壓縮機氣量無級調節系統在連續重整裝置上的應用

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，在煉化企業有不少大功率（功率500 kW以上）壓縮機氣量因工藝要求經常需要調節，盡管壓縮機氣量調節方法有很多，但能夠實現對大型工藝往復式壓縮機進行連續、經濟、高效、快捷、精確調節的方式并不多。長期以來，一直都是靠打回流等方法來調節，造成電能的巨大浪費；轉速調節在低轉速時影響壓縮機的正常運行；可變余隙腔調節響應速度慢，且通常需要較多的人工干涉，可靠性較差。液壓式氣量無級調節系統技術在往復式壓縮機上的應用，從根本上改變傳統進氣閥靠閥片兩側壓差控制氣閥啟閉的狀態，而使之成為時時受液壓裝置控制的受控閥。

某石化公司80×104t/a 連續重整裝置上，采用由賀爾碧格公司開發生產的HydroCOM 氣量無級調節系統，大幅度地減少了壓縮機的電流量，為企業帶來較高的經濟效益。

1 連續重整裝置工藝流程

此裝置工藝流程可分為原料預處理、催化重整、產品分離、催化劑再生四部分，其中催化重整為核心反應部分。催化重整部分的重整反應除了使精制油增加芳烴含量外，也產生大量的氫氣，這就要把產物作進一步處理，分離成氫氣、輕烴和重整油。因重整反應壓力較低，在低壓下產物氣液平衡，分離罐分離出的氣體中會有大量的輕烴，既降低了氫氣的純度又減少了重整油的收率；所以設置再接觸流程，經再接觸系統增壓冷卻，使含氫氣體中輕烴溶解在油中，也使產出的氫氣達到壓力并入氫氣管網之中[1]。產品分離部分中的再接觸流程如圖1 所示。

重整反應生成的氫氣進入D-217分離罐，D-217頂部出的氫氣經K-202壓縮機一級壓縮，再經A-203空冷、E-203 水冷，冷卻后進入D-202（1 號再接觸罐）。D-202 頂部出的氫氣經K-202 壓縮機二級壓縮，再經A-204空冷、E-205再接觸預冷器、E-206氨冷凍，冷卻后進入D-203（2號再接觸罐）。D-203頂部出的氫氣經D-204A/B 脫氯罐脫氯后出裝置。

本次增設氣量無級調節系統的壓縮機為K-202C。K-202 壓縮機有A、B、C 3 臺，正常情況下兩開一備。滿足裝置所需氫氣量的條件為：1 臺壓縮機滿負荷運行，另1 臺以額定負荷的50%～80%運行；而壓縮機在原控制系統下2 臺不得不都在滿負荷下運行，所剩余的氫氣必須通過旁路控制閥返回壓縮機入口前，造成壓縮機能耗浪費。所以有必要加設氣量無級調節系統，實現0%～100%負荷無級調節，提高節能水平及經濟效益。

2 氣量無級調節系統

2.1 K-202 壓縮機基本情況

K-202 壓縮機為重整氫增壓機。BX 系列往復活塞式壓縮機是由沈陽氣體壓縮機股份有限公司設計制造的。壓縮機基本數據見表1。

2.2 系統工作原理

本次加設的氣量無級調節系統英文名稱為HydroCOM，是由某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，能實現壓縮機氣量在0%～100%范圍內無級調節。

圖1 再接觸流程

表1 K-202 壓縮機數據

氣量無級調節系統要達到的目的就是滿足壓縮機壓縮正好所需的氣量。

壓縮機工況：吸氣時活塞向右運動，進氣閥被氫氣頂開，氫氣流入腔中。活塞向左運動時，氫氣壓縮，進氣閥關死，到一定程度排氣閥打開，被壓縮氫氣流出，這時完成一個循環?，F在應用回流省功原理，當活塞向左運動時，進氣閥不關閉，而是在卸荷器作用下保持全開狀態，使一部分氫氣又流回進氣罐中（這部分氫氣即為原來多壓縮的氣量，現不被壓縮），之后將進氣閥關死，完成正常的壓縮排氣過程。HydroCOM 系統就是能讓進氣閥延遲關閉的一套系統。

這套系統有高度集成的電子控制系統，能夠完全嵌入到裝置現有的DCS 系統中。現場由電子液壓執行機構和進氣閥卸荷器，根據4～20 mA 的控制信號延遲進氣閥關閉的時間來調節每個活塞行程所壓縮的氣量。利用DCS 中的PI 調節器根據實際負荷需求計算出4～20 mA 的控制信號，并把負荷控制信號送給CIU（中間接口單元），CIU 把4～20 mA 的控制信號轉換成電子指令傳送給執行機構。通過執行機構完成上述在適當時間開啟、關閉進氣閥的任務。裝備了氣量無級調節系統后，壓縮機只對實際需要的氣量進行壓縮，從而能夠最大限度地節約資源。

2.3 新舊控制方案對比

在裝備氣量無級調節系統前，氣量調節主要通過旁路返回閥來實現?？刂品桨溉鐖D2 所示。

圖2 原控制方案流程

經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。如此可實現壓縮多余的氫氣流回，達到穩壓的目的。

增加氣量無級調節系統后的控制方案如圖3所示。

新控制方案并未取消旁路閥。因為出于對進氣溫度的考慮，HydroCOM 壓縮機最低負荷不可低于30%。如想壓縮低于30%的氣量，要用壓縮機壓縮30%的氣量，再通過旁路閥流回多余氣量。調節方法見表2。

圖3 新控制方案流程

表2 調節方案

現實際出于對生產調節的考慮，負荷在80%左右，而旁路閥并未完全關閉，有20%左右的開度，若將旁路閥20%開度關閉會進一步節能。

2.4 系統基本配置

氣量無級調節系統的基本配置如圖4 所示。

圖4 HydroCOM 系統的基本組成

由圖4 可知，氣量無級調節系統主要由以下幾部分組成：

1）執行機構（Actuator）。從CIU 接收指令驅動進氣閥卸荷器，通過控制卸荷器來操縱進氣閥的開啟與閉合。執行機構由外部電源供電，液壓油站供油。

執行機構結構見圖5。執行機構控制見圖6。

圖5 HydroCOM 執行機構結構

圖6 HydroCOM 執行機構控制

2）CIU 中間接口單元。CIU 是執行機構、上死點傳感器和DCS 系統之間的接口，由CIU 連接協調整個HydroCOM 系統和DCS 系統，作為信號交流紐帶。

3）直流48 V 供電電源（EPS）。EPS 負責給執行機構提供48 V 直流電源。

4）液壓油站（HU）。向執行機構提供驅動壓縮機氣閥動作的液壓動力。

5）隔離放大器（IA）。用于隔離危險區域和安全區域，把現場信號轉化為到安全區域的晶體管輸出。

6）上死點傳感器（TDC）。同步測量曲軸的旋轉，經過推算，能實時提供活塞在氣缸中的即時位置給CIU，執行機構據此來控制進氣閥的開啟和閉合時間，也可測量壓縮機的轉速。

壓縮機的每一個進氣閥上都裝配一個執行機構，由外部電源提供48 V 直流電，由液壓油站提供液壓油。CIU 通過數據總線將進氣閥開啟或關閉的信息傳輸給這些執行機構。CIU 通過上死點傳感器和一個隔離放大器與壓縮機轉速保持同步。CIU通過接收DCS 系統的4～20 mA 的信號，獲知每級需要的氣量。CIU 反饋每個進氣閥的閥窩溫度，再以4～20 mA 信號的方式傳輸給DCS。信號也可通過Modbus 接口轉換給DCS。

圖7 聯鎖圖

2.5 系統投用聯鎖情況

如圖7 所示，當壓縮機電動機運行，液壓油站電動機運行，氣量調節負荷大于0%三者同時滿足時CIU 可以投用。在維護旁路運行的情況下，當發生以下問題時聯鎖停液壓油站電動機。

◇CIU 投用且錯誤時；

◇液壓油站電動機運行且壓力低低報警時；

◇液壓油站液位低時；

◇液壓油站溫度高高報警時。

一旦出現問題聯鎖停液壓油站電動機后，HydroCOM 系統可自動停止工作，并改用旁路閥來調節壓縮機的氣量。

2.6 使用效果

2.6.1 節能效果

本系統投用后，在連續重整裝置進料量91 t/h的工況下，壓縮機負荷為80%，節能效果明顯。表3 為K-202C 氣量無級調節系統改造前后數據對比。

表3 K-202C 在不同負荷下的電流

按負荷80%、電流165 A 計算，每小時節電320 kWh，每天節電7 680 kWh；按每度電0.67 元計算，每天可節約電費5 145.6 元，每年節約電費約187.81 萬元，經濟效益十分可觀。而且，如果旁路閥全關，還將產生更大經濟效益。

2.6.2 系統效果

K-202C 壓縮機上裝備了氣量無級調節系統后，可實現壓縮機30%～100%負荷范圍內無級調節，達到平穩過渡。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。在系統出故障時可自動停止工作，而壓縮機將以100%負荷運行，并借助原旁路調節方式進行氣量調節。另外，開停機也更加簡便，提高了壓縮機的可靠性和安全性。

2.7 使用中出現的問題及改進措施

問題一：蓄能器系統支架固定不穩。

改進措施：由于機組二層平臺板處無合適鋼梁用以焊接蓄能器支架，考慮到機組運轉過程中平臺振動較大，若蓄能器振動過大，有將液壓油系統接頭震松動的風險，影響機組穩定運行。因此，將施工方案變更，加設部分鋼梁及更換蓄能器支架型鋼，以確保蓄能器支架穩固。

問題二：試運行過程中，由于液壓油系統有故障，在關閉油站的過程中，機組負荷并未達到原計劃中所要求的100%負荷，而是瞬間降至0 負荷，10 s 后自動恢復至100%負荷，造成工藝條件大幅波動。

改進措施：經相關技術人員分析認為，當停液壓油泵的瞬間，執行機構內殘存的液壓油在CIU 仍處于投用狀態下將進氣閥全部頂開，因此負荷瞬間降至0。后將聯鎖邏輯中“液壓油站電動機運行”后增加60 s 延時，確保在液壓油站故障時，把殘余的液壓油油壓泄完后再將CIU 切除，以實現機組負荷穩定。

問題三：個別氣閥閥窩溫度過高，存在倒氣現象。

改進措施：在適當時機拆裝檢修，并準備相關備件。

3 結論

氣量無級調節系統在4M40 壓縮機上的改造是成功的。系統自2013年11月初投用以來，狀態良好，壓縮機運行狀態也更加平穩，可實現壓縮機30%～100%負荷范圍內無級調節。改造后節能效果明顯，年節約電費約187.81 萬元，而且還有提升空間。

某公司的HydroCOM 氣量無級調節系統已引入國內多年，為成熟技術。在當今大力提倡節能減排的形勢下，此系統成功運用既可以節約能源，獲取經濟效益，又可為壓縮機長時間穩定運行提供保障。

[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.