而且，如果旁路閥全關(guān)，還將產(chǎn)生更大經(jīng)濟(jì)效益。

2.6.2 系統(tǒng)效果

K-202C 壓縮機(jī)上裝備了氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到平穩(wěn)過渡。因減少了無謂的做功，故延長了排氣閥壽命，從而降低了維修成本。在系統(tǒng)出故障時(shí)可自動(dòng)停止工作，而壓縮機(jī)將以100%負(fù)荷運(yùn)行，并借助原旁路調(diào)節(jié)方式進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)。另外，開停機(jī)也更加簡便，提高了壓縮機(jī)的可靠性和安全性。

2.7 使用中出現(xiàn)的問題及改進(jìn)措施

問題一：蓄能器系統(tǒng)支架固定不穩(wěn)。

改進(jìn)措施：由于機(jī)組二層平臺(tái)板處無合適鋼梁用以焊接蓄能器支架，考慮到機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中平臺(tái)振動(dòng)較大，若蓄能器振動(dòng)過大，有將液壓油系統(tǒng)接頭震松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。因此，將施工方案變更，加設(shè)部分鋼梁及更換蓄能器支架型鋼，以確保蓄能器支架穩(wěn)固。

問題二：試運(yùn)行過程中，由于液壓油系統(tǒng)有故障，在關(guān)閉油站的過程中，機(jī)組負(fù)荷并未達(dá)到原計(jì)劃中所要求的100%負(fù)荷，而是瞬間降至0 負(fù)荷，10 s 后自動(dòng)恢復(fù)至100%負(fù)荷，造成工藝條件大幅波動(dòng)。

改進(jìn)措施：經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員分析認(rèn)為，當(dāng)停液壓油泵的瞬間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)殘存的液壓油在CIU 仍處于投用狀態(tài)下將進(jìn)氣閥全部頂開，因此負(fù)荷瞬間降至0。后將聯(lián)鎖邏輯中“液壓油站電動(dòng)機(jī)運(yùn)行”后增加60 s 延時(shí)，確保在液壓油站故障時(shí)，把殘余的液壓油油壓泄完后再將CIU 切除，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定。

問題三：個(gè)別氣閥閥窩溫度過高，存在倒氣現(xiàn)象。

改進(jìn)措施：在適當(dāng)時(shí)機(jī)拆裝檢修，并準(zhǔn)備相關(guān)備件。

3 結(jié)論

氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在4M40 壓縮機(jī)上的改造是成功的。系統(tǒng)自2013年11月初投用以來，狀態(tài)良好，壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也更加平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)。改造后節(jié)能效果明顯，年節(jié)約電費(fèi)約187.81 萬元，而且還有提升空間。

某公司的HydroCOM 氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)已引入國內(nèi)多年，為成熟技術(shù)。在當(dāng)今大力提倡節(jié)能減排的形勢(shì)下，此系統(tǒng)成功運(yùn)用既可以節(jié)約能源，獲取經(jīng)濟(jì)效益，又可為壓縮機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2006:371-372.